Эффект эксцентрично нагруженного болтового соединения
15. Сварныесоединения формируются за счет межатомных связей между свариваюемыми деталями при их местном нагревании или пластическом деформировании.
Сварные соединения являются наиболее распространенными и совершенными из неразъемных соединений, так как лучше других обеспечивают условия раенопрочности, снижение массы и стоимости конструкции.
Основные недостатки сварных соединений: наличие остаточных напряжений из-за неоднородного нагрева и охлаждения деталей, возможность их коробления, вероятность появления скрытых дефектов (трещины, не-провары, шлаковые включения), снижающих прочность соединения.
Существуют несколько способов сварки, в которых материал одной или обеих деталей расплавляется: газовая, дуговая, плазменная; нагревается и пластически деформируется: контактная, высокочастотная или деформируется без нагрева: холодная, взрывом.
Соединения в зависимости от расположения свариваемых деталей могут быть выполнены стыковым (рис. 8.1) и угловым швами. Угловым швом соединяют детали, расположенные в параллельных плоскостях: нахле-сточные соединения (рис. 8.3), и в пересекающихся плоскостях: тавровые и угловые соединения (рис. 8.2),
В зависимости от толщины деталей сварку выполняют односторонним или двусторонним швом, а также производят подготовку кромок механической обработкой.
Прочность стыковых соединений близка к прочности основного металла. Их рассчитывают на прочность по номинальному сечению соединяемых деталей без учета утолщения шва, как целые детали. При действии продольной силы Fусловие прочности имеет вид где sиl- толщина и длина сварного шва;
- допускаемое напряжение при растяжении сварного шва.
Угловые швы испытывают сложное напряженное состояние. В упрощенном расчете швов при статической нагрузке учитывают лишь номинальные касательные напряжения среза . В этом случае условие прочности углового шва при действии растягивающей силы Fимеет вид:
где
-допускаемое касательное напряжение среза для шва. В зависимости от расположения шва относительно направления внешней нагрузки различают угловые швы: лобовые, фланговые и комбинированные. Лобовой шов расположен перпендикулярно линии действия силы F, фланговый - параллельно, а комбинированный шов состоит из лобовых и фланговых швов.
расчет угловых фланговых швов, несимметрично расположенных относительно линии действия нагрузки, производят с учетом доли нагрузки, воспринимаемой каждым швом, которую принимают обратно пропорциональной расстоянию шва относительно вектора нагрузки. Например, для схемы нагружения, изображенной на рис. 8.4, а: .На рис. 8.4, б изображен случай, когда соединение лобовым швом нагружено моментом Т.
Комбинированные соединения лобовыми и фланговыми швами рассчитывают на основе принципа распределения нагрузки пропорционально несущей способности отдельных швов. Например, для схемы нагружения, изображенной на рис. 8.4, в: ,где lф,lл-длина фланговых и лобового швов.
При переменных нагрузках допускаемое напряжение шва снижают умножением на коэффициент , значение которого принимают:-для стыковых швов при нагрузке, переменной по величине:
= 1; при знакопеременной:
; -для угловых швов при переменных по величине и направлению на грузках:
, где Fmin, Fmax- усилия, взятые со своими знаками.
16. Фрикционнойпередачейназывают механизм, в котором движение одного твердого тела (катка) преобразуется в движение другого за счет сил трения, возникающих в зоне их контакта Фрикционным вариатором называют устройство для плавного изменения угловых скоростей. Их можно подразделить на вариаторы с непосредственным касанием рабочих тел тренияи вариаторы с промежуточным звеном. К их достоинству можно отнести: простоту конструкции, бесшумность работы, автоматическое предохранение от перегрузок, возможность бесступенчатого регулирования передаточного отношения. К недостаткам - высокое давление на валы и опоры, связанное с созданием необходимого усилия прижатия катков; непостоянство передаточного отношения вследствие упругого и геометрического скольжения; износ катков и сравнительно низкий кпд. В зависимости от взаимного расположения осей валов различают фрикционные передачи: цилиндрические - при параллельных осях; конические - при пересекающихся осях и лобовые - при скрещивающихся осях. В зависимости от условий работы фрикционные передачи подразделяют на: открытые (работают всухую) и закрытые, которые работают в масляной ванне, обеспечивающей хороший теплоотвод и увеличивающей долговечность.
