Критерии работоспособности и расчета валов

Основными критериями работоспособности валов являются их прочность и жесткость.

Под прочностью валов понимают их способность сопротивляться действию постоянных или переменных по величине и направлению нагрузок без разрушения. Прочность валов может оцениваться различными способами:

– сравнением фактических напряжений σ _ЭКВ с допускаемыми [σ ], σ _ЭКВ [σ ];

– сравнением фактического запаса прочности n с допускаемым [n], n [n];

– по вероятности неразрушения Р, %

Для их реализации необходимо определить наибольшее напряжение в опасной точке детали, при этом нужно знать предельное напряжение для материала детали.

В предварительном расчете, связанном с определением размеров наиболее напряженных сечений, сопоставляют наибольшее напряжение с допускаемым. По результатам этих расчетов конструируют деталь и уже после этого проверяют запас прочности с учетом геометрии детали (концентраторов напряжений), материала и технологии ее изготовления.

Валы и оси, рассчитанные по критерию прочности, не всегда обеспечивают нормальную работу машин из-за недостаточной жесткости деталей.

Жесткость валов – это способность сопротивляться образованию деформации без разрушения. При действии нагрузок в валах и осях появляются деформации изгиба (прогибы, углы поворота сечений). В валах кроме этих деформаций появляется угол закручивания от крутящего момента.

Сконструированный по результатам расчета вал проверяют на жесткость по линейным деформациям при изгибе y [y], по угловым деформациям при изгибе [ ] и кручении φ [φ ].

Расчетные значения деформаций (перемещений) определяют методами сопротивления материалов, а допускаемые значения приняты на основе опыта проектирования и эксплуатации подобных деталей и содержатся в справочной литературе.

Большие перемещения сечений валов при изгибе могут вызвать заклинивание подшипников. Изгибная и крутильная жесткость валов существенно влияют на частотные характеристики при появлении изгибных и крутильных колебаний. При возникновении колебаний напряжения в валах существенно возрастают и будут определяться не внешней нагрузкой, а силами инерции колеблющихся масс. Большую опасность для конструкции будет представлять резонанс напряжений и перемещений. Избежать наступления резонанса можно путем изменения частоты собственных колебаний (реже за счет изменения часто-ты вынужденных колебаний).

Одна из основных задач расчета вала на колебания (вибрацию) состоит в определении частоты собственных колебаний и установлении допустимого диапазона частоты его вращения в рабочих режимах. Устойчивая работа вала обеспечивается, если в докритической области частот n 0, 7n_КР, и n 1, 3n_КР – в закритической области.

 

Материалы для валов

Для изготовления валов используют углеродистые стали марок 20, 30, 40, 45, 50, легированные стали марок 20Х, 40Х, 40ХН, 12Х2Н4А, 40ХН2МА и др., высокопрочные модифицированные чугуны, титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ-6, ВТ-9. Характеристики некоторых материалов приведены в приложении 1П.

Выбор материала, термической и термохимической обработки определяется конструкцией вала и опор, условиями эксплуатации. Так, например, быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют высокой твердости цапф, поэтому такие валы изготавливают из цементируемых сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ или азотируемых сталей 38Х2МЮА и др. Валы-шестерни по этой причине изготавливают из цементируемых сталей 12ХН3А, 12Х2Н4А и др. Валы под насадные зубчатые колеса в редукторах выполняют из улучшенной стали 45 (255–285НВ) и стали 40Х (269–302НВ). Участки валов, контактирующие с уплотнительными манжетами, должны иметь твердость поверхности не менее 30HRC. Длинные полые валы иногда изготавливают (намоткой) из композиционных материалов. Для ответственных тяжело нагруженных валов применяют легированные стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Для неответственных малонагруженных валов используют углеродистые стали без термообработки. В приборостроении применяют сплавы цветных металлов.

Валы без термообработки изготавливают из сталей 35, 40, ст 5, ст 6, 40Х, 40ХН, 30ХН3А, с термообработкой – из сталей 45, 50.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: