СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СВАРНЫЕ ДЕТАЛИ МАШИН

Детали машин сваривают из заготовок, получаемых самыми различными способами.

Многие конструкции свари­вают из прокатного материа­ла. К ним относятся рамы, станины, барабаны, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис. 22.1), штанги с проуши­нами (рис. 22.2), тяги (рис. 22.3). На рис. 22.4,а, б, 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% от массы металла.

Примерами конструкций, изготовленных из поковок, служат различные сварные валы (рис. 22.5). Применение составных поковок упрощает изготовле­ние, гребует 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, обес-

Рис. 22.2. Штанги с проушинами

печивающие 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 деталей применяют для упрощения технологического процесса литья.

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

При создании новых, все более мощных конструкций тяжелого машиностроения (турбин, котлов, металлургического и станочного оборудования) изготовление их деталей и узлов литьем, ковкой и штамповкой представляет большие, иногда непреодолимые труд­ности. Применение электрошлаковой сварки открыло путь к со-

зданию комбинированных сварных изделий больших размеров из ■отливок, поковок и проката, экономичных по массе, с минималь­ными припусками на механическую обработку.

Для производства деталей машин средних размеров с общей площадью сечений до 50 ООО мм2 перспективно использовать сты­ковую контактную сварку. Таким способом изготовляют, напри-

мер, картеры тепловозных дизелей (см. рис. 17.10), 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 С02 и т. д.

В деталях машин, например в телескопических соединениях трубчатых элементов разных диаметров, в элементах, соединяемых внахлестку и втавр, в изделиях сложной геометрической формы (сотовые конструкции на рис. 2.35), при которых наложение свар­ных швов оказалось бы затруднительным, целесообразно приме­нять пайку.

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 их поверхности заданных свойств. Так, быстрорежущую сталь на­плавляют на поделочную с целью получения недорогих износо­стойких инструментов, а твердые сплавы на трущиеся 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 на машиностроительных заводах при обработке шес­терен, бандажей, крановых бегунов и т. п.

При проектировании деталей машин следует учитывать следу­ющие обстоятельства.

1. Диапазон применяемых марок сталей широк — наряду с гнизкоуглеродистыми и низколегированными сталями применяют высоколегированные. Иногда заготовки подвергают термической обработке до сварки. К качеству 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 меняют 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).

4. В зонах сварных соединений некоторых низколегированных сталей происходит процесс замедленного распада аустенитной структуры, вызывающий деформирование соединения в течение некоторого времени. В процессе эксплуатации сварных соединений из низкоуглеродистой и аустенитной 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 обрабатываемой детали и 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 отработке технологии сварки.

Детали машин часто воспринимают действие динамических на­грузок. Это требует проектирования конструкций с возможным устранением концентраторов напряжений. Влияние динамических нагрузок учитывают с помощью коэффициента г).

Расчетное усилие при этом равно

R = - РпостЧ-^полТ]» (22.1)

где Рпост — усилие ОТ ПОСТОЯННЫХ нагрузок; Рпол — усилие от по­лезных нагрузок. Значения т} зависят от вида машины и характе­ра ее работы:

Электромашины, шлифовальн те станки, ротационные компрессор­ные турбины 1 —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, камнеломные 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 [сґ]р пу­тем умножения на коэффициент у, вычисляемый в зависимости от эффективного коэффициента концентрации сварного соединения Кэ (см. § 5 гл. 4).

Таким образом, площадь расчетного сечения шва при растяже­нии элементов

ZV=(P пост пол il)/(K]pY). (22.2)

Аналогичным образом определяют момент сопротивления сече - щия при изгибе:

' WTp={M пост + Т]М ПОЛ )/(MpY)- (22.3)

§ 2. Барабаны

Барабаны используют в шаровых мельницах, центрифугах, но •особенно часто их применяют в грузоподъемных машинах и шахт­ных подъемниках. Размеры барабанов различны. Диаметры их колеблются в широких пределах — от нескольких десятков милли­метров до нескольких метров. Длина барабана зависит от его на­значения. Толщина стенок барабана может достигать 75 мм.

В большинстве случаев барабан представляет собой сварную кон­струкцию, изготовленную из листов. Однако в некоторык изделиях •288 ценовой барабана служит каркас, выполненный из профильного Материала. Каркас представляет собой пространственную жесткую Систему, к которой приваривает барабанную обшивку. Такие кон­струкции встречаются сравнительно редко и главным образом в крупных шахтных подъемниках.

Цилиндрическую часть барабана соединяют с торцовыми стенками (днищами). Последние представляют собой плоские круглые листовые элементы, к которым приварены цапфы. В не­которых конструкциях барабанов цапфы являются концами валов, не имеющих разрывов (рис. 22.6,а), в других—валов с разрывом (рис. 22.6,6). Для корпусов барабанов малых диаметров исполь-

зуют трубы или отливки, для средних и больших диаметров кор­пуса барабанов вальцуют из одного или нескольких листов.

