НАУКА О ПРОЧНОСТИ

ВАЛ ТУРБИНЫ

Лектрическая энергия в наши дни имеет повсемест­ное применение. Она приводит в движение экскава­торы, электровозы, станки, плавит металл...

Гидростанции дают самую дешёвую электроэнергию. Под напором воды вращается турбинное колесо. Через стальной вал вращение турбинного колеса передаётся ге­нератору, вырабатывающему электрический ток. Вода воз­действует на турбину с огромной силой. Эта сила стре­мится деформировать вал турбины, скрутть его подобно тому, как мы скручиваем промокшую рубашку. Усилия рук, удаляющих из ткани влагу, образуют момент, кото­рый называют крутящим моментом.

Чтобы выяснить, как деформируется и какие напряже­ния испытывает сталь вала под воздействием крутящего 42
момента (рис. 21, с), возьмём резиновый жгут и начертим на его цилиндрической поверхности ряд продольных линий и поперечных окружностей. Скручивая затем жгут руками, как показано на рис. 21, б, увидим, что прямые продоль­ные линии превратились в винтовые, а прямоугольники, образованные прямыми линиями к окружностями, оказа­лись перекошенными. Это произошло в резуль­тате деформации сдвига! под воздействием крутя - «j щего момента. Такой пе­рекос мы уже видели, когда знакомились с формацией сдвига. Если Л мысленно «вскрыть» жгут,2г то можно заметить, что • сдвиг произошёл по всей толщине жгута, но неоди­наково: чем ближе к оси жгута, тем меньше дефор­мация. Это видно на рис. - 21, в: отмеченные стрел­ками углы сдвига умень­шаются по мере прибли­жения к оси жгута. р||С 21 деформация кручеиияГ

Мы уже говорили, что я—карданный вал автомобиля исны - деформация сдвига сопро - тывает крученне; б— на шыжндри- вождается появлением ка - ческой поверхности при кручении 1-ятрпьиы* няппяжрмий возникает едьиг, заметный по пере - сательных напряжении. косу пряиоуголышков; е — уголе При скручивании вала в меньше угла следпиателыю, сдвиг его поперечных сечениях уменьшается по мере приближения также возникают каса - к оси жг>'та' сгютветственно умеиь - телыгые напряжения. По шак, ТСЙ и нательные напряжения, толщине они распреде­ляются так: по мере при­ближения к оси вала напряжения, как и сдвиги, уменье шаются (рис. 22). Наибольшие напряжения возникают у самой поверхности вала. Это должен иметь в виду кон­структор, рассчитывая вал на прочность: он обязан сде­лать так, чтобы наибольшие касательные напряжения не превосходили допускаемой величины.

Внутренняя пара сил, распределённая по поперечному сечению вала, образует крутящий момент, который по ве­
личине равен крутящему моменту внешних си.?, но проти­воположен по направлению. Отсюда следует, что чем больше диаметр вала, тем лучше он сопротивляется скручивающему действию внешних сил, тем выше его прочность при кручении.

Увеличение диаметра вала вдвое повышает его проч­ность в восемь раз, а увеличение диаметра в четыре раза делает вал прочнее в 64 раза.

Однако прочность вала зависит не только от его диа­метра и прочности материала. На рисунке 22 видно, что напряжения во внутренних частях вала, вблизи его оси, невелики, там материал недогружен, его прочность почти Внешний момент

Не используется. Этот факт подсказывает, как можно без ущерба для прочности вала уменьшить его вес, а следо­вательно, сделать машину более лёгкой и сэкономить ме­талл. Если высверлить сердцевину вала, превратив его в трубу, то прочность снизится незначительно, а выигрыш в весе будет весьма существенным. Для примера сравним два вала, имеющих одинаковые площади поперечного се­чения и одинаковый вес. Один вал сплошной с поперечни­ком 10 см, а другой в виде трубы диаметром 14,5 см и тол­щиной стенок 2 см. Трубчатый ввл будет вдвое прочнее массивного (рис. 23).

Неудивительно поэтому, что трубчатые валы нашли широкое применение в автомобиле - и самолётостроении, где особенно важно сочетание высокой прочности детвлей с наименьшим их весом. Разумеется, нельзя чрезмерно увлекаться заманчивой перспективой применить очень тон­костенный вал, вроде водосточной трубы. Такой вал при 44
скручивании сплющится. Толщину стенок трубчатого вала можно уменьшать только до известного предела.

Итак, мы познакомились со всеми простейшими дефор­мациями— растяжением, сжатием, изгибом, сдвигом и кручением. Из этих пяти —

Простейших деформаций складываются самые раз­нообразные, подчас очень сложные деформации, ко­торым подвергаются мно­гие детали машин и соору­жений. Например, колен­чатый вал автомобильного

Двигателя одновременно испытывает скручивание и изгиб; сверло, вгрызаясь в сталь, скручивается, из­гибается и сжимается; за­клёпки, соединяющие де­тали мостовой фермы, ис­пытывают сложное напря­жённое состояние, в кото­ром изгиб сочетается со сдвигом и растяже­нием. Наука о прочности даёт в руки инженерам способы расчёта деталей, испыты­вающих самые сложные деформации.