Элементы основной конструкции подшипника (стр. 1 из 2)
1. ЭЛЕМЕНТЫ ОСНОВНОЙ КОНСТРУКЦИИ
1.1 Детали, их материалы и характеристика
 |
Согласно заданию размеры деталей, составляющих подшипник (рисунок 1): втулка 1 – d = 60 мм; l′ = 1,3d = 78 мм; хомут 2 – a = 2d =120 мм; h′== 2,2d = 132 мм; s = 0,16d = 9,4 мм; l2′ = h′ + 0,5d + s′ ≈ 171,4 мм; ребро 3 – b′ = 1,3d = 78 мм; s ′ = 9,4 мм; l3′ = h′ – 9,5d = 102 мм.
По ГОСТ 6636-69 принимаем l = b = 80 мм, h = 130 мм, l2 = 170 мм, s == 10 мм, l3 = 100 мм.
Основание 4 – c′ == 0,25d = 15 мм; с = 16 мм;
e = 110 мм; f = 140 мм.
Расстояние lP от оси z до точки приложения силы F lP = 0,25d = 15 мм (величина расчетная).
В целях унификации материалов сварной конструкции для всех деталей (кроме крепежных), выбираем сталь Ст3 ГОСТ 380-94, обладающую хорошей свариваемостью. Заготовки:
| втулка [1, c. 130] – КРУГ | 60 – В ГОСТ 2590-88 Ст 3 ГОСТ 535-88; | где В – обычной точности; |
| хомут и ребро [1, c. 134] – ПОЛОСА | Б10 х 200 ГОСТ 82-70 Ст 3 ГОСТ 14637-89; | где Б – обычной точности; |
| основание [1, c. 134] – ПОЛОСА | Б18 х 200 ГОСТ 82-70 Ст 3 ГОСТ 14637-89; | при с = 16 мм 2 мм – припуск на обработку. |
Механические свойства Ст3 в состоянии проката [1, c. 83] σВ = 400…490 МПа, σТ = 240 МПа. Допускаемое напряжение на растяжение при статической нагрузке [σP] = 160 МПа.
1.2 Проверка прочности основной конструкции
Расчет проводится в предположении монолитности (отсутствия соединения) конструкции. В данном примере на прочность следует проверить наиболее опасное сечение: основание 4 – хомут 2 – ребро 3 (рисунок 2).
 |
Начальные оси координат x, y. z выбирают произвольно. В соответствии с рисунком 2, а координаты центра масс расчетного сечения: y0 = 0 (ось х – ось симметрии);
x0 = SxiAi / (SAi), (1)
где xi, Ai – соответственно абсциссы и площади прямоугольников 1, 2 (i = 1, 2):
x0 = [5(120∙10) + 50(80∙10)] / (120∙10 + 80∙10) = 23 мм.
Проекции силы F на оси z и x:
Fr = Fcosα = 25cos300 = 21,65 кН; Fa = Fsinα = 25sin300 = 12,5 кН.
В расчетном сечении (рисунок 2, б) действуют: отрывающая сила Fr =
= 21,65 кН; срезающая сила Fa = 12,5 кН; изгибающий момент М = Fah – Fr(x0 –– lP) = 12,5∙130 – 21,65(23 – 15) = 1471,3 Н∙м.
Осевой момент инерции расчетного сечения относительно оси y0 (рисунок 2, а)
Iy0 = S(Iyi + ai2Ai) (i = 1, 2), (2)
где Iyi = bihi3 / 12 – собственные моменты инерции элементарных прямоугольников (относительно их центров масс С); ai – расстояние от центров масс прямоугольников до оси y0:
Iy0 = 120∙103 / 12 + 182∙120∙10 + 10∙803 / 12 + 272∙80∙10 = 140,9∙104 мм4.
Момент сопротивления сечения изгибу
Wy = Iy0 / xmax = 140,9∙104 / 67 = 2,1∙104 мм3, (3)
где xmax = 67 мм – расстояние от центра масс О до наиболее удаленной точки А сечения.
Напряжения в точке А:
– изгибающие σИ = 103М / Wy = 103∙1471,3 / 21∙10 = 70 МПа;
– растяжения σР = 103 Fr / А = 103∙21,65 / 2000 = 10,8 МПа,
где А = 120∙10 + 80∙10 = 2000 мм – площадь расчетного сечения;
– среза τ = 103 Fa / А = 103∙12,5 / 2000 = 6,25 МПа.
Эпюра напряжений в точке А показана на рисунке 2, в.
Эквивалентное напряжение σЕ в точке А по 4-й теории прочности
σЕ = (σS2 + 3τ2)1/2 £ [σP],
где σS = σИ + σР = 70 + 10,8 = 80,8 МПа; σЕ = (80,82 + 3∙6,252)1/2 = 81,5 МПа < [σP] = 160 МПа. Условие прочности основной конструкции выполняется.
2. СВАРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
2.1 Конструкция соединения
Детали подшипника свариваются ручной электродуговой сваркой по ГОСТ 5264-80 электродами Э42А ГОСТ 9467-75.
