Соединения деталей и узлов машин (стр. 4 из 9)
2) Соединения нахлесточные. Боковые поверхности соединяемых элементов частично перекрывают одна другую.
3) Соединения тавровые. Соединяемые элементы перпендикулярны или реже наклонны один к другому. Один элемент торцом приваривается к боковой поверхности другого.
4) Соединения угловые. Соединяемые элементы перпендикулярны или наклонны один к другому и привариваются по кромкам.
Применение стыковых соединений, как наиболее близких к целым деталям, расширяется, а применение нахлесточных сокращается.
Применение сварных конструкций обеспечивает существенную экономию металла по сравнению с клепаными и литыми. Экономия металла по сравнению с клепаными конструкциями получается в основном ввиду:
а) полного использования рабочих сечений соединяемых элементов без ослабления их отверстиями для заклепок;
б) возможности непосредственного соединения элементов без вспомогательных деталей (накладок).
Общая экономия металла составляет в среднем 15?20 %.
Экономия металла по сравнению с литыми конструкциями достигается благодаря:
а) более высоким механическим свойствам материалов и меньшим остаточным напряжениям;
б) более тонким стенкам;
в) меньшим припускам на механическую обработку.
Сварные стальные конструкции легче чугунных литых на величины до 50%, а стальных литых - до 30 %.
Для сварки характерны высокие экономические показатели: малая трудоемкость процесса, относительно низкая стоимость оборудования, возможность автоматизации и т. д. Относительно низкая стоимость сварочного оборудования определяется тем, что оно не связано с использованием больших сил (как кузнечно-прессовое оборудование) и с необходимостью плавления большого количества металла (как литейное производство).
Недостатком сварки является нестабильность качества шва, зависящая от квалификации сварщика. Этот недостаток в значительной степени устраняется применением автоматической сварки.
Сварка является основным видом получения соединений металлических строительных конструкций. Наиболее прогрессивно изготовление металлических конструкций на заводах сваркой, а их соединение на строительных объектах высокопрочными болтами.
Сварка позволяет удешевлять и совершенствовать конструкции деталей, полученных разными заготовительными операциями, поковок, проката, отливок и деталей из разных материалов.
Широкое применение находят сварные конструкции из гнутых или штампованных элементов. Эти конструкции допускают рациональные формы при малой трудоемкости.
Общим исходным условием проектирования сварных соединений является условие равно прочности шва и соединяемых элементов.
Расчет сварных конструкций. Прочность сварных соединений при переменной нагрузке.
Сварные соединения, равнопрочные при статических нагрузках соединяемым элементам, при переменных нагрузках оказываются относительно слабее.
Это объясняется: 1) концентрацией напряжений (связанной с геометрией стыка, сварочными дефектами, а для фланговых и косых угловых швов – совместной работой с соединяемыми элементами); 2) остаточными напряжениями; в) литейной структурой шва, изменением структуры металла около шва и выгоранием легирующих компонентов.
Наибольшим сопротивлением переменным нагрузкам обладают стыковые соединения, особенно при снятых механической обработкой утолщениях.
Прочность сварных соединений при действии переменных нагрузок сильно зависит от качества швов. Например, при наличии в стыковых швах даже незначительного непровара прочность снижается на 50 %. Такое же снижение получается от сварки электродами с тонкими покрытиями.
Большое значение имеет конструкция швов. Например, прочность при переменных нагрузках тавровых соединений со скосами кромок в связи с меньшей концентрацией напряжений в 1,5 раза выше, чем без разделки кромок. От постановки накладок для усиления стыковых соединений прочность при переменных нагрузках, как правило, не только не увеличивается, но, наоборот, уменьшается в связи с появлением источников резкой концентрации напряжений.
Следует избегать совмещения сварных швов с местами концентрации напряжений от формы. Следует обеспечивать равномерную толщину швов, в частности исключать большие скопления наплавленного металла в местах пересечения швов. Следует так располагать швы, чтобы было удобно их сваривать и контролировать.
Кардинальным средством повышения прочности сварных соединений при переменных нагрузках является наклеп дробью и чеканка.
В опытах на сварных лабораторных образцах дробеструйной обработкой удавалось повысить прочность более чем в 1,5 раза и даже довести прочность до прочности целых образцов; прочность соединений электрошлаковой сваркой удавалось повысить в 2 раза.
Выбор допускаемых напряжений. Допускаемые напряжения в сварных швах при статической нагрузке задаются в долях от допускаемого напряжения основного металла соединяемых элементов на растяжение в зависимости от способа сварки.
