Сварные и резьбовые соединения и их расчет
..pdfδ − толщина соединяемой детали; l – длина сварного шва; [σ]р/ − допускаемое напряжение при растяжении для сварного шва (обычно [σ]р/ = (0,9…1,0) [σ]р , где [σ]р − допускаемое напряжение для материала детали при растяжении).
Рис. 1.6. Схемы нагружения стыковых соединений
Прочность сварного шва, выполненного с помощью контактной сварки, равно прочности металла соединяемых деталей.
Допускаемая растягивающая или сжимающая нагрузка в сварных швах (рис. 1.6, а, б):
11
прямом
[F ] = [σ]/ |
l δ; |
|
p |
|
|
косом |
|
|
[F ] = [σ]/ |
l δ |
. |
|
||
р |
sinβ |
Здесьβ − угол, подкоторымвыполненкосойшов(см. рис. 1.6, б).
1.4.2. Нахлесточные соединения
Угловые швы рассчитывают по напряжениям среза по сечению I−I, проходящему через биссектрису прямого угла (см. рис. 1.3). Высоту углового шва h выражают через катет K:
h = K cos 45° ≈ 0,7 K.
Площадь опасного сечения А = 0,7 K l. Напряжения при срезе в опасном сечении, если соединение нагружено растягивающей или сжимающей силой F, определяютсяпо формуле
τcp/ = |
F |
≤ [τ]cp/ , |
0,7Kl |
где τcp/ и [τ]cp/ − расчетное и допускаемое напряжения среза для
шва; l − расчетная длина шва. В соединении лобовыми швами (см. рис. 1.4, а) l = 2lл; в соединении фланговыми швами l = 2 lфл (см. рис. 1.4, б), в соединении и лобовыми, и фланговыми швами l равно периметру швов.
Если нахлесточное соединение нагружено моментом в плоскости стыка (рис. 1.7), то напряжения от момента распределяются
12
по длине шва неравномерно, а их векторы направлены различно. Напряжения пропорциональны плечам е и перпендикулярны им. Вобщем случае максимальные напряжения можно определить по формуле
τср/ = Т ≤ [τ]/ ср ,
Wp
где Wp − полярный момент сопротивления сечения швов в плоскости разрушения.
Рис. 1.7. Соединение, нагруженное моментом в плоскости стыка
При любых схемах нагружения напряжения в сварном шве от действия нескольких силовых факторов (Т, F и т. д.) суммируются геометрически.
13
1.4.3. Тавровые соединения
Эти соединения выполняют либо стыковыми швами с разделкой кромок (рис. 1.8, а), либо угловыми швами без разделки кромок (рис 1.8, б). При нагрузке изгибающим моментом и силой прочность соединения определяют по формулам:
для стыкового шва
σр/ = |
6M2 |
+ |
F |
≤ [σ]р/ ; |
|
||||
|
δl |
|
δl |
для угловых швов
τр/ = |
|
6М |
+ |
F |
≤ [τ]/ . |
|
2 |
0,7kl2 |
2 0,7Kl |
||||
|
|
p |
Рис. 1.8. Тавровые соединения стыковым и угловым швами
На рис. 1.9 показано тавровое соединение трубы, нагруженное изгибающим икрутящим моментами.
Рис. 1.9. Тавровое сечение трубы
14
За расчетное сечение по-прежнему принято сечение по биссектрисе mm. Таким образом, опасное сечение представляет собой кольцо с внутренним диаметром d и наружным диамет-
ром D = d + 2·0,7K (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Опасное сечение углового шва
Напряжение в шве от крутящего момента
/ T |
|
|
T |
. |
||
|
|
|
|
|
||
τТ = Wp |
= |
πD3 |
(1− α4 ) |
|||
|
||||||
|
|
|
16 |
|
||
|
|
|
|
|
Напряжение в шве от изгибающего момента
τМ/ = |
M |
= |
|
M |
, |
W |
πD3 |
(1− α4 ) |
|||
|
|
|
32 |
|
|
где α = d .
D
Напряжения τT/ и τ/M в сечении mm взаимно перпендикулярны. Поэтому суммарное напряжение
τcp/ = (τT/ )2 + (τ/M )2 ≤ [τ]cp/ .
15
1.4.4. Точечная и шовная контактная сварка
Соединения точечной сваркой (рис. 1.11, а) при действии нагрузки в плоскости стыка рассчитывают на срез.
/ |
F 4 |
/ |
|
|||
τср = |
|
|
|
|
≤ [τ]ср |
, |
πd |
2 |
Z |
|
|||
|
|
i |
|
где d – диаметр сварной точки, обычно принимают d = 1,2δ + 4 мм при δ ≤ 3 мм,
d = 1,5 δ + 5 мм при δ > 3 мм,
Z − число точек; i − число плоскостей среза (при двух свариваемых деталях i = 1, при трех − i = 2).
а |
б |
Рис. 1.11. Соединение точечной (а) и шовной (б) сваркой
16
Параметры шва обычно принимают: шаг t = 3d;
расстояние от кромок t1 = 2d; t2 = 1,5d.
Соединение шовной сваркой показано на рис. 1.11, б. Напряжения среза
τср/ = |
F |
≤ [τ]/ . |
|
||
|
b l |
|
|
|
ср |
1.5. ВЫБОР ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
При статической внешней нагрузке допускаемые напряжения в сварных швах, полученных дуговой или контактной сваркой, назначают в зависимости от допускаемого напряжения на растяжение для основного металла [σ]р (табл. 1.1).
