Конструкции и расчет прочности сварных рам и станин.

Редукторы

Корпус редуктора представляет собой жесткую раму, в которой установлены его детали. Состоит он из нижней рамы и верхней крышки, соединенных болтами. Прежде корпус редуктора делали литым теперь его нередко изготавливают сварным, что значительно экономичнее, в особенности при индивидуальном и мелкосерийном производстве.

Размер редуктора зависит от числа ступеней

(дву - трех ступенчатый и т. д.)- передаваемой мощности.

Пример расчета. Требуется определить напряжение в корпусе двуступенчатого редуктора мощностью N = 147 КВт при щ = 540 об/мин и п. з = 30 об/мин. Общий вид редуктора и схема расположения шестерен приведены на рис. 4. 25

Рис. 4. 25 К примеру расчета сварного корпуса двухступенчатого редуктора: 1 — шестерня; 2 — муфта

Так как шестерни расположены симметрично, то обе стенки редуктора испытывают одинаковую внешнюю нагрузку;

                                   (4.7)

Давление на зуб в первой паре шестерен

 

                                                              (4.8)

Давлений на зуб шестерни, находящейся на валу, при заданном вращении направлено вверх.

Давление на каждый подшипник вала

                                                                   (4.9)

Давление на зуб большой шестерни на валу II равно 33,2 кн и направлено вниз. Давление на зуб во второй паре шестерен при вращении вала II направлено также вниз. В этом случае

поэтому при радиусе r₃= 10 см

                                                                                    (4.10)

Давление на подшипник вала II

R₂ =16,6 + 53 = 69,6 КН

Давление на подшипник вала III - R3 направлено вверх и равно 53 КН. От указанных сил Ri, R2, R3 построены эпюры М и Q по длине корпуса, считая, что редуктор опирается в точках А и В. Расчетный момент равен 1394 КН-см; расчетная Q — 38,4 КН.

Поперечное сечение А—А изгибаемого элемента показано на рис 4 25 заштрихованным. Определяем его центр тяжести

                                                 (4.11)

Момент инерции сечения заштрихованной площади

     (4.12)

Момент сопротивления сечения

                                                                               (4.13)

Напряжение от изгиба

                                                         (4.13)

Статический момент площади основания относительно центра тяжести сечения равен

                                                         (4.13)

Касательные напряжения в швах

                                                       (4.14)

Корпус редуктора требует точного изготовления, поэтому после
сварки его подвергают отпуску в термической печи. Механическая
обработка производится после отпуска. Имеются сварные

редукторы, передающие весьма высокие мощности (свыше 700 квт). Эти редукторы применяют на металлургических заводах в прокатных станах. Сварные редукторы изготовляют из прокатных элементов, гнутых и штампованных профилей.

Рамы и станины служат для связи в одно целое отдельных частей механизма или станка. Они должны обеспечивать необходимую жесткость и прочность конструкции и удовлетворять требованию рациональной компоновки изделия. В отношении расчета прочности рамы и станины представляют собой системы жестко соединенных балок.

Простейшая конструкция рамы, спроектированная из уголков и швеллеров, приведена на рис. 4. 26 .

Рис. 4. 26 Сварные рамы из уголков и швеллеров

Для увеличения жесткости рамы в горизонтальной плоскости предусмотрена постановка распорок из швеллеров, уголков и т. п.

Очень целесообразно применять для легких рам, с целью повышения жесткости, тонкостенные гнутые и штампованные уголки, швеллеры, U-образные и другие профили. Для соединения указанных элементов применяют не только дуговую, но и контактную сварку.

Пример расчета.

Рис.4.27 К примеру расчета прочности сварной рамы:

а)конструкция рамы б)схема нагружения поперечной балки в)схема нагружения продольных балок (боковин)

Требуется определить прочность рамы (рис 4. 27) при

следующих условиях средние поперечные балки пролетом 1 = 1,0 м двутаврового профиля нагружены по длине равномерной нагрузкой q =*60 КН/м (рис   ) собственным весом балки пренебрегаем. Продольные балки коробчатого сечения. Они обладают большой жесткостью на кручение. Поэтому поперечные балки можно считать защемленными в продольных.

Опорный момент балки, защемленной двумя концами, равен

                                 (4-16)

Момент инерции поперечной балки по сечению Б-Б составит

                                                 (4.17)

Момент сопротивления поперечной балки

Напряжение в поперечной балке равно

Поперечная сила в балке

                                     (4.18)

Статический момент горизонтального листа    относительно центра тяжести сечения равен

S=16 1 10,5=168 см³                                                          (4.19)

Касательные напряжения в поясных швах поперечной балки опоры с катетом к - 6 мм равны

                                 (4.20)

Прикрепление поперечных балок к продольным спроектировано следующим образом. Кромки горизонтальных листов попепечной балки скошены и приварены встык. Вертикальная стенка обварена угловыми швами с катетом к = б мм. В прикреплении предусмотрена косынка, показанная на рис. . При определении напряжений учитываем в соединении только стыковые и вертикальные угловые швы. Швы, приваривающие косынки, в учет не принимаем. Момент, воспринимаемый парой стыковых горизонтальных швов, определяется по формуле

M_ст= F_г(h_B-h_г)                                                              (4.21)

где  —напряжение в горизонтальном листе двутавровой балки;

Fr— площадь горизонтального листа двутавровой балки;

h_в + S_r — плечо пары.

Момент, воспринимаемый двумя вертикальными валиковыми швами, равен

Расчетный момент вычисляется по формуле

                                                      (4. 23)

Примем приближенно, что а численно равно т. При этом касательное напряжение

                    (4. 24)

Продольные балки рассчитывают по схеме рис. 4. 28.

Рис. 4.28 К примеру расчета сварной рамы под сосредоточенной пульсирующей силой

 

Пример расчета.

Рама расположена горизонтально. Она опирается свободно в четырех точках по углам (рис 4. 28).Ее средняя поперечная балка нагружена вертикальной пульсирующей сосредоточенной силой Р == 50 кн. Требуется подобрать сечения средней поперечной и продольных балок и сконструировать сварное соединение поперечной балки с продольной. (Выполнить самостоятельно.)

При больших сечениях элементов рам их конструируют из листового металла. На рис. 4.29 показана рама тележек вагона. Конструкции рам представляют собой Н-образную систему из вертикальных листов, соединенных с горизонтальными листами. В конструкции достигнуто плавное соединение балок между собой.

На рис.4.30 приведен пример сварной рамы механических ножниц. Широко распространено изготовление сварных плит

Рис 4.29 Сварная конструкции рамы тележки вагона

 

Рис.4.30 Сварная .рама механических ножниц разных назначений.

 На рис 4. 31 приведен пример сварной плиты, усиленной ребрами жесткости, которые приварены угловыми швами.

Рис.4.31 Сварная плита, усиленная рёбрами

На рис.4. 32изображена плита обжимной клети стана Дуо общим весом 122 кн, сваренная из четырех отливок, а на рис.4. 33 — конструкция станины обжимной клети того же стана.

Рис. 4. 32 Сварная плита обжимной клети стана Дуо

Вес танины 570 кн. Она состоит из двух крупных отливок, сваренных электрошлаковой сваркой.

Замена крупногабаритной отливки конструкциями меньших размеров сократила трудоемкость и стоимость изготовления.

При помощи электрошлаковой сварки сваривают конструкции ковочно-штамповочных механических прессов. На рис. 4. 34 изображена станина кривошипного ковочно-штамповочного пресса

Рис.4.33 Сварная станина обжимной клети стана

Рис. 4.34 Верхняя сварная станина ковочно-штамповочного пресса

усилием 40000 кН. Матерная сталь Ст. 3 и 25Л. Некоторые соединения сварены дугой, а большинство — электрошлаковой сваркой без подготовки кромок. После выполнения всех заготовительных работ, а также сборки и сварки, конструкция подверглась термической обработке.

Во всех указанных конструкциях сварные соединения не требуют специального расчета на прочность. Определяют лишь усилия и напряжения от заданных нагрузок в основных элементах рам. Сварные швы встык, сваренные дугой и электрошлаковой сваркой, испытывают те же напряжения, что и основная конструкция.

Сварные барабаны.