Рассмотрим схему конструкции барабана шахтного подъемни­ка. Для удобства навивки каната на поверхности барабана пред­усматривают канавки, соответствующие диаметру этого каната (рис. 22.7,а). Канавки не должны ослаблять сечение барабана. Усилие от натяжения каната вызывает в барабане сжатие. Если напряжения сжатия превзойдут значение, которое называется критическим, то оболочка потеряет устойчивую форму и выпучит­ся (рис. 22.7,6).

Во избежание потери устойчивости повышают жесткость обо­лочки. Для этого приваривают кольцевые элементы жесткости: полосы, швеллеры (рис. 22.7,б), различные штампованные про­фили.

Соединения барабана с торцовой стенкой весьма ответственны, так как передают значительные рабочие усилия. Рациональными являются соединения барабана со стенкой, приведенные на рис. 22.7,г, е, допускается соединение угловыми швами, показан­ное на рис. 22.7,д.

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 [сґ]р пу­тем умножения на коэффициент у, вычисляемый в зависимости от эффективного коэффициента концентрации сварного соединения Кэ (см. § 5 гл. 4).

Р)

Таким образом, площадь расчетного сечения шва при растяже­нии элементов

Fтр= (Рпост+РполТ]) / ([о7]pV) • (22.2)

Аналогичным образом определяют момент сопротивления сече - ашя при изгибе:

WTP=(M пост + Т]М ПОЛ )/(Mpy)- (22.3)

§ 2. Барабаны

Барабаны используют в шаровых мельницах, центрифугах, но особенно часто их применяют в грузоподъемных машинах и шахт­ных подъемниках. Размеры барабанов различны. Диаметры их колеблются в широких пределах — от нескольких десятков милли­метров до нескольких метров. Длина барабана зависит от его на­значения. Толщина стенок барабана может достигать 75 мм. В большинстве случаев барабан представляет собой сварную кон­струкцию, изготовленную из листов. Однако в некоторык изделиях 288 основой барабана служит каркас, выполненный из профильного материала. Каркас представляет собой пространственную жесткую систему, к которой приваривает барабанную обшивку. Такие кон­струкции встречаются сравнительно редко и главным образом в крупных шахтных подъемниках.

Цилиндрическую часть барабана соединяют с торцовыми стенками (днищами). Последние представляют собой плоские круглые листовые элементы, к которым приварены цапфы. В не­которых конструкциях барабанов цапфы являются концами валов, не имеющих разрывов (рис. 22.6,а), в других—валов с разрывом (рис. 22.6,6). Для корпусов барабанов малых диаметров исполь-

зуют трубы или отливки, для средних и больших диаметров кор­пуса барабанов вальцуют из одного или нескольких листов.

Рассмотрим схему конструкции барабана шахтного подъемни­ка. Для удобства навивки каната на поверхности барабана пред­усматривают канавки, соответствующие диаметру этого каната (рис. 22.7,а). Канавки не должны ослаблять сечение барабана. Усилие от натяжения каната вызывает в барабане сжатие. Если напряжения сжатия превзойдут значение, которое называется критическим, то оболочка потеряет устойчивую форму и выпучит­ся (рис. 22.7,6).

Во избежание потери устойчивости повышают жесткость обо­лочки. Для этого приваривают кольцевые элементы жесткости: полосы, швеллеры (рис. 22.7,в), различные штампованные про­фили.

Соединения барабана с торцовой стенкой весьма ответственны, так как передают значительные рабочие усилия. Рациональными являются соединения барабана со стенкой, приведенные на рис. 22.7,г, е, допускается соединение угловыми швами, показан­ное на рис. 22.7Д

Расчет прочности барабана производят на сжатие, изгиб и кручение. Рассмотрим элемент обода под канатом (рис. 22.7,ж). Усилие в ободе N уравновешивает силу Р, приложенную к канату. Поэтому напряжение сжатия в ободе

G=Pj(ds), (22.4)

где d—ширина обода, равная диаметру каната; s — толщина обода (рис. 22.7,з).

Рассмотрим, в какой степени сжимающие напряжения могут быть опасны для обода с точки зрения потери устойчивости. До­пустим, что труба, не имеющая торцовых стенок, сжимается на­грузкой, равномерно распределенной по ее окружности (рис. 22.7,и). Из теории упругости известно, что потеря устойчиво­сти наступает при нагрузке

Ркрит-3£//7?з, (22.5)

где / — момент инерции продольного сечения стенки трубы отно­сительно собственной оси; Е — модуль упругости; R— радиус трубы.

