Машиностроительные конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

жесткость нагрузка деформация конструкция машиностроительный

Жесткость имеет большое значение для машин облегченного класса (транспортные машины, авиационная, ракетная техника). Стремясь облегчить конструкцию и максимально использовать прочностные ресурсы материалов, конструктор в данном случае повышает уровень напряжения, что сопровождается увеличением деформаций. Широкое применение равнопрочных, наиболее выгодных по массе конструкций, в свою очередь, вызывает увеличение деформаций, так как равнопрочные конструкции наименее жесткие.

Особую остроту приобретают вопросы жесткости в связи с появлением высокопрочных и сверхпрочных материалов, применение которых обусловливает резкое увеличение деформативности конструкций.

Нередки случаи недооценки сил, действующих на конструкцию. Очень часто при расчете получают ничтожные рабочие силы, а фактически же неожиданно возникают нагрузки, приводящие к поломкам и выходу из строя деталей. Эти нагрузки могут быть вызваны неточностями монтажа, деформаций недостаточно жестких элементов конструкции, остаточными деформациями, перетяжкой крепежных деталей, повышенным трением и перекосами трущихся частей узла, силами, возникающими при транспортировке и установке машины, и другими факторами, не учитываемыми расчетом.

Деформации можно рассчитать лишь в простейших случаях методами сопротивления материалов и теории упругости. В большинстве случаев приходится иметь дело с нерасчетными деталями, сечения которых определяются условиями изготовления (например, технологией литья) или имеющими сложную конфигурацию, затрудняющую определение напряжений и перемещений.

Здесь приходится прибегать к моделированию, эксперименту, опыту имеющихся аналогичных конструкций, а нередко полагаться только на интуицию, вырабатывающуюся с течением времени у конструктора. Опытный конструктор, зная действующие силы, определяет более или менее правильно деформации, выявляет слабые места и, пользуясь различными приемами, увеличивает жесткость, компонуя рациональную конструкцию. Напротив, конструкции, спроектированные начинающими конструкторами, обычно страдают недостатком жесткости.

Критерии жесткости

Жесткость - это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы. Понятием, обратным жесткости, является податливость, т. е. свойство системы приобретать относительно большие деформации под действием внешних нагрузок. Для машиностроительных конструкций наибольшее значение имеет жесткость. Однако в ряде случаев важным свойством оказывается и податливость (пружины, рессоры и другие податливые детали).

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой;

Для случая растяжения-сжатия бруса постоянного сечения в пределах упругой деформации коэффициент жесткости согласно закону - Гука

где F - сечение бруса, мм²; l-длина бруса в направлении действия силы, мм.

Обратную величину:

характеризующую упругую податливость бруса, называют коэффициентом податливости.

Определенный по относительной деформации (e--f/l) коэффициент жесткости

л = EF

представляет собой условную нагрузку (Н), вызывающую относительную деформацию е=1. Соответствующий коэффициент податливости

представляет собой относительную деформацию при приложении нагрузки 1 Н.

Для случая кручения бруса постоянного сечения, коэффициент жесткости равен отношению приложенного к брусу крутящего момента М_кр. к вызываемому этим моментом углу [рад] поворота сечений бруса на длине l [мм]:

где I_Р. - полярный момент инерции сечения бруса.

Для случая изгиба бруса постоянного сечения коэффициент жесткости

где I -- момент инерции сечения бруса, , l - длина бруса, мм; а - коэффициент, зависящий от условий нагружения.

Таблица 1

Жесткость при изгибе для различных схем нагружения

В табл. 1 приведены значения коэффициента жесткости при изгибе для нескольких случаев нагружения. За единицу принято значение , соответствующее изгибу двухопорного бруса, нагруженного сосредоточенной силой Р в середине пролета.

Как видно из табл. 1, жесткость системы сильно зависит от условий приложения нагрузки. Брус, нагруженный равномерно распределенной силой, обладает в 1,5 раза большей жесткостью, чем брус, нагруженный сосредоточенной силой того же суммарного значения. Еще большее влияние на жесткость имеют тип и расположение опор. Например, жесткость двухопорного бруса с заделанными концами в 4--8 раз превышает жесткость бруса, свободно опертого по концам. Жесткость консольного бруса, нагруженного сосредоточенной силой, составляет только 0,063 жесткости двухопорного бруса той же длины, нагруженного той же силой посередине пролета.

Конструктивные способы повышения жесткости

Главные конструктивные способы повышения жесткости без существенного увеличения массы:

всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;

для деталей, работающих на изгиб - целесообразная расстановка опор, исключение невыгодных по жесткости видов, нагружения;

рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений;

рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие;

усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому;

блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей; привлечение жесткости смежных деталей; для деталей коробчатого типа -- применение скорлупчатых, сводчатых сферических, яйцевидных и тому подобных форм;

для деталей типа дисков -- применение конических, чашечных, сферических форм; рациональное оребрение, гофрирование;

для деталей типа плит - применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций.

