Мощность машин и её преобразование в механизмах 20 страница
R=Rτ=τmin/τmax=Fmin/Fmax.
Если при вычислении γ по формуле (1) получают γ > 1, то в расчет принимают γ =1. Это обычно получается при большой асимметрии цикла (R > 0) и указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статическая прочность.
Все принятые в инженерной практике методы расчета сварных соединений являются приближенными, дающими возможность получить решение с меньшей затратой времени.
Сварные швы разделяют на рабочие и связующие. На прочность рассчитывают только рабочие швы, которые воспринимают и передают рабочую нагрузку между соединяемыми деталями. Связующие швы служат только для связи элементов в неразъемную конструкцию. Они мало нагружены и их не рассчитывают.
Например, на рис.17.2 рабочими являются швы (№1) крепления консоли 2 к колонне 1; связующими – швы (№2) соединения полок и стойки консоли, швы (№3) соединения стенки 3 и консоли, швы (№4) сварки площадки 4 с полкой консоли.
Рис.17.2
Расчет сварных стыковых соединений
Швы этих соединений работают на растяжение, сжатие и изгиб в зависимости от направления действующей нагрузки (рис.13). Основным критерием работоспособности стыковых швов является их прочность шва или околошовной зоны.
При расчёте стыковых швов высоту шва принимают равной толщине свариваемого металла, независимо от наличия выпуклости (усиления) или вогнутости (ослабления или мениска).
|
|
|
Сварные соединения встык являются наиболее рациональными, приближающими по форме и прочности составные детали к целому изделию.
При хорошем качестве провара шва стык обеспечивает состояние, близкое к равнопрочности сварного шва и детали при статическом нагружении.
Стыковое соединение во многих случаях является наиболее простым и надежным. Его следует применять везде, где допускает конструкция изделия. В зависимости от толщины соединяемых деталей соединение выполняют с обработкой или без обработки кромок, с подваркой и без подварки с другой стороны (рис. 18).
Рис.18
При малых толщинах обработка кромок не обязательна, а при средних и больших толщинах она необходима по условиям образования шва на всей толщине деталей. Автоматическая сварка под флюсом позволяет увеличивать предельные толщины листов, свариваемых без обработки кромок, примерно в два раза, а угол скоса кромок уменьшить до 30–35° (на рис. 18 показаны швы, выполняемые при ручной сварке).
Сварить встык можно не только листы или полосы, но также трубы, уголки, швеллеры и другие фасонные профили. Во всех случаях составная деталь получается близкой к целой.
|
|
|
Предполагают, и это подтверждают испытания, - что при нагружении шов разрушается в зоне термического влияния.
Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагрева при сварке изменяются механические свойства металла. Понижение механических свойств в зоне термического влияния особенно значительно при сварке термически обработанных, а также наклепанных сталей. Для таких соединений рекомендуют термообработку и наклеп после сварки. Практикой установлено, что при качественном выполнении сварки разрушение соединения стальных деталей происходит преимущественно в зоне термического влияния. Поэтому расчет прочности стыкового соединения принято выполнять по размерам сечения деталей в этой зоне. Возможное снижение прочности деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначении допускаемых напряжений.
Нагрузку, приложенную к сварочному шву, считают равномерно распределённой по всей длине шва, поэтому длину ограничивают шириной свариваемых деталей. В то время как измерения, выполненные на реальных швах, свидетельствуют о существенной неравномерности распределения нагрузки по длине шва, для большинства их типов.
|
|
|
Распределение напряжений по толщине шва — неравномерное.
Стыковые швы могут воспринимать произвольно направленные нагрузки и моменты.
При конструировании стыковых швов необходимо решить вопрос о способе разделки кромок и в соответствии с этим выбрать буквенно-цифровое обозначение шва.
При действии на соединение нескольких силовых факторов применяют метод независимости действия сил (метод суперпозиции), т.е. определяют напряжение от каждого силового фактора отдельно, а затем расчет ведут по эквивалентным напряжениям: обычно — по четвертой теории прочности:
где σΣ - наибольшее суммарное нормальное напряжение в шве;
τΣ - наибольшее суммарное касательное напряжение в шве;
[σ]p - допускаемое напряжение для сварного шва.
