203

Этой площади соответствует сечение из двух уголков ∟ 70×70×8 с геометрическими характеристиками:

F = 2 ×10,7 = 21,4 см2 , imin = i x = 2,13 cм ,

	l =	m	=	0,7 × 2,8 ×103	= 92.
		imin		21,3

Определяем допускаемое напряжение:

ϕ = 0,672,

[sy ]= j[s]= 0,672 ×160 = 107,6 Нмм2 .

Расчетное напряжение
s =	Р	=	240 ×103	= 112 Н мм2 .
	F		21,4 ×102

Перегрузка составит

d = 112 −107,6100% = 4%. 112

Такая перегрузка вполне допустима. Принимаем сечение из двух уголков 70´70´8.

204

9. Расчеты на прочность при переменных напряжениях и динамических нагрузках

9.1. Основные сведения из теории

Во многих случаях в процессе работы детали машин и элементы конструкций многократно подвергаются действию периодически изменяющихся во времени нагрузок. Исследования показали, что структура металла при действии переменных нагрузок не меняется. При определенной величине переменных напряжений в перенапряженных зонах возможно образование микротрещин, которые в процессе работы детали прогрессируют, сливаясь с другими микротрещинами. В вершине трещины возникает большая концентрация напряжений, что еще больше способствует дальнейшему росту трещины, приводящему к ослаблению сечения и его внезапному разрушению.

Таким образом, под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала при действии переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство материала противостоять усталости называют выносливостью.

Максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться, не разрушаясь при любом произвольно большом числе повторений переменных нагрузок, называют пределом выносливости или пределом усталости.

σ

	a
	σ
max	a	m
σ	σ	σ
	min
	σ

t

Рис. 9.1. Зависимость напряжений во времени

(асимметричный цикл)

Изменение напряжений за один период называют циклом напряжений. Различным законам изменения напряжений соответствуют раз-

205

личные виды циклов: симметричный σmax = – σmin, асимметричный, если к переменным напряжениям добавится среднее постоянное значение от продольной силы, а σmax и σmin могут принимать различные значе-

ния; и если σmax или σmin равны нулю, то такой цикл называется отну-

левым (пульсирующим).

Для асимметричного цикла (рис. 9.1) будут справедливы следующие зависимости:

σmax = σm + σa ;	σm =	σmax + σmin	;	(9.1)
		2
σmin = σm − σa ;	σa =	σmax − σmin	,	(9.2)
		2

где σm – среднее постоянное напряжение цикла; σa – амплитуда цикла –

наибольшее значение переменной составляющей цикла напряжений. Для характеристики цикла служит коэффициент асимметрии цик-

ла, определяемый из выражения	σmin .
R =		(9.3)
	σmax

Коэффициенты запаса прочности при изгибе и при кручении определяют соответственно из выражений

nσ =

σ−1

; nτ

=

τ−1

,

(9.4)

κσ

σ

+ Ψ σ

κτ

τ

+ Ψ τ

a

m

a

m

εβ

εβ

σ

τ

где σ−1, τ−1 – соответственно пределы выносливости при

симметрич-

ном цикле при изгибе и кручении; κσ,

κτ – эффективные коэффициен-

ты концентрации при изгибе и кручении; ε – масштабный коэффициент; β – коэффициент, учитывающий качество обработки поверхности;

Ψσ, Ψτ – коэффициенты, характеризующие чувствительность материа-

ла к асимметрии цикла, соответственно, при изгибе и кручении.

Для определения коэффициента запаса прочности при изгибе будем принимать симметричный цикл, при котором

206

σ	a	= σmax − σmin				= σmax − (− σmax )
			2	Mи				Ми	2
			σmax =			=			= σа ,
				Wу				0,1d3

σm = σmax + 2(− σmax ) = 0.

Если при кручении цикл является пульсирующим него:

= σmax ,	(9.5)
	(9.6)
	(9.7)

(отнулевым), то для

τa =

τmax − τmin

=

τmax − 0

=

τmax

,

2

2

2

(9.8)

τmax

=

Mκ

=

Mκ

.

Wρ

0,2d

3

По найденным значениям nσ и nτ вычислим общий коэффициент запаса прочности и сравним с заданным (допускаемым) (n ³ n0 ):

n =		nσnτ
				.	(9.9)
		2 2
		nσ + nτ

Если условие прочности не выполняется, производится подбор нового диаметра вала из выражения

	d	н	= d	пр	= 3		n0	,		(9.10)
							n
	где dпр – старый диаметр вала, для которого производится									проектиро-

вочный расчет; n – вычисленное значение коэффициента запаса прочности; n0 – заданный коэффициент запаса прочности.

Далее все расчеты повторяются для нового диаметра вала, пока не будет удовлетворено условие прочности.

207

Алгоритм расчета вала на прочность при переменных напряжениях при совместном действии изгиба и кручения.

А. Статический расчет вала.

1.Построить эпюры внутренних усилий – изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях и крутящих моментов.

2.Вычислить суммарный изгибающий момент в заданных (опасных) сечениях.

3.По одной из теорий прочности вычислить расчетный момент.

4.В зависимости от материала, из которого изготавливается

вал, вычислить [σ] и определить диаметр вала. Вычисленное значение

диаметра округлить до ближайшего большего стандартного. Б. Расчет вала на «усталость».

5. Установить механические характеристики данного материала. Для заданных концентраторов напряжений из таблиц или графиков определить численные значения коэффициентов, учитывающих влияние различных факторов на предел выносливости (см. прил.).

6. Вычислить коэффициенты запаса прочности при изгибе (по симметричному циклу) и при кручении (по отнулевому) и сравнить с заданным (нормируемым). Если условие прочности при этом не выполняется, подобрать новый диаметр, округлить до стандартного большего

и расчет повторить.
В. Контрольный расчет вала	на «усталость»	с помощью
ЭВМ включает подготовку исходных	данных для	заданной схе-

мы. Программа «ВАЛ» включена в библиотеку математического обеспечения компьютерного класса шахтостроительного факультета КузГТУ.

9.2. Расчет вала на переменные нагрузки

Пример 9.1.

Данные для расчета вала на усталость: Р = 410 Н; Q = 180 H; M = 320 H·м; ℓ = 1,8 м; нормативный коэффициент запаса n0 = 2. Ма-

териал вала – сталь 40Г, качество обработки поверхности – грубое шлифование. Концентратор в расчетном сечении – полукруглая выточка.

Требуется подобрать сечение вала из условия статической и усталостной прочности.