Замена изгиба растяжением-сжатием

Повышенная жесткость деталей, работающих на растяжение-сжатие, в^; конечном итоге обусловлена лучшим использованием материала при этом виде нагружения. В случае изгиба и кручения нагружены преимущественно крайние волокна сечения. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, тогда как сердцевина остается недогруженной. При растяжении-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Предел нагружения наступает, когда напряжения во всех точках сечения теоретически одновременно достигают опасного значения. Кроме того, при растяжении-сжатии деформации детали пропорциональны первой степени её длины. В случае же изгиба действие нагрузки зависит от расстояния между плоскостью действия изгибающей силы и опасным сечением; деформации здесь пропорциональны третьей степени длины.

Блокирование деформаций

В общей постановке вопроса задача увеличения жесткости заключается в том, чтобы найти точки наибольших перемещений системы, деформируемой под действием нагрузки, и предотвратить, эти перемещения введением элементов растяжения-сжатия, расположенных по направлению перемещений. Классическим примером решения этой задачи является увеличение жесткости рам и ферменных конструкций раскосами.

Рис.1 Схема действий диагональных связей

Жесткость стержневой рамы, подвергающейся действию сдвигающих сил Р (рис. 1, а), крайне незначительна и определяется только сопротивлением вертикальных стержней изгибу и жесткостью узлов соединения стержней. Введение косынок (рис. 1,б) приближает схему нагружения стержней к схеме работы заделанных балок и несколько уменьшает деформации.

Наиболее эффективно введение диагональных связей (раскосов), подвергающихся растяжению или сжатию. Раскос растяжения (рис. 1, в) должен при перекосе рамы удлиниться на величину Д. Так как жесткость растягиваемого стержня во много раз больше изгибной жесткости вертикальных стержней, то общая жесткость системы резко возрастает. Аналогично действует раскос сжатия (рис. 1, г). Но в этом случае необходимо считаться с возможностью продольного изгиба сжатого стержня, что делает систему менее желательной.

* Если нагрузка действует попеременно в обоих направлениях, то применяют раскосы перекрестные или чередующегося направления (рис. 1, д и ё).

Консольные и двухопорные системы

Рис.2 Схемы нагружения

Если по конструкции и функциональному назначению детали нельзя избежать изгиба, то на первый план выступает задача уменьшения деформаций и напряжений изгиба.

На рис. 2 изображены основные схемы изгиба балок: консольной (а) опертой по концам (б) и с заделанными концами (в).

Из сопоставления максимальных изгибающих моментов и прогибов видно большое преимущество двухопорных балок перед консольными по жесткости и прочности. При одинаковых длине, сечении балок и нагрузке максимальный изгибающий момент (а следовательно, и максимальные напряжения изгиба) в двухопорной балке в 4 раза, а в двухопорной (заделанной) в 8 раз меньше, чем в консольной. Еще больше преимущества по жесткости. Максимальный прогиб двухопорной балки в 16 раз, а двухопорной заделанной в 64 раза меньше, чем консольной. Практически различие между двухопорными и консольными деталями выражено не так резко, как в приведенном сравнении. В сравнимых конструктивных вариантах консольной и двухопорной балок длина консоли редко бывает равной расстоянию между опорами в двухопорной балке; чаще всего она значительно меньше.

Увеличение жесткости и прочности консольных конструкций

Если применение консольной установки продиктовано необходимостью, то следует принимать все меры к устранению присущих ей недостатков. Необходимо всемерно уменьшать вылет консоли, увеличивать жесткость и прочность консольной части конструкции.

В качестве общего правила можно принять, что расстояние между опорами должно быть равно удвоенной консоли. При этом нагрузка на переднюю опору = 1,5Р.

В целом агрегат в консольном исполнении сильно выигрывает по простоте, точности изготовления, надежности и удобству эксплуатации.

Заделка консолей

Жёсткость и прочность консолей в большой степени зависят от условий заделки в корпусе. Усиление консоли как таковой бесполезно, если узел заделки недостаточно жесткий.

При радиальной заделке консоли придают фланец, который притягивают болтами к привалочной плоскости, усиленной ребрами.

Рациональное расположение опор

Так как прогиб двухопорной балки пропорционален третьей степени пролета, то сближение опор является весьма эффективным средством повышения жесткости.

Если расстояние между опорами сократить, например, в 3 раза, то максимальные изгибающий момент и напряжения в вале уменьшаются также в 3 раза, а максимальный прогиб - в 27 раз. В связи с уменьшением пролета, а также увеличением момента инерции работающего участка вала прогиб становится пренебрежимо малым.

Во многих случаях жесткость системы удается увеличить введением дополнительных опор. В конструкции коленчатый вал оперт в трех подшипниках. Система имеет малую жесткость; для ее увеличения щекам и шейкам вала необходимо придать большие сечения. Жесткость резко увеличивается при введении опор между каждым коленом. Последняя конструкция применяется почти всегда.

Рациональные сечения

Для повышения жесткости без увеличения массы деталей необходимо усиливать участки сечений, подвергающиеся при данном, виде, нагружения наиболее высоким напряжениям, и удалять ненагруженные и малонагруженные участки. При изгибе напряжены сечения, наиболее удаленные от нейтральной оси. При кручении напряжены внешние волокна; по направлению к центру напряжения уменьшаются, и в центре они равны нулю. Следовательно, целесообразно всемерно развивать наружные размеры, сосредотачивая материал на периферии и удаляя его из центра.

Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей массе обладают развитые по периферии полые тонкостенные детали типа коробок, труб и оболочек.

Оребрение

Для увеличения жесткости, особенно литых корпусных деталей, широко применяют оребрение. Однако при этом необходимо соблюдать осторожность, так как неправильное соотношение сечений ребер и оребряемой детали может вместо упрочнения привести к ослаблению.

У деталей, подвергающихся изгибу в плоскости расположения наружных ребер, на вершине ребра возникают напряжения растяжения, достигающие большого значения вследствие малой ширины и малого сечения ребра. Особенно опасны тонкие ребра, суживающиеся вершине; разрушение детали всегда начинается с разрыва вершины ребер.

Корпусные детали

Главными средствами повышения жесткости корпусных деталей без существенного увеличения их массы (а иногда и с ее уменьшением) являются: скругление переходов придание стенкам сводчатых форм, рациональное внутреннее оребрение и введение между стенками связей (предпочтительно диагональных). Жесткость корпусов можно увеличить конструктивным объединением элементов корпуса в одно целое (моноблочные конструкции).

Тонкостенные конструкции

В конструкциях из листового материала (оболочковых, тонкостенных профилях, резервуарах, облицовках, панелях, крышках) необходимо учитывать не только деформации, вызываемые рабочими нагрузками, но и деформации, возникающие при сварке, механической обработке, соединении и затяжке сборных элементов. Следует считаться и с возможностью случайных повреждений стенок при транспортировке, монтаже и неосторожном обращении в эксплуатации. В сильно нагруженных оболочковых конструкциях первостепенное значение имеет предупреждение потери устойчивости оболочек.

Основные приемы увеличения жесткости: всемерная разгрузка от изгиба, замена напряжений изгиба напряжениями сжатия-растяжения, введение связей между участками наибольших деформаций, увеличение сечений и моментов инерции на опасных участках, введение усиливающих элементов в местах сосредоточения нагрузок и на участках перелома силового потока, применение конических и сводчатых форм.

Отсеки. Радиальную жесткость цилиндрических тонкостенных деталей больших размеров увеличивают с помощью кольцевых поясов жесткости, наружных или внутренних.

Более жестки и прочны отсеки с двойными стенками. Для увеличения радиальной жесткости целесообразно стенки отсека связывать между собой сваркой пуклевок на стенках отсека или сваркой трубок . Лучшие результаты дает введение кольцевых поясов жесткости. Аналогичное действие оказывает разделение отсека на несколько отсеков меньшей длины. Роль поясов жесткости в данном случае выполняют стыки отсеков. Введение в отсеки конусов сводчатых элементов увеличивают не только радиальную, но и продольную жесткость.

Оболочковые конструкции с пространственными решетками

Наиболее высокую жесткость оболочковым системам можно придать заполнением пространства между оболочками равномерно распределенными элементами жесткости, связывающими все их участки и. превращающими систему в пространственную решетку, работающую как одно целое. Появление прочных синтетических клеев позволяет до некоторой степени приблизиться к решению этой задачи.

Применяют две основа пенопластовые и сотовые. В первом случае полости между металлическими оболочками заполняют вспенивающимися пластиками на основе термореактивных или отверждающихся смол. Пластики вводят в жидком виде с добавлением газообразующих веществ и эмульгаторов. При нагреве до 150 -- 200 "С состав вспенивается и затвердевает, образуя пористую массу с объемом пор до 80-90%. Прочность, жесткость и устойчивость систем в целом значительно увеличиваются, хотя и не до такой степени, как в случае введения металлических пространственных связей. Эту систему обычно применяют в сочетании с металлическими связями, поперечными (нервюры, шпангоуты) и продольными (лонжероны)

Заключение

Жесткость определяет работоспособность конструкции в такой же (а иногда и в большей) мере, как и прочность. Повышенные деформации могут нарушить нормальную работу конструкции задолго до возникновения опасных для прочности напряжений.

Нежесткость корпусов расстраивает взаимодействие расположенных в них механизмов, вызывая повышенное трение и износ подвижных соединений; нежесткость валов и опор зубчатых передач нарушает правильное зацепление колес и приводит к быстрому износу зубьев; нежесткость цапф и подшипников скольжения вызывает повышенные кромочные давления, появление очагов полужидкостного и полусухого трения, перегрев, заедание или снижение срока службы подшипников; нежесткость неподвижных соединений, подверженных действию динамических нагрузок, вызывает фрикционную коррозию, наклеп и сваривание поверхностей.

У машин-орудий жесткость рабочих органов определяет точность размеров обрабатываемых изделий. В металлорежущих станках точность обработки зависит от жесткости станин и рабочих органов, в прокатных станах точность проката -- от жесткости клетей и валков.

Поэтому рациональному повышению жесткости, в машиностроении, уделяется такое большое внимание.

Размещено на www.allbest.ru