Луцко А.Н., Марцулевич Н.А. и др. Механика

Подождите немного. Документ загружается.

171

защиты зоны соединения от воздуха применяют сварку под флюсом

(т.е. применяют химикаты, например, буру, борную кислоту, хлориды и

фториды, в которых растворяются оксиды, образующиеся на свари

ваемых поверхностях), в среде инертных газов (аргона или гелия), в

углекислом газе и в вакууме.

Электрошлаковая сварка применяется для соединений массив-

ных деталей (элементов корпусов толстостенных аппаратов, станин)

толщиной до 1000 мм и более. Теплота выделяется при прохождении

электрического тока через расплавленный шлак.

Газовая сварка происходит при оплавлении материала деталей

и прутка присадочного металла высокотемпературным газовым пла

менем при сгорании ацетилена в кислороде. Она применяется для

сварки деталей малых толщин

– при толщине деталей более 8 мм га-

зовая сварка становится неэкономичной. Горячими газами, например,

воздухом сваривают пластмассовые элементы оборудования.

Плазменная сварка – осуществляется за счет энергии плазмы.

Это один из самых высокопроизводительных и экономичных способов

сварки, широко применяющийся для высокоточной сварки и резки

массивных деталей.

Электронно-лучевая сварка основана на превращении кинети-

ческой энергии движущихся в вакууме (остаточное давление порядка

10 – 0,1 мПа) электронов в тепло при бомбардировке ими поверхности

металла. Данный вид сварки обеспечивает высокую точность, а также

значительную глубину проплавления по отношению к ширине шва

(20:1 и более), применяется при соединении деталей очень малых и

очень больших толщин из тугоплавких материалов, допускает сварку в

труднодоступных местах, например, через щели. При помощи

лазер-

ной сварки можно соединять керамические, а также разнородные ма-

териалы.

Сварка давлением. Сварка давлением основана на сближении

соединяемых поверхностей на межатомные расстояния в результате

пластической деформации материалов, создаваемой сжимающей си

лой. Наиболее распространены такие типы сварки давлением, как

контактная сварка и сварка трением. Реже в машиностроении исполь

зуется ультразвуковая сварка, сварка взрывом, диффузионная сварка,

холодная, магнитноимпульсная и т.д.

Контактная сварка осуществляется при сжатии деталей элек-

тродами с одновременным включением тока. Поскольку электрическое

сопротивление стыка «электрод

-деталь» примерно в два раза меньше

сопротивления стыка «деталь

-деталь», то происходит нагрев и свари-

вание только сжатых деталей. Различают точечную, шовную и стыко-

вую контактную сварку. При точечной сварке тонкостенные детали

соединяют внахлестку. Так как высокие температуры действуют на

небольших участках, коробление соединяемых деталей отсутствует.

Шовную сварку осуществляют вращающимися роликовыми электро-

172

дами, при этом получается непрерывный сварной шов. При стыковой

сварке

соединяемые детали сжимают, и при прохождении тока в зоне

контакта выделяется большое количество теплоты. Этим способом

соединяют стержневые детали различных сечений (круг, квадрат,

уголок и пр.), толстостенные трубы. Недостатком стыковой сварки

является изменение длины детали за счет брызг и выдавливания

расплавленного металла.

Сварка трением осуществляется за счет теплоты,

выделяющейся в месте контакта прижатых друг к другу и

вращающихся друг относительно друга деталей. Эта разновидность

сварки применяется для соединения частей составных валов, в том

числе деталей из разнородных металлов и сплавов.

Классификация сварных швов и соединений. В зависимости

от взаимного расположения деталей различают следующие виды

сварных соединений: стыковые (рис. 51, а), нахлесточные (рис. 51, б),

угловые (рис. 51, в), тавровые (рис. 51 г). Швы могут быть

односторонними (рис. 51, а, в) и двусторонними (рис. 51, б, г).

Сварные швы нахлесточных, угловых и тавровых соединений

называют

угловыми, а стыковых соединений – стыковыми. Угловые и

стыковые швы рассчитываются на прочность по различным

методикам.

Сварные швы и соединения стандартизованы.

В зависимости от расположения шва относительно направления

действующей нагрузки швы делят на фланговые (рис. 52, а), лобовые

(рис. 52, б) и косые (рис. 52, в). Сочетание фланговых, лобового и

косого швов в одном соединении называют комбинированным швом.