На рабочих поверхностях катков возникают переменные контактные напряжения . Под их действием на металлических катках образуются усталостные микротрещины, в которые попадает смазка. При поступлении микротрещины в зону контакта ее края сжимаются, а внутри увеличивается гидростатическое давление, приводящее к отрыву частиц металла - усталостному выкрашиванию рабочих поверхностей.
Катки из неметаллических материалов разрушаются вследствие износа, отслаивания материала рабочих поверхностей. На долговечность фрикционных передач существенно влияет наличие упругого и геометрического скольжения.
Таким образом, контактная прочность для передач с металлическими катками и износостойкость для передач с неметаллическими катками являются основным критерием работоспособности.
В основу расчета фрикционных передач с металлическими катками положено уравнение Герца для определения контактных напряжений он. В случае начального контакта по линии касания двух цилиндров, выполненных из материалов с коэффициентом Пуассона: =0,3:
где Епр=2Е1Е2/(Е1+Е2)-приведенный модуль упругости материалов катков,q-удельная нагрузка, 1/р-приведенная кривизна катков.
Если пренебречь упругим скольжением,то для передачи с гладкими цилиндрическими катками:u=d2/d;а= 05(d1+d2) = 0,5d1(1 + u) и удельная нагрузка q: .Приведенная кривизна:
. Решая совместно, получим:
Возведем обе части в квадрат, приняв ,
(0,2-0,4)
.
Для обеспечения требуемой долговечности по критерию износостойк передач с неметалич катками.
Для увеличения нагрузочной способности или для уменьшения силы прижатия катков фрикционные передачи между параллельными валами иногда выполняют с клинчатыми катками с углом
при вершине канавки. Во избежание заклинивания угол принимают не менее 15°. При этом количество канавок выбирают не более пяти.
17. Ременная передача (рис. 10.1, а) является фрикционным механизмом, предназначенным для преобразования параметров вращательного движения. Она состоит из двух шкивов, охватываемых гибкой связью - ремнём, и натяжного устройства, создающего контактные давления между ремнём и шкивами.
По сравнению с другими видами передач ременные передачи обладают рядом преимуществ: плавностью и бесшумностью работы, возможностью передачи движения на большие расстояния, предохранением механизмов от резких колебаний нагрузки и при случайных перегрузках, пониженными требованиями к точности изготовления и монтажа, простотой конструкции и эксплуатации, возможностью осуществления бесступенчатого регулирования скорости.
Недостатками ременных передач являются повышенные нагрузки на валы и опоры, низкая долговечность ремней, непостоянство передаточного отношения из-за наличия упругого скольжения ремня по шкиву, большие габаритные размеры, чувствительность нагрузочной способности к наличию паров влаги и нефтепродуктов.
Благодаря закручиванию ремня в плоскоременных передачах можно передать движение между параллельными валами с вращением их в противоположные стороны, а также между перекрещивающимися валами (рис. 10.2).
В зависимости от формы профиля поперечного сечения ремня различают передачи: плоско-, кругло-, клиноременные и поликлиновые {рис. 10.1).
К ремням передач предъявляются следующие требования: достаточная прочность при переменных напряжениях, высокий коэффициент трения со шкивом, невысокая изгибная жёсткость. В современных передачах прочность обеспечивается специальными слоями корда, а повышенный коэффициент трения - пропиткой или обкладками. Несущие слои, расположенные по центру тяжести сечений, должны иметь высокий модуль упругости. Плоские ремни бывают кожаными, хлопчатобумажными, резинотканевыми, синтетическими и др.; клиновые - прорезиненными с кордом из ткани или шнура.
Для передачи окружного усилия Ft = 2Т1/ D1 между шкивом и ремнём создается сила трения Fmp за счёт предварительного натяжения ремня. Из условия равновесия ремня при передаче вращающего момента Т1 (рис.10.4):
Ft=Fтр=F1-F2,гдеF1,F2-силы натяжения ведущей и ведомой ветвей.
Соотношение сил натяжений ведущей и ведомой ветвей при работе передачи на границе буксования определяют по уравнению Л. Эйлера, выведенному для нерастяжимой, абсолютно гибкой нити, перекинутой через цилиндр: ,где е-основание натурального логарифма; f-коэф трения скольжения;
-угол обхвата
Очевидно, что нагрузочная способность передачи, определяемая разностью сил F1, и F2, возрастает с увеличением f и .
Так как геометрическая длина ремня от нагрузки не зависит (удлинение ведущей ветви компенсируется равным сокращением ведомой), то F1+F2=2F0, где F0 –предварительное натяжение ремня.
При набегании ремня на шкив со скоростью v на каждый его элемент массой dm, расположенный в пределах дуги обхвата, действуют элементарные центробежные силы dC, которые вызывают дополнительное натяжение F,, во всех сечениях ремня
Действие центробежных сил ослабляет необходимое полезное предварительное натяжение F0 (уменьшает силу трения) и одновременно увеличивает натяжение ремня.
18. Клиноременные и плоскоременные передачи.
С помощью ремня обычно передают движение между параллельными валами, вращающимися в одну сторону (открытая передача). Однако благодаря закручиванию ремня в плоскоременных передачах можно передать движение между параллельными валами с вращением их в противоположные стороны, а также между перекрещивающимися валами.
Клиноременная передача представляет собой открытую передачу с одним или несколькими ремнями, которые имеют клиновую форму поперечного сечения и располагаются в соответствующих канавках шкива. При одинаковом предварительном натяжении клиноременные передачи по сравнению с плоскоременными обладают большей тяговой способностью, имеют меньшее межосевое расстояние, допускают меньший угол обхвата (до 700) и большие передаточные числа (и < 10). Они позволяют передавать движение от одного ведущего шкива нескольким ведомым. При передаче движения несколькими ремнями обрыв одного из них не требует немедленного прекращения работы. Отсутствие стыка обеспечивает плавную, бесшумную работу. Однако стандартные клиновые ремни не допускают скорости более 30 м/с из-за возможности возникновения крутильных колебаний ведомой системы, связанных с непостоянством передаточного числа за один пробег ремня вследствие неизбежного различия ширины ремня по его длине. У клиновых ремней - большие потери на трение и упругий гистерезис, конструкция шкивов - сложнее.
Клиновые ремни состоят из несущего слоя 1 на основе материалов из химических волокон (кордткань или кордшнур). Тканевая обертка 3 увеличивает прочность ремня и предохраняет его от износа. Резина 2 как заполнитель объединяет ремень в единое целое и придаёт ему эластичность. Более гибки и долговечны кордшнуровые ремни.
В зависимости от отношения ширины Ь0 большего основания трапеции к её высоте л клиновые ремни бывают нормальных сечений (Ьул = 1,6), узкие {both *> 1,2) и широкие (tvh = 2,5).
19. Зубчатыминазывают механизмы, в которых движение между звеньями передается с помощью последовательно зацепляющихся зубьев. Достоинства: компактности, высокой надежности в широком диапазоне мощностей (до 150 МВт) и скоростей (до 275 м/с), высокому кпд, простоте ухода, обеспечению высокой точности передаточного отношения, сравнительно малым нагрузкам на валы и опоры. Недостатки передач обусловлены высокой трудоёмкостью изготовления колес, относительно высоким требованием к точности изготовления и монтажа, возможностью появления шума при работе на больших скоростях.
Зубчатые передачи классифицируют по геометрическим и функциональным особенностям:
1) по характеру расположения валов: цилиндрические - имеют параллельные оси: конические -имеют пересекающиеся оси; гилерболоидные, винтовые, гипоидные -передачи со скрещивающимися осями. Для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот, применяют реечную передачу. Ее можно рассматривать как частный случай цилиндрической зубчатой передачи, у которой диаметральные размеры одного из колес (рейки) увеличены до бесконечности.
2) по форме профилей зубьев: эвольвентные (рабочие профили очерчены эвольвентами окружностей), циклоидальные (профили - дуги эпициклоиды и гипоциклоиды), передачи Новикова (профили - дуги окружностей) и др.;
3) по расположению зубьев, относительно образующих основной поверхности – прямозубые косозубые, шевронные, криволинейные;
4) по расположению осей колес относительно точки касания профилей -передачи внешнего и внутреннего зацепления;
5) по характеру движения осей: одно- и многоступенчатые обычные передачи, имеющие неподвижные геометрические оси всех колес; саттеллитные передачи (дифференциальные, планетарные), у которых имеются оси одного или нескольких колес (сателлитов), движущиеся по круговым траекториям;
6) по конструктивному исполнению передачи могут располагаться вне корпуса (открытые) либо работать в корпусе, изолирующем их от внешней среды (закрытые).