Барабаны используют в шаровых мельницах, в центрифугах конверторах, но особенно часто их применяют в грузоподъемных машинах и шахтных подъемниках. Размеры барабанов различны. Их диаметр составляет от нескольких десятков миллиметров до нескольких метров. Длина барабана зависит от его назначения. Толщина листов, образующих барабан, также колеблется в широких пределах и достигает 75 мм и более.

В большинстве случаев барабан представляет собой сварную конструкцию, изготовленную из листов. Однако в некоторых изделиях основой барабана служит каркас, сконструированный из профильного материала. Каркас представляет собой пространственную жесткую систему, к которой приваривают барабанную обшивку. Такие конструкции встречаются сравнительно редко, главным образом, в крупных шахтных подъемниках.

Барабаны соединяются с торцовыми стенками. Последние представляют собой плоские круглые листы, к которым приварены цапфы. В одних конструкциях цапфы барабанов насажены на валы, не имеющие разрывов (рис 4. 35а),в других - на валы с разрывом (рис 4. 356). Для барабанов малых диаметров используют трубы или отливки, для средних и больших диаметров корпусы барабанов вальцуют из одного или нескольких листов.

Рассмотрим схему конструкции барабана шахтного подъемника. Для удобства навивки на поверхности барабана предусматривают канавки, соответствующие диаметру навиваемого каната(ри^4. 36а).Толщина листов барабана должна быть значительной, допускающей ослабление их канавками. Канат вызывает в барабане сжатие. Если напряжения сжатия превзойдут величину, которая называется критической, то оболочка потеряет устойчивую форму равновесия и выпучится (рис.4. 366). Во избежание потери устойчивости повышают жесткость оболочки. Этого молено достигнуть привариванием кольцевых элементов жесткости: полос, швеллеров, приваренных на ребро (рис 4. З б, в.),

Рис.4.35 Конструкции сварных барабаном

Рис. 4.36 К расчету сварного барабана:

а) общий вид барабана; б) его цилиндрическая часть при потере устойчивости; в) барабан, усиленный приваркой кольцевых рёбер жесткости; г — е) виды соединений цилиндриче­ской части с торцовой стенкой; ж) определение усилий и цилин­дрической части от натяжения троса; з) к определению рабочей толщины стенки; и) к определению устойчивости кольца под действием р

различных штампованных профилей. Все соединения листов должны производиться встык продольными и поперечными швами на автоматах под слоем флюса.

Соединения барабана с торцовой стенкой весьма ответственны так как передают рабочие усилия значительной величины. Наиболее рациональным является соединение барабана со стенкой, приведенное на рис 4. 36т допускается соединение угловыми швами, показанное на рис 4. З б, д, с, подготовкой кромок, приведенное на рис. 4. З б, е.

Расчет прочности барабана производят на сжатие, изгиб поручение.

Рассмотрим элемент обода под канатом (рис4. Збж). Усилие в ободе N уравновешивает силу Р, приложенную к канату. Поэтому напряжение сжатия в ободе равно

Поэтому напряжение сжатия в ободе равно

                                                                                      (4.25)

где d— ширина обода, равная диаметру каната;

s — толщина обода.

Рассмотрим, в какой степени сжимающие напряжения могут быть опасны для обода с точки зрения потери устойчивости. Допустим, что труба, не имеющая торцовых стенок, сжимается нагрузкой р, равномерно распределенной по ее окружности

(рис. 4. 36 и). Из теории упругости известно, что потеря устойчивости наступает при нагрузке        

                                                            (4.26)

где Е — модуль упругости;

J— момент инерции сечения стенки грубы относительно собственной оси;

R — радиус трубы.

Если принять длину трубы, равной d, толщину стенки обозначить s (Рис 4.36 и), то

                                           (4.27)

Таким образом, нагрузка определится формулой

                                                               (4.28)

Установим зависимость между Р и р. В цилиндрическом теле, нагруженном по поверхности нагрузкой , образуется усилие N = pR.

