5. Сварные соединения (0,75 часа).

Сварка - это технологический процесс соединения металлических деталей, основанный на использовании сил молекулярного сцепления и происходящих при сильном местном нагреве их до расплавленного (сварка плавлением) или пластического состояния с применением механического усилия (сварка давлением). Сварка является одним из самых распространенных современных прогрессивных способов получения различных машиностроительных, строительных и других конструкций.

Затвердевший после сварки металл, соединяющий сваренные детали, называется сварным швом.

К достоинствам сварных соединений можно отнести: существенная экономия металла, значительное снижение трудоёмкости процесса изготовления по сравнению с клёпкой, равнопрочность шва и соединяемых деталей.

К недостаткам сварных конструкций относятся: появление остаточных напряжений в свариваемых элементах после окончания процесса сварки, коробление, плохое восприятие переменных и особенно вибрационных нагрузок, сложность и трудоёмкость контроля качества сварных швов.

5.1. Конструкция и расчёт на прочность сварных швов

5.1.1 Соединение в стык.

Рис.5.1

Это соединение является наиболее простым и надёжным. В зависимости от толщины соединяемых элементов его выполняют по одному из вариантов, изображенных на рис.5.1.

При малых толщинах (рис.5.1,б) обработка кромок не обязательна, а при средних (рис.5.1, в) - V-образный и при больших (рис.5.1,г) - U - образный она необходима по условиям образования шва на всей толщине деталей.

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания при сварки изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термического влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклёпанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и наклеп после сварки.

Практикой установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение соединения происходит в зоне термического влияния.

а) на растяжение

б) на изгиб

Здесь b и δ - ширина и толщина детали.

Рис.5.2

5.1.2 Соединение в нахлёстку.

Соединение в нахлёстку выполняют с помощью угловых швов. Различают следующие виды угловых швов (рис.5.2): 1- выпуклый, получен при сварке; 2-нормальный (расчётный); 3-вогнутый, такой шов снижает концентрацию напряжений и рекомендуется при действии переменных нагрузок.

Вогнутый и нормальный швы достигают обычно обработкой, что значительно увеличивает стоимость соединения. Поэтому такие швы применяют тогда, когда дополнительные расходы оправдываются. Геометрические характеристики углового шва (рис.5.2): катет-k, высота-h=k sin45^~0,7k. По условиям технологии минимальную величину к принимают равной 3 мм.

Различают швы: лобовые, фланговые, косые. Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый - параллельно линии действия нагружающей силы.

Фланговый шов (рис.5.3.) основные напряжения флангового шва касательные напряжения τ в биссекторной плоскости.

По длине шва напряжения τ распределены неравномерно. На концах шва они больше, чем в середине. На практике длину фланговых швов ограничивают условием l≤50k.

Рис.5.3

Расчёт таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению. Условие прочности записывается в виде.

Здесь 0,7k - толщина шва в сечении по биссектрисе m-m. Если длина фланговых швов недостаточна для выполнения условий равнопрочности, соединение усиливают прорезными швами (рис.5.4).

Условие прочности соединения прорезным швом при k=S

Рис.5.4

Лобовой шов (рис 5.5) лобовой шов накладывают перпендикулярно к линии действии нагрузки F. По методу, принятому в инженерной практике, лобовые швы рассчитывают только по касательным напряжениям в биссекторной плоскости

Рис.5.5 Рис.5.6

Если соединение одним угловым швом нагружено изгибающим моментом (рис.5.6), то при этом возникнут нормальные напряжения, которые по величине и закону распределения определяются как нормальные напряжения при изгибе балки

5.1.3 Соединение в тавр (в притык) (рис.5.7).

В тавр (впритык) соединяют элементы, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок (рис.5.7,а) или угловыми швами без разделки кромок (рис.5.7,6).

Рис.5.7

При нагрузке, показанной на рис.5.7, прочность соединения определяют по формулам:

для стыкового шва

для угловых швов

Ha рис.5.8 показано соединение в тавр, нагруженное крутящим моментом. Так как катет шва к мал в сравнении с размером детали d, то можно считать, напряжения τ от крутящего момента Т распределены равномерно по кольцевой площадке разрушения шва, равной 0,7πd_cp.

Рис.5.8

Средний диаметр этой площадки

d_cp=(d + 0,7k)=d

5.2. Допускаемые напряжения

Допускаемые напряжения для сварных соединений из низко- и среднеуглеродистых сталей, а также из низколегированных сталей при статических нагрузках:

[σ`]=(1..0,9)[σ],

где [σ`]-нормальное допускаемое напряжение для сварной конструкции;

[σ]- нормальное допускаемое напряжение для материалов соединяемых деталей;

[σ`]=0,6 [σ],

[τ`]-касательное допускаемое напряжение для сварной конструкции.

