Крепление полосы к косынке

 

Полоса приварена к косынке прорезным и двумя фланговыми швами и нагружена растягивающей силой Р. (Рис. 3.2.2)

Материал полосы — сталь СтЗ. Сварка выполнена электродами Э34 вручную. Определить длину фланговых швов l_ф и длину прорези l_пр, если катет шва k =8 мм, ширина прорези l_пр= 20 мм и сварное соединение должно быть равнопрочно растягиваемой полосе.

Решение.

Допускаемая нагрузка на растяжение для полосы

где для стали СтЗ принято [s_р] = 160 Н/мм².

Расчет сварного соединения выполняем по принципу независимости работы швов, т. е. принимаем, что каждый из швов передает на косынку усилие, пропорциональное его расчетной площади. На рис. 3.2.3 показана эпюра про­дольных сил для полосы. Превышение длины фланговых швов над длиной прорези определяем из условия: в сечении 2—2 напряжения в полосе с уче­том ослабления ее прорезью должны быть равны допускаемым. Допускаемая продольная сила в сечении 2—2

следовательно, на участке 2—3 фланговые швы должны передать на косынку усилие

Усилие DN передают участки фланговых швов длиной l_ф — l_пр. Опреде­ляем эту длину из условия прочности швов на срез;

где принято

На участке 1—2 усилие передается прорезным швом и участками флан­говых швов длиной l_пр:

Окончательно получаем длину прорези l_пр = 139 мм, длину фланговых швов l_ф = 139 + 43 = 182 мм.

Сварка стальных полос

 

Полосы из стали Ст2 сварены встык вруч­ную электродами Э42. Осевая сила изменяется в пределах от P_min = от 0,5Р_mах до Р_mах. Определить допускаемое значение Р_mах.

 

 

Решение.

Основное (при статическом нагружении) допускаемое напряжение для свариваемых полос [s]_р=140 Н/мм².

Допускаемое напряжение для шва при переменной нагрузке

Условие прочности сварного шва

откуда

 

 

Комбинированный шов

 

Проверить прочность сварных швов в соединении (Рис. 3.2.4). Материал полосы — сталь СтЗ. Сварка ручная электродом Э34.

 

 

 

Решение.

Расчет ведем по способу полярного момента инерции

Определяем положение центра тяжести швов. Абсцисса центра тяжести проекции швов на плоскость чертежа, отсчитываемая от вертикальной кромки полосы,

Момент инерции швов относительно оси х

Момент инерции швов относительно оси у

Полярный момент инерции швов относительно центра тяжести их про­екции

Расчетный полярный момент инерции швов (с учетом опасности их раз­рушения по биссекторному сечению)

 

Момент от силы Р

Haпpяжeниe от момента в точке, наиболее удаленной от центра тяжести швов,

Напряжение от осевой силы

Подставив суммарную расчетную площадь сварных швов

получим

Напряжение от сдвигающей силы (в предположении, что она восприни­мается только вертикальным швом)

 

где

Результирующее напряжение в точке С равно геометрической сумме t_m и t_n. Максимальное напряжение t_m направлено перпендикулярно r_max

(определено построением);

 

Суммарное напряжение в точке D определяется как геометрическая сумма трех напряжений: t_n; (t_m) _D и t_P:

(определено построением векторного многоугольника).

 

Консольное соединение

 

Проверить прочность сварных швов соединения. Допускаемое напряжение на срез сварных швов [t]_CP = 96 Н/мм².

 

 

Решение.

Определяем расчетный момент инерции сварных швов (с учетом опас­ности их разрушения по биссекторным плоскостям):

 

Максимальные напряжения в шве от изгиба

Напряжения в швах от растяжения

Расчетная площадь сварных швов

Подстановка числовых значений усилия и расчетной площади дает

Напряжения в швах от сдвига (в предположении, что сдвигающая сила воспринимается только вертикальными швами)

Расчетная площадь вертикальных швов

Подставив числовые значения Q и F_В, получим

Результирующее расчетное (условное) напряжение в опасной точке вертикального шва

 

3.2.6.Крепление уголка

 

Определить длину швов, крепящих уголок 100х100х10 мм к по­лосе (Рис. 3.2.6.). Соединение должно быть равнопрочным основному элементу. Полоса и уголок из стали Ст3. Сварка — ручная. Нагрузка — статическая.

 

 

Решение.

Определяем допускаемое напряжение растяжения уголка (при s_Т = 240 Н/мм² и [s]=1,35),

Определяем допускаемое напряжение среза в шве по табл. 4 приложения, приняв электроды марки Э42:

Находим усилие, которое может передать уголок, имеющий сечение А=1920 мм² (ГОСТ 3509—57):

Определяем потребную суммарную длину лобового и флангового швов, приняв катет шва k = d = 10 мм;

Длина фланговых швов

Определяем нагрузку, приходящуюся на фланговые швы.

Фланговые швы расположены несимметрично относительно центра тяжести сечения уголка. Эти расстояния принимаем по ГОСТ 8509—77:

a = 28,3, b = 100 - 28,3 = 71,7мм. Исходя из того, что нагрузка на фланговые швы распределяется по закону рычага, находим:

Находим длину каждого флангового шва:

Учитывая дефекты шва (непровар в начале и кратер в конце), увеличиваем длину фланговых швов и принимаем l₁ = 270 мм, l₂ = 117 мм.

 

3.2.7. Крепление кронштейна корпуса подшипника

Кронштейн корпуса подшипника сечением l * b = 60 х 40мм приварен к основа­нию угловыми швами по периметру (Рис. 3.2.7). Катет шва k=10 мм. Кронштейн воспринима­ет переменную нагрузку f_max= 6,5 кН; L=160 мм. Коэффициент асимметрии цикла напряжений r = 0. Материал кронштейна — сталь Ст3. Суммарное число циклов нагружения за срок службы N_S = 10⁷. Проверить прочность свар­ных швов.

Решение.

Определяем напряжение в швах от момента M = F * L:

где W_шв — момент сопротивления швов:

I_шв — момент инерции периметров швов:

I’_шв — расчетный момент инерции швов:

Определяем напряжение в швах от силы F (без учета поперечных швов):

Результирующее напряжение от действия момента и силы определяется геометрическим сложением:

Определяем допускаемое напряжение среза:

Предел выносливости свариваемого материала:

где t_-1= 110 Н/мм² и s_b= 400 Н/мм²; y_t = 0 — коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла. Принимаем: e = 0,9 —масштабный фактор; [s] = 1,3 — коэффи­циент безопасности; Kt = 2 — эффективный коэффициент концентра­ции напряжений шва; b = 1 —коэффициент влияния качества обработки поверхности (учитывается в Kt).

Определяем коэффициент долговечности

где N₀ = 3,4×10⁶ —базовое число циклов перемены напряжений; N_LE - эквивалентное число циклов перемены напряжений:

При показателе степени кривой выносливости m:

,

Подставляя значения, получим

Условие прочности соблюдается:

 

3.2.8. Крепление кронштейна

Рассчитать кронштейн и сварное соединение (Рис. 3.2.8) при F =10⁴ H, T=8×10³ Нм, нагрузка статическая, толщина листа d = 12 мм, материал листа СтЗ (s_Т =220 МПа), сварка ручная электродом Э42.

 

Решение.

Определяем ширину b листа по условию его прочности.

Принимая запас прочности s= 1,4, находим

[s]_р = s_T / s = 220/1,4 =157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку Т, получаем

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

Определяем размеры швов. Принимаем l_л = b = 165 мм, k = d = 12 мм. Предва­рительно оцениваем l_ф только по основной нагрузке Т.

Примем

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

Проверяем прочность швов по суммарной нагрузке:

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

 

3.2.9. Консольное крепление трубы

 

Рассчитать сварной шов консольно приваренной трубы (Рис. 3.2.9); d =140 мм, толщина стенки трубы d = 5 мм, T= 10⁴ Нм, M = 7×10³ Нм, нагрузка статическая. Материал трубы — СтЗ, сварка ручная электродом Э42. Сама труба рассчитана по [s]_р =157 МПа.

 

 

Решение.

Напряжение от момента Т:

Напряжения от момента М:

Суммарное напряжение

Отсюда находим k = 8,5 мм. Отметим, что для принятой конструкции шва при ус­ловии равнопрочности шва и трубы требуется k > d. Более совершенно соединение стыковым швом с разделкой кромок.

