Детали машин

Конструкция и расчет на прочность*

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. 3.3).

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. 3.3 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.

Стыковые соединения могут разрушаться по шву, месту сплавле­ния металла шва с металлом детали в зоне термического влияния. Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок детали, в котором в результате нагревания 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 детали в этой зоне. Возможное снижение прочностси деталей, связанное со сваркой, учитывают при назначении допускаемых напряжений. На­пример, при расчете полосы, сваренной встык (рис. 3.3):

На растяжение

C=FIA=FI(b5)^[c']; )

На изгиб > (3.1)

<J=M/W= 6 M/(bS2) < [с*], J

Где B и S — ширина и толщина полосы; [о*] — допускаемое напря­жение для сварных соединений (см. табл. 3.1). Отношение [&] к до­пускаемому напряжению на растяжение для основного металла детали [<т]р является коэффициентом прочности сварного соедине­ния:

Ф = М/М р. (3.2)

Величина ср колеблется в пределах 0,9...1,00 (см. табл. 3.1), т. е. стыковое соединение почти равнопрочно с соединенными деталями. В тех случаях, когда требуется повысить прочность соединения, применяют косые швы (рис. 3.4). Расчет косого шва выполняют по формулам (3.1), в которых принимают М = [<г]р.

Нахлесточное соединение. Выполняется с помощью угловых швов (рис. 3.5). В зависимости от формы поперечного сечения различают угловые швы: 1—нормальные (к=к1), 2— улучшен­ные (к/кi = l: 1,5; 1:2), 3 — вогнутые, 4 — выпуклые. На практике наиболее распространены нормальные швы. Выпуклый шов образу­ет резкое изменение сечения деталей в месте соединения, что явля­ется причиной повышенной концентрации напряжений. В нагружен­ных силовых конструкциях не рекомендуется. Вогнутый шов снижа­ет концентрацию напряжений и ре­комендуется при действии перемен­ных нагрузок. Вогнутость шва до­стигается обычно механической об­работкой, которая значительно уве­личивает стоимость соединения. По­этому такой шов применяют только в особых случаях, когда оправдыва­ются дополнительные расходы.

Основные геометрические харак­теристики поперечного сечения нор­мального углового шва — катет k и расчетная высота — JВк. Величи­на последней по сути есть глубина проплавления соединяемых деталей, зависящая от технологического про­цесса сварки. При ручной и много­проходной автоматической или ме­
ханизированной сварке /?=0,7; при двух - и трехпроходной механизиро­ванной сварке /?=0,8; при двух - и трехпроходной автоматической, а также однопроходной механизиро­ванной сварке Р=0,9; для однопро­ходной автоматической сварки

В большинстве случаев к=5^, где <5^ — меньшая из толщин свариваемых деталей. По условиям технологии к^З мм, если <5min^3 мм. Максимальная величина катета не ограничивается, од­нако швы с к>20 мм используются редко.

Разрушение углового шва происходит по сечению т — т (рис. 3.5). Площадь опасного сечения шва равна Fikl, где / — длина шва.

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. 3.6). Основными напряжениями флан­гового шва являются касательные напряжения т в сечении т — т. По длине шва напряжения т 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 Ъ под действием силы F больше относительного перемещения точек а на величину удлине­ния детали 1 на участке аЪ. 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. 3.6. 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.

В практике длину фланговых швов ограничивают условием 30 мм </<50fc*. Расчет таких швов приближенно выполняют по среднему напряжению, а условия прочности записывают в виде

Т=/7(2/ШКМ. (3.3)

В тех случаях, когда короткие фланговые швы недостаточны для выполнения условий равнопрочности, соединение усиливают про­резными швами (рис. 3.7) или лобовым швом (см. ниже). Условие прочности соединения с прорезным швом при к=8

Х=F/[2K (/?/+/iXI ^ М - (3.4)

Если одна из соединяемых деталей асимметрична, то расчет прочности производят с учетом нагрузки, воспринимаемой каждым швом. Например, к листу приварен утолок (рис. 3.8), равнодейст­вующая нагрузка F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка и распределяется по швам обратно пропорциональ­но плечам ег и е2. Соблюдая условие равнопрочности, швы выполня­ют с различной длиной так, чтобы

/i//2=^. (3.5)

При этом напряжения в обоих швах

H

(3.6)

Если соединение нагружено моментом (рис. 3.9), то напряже­ния от момента распределяются по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно (рис. 3.9, а) (напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им). Неравно­мерность распределения напряжений тем больше, чем больше 1/Ь. В общем случае максимальные напряжения можно опреде­лить по формуле

Т = Г/Жр,

Где fVp — полярный момент сопротивления опасного сечения швов в плоскости разрушения (см., например, рис. 3.15).

Для сравнительно коротких швов (1<Ь), распространенных на практике, применяют приближенный расчет по формуле

Т = Г/0ВД<М. {3.7)

При выводе этой формулы условно полагают, что напряжения направлены вдоль швов и распределены по длине швов равномерно (рис. 3.9, б).

Лобовые швы (рис. 3.10). 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 т в плоскости стыка деталей и нормальные напряжения а в перпендикулярной плоскости.

По методу, принятому в инженерной практике, лобовые швы рассчитывают только по т. За расчетное сечение, так же как и во фланговых швах, принимают сечения по биссектрисе т — т. Раз-

Рушение швов именно по этому сечению подтверждает практика. При этом

Т=/7(№КМ.

Такая условность расчета тоже подтверждается практикой. Рас­чет лобовых швов только по т и сечению т — т делает расчет всех угловых швов единым независимо от их расположения к направле­нию нагрузки.