2) Соединения пайкой получили широкое распространение в

различных отраслях машиностроения и в ряде случаев вытесняют

сварку. Важным преимуществом пайки является сохранение формы и

Рисунок 51

а)

б)

в)

г)

а)

б)

в)

Рисунок 52

173

размеров деталей, т.к. их кромки не расплав-

ляются при соединении. Пайка – процесс со-

единения деталей в нагретом состоянии при

помощи связующего материала

припоя, тем-

пература плавления которого ниже темпера-

туры плавления спаиваемых элементов. Рас-

плавленный припой заполняет зазоры между

деталями и при остывании в результате кри

сталлизации образует паяный шов. При пайке

между припоем и металлом детали возникает

межатомная связь. Переходный слой, связы

вающий металл детали и припой, называют

спаем. Один спай образуется при лужении, т.е. при покрытии поверх-

ности металла тонким слоем расплавленного припоя. В качестве при-

поев используют чистые металлы и сплавы (всего 26 подгрупп). В за-

висимости от температуры плавления они подразделяются на три

группы:

легкоплавкие или мягкие (до 300 С), среднеплавкие (от

300С до 1000С), тугоплавкие (свыше 1000С). Чаще всего в маши-

ностроении применяют оловянно-свинцовые, серебряные, латунные

припои. Для уменьшения вредного влияния окисления поверхностей

деталей используют специальные флюсы на основе канифоли, буры,

хлористого цинка и др. Пайка, как вид соединения менее универсаль

на, чем сварка.

3) Соединения адгезивами (т.е. клеями) – получили широкое

распространение благодаря появлению разнообразных полимерных

клеящих составов, позволяющих соединять практически все материа

лы промышленного назначения в любом сочетании. К соединениям за

счет адгезии (от лат.

adhaesio – прилипание) относятся соединения

клеями, герметиками, замазками. Клеевые швы не ослабляют детали,

не коррозируют, обеспечивают герметичность соединения. Основны

ми недостатками клеевых соединений являются старение со време-

нем и невысокая теплостойкость (рабочая температура не выше

300С). Прочность клеевого соединения, также как и паянного пропор-

циональна площади соединения.

4) Соединения заформовкой – соединение, которое осуществ-

ляется погружением детали в жидкий или размягченный материал с

последующим его затвердеванием в специальных литейных или

пресс

-формах. Заформовка позволяет получать соединения деталей

сложных геометрических форм, имеющих пазы, канавки (рис. 53, а)

или отверстия (рис. 53, б). Прочность соединения заформовкой зави

сит от физико-механических свойств материала детали и формообра-

зующего материала, геометрической формы и размеров детали. Ха-

рактер соединения не предполагает высоких требований к точности

изготовления детали. Заформовку используют для соединения метал

лических деталей с пластмассами (рис. 53, а), металлами (рис. 53, б),

Рисунок 53

а)

б)

174

резиной и стеклом, когда элементам конструкции требуется придать

специальные свойства.

5) Заклепочные соединения выполняют при помощи специ-

альных крепежных деталей – заклепок (рис. 54, а) или непосредствен-

ным расклепыванием цапф деталей (рис. 54, б). Заклепка представ-

ляет собой цилиндрический стержень с двумя головками, одна из ко-

торых называемая закладной, выполняется заранее, а вторая (замы-

кающая) получается в процессе сборки под ударами инструмента.

Форма и размеры заклепок стандартизированы. Стержень заклепки

может быть сплошным или полым (пустотелая заклепка

- пистон).

Форма головки может быть полукруглой, потайной, полупотайной,

плоской. Заклепка изготавливается из пластичных материалов. Со

единение собирается путем уста-

новки заклепки в заранее подго-

товленное отверстие в деталях и

последующей клепки замыкаю

щей головки специальным инст-

рументом. Основные недостатки

соединений связаны с большой

трудоемкостью изготовления. Для

повышения технологичности со

единения, т.е. простоты и быст-

роты его выполнения, могут ис-

пользоваться пирозаклепки и заклепки из сплавов с эффектом памяти,

пустотелые замыкающие головки которых после кратковременного на

грева пламенем газовой горелки принимают необходимую форму без

механического воздействия.

6) Соединения вальцеванием и загибкой осуществляют за

счет остаточной де

формации тонкого ото-

гнутого края одной из

соединяемых деталей.