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения понижают умножением на коэффициент γ, меньший единицы.

На основе экспериментальных и теоретических исследований величину γ вычисляют по формуле

Здесь r= σ_min /σ_max или r= τ_min / τ_max - коэффициент асимметрии цикла напряжений;

K_ef - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

знак "+" - при растягивающих напряжениях, "-" - при сжимающих напряжениях.

Таким образом [σ`]`= γ[σ`], [τ`]`= γ[τ`],

где [σ`]`- нормальное допускаемое напряжение для сварных конструкций при переменной нагрузке;

[τ`]`- нормальное допускаемое напряжение для сварных конструкций при переменной нагрузке.

Вопросы для самопроверки:

1. Классификация шлицевых соединений.

2. Центровка шлицевых соединений.

3. Расчет шлицевых соединений на прочность..

4. Посадки шлицевых соединений.

5. Обозначение шлицевых соединений.

6. Достоинства и недостатки заклепочных соединений.

7. Виды заклепок и заклепочных швов.

8. Расчет заклепочных швов ( прочные швы и прочноплотные швы).

9. Конструкция и расчет на прочность стыковых швов.

10. Конструкция и расчет на прочность нахлесточных швов.

11. Допускаемые напряжения для сварных швов.

ЛЕКЦИЯ № 25.

6. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С ГАРАНТИРОВАННЫМ НАТЯГОМ (0,5 часа).

(6.3)

Где - безразмерные комплексы;

Е₁ и Е₂, v₁ и v₂ - соответственно модули упругости и коэффициенты Пуассона для материалов вала и ступицы, размеры диаметров d, d₁ и d₂ показаны на рис.6.1.

Расчётный максимальный натяг N_p.max, допустимый по условиям прочности при отсутствии пластических деформаций:

, мм, (6.4)

где , Н/мм^2 - максимальное посадочное давление.

σ_m - предел текучести материала ступицы.

Зная Р_mах, можно подсчитать усилие запрессовки

, Н, (6.5)

где параметры те же, что и в формуле (6.1) (кроме Р_{mах f} ).

Действительные (потребные) минимальный и максимальный натяги с учётом поправки на обмятие микронеровностей обработки поверхностей вала R_z1 и ступицы

R_z2:

, мм, (6.6)

Наконец, по таблицам допусков и посадок в системе отверстия выбираем посадку с учётом найденных по формуле (6.6) N_dmin и N_d.max, по следующим соотношениям

ei -ES ≥N_dmin

es ≤ N_dmax

В соотношениях (6.7) и на рис.6.2 обозначены:

D_ном -d - за номинальный диаметр принимаем d (рис.6.1);

es и ES - верхние отклонения вала и отверстия;

ei - нижнее отклонения вала;

Td и TD - допуски для вала и отверстия.

Наиболее характерные посадки это неразъёмные соединения с запрессовкой, нагревом (охлаждением), передающие крутящий момент Т за счёт сил трения F_mp между валом и ступицей (бандаж ж/д колеса на ступице, венец червячного колеса и др.). Натяг N=d_u-d_отв>0 - положительная разность размеров. Натяг за счёт нагрева (хуже) и охлаждения (лучше) жидким воздухом в 1,5-2,5 раза увеличивает надёжность сопротивления смещению по сравнению с запрессовкой (гребешки высот неровностей обработки контактирующих поверхностей R_z1 (вал) и R_z2 (втулка) меньше мнутся).

При совместном действии F_a и Т (рис.6.1) (наиболее общий случай в виде комбинированной нагрузки) сила трения, минимально необходимая для работы соединения

, Н (6.1)

Откуда минимально необходимое посадочное давление на сопряженных поверхностях

, Н/мм^2 (6.2)

В формулах (6.1) и (6.2): К_си=1,5-3 - коэффициент запаса сцепления (от ответственности соединения); f - коэффициент трения, составляющий 0,2-0,3 в зависимости от материала вала и втулки, способа создания натяга; l и d показаны на рис.6.1

Рис.6.1

Расчётный минимальный натяг N_pmin (мм) связан с P_min зависимостью, вытекающий из решения Лямо для толстостенных сосудов:

(рис.6.2), и другие.

Ступицу (втулку) можно спрессовать (снять) с вала (ограниченное число раз с потерей надёжности). В этом смысле соединение с гарантированным натягом можно считать условно разъёмным.

Рис.6.2