ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН

4.3. УМЕНЬШЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ

Усталостная прочность деталей определяется прочностью малых объ­емов материала в зонах высокой концентрации напряжений.

Концентрация напряжений может вызываться местным приложением нагрузки, формой детали и неоднородностью материала. Рассмотрим эти причины и их влияние на прочность детали.

Концентрация нагрузки является одной из самых решающих причин сокращения долговечности деталей машин.

Концентрация нагрузки вызывается: а) упругими деформациями дета­лей; б) погрешностями изготовления деталей или сборки; в) неравномерным износом.

Концентрация нагрузки в неподвижных соединениях и в неприрабатывающихся подвижных сопряжениях сохраняется на весь срок эксплуатации. Наиболее распространенным примером возникновения пиков давлений у кромок является соединение вала с втулкой с гарантированным натягом (рис. 4.2, а). В результате концентрации давления усталостная прочность ва­лов резко понижается, что характеризуется коэффициентом концентрации, напряжений (коэффициент концентрации напряжений - отношение наи­большего напряжения в зоне концентрации к номинальному напряжению a=s_max/s_ном), изменяющимся в зависимости от натяга и материала вала от 2,5 до 5.

Рис. 4.2. Концентрация напряжений при напрессовке втулки на вал: 1 – вал, 2 – втулка, 3 – эпюра напряжений

Понижение прочности вала от напрессовки может быть почти полно­стью компенсировано комплексом следующих мероприятий: увеличением диаметра посадочной поверхности вала точно по длине втулки (ступицы шестерни, шкива) на 5 %, выполнением галтелей большого радиуса r и их обкаткой роликом, выполнением разгрузочной канавки (рис. 4.2, б).

Нагрузки в резьбовых соединениях распределяются неравномерно по виткам: так, при взаимодействии крепежного винта с гайкой, имеющей 10 витков, первый, наиболее нагруженный, виток воспринимает 34 % нагрузки, а десятый, наименее нагруженный, - менее 1 %. Коэффициент концентрации нагрузки достигает 3. Уменьшение этой концентрации нагрузки на витки резьбы может быть получено за счет увеличения податливости витков на всей длине или в зоне наибольшей нагрузки. При этом могут применяться следующие приемы: резьбовая часть размещается в отверстии детали под опорной поверхностью (рис. 4.3, а), делается кольцевая выточка (рис. 4.3, б), выполняется опорная поверхность конусной с поднутрением около 5 и кон­тактом по периферии (рис. 4.3, в). При этом наиболее нагруженные витки разгружаются и ресурс винта повышается на 85 %.

Рис. 4.3. Уменьшение концентрации нагрузки при резьбовом соединении

Валы, подверженные очень большим осевым нагрузкам при стеснен­ных диаметральных габаритах, в частности в бурильных устройствах, снаб­жают многорядными шариковыми подпятниками, т.е. несколькими подпят­никами, работающими параллельно (рис. 4.4). Наружные кольца 1 с помо­щью дистанционных втулок 2 закрепляют на корпусе 3, а внутренние 4 с по­мощью таких же втулок 5 - на валу 6. Выбором соотношений длин втулок ₁ и ₂ можно обеспечить равномерную нагрузку подпятников при нагрузке.

Возле отверстий, галтелей, кольцевых выточек, у шпоночных и шлицевых пазов, у основания резьб и в других местах, где резко меняется конфигурация детали, напряже­ния распределяются также нерав­номерно, т.е. возникает концен­трация напряжений.

Концентрацию напряжений можно уменьшить:

1) приданием деталям плавных очертаний, особенно округлением
внутренних углов (рис. 4.5, а, б);

2) удалением неработающего металла, уменьшением жесткости конст­рукции (созданием разгрузочных канавок) (рис. 4.5, в);

3) размещением источников концентрации напряжений в зонах малых
номинальных напряжений или смещением максимумов местных напряжений
от разных источников (рис. 4.5, г, д).

Рис. 4.5. Уменьшение концентраций напряжений

Давление по длине направляющих и суппортов распределяется неравномерно в связи с их изгибом и кромочным эффектом (рис. 4.5, г) - на эпю­рах давлений имеется горб под силой и пики по концам. Если между ними положить жесткую прокладку (рис. 4.5, д), то пики уменьшаются, уменьша­ются и напряжения.

При растяжении и изгибе пластин, валов с отверстиями коэффициент концентрации напряжений достигает a=3. Средствами уменьшения влияния отверстий служат раззенковка 1, снятие риски (на валу), обжатие кромок шариком 2 и выполнение разгрузочных лунок (для вала) 3, 4 и канавок для пластин (рис. 4.6).

Упругие деформации изгиба валов вызывают взаим­ный наклон сце­пляющихся зубчатых шестерен и концентрацию нагрузки по длине зубов.