Проверочный расчет прочности стыкового шва.
Условие прочности на растяжение:
где — расчетное и допускаемое напряжения на растяжение для шва (табл. 3); F — нагрузка, действующая на шов; δ — толщина детали (толщину шва принимают равной толщине детали); lш — длина шва.
Условие прочности на изгиб:
Отношение к допускаемому напряжению на растяжение для основного металла детали [σ]р. является коэффициентом прочности сварного соединения:
|
|
|
Величина φ колеблется в пределах 0,9–1,00, т. е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединенными деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, применяют косые швы (рис. 18.1). Расчет косого шва выполняют по формулам (2) и (2.1), в которых принимают .
Рис. 18.1. Косой стыковой шов
Проектировочный расчет. Целью этого расчета является определение длины шва.
Исходя из основного условия прочности (2), длину стыкового шва при действии растягивающей силы определяют по формуле
Расчет сварных соединений внахлестку
Сварные соединения внахлестку выполняют угловым (валиковым) швом (рис.19). Угловые швы соединения внахлестку могут воспринимать произвольно направленные силы и моменты.
Соединения обычно воспринимают нагрузку в плоскости стыка.
Угловые швы соединений внахлестку могут иметь сечения: нормальные (треугольные), выпуклые и вогнутые. Наиболее целесообразный с точки зрения снижения концентрации напряжений и в условиях работы при переменных во времени нагрузках шов — вогнутый, но — и наиболее сложный в изготовлении. Вогнутость шва достигается обычно механической обработкой, которая значительно увеличивает стоимость соединения. Поэтому такой шов применяют только в особых случаях, когда оправдываются дополнительные расходы. Выпуклый шов также сложен в изготовлении, имеет повышенную концентрацию напряжений и применяется в специальных случаях. Наиболее распространенное сечение шва – нормальное (треугольное).
Основные геометрические характеристики поперечного сечения нормального углового шва – катет k и расчетная высота – βk. Величина последней по сути есть глубина проплавления соединяемых деталей, зависящая от технологического процесса сварки. При ручной и многопроходной автоматической или механизированной сварке β=0,7; при двух- и трехпроходной механизированной сварке β=0,8; при двух- и трехпроходной автоматической, а также однопроходной механизированной сварке β= 0,9; для однопроходной автоматической сварки β=1,1.
В большинстве случаев k = δmin, где δmin – меньшая из толщин свариваемых деталей. По условиям технологии k ≥ 3 мм, если δmin ≥ 3 мм. Максимальная величина катета не ограничивается, однако швы с k > 20 мм используются редко.
Разрушение углового шва происходит по сечению m – m (рис. 19). Площадь опасного сечения шва равна βkl, где l – длина шва.
Рис.19
При использовании угловых швов расчет ведут при следующих предположениях (допущениях):
1.Свариваемые детали — абсолютно жесткие: деформируются под нагрузкой только швы.
2. Под действием крутящих моментов происходит поворот соединенных деталей относительно центра тяжести сварного стыка в пределах упругих деформаций шва.
3. В опасном сечении шва возникает сложное напряженное состояние. Однако расчет угловых швов при любом способе напряжений ведут по касательным напряжениям. Нормальные напряжения не учитывают.
4. Считают касательные напряжения равномерно распределенными по высоте опасного сечения hоп = 0,7k.
5. Опасное сечение углового шва расположено под углом 45˚.
6. Вид сварки выбран правильно, а качество детали и шва удовлетворяет нормам расчета соединений с угловым швом.
При конструировании соединений следует, если можно, избегать разных толщин соединяемых деталей.
В зависимости от расположения различают швы лобовые, фланговые и косые.
Лобовой шов расположен перпендикулярно, а фланговый – параллельно линии действия нагружающей силы. Обычно применяют комбинированное соединение фланговыми и лобовыми швами. Рассмотрим вначале соединения только фланговыми и только лобовыми швами, а затем кобинированное соединение.