Поломка зуба (выламывание углов или целого зуба у основания) -один из более опасных видев разрушения передач. Это связано с образованием усталостных трещин в зоне концентрации напряжений от длительной циклической нагрузки или в результате перегрузок статического и ударного действия.
Выкрашивание - характерный вид разрушения поверхностей зубьев при хорошей смазке. Выкрашивание начинается вблизи полюсной пинии (зона однопарного зацепления), где скольжение и перекатывание профилей направлены так, что масло запрессовывается в усталостные микротрещины и способствует выкрашиванию частиц металла. При этом нарушаются условия образования сплошной масляной пленки и появляется металлический контакт с последующим быстрым износом или задиром поверхностей.
Износ зубьев - причина выхода из строя преимущественно открытых передач, недостаточно защищенных от попадания абразивных частиц: пыли, продуктов износа и др. Искажение профиля в результате износа приводит к увеличению динамических нагрузок, зазоров в зацеплении, уменьшению поперечного сечения зубьев и, следовательно, к увеличению напряжений изгиба и, как правило, к поломке зуба.
Заедание наблюдается в высоконагруженных передачах и является следствием разрыва масляной пленки из-за высоких контактных давлений. Оно проявляется в образовании молекулярного сцепления частиц поверхностных слоев металла и последующего разрушения этих связей в процессе скольжения зубьев, что приводит к повреждению рабочих поверхностей.
Для предупреждения заедания эффективно охлаждение смазки, применение противозадирных масел с повышенной вязкостью и химически активными добавками.
Пластический сдвиг наблюдается у тяжелонагруженных тихоходных зубчатых колес, выполненных из мягкой стали. Вследствие сил трения на поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим сдвигом частиц материала в направлении скольжения, что приводит к образованию вблизи полюсной линии хребта у зубьев ведомого колеса и канавки - у зубьев ведущего. Это нарушает правильность зацепления и приводит к разрушению зубьев. Пласт. сдвиг можно устранить повышением твердости рабочих поверхностей зубьев.
Расчет на выносливость активных поверхностей зубьев.
В основу расчета контактных напряжений положено решение задачи о напряженном состоянии статистически сжатых цилиндрических тел(уравнение Герца) ;
20. Вал- деталь машины, предназначенная для передачи крутящего момента и поддержания вращающихся вместе с ним деталей передач (зубчатых колёс, шкивов, звёздочек и др.). Некоторые валы (гибкие, трансмиссионные, торсионные) не поддерживают вращающиеся детали. Так как передача крутящих моментов связана с возникновением сил, передаваемых на валы от посаженных на них деталей и опор, то валы обычно подвержены, кроме крутящих моментов, также поперечным силам и изгибающим моментам.
По форме геометрической оси валы бывают прямые (наиболее широко распространены), коленчатые (валы машин с возвратно-поступательным движением звеньев) и гибкие (валы с изменяемой формой геометрической оси). Гибкие валы применяются для передачи крутящего момента от деталей с пересекающимися осями.
Оси - детали, предназначенные для поддержания вращающихся деталей, но не передающие полезные крутящие моменты. Они обычно подвергаются воздействию изгибающих моментов. Оси могут быть вращающимися и неподвижными.
Опорная часть вала или оси называется цапфой. Концевая цапфа называется шипом, а промежуточная-шейкой. Часть вала, предназначенная для восприятия осевой нагрузки-пята. По форме цапфы бывают цилиндрическими, коническими, шаровыми и плоскими.
Кольцевое утолщение вала, составляющее с ним одно целое, называется буртиком.
Посадочные поверхности валоа и осей под ступицы насаживаемых деталей выполняют цилиндрическими и коническими. При посадках с натягом диаметр этих поверхностей принимают больше соседних участков для удобства сборки и снижения концентрации напряжения. Конические концы валов изготавливают с конусностью 1:10. Их применяют для облегчения монтажа и демонтажа.
