НАУКА О ПРОЧНОСТИ

ЗАПАС ПРОЧНОСТИ

Р. Я ы уже знаем, что, проектируя машину, конструктор ** » обязан сделать сё детали прочными, надёжными и в то же время лёгкими. Чтобы удовлетворить этим противо­положным требованиям, надо как можно полнее исполь­зовать прочность материалов. Но перенапрягать маюрнал нельзя, так как при чрезмерной деформации машина вый­дет из строя.

Как же найти такие напряжения, при которых воз­можности материала используются достаточно пол­но И вместе с тем ПС возникает yi pi МЫ для прочности детали?

Для большинства деталей машин и сооружений недо­пустимы напряжения, при которых возникают заметные остаточные деформации. Нельзя, например, работать на станке, у которого изогнут шпиндель, пускать поезд на мост, стальная ферма которого перекошена. Иц этого сле­дует, что напряжение в пластичном материале не должно превышать предела текучести.

На практике детали машин или сооружений зачастую работают в чрезвычайно сложных условиях, которые де­лают невозможным точный подсчёт нагрузок, действую­щих на эти детали. Можно ли, например, заранее точно подсчитать все силы, сжимающие, изгибающие и скручи­вающие колонну стального каркаса высотного дома? Здесь и тяжесть стен и перекрытий, и давление порыви - .стого ветра, и вес снега на крыше и мебели в комнатах... Учесть все нагрузки и точно высчитать напряжения, возникающие от их действия, удаётся далеко не всегда. Поэтому возникает угроза, что напряжения в мате­риале окажутся большими, чем предполагал конструк­тор, и колонна разрушится. К этому следует ещё доба­вить. что прочность металла, никогда ле бывает строго оди­наковой.

Учитывая всё это, конструкторы дают каждой детали некоторый запас прочности.

Каким же должен быть запас прочности?

Величину, оценивающую его (так называемый коэф­фициент запаса) обычно исчисляют, исходя из предела прочности материала и с учётом того, что опасным состоянием для пластичных материалов « является на­ступление текучести. Хрупкие материалы не дают боль­ших остаточных деформаций вплоть до разрушения, поэтому опасным напряжением для них является предел прочности.

Для деталей из пластичных материалов, работающих под воздействием спокойной нагрузки, например для стальных конструкций перекрытий жилых зданий, завод­ских цехов и пр., коэффициент запаса обычно принимается примерно 2,5. Это означает, что допускаемое напряжение в детали в два с половиной раза меньше предела проч­ности.

Поясним это на примере. Проектируется ферма, пере­крытия заводского цеха. Её решено изготовить из стали с пределом прочности 3800 кг/см2, & коэффициент запаса принят 2,4. Допускаемое напряжение вычисляется по простой формуле:

Ирсдс,'1 прочности

—7-г---------------------------------------------------------- 1 = догпс1исмос напряжение,

Коэффициент зэпаю ■’ г

Напомним, >по предел текучести для такой стали ра­вен 2200 кг/см2. Значит, принятый запас прочности вполне гарантирует конструкцию от опасных последствий наступ­ления текучести металла.

Иной запас прочности берётся, если детали машины или сооружения при работе подвергаются ударам. Напря­жения при ударах могут оказаться значительно больше, чем при действии спокойной нагрузки. Поэтому для дета­лей машиц и сооружений, подверженных при работе уда­рам, запас прочности берут обычно в иолюра-два раза больше, чем для спокойной нагрузки.

Так обстоит дело с выбором запаса прочности для пла­стичных материалов. Для хрупких материалов (чугун, бе­тон, кирпич и т. д.) запас прочности обычно значительно увеличивают, так как неоднородное строение этих мате­риалов увеличивает вероятность появления трещин и раз­рушения.

При спокойной нагрузке для хрупких материалов при­нимают не менее чем трёхкратный запас прочности, а иногда его доводят и до девятикратного.

Правильно выбрать запас прочности нелегко, но это очень важно экономически. Избыток прочности вызывает перерасход материалов, увеличивает вес машин, снижает ИХ производительность И ЭКОНОМИЧНОСТЬ и в конечном счёте ведёт к бесцельной затрате государственных средств.

