Детали машин

Прочность соединений и допускаемые напряжения

Прочность сварного соединения зависит от следующих основ­ных факторов: качества основного материала, определяемого его способностью к свариванию, совершенства технологического про­цесса сварки; конструкции соединения; способа сварки; характера действующих нагрузок (постоянные или переменные). Хорошо сва­риваются низко - и среднеуглеродистые стали. Высокоуглеродистые стали, чугуны и сплавы цветных металлов свариваются хуже. Зна­чительно снижают прочность такие пороки сварки, как непровары и подрезы (рис. 3.20), шлаковые и газовые включения, скопление металла в месте пересечения швов и т. п. Эти дефекты являются основными причинами образования трещин как в процессе сварки, так и при эксплуатации изделий. Влияние технологических дефектов сварки значительно усиливается при действии переменных и удар­ных нагрузок.

Эффективными мерами повышения прочности сварных со­единений являются: автоматическая сварка под флюсом и сварка в защитном газе; термообработка сваренной конструкции (отжиг); наклеп дробью и чеканка швов. Эти меры позволяют повысить прочность составных сваренных деталей при переменных нагруз­ках в 1,5...2 раза и даже доводить ее до прочности целых де­талей.

Многообразие факторов, влияющих на прочность сварных со­единений, а также приближенность и условность расчетных формул вызывают необходимость экспериментального определения допу­скаемых напряжений. Принятые нормы допускаемых напряжений для сварных соединений деталей из низко - и среднеуглеродистых сталей, а также низколегированных сталей (типа 14ГС, 15ГС,
15ХСНД, 09Г2, 19Г и пр.) при статических нагрузках см. в табл. 3.1.

Для переменных нагрузок допускаемые напряжения, взятые из табл. 3.1, понижают умножением на коэффициент у<1 [см. формулу (3.22)], а расчет выполняют по мак­симальному (по абсолютной величине) на­пряжению цикла (о-щы или ттах) так, как если бы это напряжение было статическим.

При переменных нагрузках рекомендуют рассчитывать проч­ность не только сварного шва, но и самих деталей в зоне этого шва. Допускаемое напряжение для деталей в зоне шва также умножают на коэффициент у. Для углеродистых сталей у вы­числяют по формуле

У= 1 /[(0,6^зф ± 0,2) - (0,6 Азф+0,2)Л] < 1, (3.22)

Где i?=o-min/o"max или т^п/ттах — коэффициент асимметрии цикла на­пряжений; К^ — эффективный коэффициент концентрации напря­жений, который относится и к а, и к т (см. табл. 3.2 и 3.3); верхние знаки — при растягивающем наибольшем по абсолютной величине напряжении и при касательных напряжениях, а нижние — при сжи­мающем. В переходной зоне (i?= — 1 или близко к этому) расчет ведут по более опасному напряжению.

Если при вычислении у по формуле (3.22) получают у>19 то в расчет принимают у= 1. Это обычно получается при большой асимметрии цикла (Л>0) и указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статичес­кая прочность.

Примеры расчета. Пример 3.1. Рассчитать кронштейн и сварное соединение (см. рис. 3.14) при F= 104 Н, Т= 8 • 103 Н м=8 • 10б Н' мм, нагрузка статическая, толщина листа 5 = 12 мм, материал листа — сталь СтЗ (<7Т=220 МПа), сварка ручная электро­дом Э42.

Решение. 1. Определяем ширину Ь листа по условию его прочности. Принимая S= 1,4 (см. примечания к табл. 3.1), находим

Мр=*тА=220/1,4=157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку Т, получаем

W= 5Ь2 /6 — Т/[о]р

I 6Т /б • 8 * 10б

Или Ъ= /------- = /------------ = 160 мм.

V^Mp V 12-157

С учетом нагрузки F принимаем 6 = 165 мм. Проверяем прочность при суммар­ной нагрузке:

6 Т F 6 8 106 104

<т=—+—=-------------- +--------- «152 МПа<И„ = 157 МПа.

