Источник теоретического материала 1.6.1.5 / Лекции 7 семестр / Лекция 13

11

Лекция № 13-2ч.

Масса и металлоемкость конструкций и пути их снижения.

План лекции.

1. Общие сведения.

2. Пути снижения массы и металлоемкости.

3. Выбор материала.

4. Облегчение деталей.

5. Влияние вида нагружения.

6. Совершенствование конструктивной схемы.

1. Общие сведения.

В машиностроении уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления. Естественно наибольшие возможности экономии металла заложены при массовом выпуске машин. (отрасль ГПМ).

Внимание!

1).Уменьшение массы конструкции не самоцель. Расходы на материал составляют в общем небольшую часть стоимости ГПМ и очень мало влияют на экономический эффект за все время эксплуатации, который зависит главным образом от надежности ГПМ.

2). Если уменьшение массы сопряжено с опасностью уменьшения надежности ГПМ, то целесообразно, особенно в общем машиностроении, сдерживать тенденцию к снижению массы.

3). Лучше иметь более тяжелую машину, но надежную.

Сравнительные качества машин одинакового назначения оценивают показателем удельной массы, представляющей собой отношение массы машины на ее основной параметр для ГПМ грузоподъемность Q, для машин-генераторов мощность агрегата N.

,

Показатель q, учитывающий степень конструктивного совершенства ГПМ, а также степень применения легких сплавов и неметаллических материалов надо снижать.

Двигатели внутреннего сгорания:

,

1). стационарные q=10-20 кг/кВт

2). судовые q=4-10

3). автомобильные q=2,5-9,5

4). авиационные q=0,7-1,0

Краны (мостовые) в зависимости от пролета L=10,5; 16,5; 22,5; 28,5; 34,5.

1). Q=5т, тогда q=1,8-4,7

2). Q=10т, тогда q=1,1-2,9

3). Q=20/5т, тогда q=0,95-2,32

4). Q=50/12,5т, тогда q=0,72-1,46

5). Q=500т, тогда q=0,8Const.

Рисунок 1. Снижение показзателя удельной массы q мостового крана полетом L=10,5м.

ВНИМАНИЕ!

Пролет кранов мостового типа имеет различие в 6м!!

Внимание!

Масса и металлоемкость понятия не равнозначные!

>Мет ,

Металлоемкость лучше всего выражать объемом металлических деталей, составляющих ГПМ. Тогда целесообразно ввести понятие удельной металлоемкости:

,

где V -объем металлических деталей;

Q-грузоподъемность (основной параметр);

, .... -суммарные массы деталей с различной

плотностью;

......-плотность деталей (удельный вес).

2. Пути снижения массы и металлоемкости.

1. Выбор рациональных форм поперечных сечений элементов конструкции;

1. Выбор рационального материала;

2. Увеличение прочности и жесткости сечений;

3. Использование равнопрочности;

4. Облегчение деталей;

5. Применение листовых штампованных конструкций;

6. Влияние вида нагружения;

7. Совершенство конструктивной схемы;

8. Уточнение расчетных напряжений;

9. Способы упрочнения материалов;

10. Применение сверхпрочных материалов и легких сплавов;

11. Применение неметаллических материалов.

1. Рациональные сечения элементов конструкций (стержни, валы, балки и т.д.) в зависимости от вида деформаций (растяжение-сжатие, изгиб, кручение и т.д.)

а). растяжение-сжатие это наиболее экономичная деформация, т.к. по всей длине стержня и в каждой точке поперечного сечения напряжения одинаковы.

Внимание!

1. Это только для коротких стержней ()

1. Для длинных стержней (l>5b) при сжатии возникает дополнительно продольный изгиб и стержни необходимо проверять на продольную устойчивость (Эйлер, Ясинский).

б). изгиб

Т.к. максимальные напряжения наиболее удалены от нейтральной оси, то и сечения (площадь, материал) должны быть удалены от нейтральной оси.

Аналогично изгибу удалены от центра тяжести, поэтому и сечения надо использовать замкнутого профиля, это так называемый метод ” выравнивания напряжений по сечению”.

Изгиб (круглое сечение)

Рис.2. Изменение нормальных напряжений в цилиндрических сечениях. (Для наглядности напряжения совмещены с плоскостью рисунка).

3. Выбор материала.

Рациональное использование материалов в зависимости от типа нагружения и условий работы:

1). Статическая нагрузка

Пластические материалы:

• растяжение;

• сжатие;

• изгиб;

• кручение.

Хрупкие материалы:

• сжатие.