Для уменьшения концентрации напряжений и повышения прочности переходы в местах изменения диаметров вала или оси делают плавными. Криволинейную поверхность переходного участка называют галтелью. Галтели бывают постоянной и переменной кривизны. Для выхода шлифовального круга переходные участки нередко выполняют с канавкой определенного профиля.
Предварительный проектный расчет производят только на кручение. Для компенсации напряжений изгиба и других неучтенных факторов допускаемые напряжения кручения значительно понижают. Так, например, для валов редукторов машин общего назначения принимают , где
- временное сопротивление материала вала (предел прочности). Диаметр вала определяют из условия прочности:
. Для вала сплошного круглого сечения
.
21.Подшипники скольжения, у которых цапфа скользит по опорной поверхности
Простейшим подшипником скольжения является отверстие в которое вставляют втулку (вкладыш) из антифрикционного материала. Подшипникискольжения можно подразделить на 2 вида: неразъёмныеиразъёмные
Разъёмный подшипник состоит из основания и крышки корпуса, разъемного вкладыша, смазочного устройства, соединительных деталей. Износ вкладышей компенсируется поджатием крышки к основанию. Неразъемные подшипники применяют при малой скорости скольжения и работе с перерывами (например, в механизмах управления). Разъемные подшипники облегчают монтаж валов. При большой длине цапф применяют самоустанавливающиеся подшипники, устраняя тем самым перекосы цапф от деформации вала и неточности монтажа, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по длине вкладыша.
Расчёт подшипников скольжения, работающих в условиях полужидкостной и граничной смазки, условно ведут по допускаемому среднему давлению [р], что гарантирует невыдавливаемость смазочного материала: . Работа сил трения, приходящаяся на единицу поверхности:
пропорциональна произведению (рv) среднего давления на окружную скорость. Для гарантии нормального теплового режима
22. Подшипники качения, в которых между соприкасающимися поверхностями расположены тела качения. Применение подшипников качения позволяет заменить трение скольжения трением качения. К недостаткам подшипников качения следует отнести: чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, большие радиальные габариты, снижение долговечности при работе на больших скоростях. Классификация подшипников качения осуществляется по следующим признакам:
- по форме тел качения: шариковые и роликовые;
-ролики (рис. 15.4) могут быть короткими (а) и длинными (б) цилиндрическими, игольчатыми (в), коническими (г), бочкообразными (д), витыми (е);
- числу рядов тел качения: однорядные, двухрядные и многорядные;
- направлению воспринимаемой нагрузки: радиальные, упорные, радиально-упорные и упорно-радиальные;
- возможности компенсировать перекосы валов: самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся;
- нагрузочной способности или по соотношению габаритных размеров: серии диаметров и ширины;
- классам точности: в порядке повышения точности: 0, 6; 5; 4; 2,
- конструктивным особенностям: наличие уплотнений, фланцев на наружном кольце.
В процессе эксплуатации подшипников качения может происходить усталостное выкрашивание дорожек качения вследствие переменных контактных напряжений. В результате действия ударных, вибрационных нагрузок при невращающемся подшипнике на дорожках качения могут возникнуть пластические деформации в виде вмятин (бринелирование). Причинами выхода из строя подшипников также могут быть разрушение сепаратора, колец, тел качения.
Основными критериями работоспособности подшипников качения являются износостойкость рабочих поверхностей, долговечность и сопротивление пластическим деформациям.
Основными паспортными характеристиками подшипников качения являются динамическая С и статическая С0 грузоподъёмности.
Подбор подшипников качения при частоте вращения выполняется по динамической грузоподъёмности (при n = 1,..10-1мин в расчётах принимают n=10-1мин):
Базовую динамическую грузоподъемность определяют экспериментальным путем в типовых условиях при 90 %-й надежности: нагрузка плавная, постоянная, чисто радиальная (для радиальных и радиально-упорных подшипников) либо чисто центральная осевая (для упорно-радиальных и упорных подшипников), вращается внутреннее кольцо, смазка удовлетворительная.
Динамическая грузоподъёмность С - это такая постоянная нагрузка (радиальная - для радиальных и радиально-упорных подшипников и осевая - для упорных и упорно-радиальных), которую он может выдержать в течение 1 млн оборотов внутреннего кольца без появления признаков усталости не менее чем у 90 % из определённого числа подшипников, подвергающихся испытаниям.