Поэтому усилие выразится уравнением

N = P = pR                                                                 (4.29)

Подставим вместо р его критическую величину из формулы

                                                  (4.30)

Если принять коэффициент запаса на устойчивость равным 2, то допускаемая сила в отношении устойчивости барабана выразится формулой

                                             (4.31)

Напряжение в барабане, допустимое в отношении устойчивости

                                                                 (4.32)

В действительности торцовые стенки повышают устойчивое барабана по сравнению со значением, полученным по формуле (4. 31) Если Р_ртч < 0,5P_кр то барабан следует усилить постановкой кольцевых

элементов жесткости.

Пример расчета. Требуется из условия устойчивости определить необходимую толщину листов барабана, у которого радиус R = 30 см, d= 2 см, Р = 20 КН, Е=2-10⁴ КН/см² (рис. 4. 37).

Рис.4.37 К примеру расчета прочности сварного барабана

По формуле находим

Напряжение сжатия в оболочке определяется по формуле.

Если углубление канавки равно 10 мм, то полная толщина листа барабана равна 16 + 10 = 26 мм.

Кроме проверки на устойчивость, оболочка должна быть проверена также на прочность в зависимости от величин изгибающего и крутящего моментов.

Наибольший изгибающий момент имеет место в середине

пролета

        

где l — расстояние между опорами барабана. Напряжение от изгиба равно

  

Момент сопротивления барабана находится так лее, как в кольцевом сечении

где R₁ — внешний радиус.

Величина крутящего момента зависит от конструкции привода Если момент, вращающий вал, передается на него с одной стороны, то

М_кр = PR

Напряжение от кручения равно

 

где W_KР.— полярный момент сопротивления.

В большинстве случаев напряжения от изгиба и кручения в барабанах незначительны по сравнению с напряжениями сжатия.

Пример расчета. Допустим, что длина барабана, рассмотренного в предыдущем примере, / = 2000 мм..

Определим момент, вызванный в барабане изгибом

Момент кручения при двигателе с одной стороны составит

Осевой момент инерции кольца равен

Принимаем для упрощения расчета Ri=R2+s. Раскладывая полученное выражение для R! по биному Ньютона, получим

Напряжение от изгиба равно

Полярный момент инерции равен удвоенному осевому -271480 см⁴. Напряжение от кручения

Напряжения ничтожно малы.

Допустим, что внутренний радиус цапфы г = 80 мм и толщина ее s = 10 мм.

Полярный момент инерции поперечного сечения цапфы равен

Напряжение от кручения в цапфе и шве, соединяющем цапфу с торцовой стенкой, составит

что вполне допустимо.

В крупногабаритных барабанах успешно применяют соединения, свариваемые электрошлаковой сваркой. На рис. 4. 38 изображена сварная конструкция барабана лебедки шагающего экскаватора ЭШ-25-100.

Рис 4.38 Сварной барабан лебёдки шагающего эскаватора

 ЭШ-25-100

 

Толщина его стенок 98 мм, наружный диаметр 1976 мм. Ступица барабана 1 и фланец 2 представляют собой отливки из стали марки 25Л. Полуобечайки 3 изготовлены из стали 22Г. Соединения ЭШ свариваются электрошлаковой сваркой. Отливки 1

и 2 перед механической обработкой подвергаются термической обработке. После выполнения сварочных работ весь барабан снова подвергается термической обработке. Его чистый вес 101 кн.

Сварные шестерни, шкивы и другие конструкции.

Сварные шестерни, шкивы и маховики по оформлению конструкции имеют много общего. Во всех указанных объектах основными их частями являются обод, ступица и соединительные элементы, связывающие обод со ступицей. Соединительными элементами служат спицы или сплошные центры. В дальнейшем рассмотрим конструкции сварных шестерен.

На рис 4. 39а приведен пример легкого шкива с центром и ободом из уголка, на рис.4. 396—шкива с ободом из швеллера со спицами из полосовой стали, на рис 4. 39в ^со сплошным центром, а на рис.4 З9г зубчатого колеса с ободом, сваренным встык.

Рис. 4. 39 Сварные шестерни и шкивы

Внутренний диаметр ступицы обычно соответствует диаметру вала. В качестве спиц могут быть использованы не только трубчатые элементы, но и тавры, двутавры и различные штампованные профили. Ободы шестерен прежде изготовлялись литыми или коваными, в настоящее время их в большинстве случаев вальцуют

из толстостенных листов и сваривают встык. Сварка может производиться вручную, а при большом объеме производства на стыковых контактных машинах или на автоматах под слоем флюса. Центр и ребра обыкновенно изготовляют из малоуглеродистой стали. Для ободов целесообразно применять повышенные сорта кованой и вальцованой стали, например хромансиль, а также углеродистые стали марок 35, 45 и т. д.