Все детали соединены [2, c. 34] двусторонними тавровыми швами без подготовки кромок (соединение Т3).
Принимаем катет шва k = 0,8s = 8 мм. Обозначение швов на чертежах по ГОСТ 2.312-72 (ЕСКД) согласно их нумерации на рисунке 1 [2, c. 21]:
швы №1 и №3 ГОСТ 5264-80 Т3 – 8 –; 
шов №2 ГОСТ 5264-80 Т3 – ∟8Сварные швы угловые, рассчитываются на срез по биссекторной плоскости прямого угла. Шов №3 (хомут 2 – ребро 3) связующий, не рассчитывается.
2.2 Расчет соединения
2.2.1 Допускаемое напряжение на срез ручной сваркой электродами Э42А [2, c. 12] при статической нагрузке [τ′] = 0,65[σP] = 0,65∙160 = 104 МПа.
2.2.2 Расчет швов №1
Фигура швов и их размеры представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Фигура и напряжения шва №1
Координаты центра масс С0 фигуры шва (рисунок 3, а): y0 = 0 (х – ось симметрии); х0 по формуле (1), где i = 1, 2, 3: x0 = (– 4∙8∙120 + 2∙14∙8∙47 +2∙50∙8 х 80) / (8∙120 + 2∙8∙47 + 2∙8∙80) = 23,63 мм. Принимаем x0 = 24 мм.
Нагрузка на сварные швы: силы Fr = 21,65 кН, Fa = 12,5 кН; изгибающий момент M = Fah – Fr(x0 – lP) = 12,5∙130 – 21,65(24 – 15) = 1450 Н∙м.
Параметры (рисунок 3), входящие в формулу (2) осевого момента инерции Iy0, где i = 1, 2, 3, представлены в таблице 1.
Таблица 1.
| i | bi, мм | hi, мм | Iyi, мм4 | ai, мм | ai2, мм2 | Ai, мм2 | ai2Ai, мм4 | Iy0i, мм4 |
| 1 | 120 | 8 | 5120 | – 28 | 784 | 960 | 75,26∙104 | 75,8∙104 |
| 2 | 47 | 8 | 2005 | – 10 | 100 | 376 | 3,76∙104 | 4∙104 |
| 3 | 8 | 80 | 64000 | 26 | 676 | 640 | 43,26∙104 | 49,7∙104 |
По формуле (2): Iy0 = (75,8 + 2∙4 + 2∙49,7)104 = 183∙104 мм4.
Площадь фигуры шва А = 960 + 2∙376 + 2∙640 = 2992 мм2.
Момент сопротивления изгибу фигуры шва без подготовки кромок в биссекторной плоскости Wy′ = 0,7Iy0 / xmax = 0,7∙183∙104 / 66 = 1,94∙104 мм3, где xmax = (b + + s – x0) = 80 + 10 – 24) = 66 мм; площадь А′ = 0,7∙2992 = 2094 мм2.
Напряжение в наиболее опасной точке А (рисунок 3, б) сварного шва:
τМ = 103М / Wy′ = 103∙1450 / (1,94∙104) = 74,7 МПа; τFr = 103.21,65 / 2094 = 10,3 МПа; τFa = 103∙12,5 / 2094 = 6 МПа.
Суммарное напряжение в точке А τS = [(τМ + τFr)2 + τFa2]1/2 = [(74,7 + 10,3)2 + 62]1/2 = 85,2 < [τ′] = 104 МПа.
Условие прочности шва №1 при k = 8 мм выполняется.
2.2.3 Расчет шва №2
Шов №2 (рисунок 1) втулки 1 и хомута 2 кольцевой, тавровый, двусторонний с катетом k = 8 мм. Расчетная схема шва представлена на рисунке 4
Нагрузка на шов №2 в точке В: отрывающая сила Fa = 12,5 МПа; поперечная сила Fr = 21,65 МПа; изгибающий момент относительно центра масс С двух швов М = Fr(lP – 0,5s) = 21,65(15 – 5) = 216,5 Н∙м.
При отношении (d + 2k)/10 = 7,6 < k = = 8 мм [1, c. 63] шов считают толстостенным кольцом. Площадь кольца А = π[(d + + 2k)2 – d2] / 4 = πk(k + d) = π∙8(8 + 60) = 1709 мм2. Площади двух колец в биссекторных плоскостях шва А′ = 0,7∙2∙1709 = 2393 мм2. Момент сопротивления толстого кольца изгибу [1, c. 35] Wy = π(d + 2k)3(1 – c4) / 32, где d + 2k = 60 + 2∙8 = 76 мм, с = d / (d + 2k) = 60 / 76 = 0,79; Wy = π∙763(1 – 0,794) / 32 = 2,63∙104 мм3. Момент сопротивления двух колец в биссекторной плоскости шва Wy ′ = 0,7∙2∙2,63∙104 = 3,7∙104 мм3.