Выбирая запас прочности, инженер руководствуется установленными нормами проектирования, в которых ука­заны величины запасов прочности и допускаемых напря­жении для деталей цачдичщлч машин и сооружений. Од­нако это не означает, что не и> жпо ст рсмю ься к снижению коэффициентов запаса прочности. Наоборот, используя результаты новейших исследований прочности различных материалов и конструкции, инженеры создают машины и сооружения более лёгкие и - жономичные.

В ранний период развития машиностроения ещё не умели достаточно точно рассчитывать детали машин и со­

Оружений на прочность. Поэтому, стремясь обеспечить на­дёжность конструкций, брали очень большие запасы проч­ности. Таким образом, повышенный коэффициент запаса прочности покрывал недостаток знаний в области сопро­тивления материалов. Оттого он и получил полушутливое, но довольно верное название — «коэффициент незнания».

Успехи пауки о сопротивлении материалов вооружили инженеров совершенными приёмами расчётом и способами испытаний материалов, машин и сооружений на проч­ность, позволили намного снизить коэффициенты запаса прочности.

Приведём только один пример. 40 лет назад при рас­чёте строительных конструкций инженеры считали для стали марки «Ст. 3» допустимым напряжение не более 1000 кг/см2. Сейчас конструкции из стали этой марки, за исключением мостоп, рассчитывают по допускаемому на­пряжению 1600 кг/см2. Запас прочности снижен более чем в полтора раза.

Борьба с «коэффициентом незнания» продолжается и сейчас. Каждый новый успех советских учёных в области сопротивления материалов — это удар по «коэффициенту незнания», это новые возможности уменьшения веса и стоимости машин и сооружений при одновременном по­вышении их надёжности и долговечности.

Машина существует пока только на бумаге. Ещё никто не видел, как она работает, по констрикторы знают, что машина будет отлично выполнясь езюи «обязанности», уверены в прочности и надёжности каждой её детали.

Чтобы уяснить себе общие методы расчёта на проч­ность, посмотрим, например, как конструкторы обеспечили надёжность одной из деталей башенного крана, который мы уже видели на рис. 3. На этом рисунке виден противо­вес, уравновешивающиГт стрелу. Десятитонный противовес лежит на доух балках, поддерживаемых тягами.

Как рассчитать эти тяги на прочность?

На каждую балку и тягу приходится нагрузка 5 тонн. Определяют внутреннюю силу в поперечном сечении тяги. Внутренние силы в тягах и балках уравновешивают вес груза. Построив параллелограмм сил. находят, что тяги испытывают растяжение, причём внутренняя сила в каж­дой тяге равна 10 тоннам.

Мы уже знаем, что при растяжении внутренняя сила распределяется равномерно по всей площади поперечного

Сечения. Поэтому напряжение в сечений тяги легко опре­делить по знакомой нам формуле: внутренняя сила

=напряжение.

Площадь поперечного сечсния

Для изготовления подъёмных кранов подобного типа обычно берут сталь марки «Ст. 3». При спокойной на­грузке, какую испытывает тяга крапа, допускаемое на­пряжение равно 1600 кг! см2. Задача конструктора состоит в том, чтобы расчётное напряжение в тяге не превысило допускаемого.

Формулу, по которой мы определяли напряжение, можно гфедставить в другом виде:

=площадь поперечного сечения.

Тогда по ней можно подобрать площадь поперечного сечения тяги; она будет равна:

10000 кг.

П;™--- і—9. = 6.25 смг.

1Ь00 кг/см2

Такую площадь имеет, например, прямоугольное сече­ние тяги толщипой I см и шириной 6,25 см или сечение в форме уголка.

Между прочим, заметим, что прочность’ растягиваемой детали не зависит от формы её поперечного сечения (пря­моугольное, квадратное, круглое или какой-либо иной формы). Важно толЙко, чтобы сечение имело достаточную площадь. Чем б'ольше площадь поперечного сечения де­тали, тем выше её прочность. При других же видах дефор­маций, например при изгибе или кручении, дело будет обстоять совсем иначе.