Фланговые швы (рис. 19.1). Основными напряжениями флангового шва являются касательные напряжения m в сечении m – m. По длине шва напряжения τ распределены неравномерно. На концах шва они больше, чем в середине. Неравномерность распределения напряжений объясняется следующим. Предположим, что деталь 2 абсолютно жесткая, а деталь 1 и швы податливые. Тогда относительное перемещение точек b под действием силы F больше относительного перемещения точек a на величину удлинения детали l на участке аb. При этом деформация сдвига и напряжения в шве непрерывно уменьшаются по всей длине шва справа налево. Если обе детали упругие, но жесткость их различна, то напряжения в шве распределяются по закону некоторой кривой, показанной на рис. 19.1. При одинаковой жесткости деталей эпюра напряжений симметрична. Учитывая податливость деталей, можно вычислить напряжения в любом сечении по длине шва. Ясно, что неравномерность распределения напряжений возрастает с увеличением длины шва и разности податливостей деталей. Поэтому применять длинные фланговые швы нецелесообразно.
Рис.19.1
В практике длину фланговых швов ограничивают условием 30 мм ≤ l ≤ 50k. При разработке конструкции соединения внахлестку фланговыми швами из условия равнопрочности шва и основного металла рекомендуется применять величину нахлестки не более lн=1,2b, а при соединении комбинированным швом — не более lн=0,7b, где b - расстояние между фланговыми швами.
Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению, а условия прочности записывают в виде
В тех случаях, когда короткие фланговые швы недостаточны для выполнения условий равнопрочности, соединение усиливают прорезными швами (рис. 19.2) или лобовым швом (см. ниже). Условие прочности соединения с прорезным швом при k=δ
Рис.19.2
Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен утолок (рис. 19.3), равнодействующая нагрузка F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорционально плечам е1 и е2. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполняют с различной длиной так, чтобы
При этом напряжения в обоих швах
Рис.19.3
Если соединение нагружено моментом (рис. 19.4), то напряжения от момента распределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно (рис. 19.4, а) (напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им). Неравномерность распределения напряжений тем больше, чем больше l/b. В общем случае максимальные напряжения можно определить по формуле
где Wρ – полярный момент сопротивления опасного сечения швов в плоскости разрушения.
Для сравнительно коротких швов (l<b), распространенных на практике, применяют приближенный расчет по формуле
При выводе этой формулы условно полагают, что напряжения направлены вдоль швов и распределены по длине швов равномерно (рис. 19.4, б).
Рис.19.4
Лобовые швы (рис.19.5). Напряженное состояние лобового шва неоднородно. Наблюдается значительная концентрация напряжений, связанная с резким изменением сечения деталей в месте сварки и эксцентричным приложением нагрузки. Основными являются касательные напряжения τ в плоскости стыка деталей и нормальные напряжения σ в перпендикулярной плоскости.
По методу, принятому в инженерной практике, лобовые швы рассчитывают только по τ. За расчетное сечение, так же как и во фланговых швах, принимают сечения по биссектрисе m – m. Разрушение швов именно по этому сечению подтверждает практика. При этом
Такая условность расчета тоже подтверждается практикой. Расчет лобовых швов только по τ и сечению m – m делает расчет всех угловых швов единым независимо от их расположения к направлению нагрузки.
Все угловые швы рассчитывают только по τ в сечении m – m. Это практически удобно и упрощает расчеты.
Рис.19.5
Косой шов (рис. 19.6). В случае применения нахлестки, выполненной косым швом, угол наклона шва α из условия равнопрочности шва и основного металла принимают близким к 30˚.
Условие прочности
Рис.19.6
На рис. 19.7 изображен случай, когда соединение лобовым швом нагружено моментом. При этом напряжения σma по торцу полосы распределяются подобно тому, как распределяются нормальные напряжения в поперечном сечении балки при изгибе. Переходя к ранее рассмотренному условному расчету лобовых швов по касательным напряжениям, получаем:
Рис.19.7
Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. При этом для соединения, изображенного на рис. 19.8, получим
Рис.19.8
На рис. 19.9 показан случай, когда соединение нагружено моментом и силой.