Если принять длину трубы равной d, а толщину стенки — s (рис. 22.7,з), то

I=ds3l 12. (22.6)

Таким образом, нагрузка определится формулой

PKpm = Ed(slR)3l4. (22.7)

Установим зависимость между Р и р. В гл. 21 показано, что в цилиндрическом теле, нагруженном по поверхности распределен­ной нагрузкой р, образуется усилие

N=P=pR. (22.8)

Подставим вместо р его значение из формулы (22.7), тогда получим

PKPm=EdR(slRyi 4. (22.9)

Если принять коэффициент запаса на устойчивость равным 2, то допускаемая сила по устойчивости барабана

Pmn=EdR(s(Ryi8. (22.10)

Напряжение в барабане, допускаемое с учетом устойчивости, со­ставляет

СТрасч<С0,5[о]крит. (22.11)

Торцовые стенки повышают устойчивость барабана по сравне­нию с ее допускаемым значением Рдоп> полученным по формуле (22.10). Если Ррасч>0,5РКрит, то барабан следует усилить постанов­кой кольцевых элементов жесткости.

Пример расчета. Требуется из условия устойчивости определить необходи­мую толщину листов барабана, у которого радиус R=30 см, d=2 ом, Р= =20 кН, £=0,21 ■ 10е МПа (рис. 22.8).

290

R/s = YEdR/fiP) = ^0,21-0,02-0,3* 10е/ (8*0,02) = 19,6, откуда s = 16 мм.

Напряжение сжатия в оболочке определяется по формуле (22.4) 0= =0,02/(0,02-0,016) =62,5 МПа.

Пели углубление канавки составляет <i/2=10 мм, то полная толщина листа барабана равна 16-f-10=26 мм.

Кроме проверки на устойчивость оболочка должна быть про­верена также на прочность в зависимости от изгибающего и кру­

тящего моментов. Наибольший изгибающий момент имеет место в середине пролета (рис. 22.8):

M = Plf4, (22.12)

где / — расстояние между опорами барабана. Напряжение от из­

гиба

a=M/W. (22.13)

Момент сопротивления барабана находится так же, как и в коль­цевом сечении:

W=I/Rh (22.14)

где Rі — внешний радиус.

Значение крутящего момента зависит от конструкции привода. При расположении его с одного конца вала

MKP=PR. (22.15)

Напряжение от кручения

гкр=Мкр/1Гкр, (22.16)

где WKV — полярный момент сопротивления.

В большинстве случаев напряжения от изгиба и кручения в барабанах незначительны по сравнению с напряжениями сжатия.

Пример расчета. Допустим, что длина барабана, рассмотренного в предыду­щем примере, /=2000 мм. Остальные условия те же.

Определим момент, вызванный в барабане изгибом:

М = Р//4 = 20-2/4 = 10 кН-м.

Крутящий момент в случае, если двигатель находится с одной стороны вала, составит

MKp=Pi?=20-0,3=6 кН-м.

Осевой момент инерции кольца

І=я (/?4і—/?42) /4.

Принимаем для упрощения расчета /?і = /?г+5. Тогда /=(я/4) (4-29,23- 1,6-|-6Х Х29,22-1,624-4-29,2-1,6s—j—1,64) = 135 740 см4. Напряжение от изгиба по формуле (22.13)

(7=0,01 -0,308/(135 740-10-8) =2,3 МПа.

Полярный момент инерции №кр=2/=271 480 см4. Напряжение от кручения по формуле (22.16) т=0,006-0,308/(271 480-10~8) =0,67 МПа. Напряжения нич­тожно малы.

Допустим, что внутренний радиус цапфы г=80 мм и толщина ее s4=10 мм. Полярный момент инерции поперечного сечения цапфы

/А=я[(л+10)*—/-4i] /2=3864 см4.

Напряжение от кручения в цапфе и в шве, соединяющем цапфу с торцовой стенкой, по формуле (22.16) т=0,006(8—f—1) 10~2/(3864 * 10—8) = 14 МПа, что впол­не допустимо.

В крупногабаритных барабанах ус­пешно применяют соединения, сваривае­мые электрошлаковой сваркой. На рис. 22.9 изображена сварная конструкция барабана лебедки шагающего экскавато­ра. Толщина его стенок 98 мм, наруж­ный диаметр 1986 мм. Ступица барабана 1 и фланец 3 представляют собой отлив­ки из стали 25Л. Полуобечайки 2 изго­товлены из стали 20Г. Отливки 1 и 3 пе­ред механической обработкой подверга-

ются термической обработке. После вы­

полнения сварочных работ весь барабан Рис. 22.9. Сварной ба - снова подвергается термической обра-

рабан лебедки шагаю - ботке.

щего экскаватора