Вальцевание сопрово

ждается вращением

инструмента. При

завальцовке (рис. 55,

а) край охватывающей

детали по замкнутому

контуру загибают

внутрь, а при

развальцовке (рис. 55, б) – наружу. Соединения загибкой

получают при отгибе края или лапки деталей, или используют вспомо

гательные детали стандартные – шплинты (рис. 55, в).

7) Соединения запрессовкой получают при насаживании охва-

тывающей детали (детали с отверстием) на охватываемую деталь

(вал), если посадочный размер отверстия гарантировано меньше по-

Рисунок 54

а)

б)

Рисунок 55

а)

б)

в)

175

садочного размера вала. Такую разность посадочных размеров назы-

вают натягом. После сборки вследствие упругих и пластических де-

формаций на поверхности контакта возникают удельное давление и

соответствующие ему силы трения, препятствующие взаимному сме

щению деталей. Сборку соединений производят механическим спосо-

бом (на прессе) или «тепловым» способом, нагревая охватывающую

деталь (в электропечи) или охлаждая охватываемую деталь (жидким

азотом или твердой углекислотой) до температуры, обеспечивающей

свободное совмещение деталей. Точность полученной сборочной

единицы практически равна точности цельноизготовленной детали.

8.3. Разъемные соединения

1) Резьбовые соединения – соединения деталей с помощью

резьбы, являются наиболее распространенным видом разъемных со

единений. Свыше 60% деталей имеет резьбу. Резьба в виде винтовой

канавки определенного профиля наносится на наружную или внутрен

нюю (цилиндрическую или коническую) поверхности заготовки. Основ-

ными геометрическими параметрами резьбы (рис. 56, а) являются: d –

наружный, d

– внутренний, d

– средний диаметры;  – угол профиля,

p – шаг,  – угол подъема винтовой линии. По системе измерений

резьбы бывают метрическими и дюймовыми (1 дюйм = 1 = 25,4 мм);

по профилю витка – треугольными (рис. 56, а), трапецеидальными

симметричными, трапецеидальными несимметричными (упорные),

прямоугольными и круглыми;

по направлению винтовой линии – пра-

выми (рис. 56, б) (используется в абсолютном большинстве соедине-

ний) и левыми (рис. 56, в); по величине шага – с крупным и мелким

шагом;

по количеству заходов – однозаходными (рис. 56, б, в) и мно-

гозаходными (на рис. 56 г – число заходов n = 2); по назначению –

крепежными, крепежно-уплотнительными и ходовыми (используются в

механизмах). Неподвижность резьбовых соединений обеспечивается

трением в резьбе.

Резьбовые соединения бывают двух типов: соединения с по

мощью специальных резьбовых крепежных деталей (болтовые соеди-

нения рис. 57, а, винтовые соединения рис. 57, б, шпилечные соеди-

нения рис. 57, в) и соединения с непосредственным свинчиваением

деталей. Под гайки, головки болтов и винтов подкладываются шайбы

для увеличения опорной поверхности (рис. 57, а) или для повышения

трения в резьбе (рис. 57, в), за счет пружинных свойств шайбы. Дос

тоинствами резьбовых соединений являются простота, удобство сбор-

ки и разборки, широкая номенклатура, высокий уровень стандартиза-

ции, взаимозаменяемость, относительно низкая стоимость и высокая

надежность. Недостатки резьбовых соединений

– наличие во впади-

нах резьбы концентраций напряжений, снижающих прочность соеди-

нений; чувствительность к вибрационным и ударным воздействиям,

176

приводящим к самоот-

винчиванию; низкая точ-

ность соединения из-за

зазоров между наружной

и внутренней поверхно

стями резьбы.

Крепежная резьба

бывает метрической,

дюймовой и трубной. По

профилю она, как прави

ло, имеет треугольный

профиль. Чаще всего

применяется метриче

ская, правая, однозаход-

ная резьба. Левая резь-

ба применяется в тех случаях,

когда применение правой не

возможно, например из-за са-

моотвинчивания, или при кон-

струировании резьбовых

муфт («римских» гаек), обес

печивающих при вращении в

одном направлении переме

щение резьбовых стержней

навстречу друг другу или в

противоположные стороны

(рис. 58). Основными крепеж

ными деталями резьбовых соеди-

нений являются болты, винты,

шпильки, гайки, шайбы и стопор

ные элементы (пружинные шайбы,

шплинты), предохраняющие гайки

от самоотвинчивания. Крепежные

детали изготавливают из углеродистых, легированных сталей и спла

вов.

2) Шпоночные соединения осуществляют с помощью специальных

деталей

– шпонок, устанавливаемых в пазах между валом и ступицей.

Шпоночные соединения служат для передачи крутящего момента от

вала к ступице. Шпоночные соединения просты и надежны. Основной

недостаток шпоночных соединений заключаются в том, что шпоноч

ные пазы ослабляют валы и ступицы. По своей форме шпонки (от нем.

Span – щепка, клин) бывают призматическими, сегментными, цилин-

дрическими и клиновыми. Конструкция и форма шпонки связана с тех-

нологичностью изготовления пазов под шпонку и особенностями кон-

струкции. Пазы на валах фрезеруют, а в ступицах прорезают протяж -



болт

гайка





Рисунок 56

а)

б)

в)

г)

Рисунок 57

а)

б)

в)

Рисунок 58

177

ками. Шпонки обычно изготавливают из среднеуглеродистых сталей

40, 45.

Призматические шпонки (рис. 59, а) имеют прямоугольное сече-

ние. В радиальном направлении между шпонкой и пазом ступицы ос-

тается зазор. Паз под шпонку делают примерно 0,6 ее высоты, паз во

втулке

– на длину всей ступицы. Ширина и высота шпонки определены

ГОСТом и подбираются в зависимости от диаметра вала. Длина

шпонки определяется из условия прочности на смятие, а прочность на

срез обеспечивается с избытком.

Сегментные шпонки (рис. 59, б) удобнее в изготовлении, но

требуют более глубоких пазов в валах, что снижает прочность валов.

Их применяют для передачи незначительных нагрузок. Рассчитывают

ся так же, как и призматические.

Цилиндрические шпонки (штифты) (рис. 59, в) обычно приме-

няют для закрепления деталей на конце вала. Шпонка устанавливает-

ся с натягом.

Клиновые шпонки (рис. 59 г) образуют напряженные соединения

– их с усилием вбивают в паз между валом и ступицей. Эти шпонки

передают усилия за счет сил трения. В отличие от призматических и

сегментных шпонок у клиновых шпонок зазор остается по боковым

граням. Они применяются ограничено из

-за возникающего перекоса

ступицы, но способны передавать большие нагрузки.



Рисунок 59

1:100



а)

б)

в)

г)

178

3) Шлицевые соединения служат для передачи вращающего

момента между валом и установленными деталями. Шлицевое соеди

нение условно можно представить как многошпоночное. Это соедине-

ние обеспечивает как подвижное (в осевом направлении), так и не-

подвижное соединение между валом и насаженной деталью. Шлице-

вые соединения прочнее и точнее шпоночных. По форме поперечного

сечения шлицов различают прямобочные (рис. 60, а), треугольные

(рис. 60, б) и эвольвентные (рис. 60, в) шлицевые сечения. Число и

размеры поперечного сечения шлицов принимают по ГОСТу в зави

симости от диаметра вала. Шлицы рассчитываются на смятие.

4) Штифтовые соединения осуществляются при помощи спе-

циальных стандартных деталей – штифтов, т.е. стержней цилиндри-

ческой (рис. 61, а) или конической (рис. 61, б) формы плотно встав-

ляемых в отверстие двух соединяемых деталей. Штифты применяют

для точного фиксирования относительного положения соединяемых

деталей и для соединения дета

лей передающих небольшие на-

грузки, а также в качестве предо-

хранительных элементов (на-

пример, в муфтах), разрушаю-

щихся при перегрузке. Штифты

могут быть трубчатыми (рис. 61,

в) или быть насечными (рис. 61,

г). Трубчатые штифты, благода

ря своей упругой податливости

могут плотно вставляться в от

верстия с большим полем допус-

ка на размер. Острые кромки насечных штифтов врезаются в края от-

верстия и надежно страхуют штифт от выпадения.

5) Фланцевые соединения предназначены для герметичного

соединения трубопроводов и элементов корпусов аппаратов, рабо

тающих под давлением. Соединение состоит из двух фланцев, болто-

вого (шпилечного) соединения и прокладки, которая устанавливается

Рисунок 60

а)

б)

в)

Рисунок 61

а)

б)

в)

г)

179

между уплотнительными поверхностями и обеспечивает герметич-

ность при относительно небольшом усилии затяжки болтов. Фланцы

стандартизованы.