5Ь2 5Ъ 12 *1652 12 165 р

2. Определяем размеры швов. Принимаем 1Л=Ь= 165 мм, Fc=<5 = 12 мм. Предва­рительно оцениваем /ф только по основной нагрузке Г, используя формулу (3.13). При этом, согласно табл. 3.1, принимаем

М=0,6 Ир = 94 МПа; тг=94 = 8' 10б/(/ф' 0,7 • 12' 165 4- 0,7 • 12 • 1652/6);

Из этого равенства найдем /ф = 35 мм. Пусть /ф=40 мм (исполнительный размер с учетом неполноценности шва на концах /ф = 50...60 мм).

Проверяем прочность швов по суммарной нагрузке [см. формулу (3.14)]:

XF= 10*Д0,7 • 12 • (2 • 40 +165)]« 5 МПа [см. формулу (3.11)];

Уточняем тг= 8 • 10б/(0,7 • 12 • 40 • 165+0,7 • 12 • 1652/6)=86 МПа [см. формулу (3.13)];

Т=тг+т/-=91 <[тТ=94 МПа.

Отмечаем, что по условию равнопрочности детали и соединения при действии изгибающей нагрузки как основной требуемая длина фланговых швов /ф невелика и составляет около 0,25/л.

Пример 3.2. Рассчитать сварной шов (см. рис. 3.17): D= 140 мм, толщина стенки трубы <5 = 5 мм, Г=104 Нм, М—1' 103 Н м, нагрузка статическая, материал трубы — сталь СтЗ, сварка ручная электродом Э42. Сама труба рассчитана по Ир =157 МПа (см. пример 3.1).

Решение. Напряжение от Т, по формуле (3.17),

Тг=2 • 107/(0,7 кж • 1402)=4,65 • 102/А:.

Напряжения от М по формуле (3.18),

T^=4 • 7 • 106/(0,7Jbc • 1402) = 6,5 • 102/А:.

Суммарное напряжение, по формуле (3.19),

Т = (102/Л:)=ч/4,6524-6,52=8 102/А:<М = 94 МПа (см. пример 3.1).

Отсюда находим £=8,5 мм. Отметим, что для принятой конструкции шва при условии равнопрочности шва и трубы требуется к>5. Более совершенно соединение стыковым швом с разделкой кромок. Изучающим рекомендуется самим выполнить расчет такого соединения.

Пример 3.3. Рассчитать соединение, выполненное точечной сваркой и нагружен­ное по схеме рис. 3.18, а. Задано: /^=3500 Н, 5 = 3 мм, материал — сталь 10, нагрузка знакопеременная (R= — 1).

Решение. Определяем ширину Ь листа из условия его прочности при растяжении с учетом ослабления в зоне сварки. Принимая 5=1,5, находим [<т]р = Gt!S—200/1,5 = = 133 МПа (см. табл. 1.1).

По формуле (3.22) при К^ъ7,5 (см. табл. 3.3) находим

У = 1/(0,6' 7,5+0,2) - (0,7' 7,5-0,2) (-1)ж0,11. Расчетное допускаемое напряжение

М = МрУ = 133-0,11 = 14,6 МПа.

Далее Ъ=F/(D [<т]) = 3500/(3 ■ 14,6)« 80 мм.

Определяем размеры и число сварных точек. По рекомендациям, D= 1,2' 3 + 4 ж «8 мм; F2= 1,5'8 = 12 мм; ^=2*8 = 16 мм; /=3 8=24 мм. Число точек в одном ряду

/ = [(£-2T2)/T] +1 = [(80 - 24)/24] +1 = 3,3.

Принимая число точек в двух рядах Z=6, проверяем прочность сварных точек по формуле (3.20):

Т - 4' 3500/(6я' 82) = 11,6 МПа. По табл. 3.1 с учетом у имеем

М=0,6 Иру=0,6 • 133 0,11 = 8,75 МПа <т.

Условие прочности не удовлетворяется. Следовательно, нужно увеличивать ши­рину листов и ставить четыре точки в ряду или выполнять трехрядное соединение по три точки в ряду. Этот пример показывает, как плохо работают точечные соединения при знакопеременных нагрузках.