 

 

Приложения

 

 

 

 

Таблица 1Резьба метрическая

(ГОСТ 9150—59)

 

 

Размеры в мм

 

Номи­нальный диаметр резьбы d	Pезьбы с крупным шагом	Резьбы с мелким шагом
Шаг резьбы S	Внутрен­ний диаметр d1	Средний диаметр d2	Расчет­ная пло­щадь се­чения винта F, см2	Шаг резьбы S	Внутрен­ний диаметр d1	Средний диаметр d 2
		4,918	5,350	0,178	0,75	5,188	5,513
	1,25	6,647	7,188	0,329		6,918	7,350
	1,5	8,376	9,026	0,523	1,25	8,647	9,188
	1,75	10,106	10,863	0,763	1,25	10,647	11,188
(14)		11,835	12,701	1,045	1,5	12,376	13,026
		13,835	14,701	1,440	1,5	14,376	15,026
(18)	2,5	15,294	16,376	1,750	1,5	16,376	17,026
	2,5	17,294	18,376	2,260	1,5	18,376	19,026
(22)	2,5	19,294	20,376	2,820	1,5	20,376	21,026
		20,752	22,051	3,240		21,835	22,701
(27)		23,752	25,051	4,270		24,835	25,701
	3,5	26,211	27,727	5,180		27,835	28,701
(33)	3,5	29,211	30,727	6,470		30,835	31,701
		31,670	33,402	7,600		32,752	34,051
(39)		34,670	36,402	8.610		35,752	37,051
	4,5	37,129	39,077	10,450		38,752	40,051
(45)	4,5	40,129	42,077	12,260		41,752	43,051
		42,752	44,752	13,750		44,752	46,051

 

 

Таблица 2. Допускаемые осевые нагрузки в кН для затянутых болтов с метрической резьбой при, неконтролируемой затяжке
Тип резьбы	Марка стали	Тип резьбы	Марка стали
СтЗ	А12		40Х	ЗОХНЗ	СтЗ	А12		40Х	ЗОХНЗ
Мб	0,75	0,80	1,20	1,75	2,00	М24	23,0	25,0	40,0	56,0	64,0
М8	1,40	1,50	2,20	3,40	3,90	М27	33,0	36,0	53,0	74,0	84,0
М10	2,40	2,60	3,80	5,60	6,40	МЗО	45,0	49,0	74,0
М12	3,60	3,90	5,80	8,50	9,70	МЗЗ	56,0	61,0	92,0
М14	5,00	5,40	8,50	13,0	15,00	М36	70,0	76,0
М16	7,50	8,0	12,0	19,0	21,0	М39	90,0	97,0
М18	10,0	10,9	16,0	25,0	28,5	М42
М20	14,0	15,0	24,0	35,0	40,0	М45
М22	19,0	20,5	32,0	46,0	52,0	М48

 

 

Таблица 3. Классы прочности и механические характеристики болтов, винтов и шпилек (выборка)
Класс прочности	Временное сопротивление sВ, Н/мм2	Предел текучести sТ, Н/мм2	Марка стали
болта	гайки
4.6				20, СтЗкпЗ
5.6			30,35	10, 10кп
6.8			20, 20кп	15, 15кп

 

Таблица 4. Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке
Вид сварки	Допускаемые напряжения
Растяжения [σ'p]	Сжатия [σ'сж]	Среза [τ'сp]
Автоматическая под флюсом: ручная электродами Э42А и Э50А; в среде защитного газа; контактная стыковая	[σp]	[σp]	0,65[σp]
Ручная дуговая электродами Э42 и Э50. Газовая сварка	0,9[σp]	[σp]	0,6[σp]
Ручная сварка электродами Э34; контактная точечная и роликовая	0,6[σp]	0,75[σp]	0,5[σp] 0,6[σp]
[σp] – допускаемое напряжение свариваемого металла на растяжение.

 

 

Литература

 

1. Детали машин в примерах и задачах/ С.Н.Ничипорчик, М.И.Корженцевский, В.Ф.Калачёв и др.- 2-е изд.- Мн.: Выш. школа, 1981-432 с., ил.

2. Ицкович Г.М. Чернавский С.А. и др. Сборник задач и примеров расчёта по курсу деталей машин.- М. "Машиностроение", 1975.- 286 с.

3. Иванов М.Н. Детали машин.- М.: Высш. Шк., 1991.-383 с.: ил.

4. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность

5. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б., Резьбовые соединения.- М.: Машиностроение,1973.-256 с.

6. Клячкин Н.Л. Расчёт групповых резьбовых соединений.- М.: Машиностроение, 1972.-386 с.

7. Николаев Г.А. и др. Проектирование сварных конструкций в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1975.