Фланцы могут быть

цельными (рис. 62), т.е. привариваться к

элементам корпуса аппарата или трубопровода, или быть

свободными

(рис. 63), т.е. крепиться разъемно на отбортовку корпуса (рис. 63,а)

или резьбу (63, б). Свободные фланцы применяются для соединения

аппаратов и трубопроводов из пластичных материалов (алюминий,

медь), хрупких материалов (керамика, стекло). Кроме того, примене

ние свободных фланцев из недорогой углеродистой стали позволяет

уменьшить стоимость протяженных внутризаводских трубопроводов

из легированной стали. Цельные фланцы по конструкции могут быть

плоскими приварными (рис. 62, а – в) и приварными встык (рис. 62, г,

д). Фланцы приварные встык способны выдерживать большие давле-

ния и температуры, чем плоские приварные.

Уплотнительные поверхности фланцев и зажатая между ними

прокладка образуют

затвор. По конструкции затворы бывают сле-

дующих типов: с гладкой уплотнительной поверхностью (рис. 62, а)

(рекомендуется для давлений до 0,6 МПа),

выступ-впадина (рис. 62,

б, г) (0,6

–1,6 МПа), шип-паз (рис. 62, в, д) (1,6 – 6,4 МПа), а также под

металлическую прокладку

(6,4 – 16 МПа). Материалы прокладок

фланцевых соединений должны быть прочными, эластичными, т.е.

способными получать значительные упругие (исчезающие) деформа

ции при небольших нагрузках, обладать пластичностью, быть термо- и

коррозионностойкими в рабочих условиях. В качестве материала про

кладок применяют: металлы – сталь, алюми-

ний, медь, свинец; полимеры – фторопласт,

полиэтилен, паронит, резину; комбинирован

ные прокладки, например, асбест в металли-

ческой оболочке.

6) Байонетные соединения – разъем-

ные соединения двух деталей (рис. 64), осуще-

ствляемые путем ввода выступа на одной из

деталей в специальную прорезь другой детали

и последующего относительного смещения де

Рисунок 62

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок 63

а)

б)

180

талей на длину прорези. Байонетные (франц.

baionnette – штык) соединения применяют в тех

случаях, когда требуется частое и быстрое со

единение и разъединения элементов оборудо-

вания, например, отсоединение крышек авто-

клавов – аппаратов периодического действия для

термообработки материалов и изделий под

давлением.

7) Профильные соединения – разъемные

соединения, у которых ступица насаживается на фасонную поверх

ность вала. Этот тип соединения ис-

пользуется, например, при закрепле -

нии маховиков запорной арматуры

(вентилей, кранов, задвижек). Попе-

речное сечение вала и форма отвер-

стия в ступице может быть квадратной

(рис. 65, а), треугольной (рис. 65, б),

овальной и т.п. Соединение обеспечи

вает хорошее центрирование, отсутст-

вует концентрация напряжений. Фасонные поверхности соединения

сложны в изготовлении.

8.4. Расчет на прочность сварных, резьбовых и шпоночных

соединений

Метод расчета сварных соединений зависит от рода

действующей нагрузки, типа соединения, вида шва и способа сварки.

Угловые швы всех типов соединений рассчитываются на срез, а

стыковые по тем же самым деформациям, что и соединяемые

детали.

В сварных швах из-за локального нагрева и совместной

деформации наплавленного и основного металла действуют

остаточные (связующие) напряжения и рабочие, создаваемые

приложенной нагрузкой. В расчетах на прочность учитывают только

рабочие напряжения. Влияние способов сварки учитывают при выборе

допускаемых напряжений для сварных швов, которые назначают как

долю от допускаемых напряжений на растяжение основного металла,

[] =  []; [] =  [], (8.1)

где [] - допускаемое напряжение стыкового сварного шва; [] -

допускаемое напряжение на срез стыкового и углового сварных швов;

 - коэффициент понижения допускаемых напряжений (коэффициент

сварного шва). Его значения приведены в таблице.

Проектный расчет

стыкового сварного шва, толщина которого равна толщине листов

Рисунок 65

а)

б)

Рисунок 64