Так как фактические условия эксплуатации отличается от типовых, при которых определялась динамическая грузоподъемность, вводят понятие эквивалентной динамической нагрузки Р.
Эквивалентной динамической нагрузкой Р называют такую условную постоянную нагрузку (радиальную - для радиальных и радиально-упорных и осевую - для упорных и упорно-радиальных подшипников), которая, при приложении её к подшипнику с вращающимся внутренним кольцом и с неподвижным наружным, обеспечивает такую же долговечность, какую подшипник имеет при действительных условиях нагружения и вращения. В общем случае . Динамическая грузоподъёмность и ресурс L (в млн оборотах) связаны зависимостью
(15.7),откуда
В случаях, когда необходимо увеличить надёжность и учесть условия эксплуатации,вводят поправочные коэффициенты:
где а1 - коэффициент надежности (вводится если требуемая надежность в эксплуатации более 90 %); а2 - обобщенный коэффициент совместного влияния качества металла и условий эксплуатации. Эквивалентная динамическая нагрузка для упорных и упорно-радиальных подшипников
Учёт переменности режима нагрузки принято выполнять путём замены нагрузки Рв формуле (15.7) эквивалентной нагрузкой:
, где Pi- эквивалентная нагрузка, определяемая по формуле для каждого уровня нагрузки; Li- число млн оборотов при нагрузке Рi.
При статических условиях эксплуатации в качестве эквивалентной статической нагрузки Р0 принимают большее из значений:
Х0, Y0- коэффициенты радиальной и осевой статических нагрузок.
Статическую грузоподъёмность С0 используют для подбора подшипников при малых частотах вращения, когда число циклов нагружений мало и не вызывает усталостных разрушений, а также для проверки подшипников, рассчитанных по динамической грузоподъёмности. Условие подбора и проверки: . где С0 - статическая грузоподъёмность, под которой понимают такую статическую нагрузку, которой соответствует общая остаточная деформация тел качения и колец в наиболее нагруженной точке контакта, равная 0,0001 диаметра тела качения. Предельная быстроходность подшипника ограничена указанной в каталоге предельной частотой вращения nпр, при превышении которой расчётная долговечность не гарантируется.
Муфты
Муфтами в технике называют устройства, которые служат для соединения концов валов, стержней, труб и электртческих проводов. Потребность в соединение валов связана с тем ,что
большинство машин компонуют из отдельных узлов, для соединения валов которых используют муфты. Муфты используют также для соединения валов с расположенными на них деталями, для включения и выключения исполнительного механизма при непрерывно работающем двигателе (сцепные управляемые), для предохранения деталей от перегрузок (предохранительные), для компенсации вредного влияния несоосности валов(компенсирующие), для уменьшения динамических нагрузок (упругие).
Паспортной характеристикой муфты является значение крутящего момента, на передачу которого она рассчитана. Подбор муфт производят в зависимости от размеров посадочных диаметров валов по расчетному крутящему моменту: где Т- наибольший длительно действующий момент на валу; к- коэффициент режима работы, учитывающий условия эксплуатации. Для передач от электродвигателей принимают к = 1,25...2,0- транспортеры ленточные, цепные, скребковые; к = 1,25...2,5- станки металлорежущие; к = 2...3 -дробилки, молоты; к = 3...4-краны грузоподъемные.
Стандартные муфты каждого размера выполняют для некоторого диапазона диаметров валов.
Работа муфт сопровождается "потерями» мощности на преодоление сил трения в подвижных элементах и упругих деформаций соединительных деталей. Обычно принимают кпд муфт: = 0,985 ... 0,995.
1.механические: 1.1неуправляемые (глухие: втулочные, фланцевые; компенсирующие: кулачково-дисковые, зубчатые, шарнирные; компенсирующие упругие: втулочно-пальцевые, с торообразной оболочкой, со змеевидной пружиной); 1.2управляемые (кулачковые; фрикционные); 1.3самоуправляемые автоматические (центробежные-самоуправляемые по частоте; предохранительные-самоуправляемые по моменту; свободного хода- самоуправляемые по направлению вращения); 2.электромагнитные; 3.гидравлические.