4.2 Общий подход при расчёте суммарных (эквивалентных) напряжений
Нагрузки на машину в целом и на её детали, как известно, могут быть постоянными и переменными во времени. Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в машинах почти не встречаются. Однако, ряд деталей, работает с мало изменяющимися напряжениями и при расчётах их можно принимать как постоянные. Это в основном крепёжные детали, элементы корпусов и резервуаров, фундаментные стойки и т. п.
Переменные напряжения, прежде всего, характеризуются циклом изменения напряжений. Различают следующие циклы изменения напряжений:
- пульсационный (или отнулевой), при котором напряжения меняются от нуля до максимума (зубья колёс, работающих в одну сторону, штоки, толкатели,…);
- знакопеременный симметричный цикл, в котором напряжения меняются от отрицательного до такого же положительного значения (напряжения изгиба во вращающихся валах);
- знакопеременный или знакопостоянный асимметричный цикл, при котором максимальное значение напряжений в каждом цикле изменяется по величине (является наиболее общим для конструкций и деталей, работающих под нагрузкой).
Суммарные напряжения, возникающие в деталях подавляющего большинства машин, не должны вызывать в них остаточных деформаций, и следовательно не должны приближаться к пределу текучести материала детали, т. е. должны иметь необходимый запас прочности по отношению предела текучести. Отсюда следует, что расчётные зависимости при прочностных расчётах необходимо проводить в пределах действия закона Гука.
Рекомендуется три подхода при определении суммарных эквивалентных напряжений -
1. При постоянных напряжениях и
одновременном действии изгиба, сжатия
и кручения для пластичных материалов
эквивалентное напряжения вычисляется
по ф-ле :
(4.2.1), где
и
- пределы текучести материала.
2. При постоянных напряжениях и одновременном действии изгиба, сжатия и кручения для хрупких материалов эквивалентное напряжения вычисляется
по ф-ле :
4.2.2, где
,
,
- пределы прочности при растяжении и
сжатии.
Для чугунов
,
для закаленных до HRC=60
сталей
.
Закаленные стали обычно не имеют на
диаграмме «растяжение-сжатие» выраженного
предела текучести и поэтому расчёт
ведётся через предел прочности, с учётом
разницы этого значения при растяжении
и сжатии ( чугуны неплохо работают на
сжатие и очень плохо на изгиб и растяжение).
3. При переменных напряжениях и
одновременном действии изгиба, сжатия
и кручения расчет выполняется по запасу
прочности через предел усталости. Общий
запас прочности
(4.2.3), где
и
- запасы прочности по нормальным и
касательным напряжениям.
;
(4.2.4), где
и
- постоянные составляющие напряжений
(максимальное значение);
и
- переменные составляющие напряжений;
(максимальное значение);
и
- пределы выносливости материала при
симметричном знакопеременном цикле
нагружений;
;
и
- коэффициенты чувствительности материала
к асимметрии цикла напряжений;
и
- эффективные коэффициенты концентрации
напряжений;
- масштабный фактор, учитывающий размеры
детали;
и
- предел выносливости материала при
отнулевом цикле напряжений.
В общем машиностроении принимается n = (1,5-2,5).
В ряде случаев, при упрощенных расчётах, коэффициенты запаса можно устанавливать на основе дифференциального метода в виде произведений частных коэффициентов n=n1*n2*n3 (4.2.5), где,
n1 =(1-1,5); - коэффициент достоверности расчётных нагрузок и напряжений, т.е. это точность наших расчётов. (Погрешность в расчётах до 20% относят к нормальному инженерному расчёту, 10% - к хорошему инженерному расчёту, 5% - это уже научный расчёт, который строится на экспериментальных данных).
n2 - коэффициент, учитывающий однородность свойств материала при выборе заготовки для изготовления детали: n2 = (1,2-1,5) для стальных деталей из поковок и проката; n2 =(1,5-2,5) для литых стальных и чугунных деталей.
n3 - коэффициент, учитывающий специфические требования безопасности. В общем машиностроении n3 = (1,1-1,5). Для конструкций, разрушение которых
особенно опасно для жизни людей (грузоподъёмные машины, котлы под давлением, пассажирские лифты , …), данный коэффициент регламентируется нормами
Ростехнадзора (для эскалаторов метро по разрывному усилию тяговых цепей он равен 15).
Расчёты в предположении всех неблагоприятных сочетаний характеристик материалов, нагрузок и т.д. приводят к ненужному утяжелению машины и, соответственно к увеличению её стоимости. Как это не парадоксально, но стоимость изготовления нестандартного технологического оборудования, в первом приближении, оценивают по массе машины. Отсюда возникают задачи по разработке и использованию приёмов конструирования для снижения массы машин без ухудшения всех остальных параметров.