Швы, приваривающие центр к ступице и к ободу, целесообразно выполнять с подготовкой кромок, как показано на рис. 4. 40

Рис. 4. 40 Сварные соединения дисков со ступицами а) с подготовкой промок; б) без подготовки промок

При этом концентрация напряжении в соединениях оказывается меньше, а следовательно, прочность при переменных нагрузках больше, чем в конструкции с угловыми швами (рис.4.40). При значительном объеме производства эти швы лучше сваривать на автоматах под слоем флюса. При этом, благодаря проплавлению, отпадает необходимость в подготовке кромок.

Рис. 4.41 Двустенчатое сварное зубчатое колесо

Центр представляет собой весьма ответственную часть конст­рукции шестерни. При недостаточной его жесткости во время эксплуатации возникают вибрации, которые могут расстроить зубчатые зацепления. Поэтому центры иногда конструируют двустенчатыми, как, например на рис. 4. 41. Между стенками полезно ставить диафрагмы жесткости.

Жесткость двустенчатой шестерни значительно выше, чем одностенчатой.

С целый уменьшения веса шестерни иногда конструируют без ступицы и насаживают непосредственно на вал.

После сварки шестерню подвергают термической обработке (отпуску) в термической печи для снятия остаточных напряжений. После отпуска производят механическую обработку и нарезку зубьев. Подобным же образом конструктивно оформляются шкивы и маховики. Шкивы и маховики часто не требуют столь большой точности изготовления и сохранения размеров, как шестерни. Поэтому, как правило, после сварки эти конструкции не подвергают отпуску.

Преимущества сварных шестерен перед литыми весьма значительны: достигается экономия металла, которая нередко составляет 30 — 40%; значительно уменьшается объем механической обработки, которая в литых деталях значительна; при сварке получаются конструкции с высокими однородными механическими свойствами; более рационально используется материал высокого качества, чем при литье (например, применяют его только в ободах, где необходима высокая прочность, и не используют в центрах, где механические свойства малоуглеродистой стали вполне достаточны).

Рис. 4. 42 К расчету сварных соединений шестерен со спицами:

а) шестерня; б, в) эпюры Q, М по длине спицы; г) схема соедине­нии спицы со ступицей

Расчет прочности сварной шестерни производят на касательное усилие, приложенное к зубу зацепления. Усилие передается на обод, а с обода на ступицу (или на вал) через спицы или центр. Если число спиц менее четырех, то считают, что усилие т воспринимается полностью одной спицей. Таким образом, в спице возникает поперечная сила Q == т и изгибающий момент М = т R (рис. 4. 42 ).

Напряжение от изгиба в спице определяется по формуле

                                                                                                                                 (4.33)

где J - момент инерции поперечного сечения спицы относительно оси х.

Ушах - указан на рис 4.42г

Следует определить касательные напряжения в швах спицы, соединяющих ее пояс со стенкой. Если швы угловые с катетом к то напряжения в них от поперечной силы равны

                                                                                  (4.33)

где S— статический момент полки относительно -центра

тяжести.

Касательные напряжения т, определяемые по формуле (4. 34),

обыкновенно незначительны по величине. В месте соединения

спицы со ступицей следует определить напряжение в валиковых

швах от момента М

                                                         (4.35)

где J_c - момент инерции параметра шва относительно вертикальной оси. Напряжение от поперечной силы проверяется только с учетом

швов, приваривающих стенку профиля

                                                                     (4.36)

Напряжения в соединениях спиц со ступицей от Q обычно бывают малы. Прочность в основном определяется напряжением от момента. Если число спиц п > 4, то

В конструкциях сварных шестерен (рис4. 43а) с центрами вместо спиц наиболее нагруженными являются швы, соединяющие центр со ступицей. Они воспринимают усилие  и крутящий

момент, равный

                                                                        (4.37)