Рис.19.9
При расчете такого соединения величина касательных напряжений от момента Т может быть определена по полярному моменту инерции опасного сечения швов (рис. 19.10). В приближенных расчетах полагают, что сопротивление комбинированного шва моменту Т равно сумме сопротивлений, составляющих швов:
T = Tф + Tл,
где Tф и Тл – моменты, воспринимаемые фланговыми и лобовым швами.
Рис. 19.10
Если учесть, что по условиям равнопрочности необходимая длина фланговых швов lф в комбинированном соединении не превышает 0,5lл, то можно применить формулу для определения Tф = τф𝛽klфlл. Для определения Тл используем формулу и запишем Tл = τл𝛽klл2 /6.
Место пересечения швов принадлежит и лобовому, и фланговому швам. Здесь τф=τл. Обозначая это напряжение τT, после подстановки в T = Tф + Tл и несложных преобразований получим
Напряжения в швах от действия силы F определяют по формуле
Обозначив это напряжение τF получим суммарное максимальное напряжение:
τ= τT + τF ≤ [τ’].
Оценивая нахлесточные соединения, отметим, что по форме и расходу материала они уступают стыковым соединениям, но не требуют обработки кромок.
Если в нахлесточном соединении угловые швы не обеспечивают требуемой прочности, то дополнительно к угловым применяют пробочные (рис. 19.11, а), прорезные (рис. 19.11, б), и проплавленные швы (рис.19.11, в).
Пробочный шов получается путем заполнения расплавленным металлом отверстий круглой формы в одной или обеих соединяемых деталях. Прорези прорезных швов могут быть закрытыми или открытыми. Из-за высокой трудоёмкости изготовления, низкой прочности и негерметичности – это один из худших видов соединений. Проплавленные швы – более производительны.
image064
а) б) в)
Рис.19.11
Расчет сварных соединений контактной сварки
Стыковая контактная сварка при соблюдении установленных правил технологии обеспечивает равнопрочность соединения и деталей, поэтому можно не выполнять специальных расчетов прочности соединения при статических нагрузках. Это справедливо только в том случае, если разогрев металла в зоне сварки не влечет за собой снижения его прочности (например, низкоуглеродистые и низколегированные cтали, не подвергающиеся термообработке). В противном случае допускаемое напряжение при расчете деталей в месте стыка снижают с учетом уменьшения прочности материала в зоне термического влияния. При переменных нагрузках допускаемые напряжения понижают по сравнению со статическими, так же как и для стыковых соединений дуговой сваркой.
Расчет сварных соединений точечной сварки
Точечная сварка (рис.19.12) выполняется по ГОСТ 15878-79 «Контактная сварка. Соединения сварные».
Применяют для соединения деталей из тонкого листового материала при соотношении толщин .
Рис.19.12
Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины меньшей из свариваемых деталей:
d=1,2∙δmin+4 мм при δmin≤3,
d=1,5∙δmin+5 мм при δmin>3.
Минимальный шаг t ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок t1 – по торцу и t2 – по длине нормируют с учетом технологических и силовых факторов. Обычно принимают
t = 3d; t1 = 2d; t2 = 1,5d.
Соединения точечной сваркой работают преимущественно на срез. При расчете полагают, что нагрузка распределяется равномерно по всем точкам. Неточность расчета компенсируют уменьшением допускаемых напряжений:
где z – число сварных точек; i =1÷2 – число плоскостей среза. Для конструкции по рис. 19.12,a z = 4, i =l; по рис. 19.12,б z = 2, i = 2.
При нагружении точечных сварных соединений моментом в плоскости стыка деталей расчетную точку и ее нагрузку определяют так же, как и для заклепочных соединений или соединений с болтами, поставленными без зазора.
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 225; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!