Снижение массы несущих конструкций

При создании механизмов и машин с минимальной массой НК целесообразно придерживаться следующих правил:

- простота несущих конструкций;

• оптимальные запасы по прочности.

Известно, что допустимое напряжение [] при расчете деталей на прочность определяется по формуле: []=_пр/n, где _пр – предельное напряжение; n - запас прочности

Рисунок 3 – Равнопрочная деталь

Равнопрочность деталей

Увеличение запаса прочности n ведет к неоправданному увеличению массы деталей, а уменьшение его – к ухудшению надежности работы расчетных элементов и, следовательно, всей машины. Поэтому запас прочности n необходимо выбирать с учетом вида выполняемой машиной нагрузки, ее долговечности, сохраняемости и других требований к конкретной установке.

Равнопрочная деталь, работающая на растяжение – сжатие, должна иметь одинаковые напряжения во всех сечениях. Например, в детали, показанной на рисунке 3, напряжения в сечениях I, II и III будут определяться

(3)

При изгибе, кручении и других сложных напряженных состояниях напряжения по сечению распределяются неравномерно. В этом случае равнопрочностными считаются детали, у которых напряжение в каждом сечении, определяемые по формуле, будут одинаковыми, т.е. M_и/W_x=const, где M_и – изгибающий момент, действующий на каждое сечение;W_x – момент сопротивления данного сечения.

Оптимальная жесткость деталей

Жесткость оценивается коэффициентом жесткости , который для случая растяжения-сжатия _р.сж.=EF/l, для случая изгиба _и=AEI/l², где Е – модуль упругости материала; F и l – сечение и длинна балки; А – коэффициент, зависит от вида балки и условий нагружения (таблица 2).

Условие равнопрочности деталей, изготовленных из одинакового материала:

- для случая растяжения-сжатия _р.сж.= EF/l = const;

- для случая изгиба _и = АЕS / F

Из приведенных выражений видно: жесткость зависит от вида балки и нагрузки (коэффициент А лежит в широких пределах от 3 до 192);влияние длинны детали невелико в случае растяжения-сжатия (жесткость обратно пропорциональна первой степени длинны) и значительно при изгибе (жесткость обратно пропорциональна третьей степени длинны); на жесткость влияют размеры и форма сечения (для случая растяжения-сжатия жесткость пропорциональна квадрату, а при изгибе – четвертой степени размеров сечения). Поскольку линейные размеры деталей НК определяются габаритами машин полиграфического оборудования, то жесткость конструкции будет зависеть от формы и размеров сечений деталей.

Оптимальную жесткость деталей необходимо получать способами, не требующими увеличения массы:

- в листовых деталях необходимо вводить отбортовки, выдавки, ребра жесткости и другие элементы, повышающие жесткость. Если на отбортовки I и II (рисунок 4,а) и выдавки III и IV, то момент инерции I_x таких деталей в зависимости от высоты h отбортовок и выдавок по сравнению с моментом инерции I_x^! листа увеличится от десятков до сотен раз (см. рисунок 4, б, где кривые I-IV относятся к соответствующим профилям);

- для сопряжения стержневых деталей каркасов и рам необходимо вводить косынки, которые значительно повышают жесткость последних;

- необходимо напряжение изгиба в деталях заменить напряжением растяжения-сжатия, вводя дополнительные стержни. Например, прогиб консольной балки 1, имеющей диаметр d (рисунок 5, а), значительно уменьшится, если снизу подпереть ее стержнем 2 (рисунок 5, б), который будет работать на сжатие. При этом диаметр стержня d₁ уменьшится, а общая масса стержней 1 и 2 станет меньше массы стержня с диаметром d;

- необходимо широко применять гнутые профили проката, которые изготовляются из листового материала и являются более экономичными по массе по сравнению со стандартными профилями.

Облегчающие отверстия. Во все детали необходимо вводить облегчающие отверстия, выемки, проточки, чтобы изъять лишний материал, не несущий нагрузки. На рисунке 6, в показана зависимость выигрыша Q_m массы листовых деталей от введения облегчающих отверстий различных размеров, где а – размеры квадратного отверстия (рисунок 6, а), а d – диаметр круглого отверстия (рисунок 6, б). Из рисунка 6, в видно, что выигрыш Q_m составляет от 28 до 78%.

Рис.5 – Зависимость изгиба балки сжатием

Рис.6 – Облегчающие отверстия (а и б) и зависимость Qm от размеров облегчающих отверстий (в) 1 – для квадратных отверстий; 2 – для круглых отверстий