Таблица 1 . 1
Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке
Вид сварки |
Допускаемое напряжение для сварных швов |
|||
присжатии |
прирастяжении |
присдвиге(срезе) |
||
|
[σ]/сж |
[σ]/р |
[τ]/ср |
|
Автоматическая и ручная |
|
|
|
|
электродами Э42А и Э50А, |
[σ]p |
[σ]p |
0,65 [σ]p |
|
контактная стыковая |
|
|
|
|
Ручная электродами обычного |
[σ]p |
0,9[σ]p |
0,6 [σ]p |
|
качества |
||||
|
|
0,5 [σ]p |
||
Контактная точечная и шовная |
− |
− |
Допускаемое напряжение растяжения основного металла
[σ]р |
= |
σпред |
, |
|
[S ] |
||||
|
|
|
где σпред − предельное напряжение основного металла (для стали σт − предел текучести); [S] − допускаемый запас прочности (для сварных конструкций рекомендуется [S] = 1,4 … 1,6).
17
В табл. 1.2 приведены физико-механические свойства некоторых материалов.
Таблица 1 . 2
Физико-механические свойства некоторых материалов
Материал |
Предел |
Временное |
Пределвы- |
Модуль |
Коэффициент |
текучести |
сопротивление |
носливости |
упругости |
Пуассонаμ |
|
|
σт, МПа |
σв, МПа |
σ–1, МПа |
Е·10–5, МПа |
|
Сталь: |
|
|
|
|
|
Ст3 |
200–240 |
380–470 |
120–160 |
2,0 |
|
20 |
240 |
420–500 |
120–160 |
2,0 |
|
30 |
300 |
500–600 |
170–210 |
2,0 |
|
45 |
360 |
610–750 |
190–250 |
2,0–2,1 |
0,3 |
60Г |
420 |
710 |
250–320 |
2,1 |
|
40Х |
650–900 |
730–1050 |
240–340 |
2,1 |
|
30ХГСА |
850–1500 |
1100–1700 |
340–500 |
2,0 |
|
Чугун: |
|
|
|
|
|
Сч15 |
− |
147 |
− |
0,8–1,5 |
0,23–0,27 |
Сч35 |
|
340 |
|
1,3 |
|
|
|
|
|||
Латунь Л68 |
90 |
320 |
120 |
1,1 |
|
Бронза: |
|
|
|
|
|
БрОФ10-1 |
− |
250 |
− |
0,9 |
|
БрОЦС5-5-5 |
40–50 |
200 |
− |
1,0 |
0,33 |
БрАЖ9-4 |
200 |
550 |
− |
1,0–1,1 |
|
Допускаемые напряжения при переменной нагрузке
[σ]/R = γ[σ] p/; [τ]/R = γ [τ]/ср,
где γ − коэффициент понижения допускаемых напряжений,
γ = |
1 |
≤ 1 . |
(a Kσ ± b) − (a Kσ b)R |
Здесь Kσ − эффективный коэффициент концентрации напряжений; для угловых лобовых швов:
при ручной сварке Kσ = 2,3…3,2;
при автоматической Kσ = 1,7…2,4;
18
для фланговых швов Kσ = 3,5…4,5; для стыковых швов Kσ = 1,2;
а, b − коэффициенты (для углеродистых сталей а = 0,58; b = 0,26; для низколегированных а = 0,65; b = 0,3); R − коэффициент асимметрии цикла,
R = σmin = Fmin ,
σmax Fmax
где σmin и σmax минимальное и максимальное напряжения цикла,
взятые со своими знаками.
Верхние знаки в знаменателе формулы принимают, когда среднее напряжение цикла σm ≥ 0, нижние, − когда σm < 0 ( σm – среднее напряжение цикла).
При большой асимметрии цикла R > 0 коэффициент γ может получиться больше 1. Это указывает на то, что для данного цикла решающее значение имеет не сопротивление усталости, а статическая прочность. Поэтому если при вычислении получают γ > 1, то в расчете принимают γ = 1.
1.6. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Пример 1
Рассчитать сварной металлический кронштейн, представляющий собой стыковое соединение двух труб с наружным диаметром D = 114 мм и находящийся под действием растягивающей нагрузки F = 0,2 МН (рис. 1.12). Материал труб – сталь Ст3.
1. Определим толщину s стенки трубы из расчета на прочность при растяжении, рассматривая трубу как стержень, растягиваемый осевой нагрузкой (расчетная модель). При этом
σp = F / (π Dср s) ≤ σp , откуда s = F / (π Dср σp ).
19
|
Рис. 1.12. Сварное стыковое соединение труб |
|
|||
|
Допускаемое напряжение |
σp |
для материала трубы |
||
(Ст3) |
составляет |
160 |
МПа. |
Примем |
условно |
Dср = D − s ≈ 105 мм (в предположении, |
что толщина стенки |
трубы имеет среднее значение по ГОСТ 3262-75). Тогда
s= 0,2 106 / (π 0,105 160 106 ) = 0,0038 м = 3,8 мм.
2.По ГОСТ 3262-75 подбираем трубу с наружным диаметром 114 мм, толщиной 4,5 мм, условным проходом 100 мм.
3.Для выполнения шва выберем ручную дуговую сварку электродами Э42. Длина и толщина шва при этом известны – они равны длине окружности по среднему сечению и толщине трубы.
4.Допускаемое напряжение для сварного шва опреде-
лим по табл. 1.1: |
σср ′ = 0,9 |
σср = |
= 0,9 160 = 144 МПа. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Вычислим напряжения в сварном |
шве по формуле |
||||||
σ = F / A ≤ σp ′ , |
учитывая, |
|
что |
Dср = 144 |
− 4,5 = 109,5 мм: |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
σp = 0,2 106 / (π 0,1095 0,0045) = 129 МПа.
6.Действующие напряжения в сварном шве не превышают допускаемых значений (129 МПа < 144 МПа), следовательно, соединение удовлетворяет условию прочности.
20