Основные мероприятия по уменьшению концентрации нагрузки на зубьях шестерен:

1) уменьшение ширины шестерен;

2) расположение шестерен симметрично между опорами;

3) придание зубьям бочкообразной формы;

4) выполнение зубьев консольно-установленных шестерен слегка коническими.

Сварные соединения при переменных напряжениях теряют свою прочность, это обусловлено:

во-первых, концентрацией напряжений;

во-вторых, остаточными напряжениями;

в-третьих, изменением структуры металла около шва. Поэтому при проектировании сварных соединений необходимо учитывать следующее:

1) по возможности применять стыковые соединения с механическим снятием утолщений от сварки;

2) для элементов с V-образным швом предпочтительно, чтобы зона у
вершины работала на сжатие, а не на растяжение;

3) от постановки дополнительных накладок усталостная прочность только понижается;

4) следует, избегать совмещения сварных швов с местами концентрации напряжений.

4.4. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Строение поверхностного слоя твердых тел и происходящие в нем явления играют особую роль в протекании большинства процессов старения и разрушения материалов.

Состояние поверхностного слоя определяет процессы, возникающие при взаимодействии с другим телом или с окружающей средой, например, при износе, контактной деформации, усталости, коррозии и др. Особое влияние поверхностного слоя материала на работоспособность деталей обусловлено следующими причинами.

1. Поверхностные слои твердого тела наделены избытком энергии, т.к. молекулы и атомы, находящиеся у поверхности, имеют свободные связи, которые способствуют возникновению таких явлений, как по­глощение (адсорбция), сцепление (когезия), прилипание (адгезия), смачивание и т.п.

2. Поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только формируют деталь, но зна­чительно изменяют физико-механические свойства этого слоя.

3. В процессе эксплуатации идет непрерывное изменение параметров поверхностного слоя, в значительно большей степени, чем по всему объ­ему детали.

Параметры поверхностного слоя должны характеризовать:

- макро- и микрогеометрию поверхностного слоя;

- напряжения, возникающие в поверхностных слоях, как на отдельных
участках, так и в микрообъемах;

- структуру поверхностного слоя как следствие пластической деформа­ции, температурных влияний, окислительных процессов и др.

Часть параметров поверхностного слоя были подробно рассмотрены в курсе ''Взаимозаменяемость и технические измерения": макрогеометрия -овальность, огранка, конусность и т.п.; микрогеометрия - шероховатость, волнистость, направления штрихов и т.п.

Известно, что возникающие в процессе обработки детали, пластические и тепловые явления (рассмотрено в курсе "Обработка металлов резанием") образуют равновесную систему, которая проявляется в виде макронапряжений, охватывающих крупные объемы детали (напряжение I рода), микронапряже­ний в пределах одного или нескольких кристаллических зерен (напряжение II рода) и субмикроскопических напряжений, действующих между элемен­тами кристаллической решетки (напряжение III рода).

Внутренние напряжения, как правило, являются следствием определенного технологического процесса, поэтому различают литейные, сварочные, закалочные, шлифовочные и другие остаточные напряжения.

Остаточные напряжения, которые сохраняются в детали длительное время, складываясь с рабочими (возникающими под действием рабочих нагру­зок) напряжениями, могут усиливать или ослаблять их последствия. Особен­но опасны растягивающие напряжения, которые приводят к резкому пони­жению усталостной прочности и износостойкости.

На рис. 4.7 показана схема влияния остаточных напряжений, полученных после механической обработки, на рабочую эпюру напряжений. Неблагоприятные растягивающие напряжения могут возникать в поверх­ностном слое после шлифовальной обработки (вплоть до появления шлифо­вочных трещин), после нанесения большинства гальванических покрытий, при химико-термической обработке поверхностно-обезуглероженных сталей и др.

Рис. 4.7. Остаточные напряжения в деталях: 1 – эпюра напряжений от механической обработки; 2 – эпюра рабочих напряжений; 3 – суммарная эпюра (а – изгиб, б – растяжение)

Ряд процессов механической обработки создают в поверхностном слое наклеп (повышенные механические свойства), благоприятно влияющий на эксплуатационные свойства деталей.

Существуют специально разработанные технологические процессы пластической деформации поверхностного слоя, создающие наклеп и благоприятные остаточные напряжения в поверхностных слоях (см. гл. 5), которые значительно могут повышать долговечность деталей, особенно работающих на усталость.

В табл. 4.2 представлены параметры качества поверхностного слоя и справа в графе показаны параметры, которые регламентируются обычно в чертежах.

Из данных табл. 4.2 видно, что большинство параметров качества поверхностного слоя или не регламентируется, или регламентируется редко, что объясняет сокращение долговечности деталей и более интенсивное ста­рение машин, чем по сравнению с расчетными параметрами

Следовательно, более подробная и точная регламентация качества поверхностного слоя наиболее ответственных деталей даст возможность резко, иногда в несколько раз, обеспечить проектную долговечность отдельных деталей, что благоприятно отразится на долговечности всей машины.

Таблица 4.2

Поиск по сайту: