Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Детали машин сваривают нз заготовок, получаемых самыми различными способами.

Многие конструкции сваривают нз прокатного матери­ала. К ним относятся рамы, станины, барабаны, корпуса

редукторов, зубчатые колеса (рис. 14.1), штанги с проуши­нами (рис. 14.2), сварные тяги (рис. 14.3). На рис. 14.4, а. . . . . .в приведены сварные конструкции подшипниковых опор разных систем. Все они выполнены из листового проката с усилением корпусов приваркой ребер жесткости. Замена литых деталей машин сварными позволила получить эко­номию до 50% массы металла.

Рис. 14.4. Сварные под­шипниковые опоры

Примерами конструкций, изготовленных из поковок, служат различные сварные валы (рис. 14.5, а, б). Приме­нение составных поковок упрощает изготовление, требует меньшего объема механической обработки и способствует удешевлению производства.

При производстве сварных деталей машин рекомендуется применять листовой прокат, фасонные профили, предпоч­тительно тонкостенные, гнутые, прессованные, штампован­ные заготовки, обеспечивающие возможность изготовления

легких сварных изделий повышенной жесткости и устой­чивости. Штампосварные изделия можно встретить в авиа­ционных конструкциях, тракторах и автомобилях, строи­тельных конструкциях. Область применения штампосвар­ных конструкций непрерывно расширяется. Сварку литых детален применяют для упрощения технологического про­цесса литья.

Масса скрытых стальных деталей часто бывает в два раза меньше, чем литых чугунных, при одинаковых проч­ности и жесткости.

При создании новых, все более модных конструкций тя­желого машиностроения (турбин, котлов, металлургиче­ского и станочного оборудования) изготовление их деталей и узлов литьем, ковкой и штамповкой представляет боль­шие, иногда непреодолимые трудности. Применение злек - трошлаковой сварки открыло путь к созданию комбиниро­ванных сварных изделий больших размеров из отливок, поковок и проката, экономичных по массе, с минимальны­ми припусками на механическую обработку.

Для производства детален машин средних размеров с об­щей площадью сечений до 50 ООО мм* перспективно исполь­зовать стыковую контактную сварку. Таким способом изготовляют, например, картеры тепловозных дизелей, соби­раемые и свариваемые из унифицированных отливок мето­дом последовательного наращивания. При серийном выпу­ске деталей небольших размеров используют контактную сварку, сварку трением, сварку под флюсом, в среде С04 и т. п.

В деталях машин, например в телескопических соедине­ниях трубчатых элементов разных диаметров, в элементах, соединяемых внахлестку и втавр, в изделиях сложной гео­метрической формы, при которых наложение сварных швов оказалось бы затруднительным, целесообразно применять панку.

Помимо процессов сварки и пайки в деталях машин большое значение имеют процессы наплавки. Наплавка применяется не только для восстановления изношенных поверхностей при их ремонте, но и при изготовлении новых деталей с целью придания им желаемых заданных свойств. Так, быстрорежущую сталь наплавляют на поделочную с целью получения недорогих износостойких инструментов, а твердые сплавы на грущнеся поверхности машин и меха­низмов — для повышения их износостойкости. При проек­тировании деталей с наплавкой следует учитывать возмож­ность применения новых способов сварки, например взры­вом. Применяют также поверхностную закалку кислородно - ацетиленовым пламенем и ТВЧ. Этот процесс требует тща­тельной технологической отработки. Тем не менее закалка находит разностороннее применение иа машиностроитель­ных заводах при обработке цистерн, бандажей, крановых бегунов и т. п.

При проектировании деталей машин следует учитывать факторы.

1. Диапазон применяемых марок сталей широк: наряду с низкоуглероднетыми и низколегированными сталями применяют высоколегированные. Иногда заготовки подвер­гают термической обработке до сварки. В качестве кон­струкций предъявляются высокие требования.

2. В деталях машин размеры элементов нередко опре­деляются условиями не прочности, а жесткости. В этом

случае рабочие напряжения принимаются значительно ниже допускаемых.

3. В деталях машин большое значение имеет точность изготовления. Остаточные напряжения в сварных конст­рукциях, находящихся в эксплуатации, с течением времени мен я кіт свое значение. Вследствие этого в конструкции по­являются деформации. Поэтому сварные изделия, изготов­ляемые и обрабатываемые по высшим квалитетам точности, необходимо после сварки подвергать термической обработке (отпуску в нагревательных печах). Особенно необходима высокая точность изготовления в конструкциях с зубчаты­ми зацеплениями, роторных линиях, гироскопических уста­новках.

4. В зонах сварных соединений некоторых низколеги­рованных сталей происходит процесс замедленного распада аустеннтной структуры, вызывающий деформирование сое­динения в течение некоторого времени. В процессе эксплуа­тации сварных соединений из низкоуглсродистой и аусте­ннтной стали изменения размеров обычно не происходит. Существуют разные мероприятия для устранения этого вредного явления. Одно из них — применение рациональ­ной термической обработки изделия после сварки. Полезно снятие остаточных напряжений, так как возникающие при этом пластические деформации ускоряют процесс стабили­зации структур.

5. Механическую обработку сварных деталей машин следует, как правило, производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает перераспределение оста­точных напряжений и искажение ранее обработанных по­верхностей. Однако эти искажения зависят от жесткости разрабатываемых деталей, а также размера снимаемого слоя и могут быть невелики. Поэтому очень часто сварные изделия обрабатывают, не производя вовсе отпуска.

6. «Горячий монтаж», т. е. сборку и сварку механически обработанных заготовок без последующей механической обработки готовой детали, можно применять только при тщательной обработке технологии сварки.

Детали машин часто воспринимают действие динамиче­ских нагрузок. Эго требует проектирования конструкций с возможным устранением концентраторов напряжений. Вли­яние динамических нагрузок учитывают с помощью коэф­фициента і|.

Расчетное усилие при этом
где Рпост — усилие от постоянных нагрузок; Р„оя — уси­лие от полезных нагрузок. Значения ч зависят от вида ма­шины и характера ее работы:

Электромашины, шлифовальные станки, ротор­ные компрессорные турбины 1,0...1,1

Двигатели внутреннего сгорания, поршневые на­сосы и компрессоры 1,2... 1,5

Волочильные станки, рычажные прессы, пильные рамы 1,5...2,0

Прокатные станы, камнеломиые машины.... 2,0...3,0

Помимо увеличения заданных значений статических уси­лий при проектировании деталей машин производится снижение допускаемых напряжений с учетом вибрацион­ного действия на деталь. Это снижение допускаемых на­пряжений в основном металле производится с учетом комп­лекса факторов, рассматриваемых в специальных курсах применительно к каждой отрасли техники.

Допускаемые напряжения в сварных соединениях дета­лей машин снижаются относительно допускаемых напря­жений |о'|р путем умножения на коэффициенту», вычисляе­мый в зависимости от эффективного коэффициента концент­рации сварного соединения К» (см. гл. 5).

Таким образом, площадь расчетного сечения шва при растяжении элементов

^трев = пост "4" Рпол Ч)/|°'1рУ.- (14.2)

Аналогичным образом определяют момент сопротивле­ния сечения при изгибе:

Мпост 4~ Мпол Ч l°J)pYc

где ус — коэффициент снижения допускаемых напряжений.