Напряжение в соединении ступицы с центром определяется в предположении, что касательные напряжения распределены равномерно по длине шва; на участке длиной, равной единице, усилие в шве с подготовкой кромок (рис 4. 43-б)создает момент

                                                                      (4.38)

Полный момент будет равен

                                                                     (4.39)

Напряжение в шве с подготовкой кромок

 

 

                                                                            (4- 40)

На участке длиной, равной единице, усилия в угловых швах (рис.4. 43b)⁴, катетом к составят

                                                                                                            (4.41)

Рис. 4. 43 К расчету сварных соединений шесте­рен со сплошным центром:

а) шестерня; б) соединение центра со ступицей и ободом с подготовкой кромок; в) то же, без подготовки кромок

Список использованных источников:

1. Афанасьев В. А. Сооружение резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, - М: «Недра», 1981 - 192с.

2. Бабин Л. А. , Быков Л. И. , Волохов В. Я. Типовые
расчеты по сооружению трубопроводов, - М: «Недра», 1979 -
176с.

3. Беленя Е. И. Металлические конструкции, - М:
Стройиздат, 1976-600с.

4. Беленя Е. И. Металлические конструкции, - М:
Стройиздат, 1986-559с.

5. Блинов А. Н. , Лялин К. В. Сварные конструкции, - М:
Стройиздат, 1990-353с.

6. Васильев А. А. Металлические конструкции, -М:
Стройиздат, 1976 - 424с.

7. Веревкин С. И. , Ржевский Е. Л. Повышение надежности резервуаров, газгольдеров и их оборудования, - М: «Недра», 1980-274с.

8. Лихтаников Я. М. , Клыков В. Н. , Ладыженский Д. В.
Расчет стальных конструкций. Справочное пособие. —К:
Будивельник, 1984 - 368с.

9. Мандриков А. П. Примеры расчета металлических
конструкций. - М: Стрийиздат, 1991 - 431с.

10. Михайлов А. М. Сварные конструкции. -М: Стройиздат,
1983-367с.

11. Муханов К. К. Металлические конструкции. -М:
Стройиздат, 1976 - 504с.

12. Николаев Г. А. Расчет сварных соединений и прочность
сварных конструкций. -М: Высшая школа, 1965-451с.

13. Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А.
Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и
деформации конструкций. -М: Высшая школа, 1982-272с.

14. Николаев Г. А. , Куркин С. А. Сварные конструкции.
Технология, изготовление, механизация, автоматизация и
контроль качества в сварочном производстве. -М: Высшая школа,
1991 -398с.

15. Тавастшерна Р. И. Изготовление и монтаж
технологических трубопроводов. -М: Высшая школа, 1967 -287с.

16. Зверьков Б. В. Расчет и конструирование
трубопроводов, справочное пособие. —Л: «Машиностроение»,
1979-246с.

17. Инструкция о составе и оформлении деталировочных
чертежей конструкций металлических. -М: СПКБ
«Проекнефтегазспецстроймонтаж», 1976 - 44с.

18. Руководящие материалы, по проектированию стальных
конструкций (КМД), -М: СПИБ
«Проектнефтегазспецстроймонтаж» 1975 — 270с.

19. СниП 2.01.07 – 85 , нагрузки и воздействия. Минстрой
РФ, 1996-42с.

20. СниП П-23-81 Стальные конструкции. Минстрой РФ
1996-94с.

21. ГОСТ 8239 - 72 Двутавровые балки.

22. ГОСТ 8240 – 72 Швеллеры.

23. ГОСТ 8509 - 86 Равнополочные уголки.

24. ГОСТ 8510 – 72 Неравнополочные уголки.

25. ГОСТ 19903 — 74 Сталь прокатная тонколистовая.

26. ГОСТ 82 - 70 Сталь широкополосная универсальная.

27. ГОСТ 8732 – 78 Трубы стальные бесшовные
горячекатаные.

28. ГОСТ 26020 - 83 Двутавры стальные горячекатаные с
параллельными гранями полок.

29. ГОСТ 380 - 94 Сталь углеродистая обыкновенного
качества.

30. ГОСТ 19281 - 89 Прокат из стали повышенной
прочности.