Все угловые швы рассчитывают только по г в сечении M — M. Это практически удобно и упрощает расчеты.

Косой шов (рис. 3.11). Условие прочности

(3.9)

На рис. 3.12 изображен случай, когда соединение лобовым швом нагружено моментом. При этом напряжения а по торцу полосы (см. рис. 3.10) 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

X^TIW=6T/(fikb2)^[if].

Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рас­считывают на основе принципа распределения нагрузки пропорци­онально несущей способности отдельных швов. При этом для со­единения, изображенного на рис. 3.13, получим

Т=ДО(2/ф+/л)Мтг

На рис. 3.14 показан случай, когда соединение нагружено момен­том и силой. При расчете такого соединения величина касательных напряжений от момента Т может быть определена по полярному моменту инерции опасного сечения швов (рис. 3.15). В приближен­ных расчетах полагают, что сопротивление комбинированного шва моменту Т равно сумме сопротивлений, составляющих швов:

Т= 7ф+ Тл,

Где Гф и Тл — моменты, воспринимаемые фланговыми и лобовым швами*.

Если учесть, что по условиям равнопрочности необходимая дли­на фланговых швов /ф в комбинированном соединении не превыша­ет 0,5/л, то можно применить формулу (3.7) для определения Гф= = тф/&/ф/л. Для определения Тл используем формулу (3.10) и запи­шем Гл=тл^/л2/6.

Место пересечения швов принадлежит и лобовому, и флангово­му швам. Здесь тф=тл. Обозначая это напряжение тг, после подста­новки в (3.12) и несложных преобразований получим

Тг=да/ф/л+Д/л2/6).

Напряжения в швах от действия силы F определяют по формуле (3.11). Обозначив эти напряжения tF, получим суммарное макси­мальное напряжение:

(3.14)

Оценивая нахлесточные соединения, отметим, что по форме и расходу материала они уступают стыковым соединениям, но не требуют обработки кромок.

Тавровое соединение. Соединяемые детали в зоне сварных швов перпендикулярны (наиболее частый случай) или наклонны друг к другу. Это соединение выполняют стыковым швом с разделкой кромок (рис. 3.16, а) или угловыми швами без разделки кромок (рис. 3.16, б). При нагружении изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:

'"Здесь наименования «фланговые» и «лобовые» условны, так как момент характеризуется не линией, а плоскостью действия.

Для стыкового шва

А=6 M/(5L2)+F/(Sl) < М; (3.15)

Для угловых швов

Т = 6MI(2l2pk)+FI(2ipk) < [т7]. (3.16)

При выводе формулы (3.16) учтено, что напряже­ния хм от момента распределяются по длине шва аналогично напряжениям см в поперечном сечении балки. За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе т — т. На рис. 3.17 показано тавровое соединение трубы, нагруженное изгибающим и крутящим моментами. Напряжения в шве от крутя-

Щего момента

ХТ= TjWptt2TI(Flknd2).

В уравнении (3.17) принято, что катет к шва мал в сравнении с D. При этом можно считать, что напряжения хТ распределены равно­мерно по кольцевой площадке разрушения шва, равной fiknd^, а средний диаметр этой площадки

Dcp=D+Pkad.

Напряжения в шве от изгибающего момента Хм=М/ W& 4MfcPknd2).

Здесь учтено, что для такого сечения W в два раза меньше Wp.

Напряжения хт и хм в сечении M — M (рис. 3.17) взаимно перпен­дикулярны. Поэтому суммарное напряжение

(3.19)

Соединение контактной сваркой. Стыковая контактная сварка При соблюдении установленных правил технологии обеспечивает равнопрочность соединения и деталей, поэтому можно не выпол­нять специальных расчетов

Прочности соединения при а) статических нагрузках. Это справедливо только в том случае, если разогрев метал- б) Ла в зоне сварки не влечет за ш собой снижения его прочно­сти (например, низкоуглеро­дистые и низколегированные

Стали, 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 (см. ниже).

Точечная сварка (рис. 3.18) применяется преимущественно для соединения деталей из тонкого листового материала при отноше­нии толщин <3. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины меньшей из свариваемых деталей:

D= 1,25+4 мм при 3 мм;

^=1,55 + 5 мм при 5>3 мм.

Минимальный шаг T ограничивается явлением шунтирования тока ранее сваренной точкой. Расстояние от кромок Tx и T2 нормиру­ют с учетом технологических и силовых факторов. Обычно прини­мают

T=3D; Tx = 2D T2 = L,5D.

Соединения точечной сваркой работают преимущественно на срез. При расчете полагают, что нагрузка распределяется равномер­но по всем точкам. Неточность расчета компенсируют уменьшени­ем допускаемых напряжений (см. табл. 3.1):

X=4FI(zind2)^[tr9 (3.20)

Где z — число сварных точек; I — число плоскостей среза. Для конструкции по рис. 3.18, A z=4, I=L; по рис. 3.18, 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 (см. рис. 1.30).

Точечному соединению свойст­венна высокая концентрация напря­жений (см. табл. 3.5). Поэтому оно ° сравнительно плохо работает при пе-

РиС з is ременных нагрузках. Концентрация

Напряжений образуется не только в свар­ных точках, но и в самих деталях в зоне шва.

Точечные сварные соединения чаще применяют не как рабочие, воспринима­ющие основную нагрузку, а как связую­щие (например, крепление обшивки к кар­касу).

Шовная сварка (рис. 3.19). Напряжения среза

Т=/у(6/КМ. (3.21)

Концентрация напряжений в швах меньше, чем при точечной сварке (см. табл. 3.3), соединение герметичное.