Допускаемые напряжения основного металла в металлических строительных и крановых конструкциях (в соответствии со «Строительными нормами и правилами» ) определяют по зависимости
где R - расчетное сопротивление разрушению (R=0,9σТ для низкоуглеродистой и R=0,85σТ для низколегированной стали); m - коэффициент условий работы, в большинстве случаев равный 0,9; при повышенной податливости элементов и в некоторых других случаях т=0,8; kH - коэффициент надежности, обычно kH=1?1,2, для подкрановых балок при тяжелом режиме kH=1,3?1,5.
Обычно
= σТ/(1,35?1,6) для углеродистых и = σТ/(1,5?1,7) для легированных сталей.В строительных конструкциях при переменных нагрузках расчетные сопротивления или допускаемое напряжение умножают на коэффициент γ=с/(а-br), если наибольшее напряжение растягивающее, или на коэффициент γ=с/(а-br), если наибольшее напряжение сжимающее, где r=σmin/σmax характеристика цикла, а, b, с - коэффициенты.
Расчет на сопротивление усталости машиностроительных сварных конструкций можно проводить по основному металлу вблизи шва, если обеспечена статическая равнопрочность со швами.
Расчет на надежность сварных соединений. На основании отечественных и зарубежных исследований, содержащих диапазон рассеяния предела выносливости сварных соединений: стыковое соединение, сварка автоматическая и полуавтоматическая 0,03; то же, сварка ручная 0,05; нахлесточное соединение 0,06; сварные двутавровые балки 0,05; сварные коробчатые балки 0,09.
Окалина может служить самостоятельным источником вариации предела выносливости с коэффициентом 0,06. Эти коэффициенты должны квадратически суммироваться с коэффициентом вариации для деталей одной плавки без сварного шва и коэффициентом по плавкам.
9. Паяные соединения
Паяные соединения - это неразъемные соединения, обеспечиваемые силами молекулярного взаимодействия между соединяемыми деталями иприпоем. Припой - это сплав или металл, вводимый в расплавленном состоянии в зазор между соединяемыми деталями и имеющий более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Отличие пайки от сварки - отсутствие расплавления или высокотемпературного нагрева соединяемых деталей.
Связь в паяном шве основана на:
растворении металла деталей в расплавленном припое;
взаимной диффузии элементов припоя и металла соединяемых деталей;
бездиффузионной атомной связи.
Прочность паяного шва существенно выше, чем припоя, в связи с растворением в слое материала деталей и в связи с тем, что слой находится в стесненном напряженном состоянии между соединяемыми деталями.
Пайкой соединяют однородные и разнородные материалы: черные и цветные металлы, сплавы, керамику, стекло и т. д.
Основные паяные соединения: внахлестку (ПН-l?ПН-6, включая телескопические ПН-4?ПН-6), встык (ПВ-l, ПВ-2), вскос (ПВ-3, ПВ-4), втавр (ПТ-1?ПТ-4), соприкасающиеся (ПС-l, ПС-2). Преимущественное применение имеют соединения внахлестку, как обеспечивающие достаточно высокую прочность вплоть до достижения равнопрочности с целыми деталями.
Стыковые соединения имеют применение, ограниченное малыми нагрузками, что связано с малыми поверхностями спая.
Соединения ступенчатые и вскос (ПВ-3, ПВ-4 с углом не более 30°) способны обеспечивать необходимую прочность, но их применение ограничивается сложностью изготовления.
Пайкой соединяют листы, стержни, трубы между собой и с плоскими деталямии др. Важную область составляют сотовые паяные конструкции (рисунок 9).
Рисунок 9 – Сотовые конструкции
Припои должны быть легкоплавкими, хорошо смачивать соединяемые поверхности, обладать достаточно высокой прочностью, пластичностью, непроницаемостью. В технике применяют широкую номенклатуру припоев, разделяемую на группы по температуре плавления и по химическому составу.
В машиностроении употребительны следующие припои.
оловянно-свинцовые по ГОСТ 21930-76* ПОС 61, ПОС 40, ПОС 30, ПОС 10 и др.
оловянно-свинцовые сурьмянистые и малосурьмянистые по ГОСТ 21930-76* (автомобилестроение, соединения цинковых и оцинкованных деталей и др.);
серебряные, оловянные, оловянно-свинцовые с содержанием серебра до 10 % по ГОСТ 19738-74* (ответственные соединения, требуюшие высокой прочности, коррозионной стойкости, относительно невысокой температуры плавления, повышенной электропроводности);