2). Ударные нагрузки:

• Пластические материалы;

• Хрупкие материалы редко.

3). Циклические нагрузки:

• Пластические материалы.

4). Устойчивость сжатых стержней:

l>5b (гибкие стержни)

4. Облегчение деталей.

Если полную равнопрочность трудно обеспечить из-за сложной конфигурации деталей и неопределенностью действующих в ней напряжений, то ограничиваются удалением металла из явно малонагруженных участков, находящихся в стороне от силового потока.

Примеры:

а)

б)

в)

г)

д)

В серийном производстве , когда масштаб выпуска оправдывает изготовление штампов , целесообразно переводить на листовую штамповку крупные детали ( щитки , панели , кожухи , шкивы и др. )

Рисунок 4. Замена литых деталей штампованными.

В рамных и ферменных конструкциях значительного снижения массы можно достичь применением холодногнутых профилей.

Рисунок 5. Холодногнутые профили.

Пониженную прочность и жесткость тонкостенных конструкций компенсируют приданием сводчатых форм , выдавливанием рельефов , отбортовкой , введением связей и т.д.

5. Влияние вида нагружения.

(Рациональное нагружение деталей с максимальным использованием их материала)

Рис. Распределение напряжений в цилиндрических сечениях.

Величина напряжений условно показана толщиной линии штриховки .

Для изгиба и кручения (схемы а и б ) напряжения максимальны в крайних волокнах и убывают до нуля к центру .

Наиболее выгоден случай растяжения - сжатия , когда все точки сечения работают максимально ( т.е. материал используется более полно ).

Внимание 1) Где только возможно , следует заменить изгиб растяжением - сжатием . ( Применение стержневых и ферменных конструкций , обратный прогиб балок , предварительно напряженные и т.д.)

2) Там где прогиб неизбежен , его отрицательное влияние следует компенсировать следующими конструктивными приемами :

а) применять рациональное сечение с разноской материала по направлению действия максимальных напряжений

б) уменьшать сокращением плеча изгибающей силы (рациональное расстояние опор , устранять консольное нагружение и т.д. )

3). Избегать асимметричного нагружения .

Рисунок 7. Схема нагружения.

а- внецентренное растяжение (растяжение+изгиб)-плохо!

б- центральное растяжение -хорошо!

4). Рациональное расположение деталей по отношению к нагрузке

а). Чугунный кронштейн

Рисунок 8. Нецелесообразная (а) и целесообразная (б)конструкция чугунного кронштейна.

б). Прокатный профиль (изгиб консоли)

Рисунок 9. Напряжение в асимметричных профилях (эпюры чертежей условно совмещены с плоскостью чертежа).

Схемы а и б нерациональные. Пониженный уровень растягивающих напряжений в схемах б и г способствует упрочнению детали несмотря на одновременное повышение напряжений сжатия. Деформация растяжения опаснее сжатия, т.к. при растяжении микротрещины “раскрываются”, а при сжатии “закрываются”.

6. Совершенствование конструктивной схемы.

Наибольшие возможности снижения металлоемкости заложены в применении рациональных конструктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового потока.

а). Уменьшение числа звеньев

1. Двигатель располагать как можно ближе к исполнительному органу ( к барабану в механизме подъема, ходовым колесам в механизме передвижения)

2. Двигатель - кулачковый механизм

а). С нижним расположением распредвала (ГАЗ-24);

б). С верхним расположением распредвала (ВАЗ).

Рисунок 10. Устранение лишних связей.

б). Компактность конструкции

Рисунок 11. Уменьшение габаритных размеров и массы двухступенчатого редуктора.

1. Двухступенчатый редуктор.

2. Применение электроталей которые выполняют роль двух механизмов:

• подъема;

• передвижения.

3. Применение

• “Мотор-барабан”;

• “Мотор-редуктор”.

в). Влияние силовой схемы.

Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы, т.е. от способа восприятия и замыкания главных действующих в конструкции нагрузок.

Силовая схема рациональна, если силы замыкаются на коротком участке элементами, работающими предпочтительно на растяжение или сжатие.

Примеры:

1. Привод роторной машины (предложить более рациональную схему)

Рисунок 12. Улучшение силовых схем.

2. Косозубая передача (предложить варианты уравновешивания осевых сил)

Рисунок 13 Уравновешивание внутренних сил.

3. Привод с промежуточным зубчатым колесом (какая схема наиболее предпочтительна)

Рисунок 14. Схемы приводов с промежуточным зубчатым колесом.