Лекция 6. Резьбовые соединения

11 12 13 14 15 16 17

Раздел 3 Соединение типовых деталей машин и аппаратов.

Контрольные вопросы

1. Для чего используют химические аппараты?

2. Из каких основных узлов состоит химический аппарат?

3. Какие формы днищ вы знаете?

4. Где применяют фланцевое соединение?

5. Какие устройства применяют для ввода исходных компонентов в аппарат?

6. Как осуществляется установка аппарата?

Лекция 5. Сварные соединения

Любая конструкция состоит из соединенных между собой деталей.

Соединения делят на неразъемные и разъемные. Неразъемные соединения не допускают разборку и применяются для упрощения технологии изготовления элементов машин и аппаратов. К ним относятся, в частности, соединения сваркой, пайкой, заклепками. Разъемные соединения допускают разборку соединяемых деталей. К разъемным относятся резьбовые, шпоночные, шлицевые соединения.

Соединения элементов аппаратов должны обеспечивать прочность и жесткость конструкции, сохранение физических и химических свойств материала в местах сопряжения деталей.

В ряде случаев необходимо обеспечивать герметичность аппаратов.

Рассмотрим особенности некоторых соединений и вопросы их расчета.

Сварные соединения.

Сварные соединения – это неразъемные соединения, полученные

путем местного нагрева деталей до расплавленного состояния или до

пластичного состояния с применением механической силы. В настоящее время прочность сварных соединений доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, цветных сплавов и пластмассы.

Общим исходным условием для сварных соединений является обеспечение равнопрочности шва и соединяемых деталей.

Различают следующие сварные соединения: стыковые, нахлесточные, тавровые, и угловые.

Стыковые соединения (рис.3.1) считают наиболее совершенными по сравнению с другими. В зависимости от толщины Ѕ свариваемых деталей швы делают без скоса кромок, V-образными, U-образными или Х-образными. Косой шов встык обеспечивает повышенную прочность соединения, не меньшую чем для целой детали.

В нахлесточных соединениях (рис.3.2) боковые поверхности деталей частично перекрывают друг друга. Выполняют их, как правило, угловыми швами нормального (рис.11 а), облегченного(рис.11 б), или улучшенного (рис.11 в), типа. Вогнутые швы облегченного типа

получаются дополнительной механической обработкой швов. Поперечные размеры углового шва определяются длиной k катета треугольника.

Рис.2.4.

В зависимости от расположения шва относительно направления нагрузки различают швы лобовые (рис.11 г), фланговые (рис.11 д) и комбинированные (рис.3.2 е). Швы следует располагать так, чтобы они были нагружены равномерно и не вызывали изгиба соединяемых элементов. Поэтому сварку симметричных элементов следует производить симметрично расположенными швами. При проектировании сварки элементов несимметричных профилей, например, уголков, предполагается, что действующая сила F проходит через центр тяжести поперечного сечения уголка. В этом случае из уравнений равновесия соединения получаем (рис.3.3):

, ,

где F ₁ и F ₂ – нагрузки, действующие на швы; е ₁ и е ₂ – расстояния от центра тяжести сечения элемента до центров тяжести сечений швов.

В тавровых соединениях сопрягаемые элементы перпендикулярны или наклонны друг к другу. В зависимости от толщины привариваемой детали их выполняют – без подготовки кромок (рис.3.4 а), с односторонней (рис.3.4 б) и двусторонней(рис.3.4 б,в), разделкой кромок. При автоматической сварке во всех случаях могут быть получены швы наилучшего качества с глубоким проплавлением.

В угловых соединениях (рис.3.4 д) элементы расположены перпендикулярно или наклонно друг к другу и привариваются по кромкам.

Расчет сварных соединений. Допускаемые напряжения в сварных швах для отличия от соответствующих напряжений в целых деталях отмечают штрихом: , .

Стыковые швырассчитываются по сечению соединяемых элементов без учета утолщения швов. При действии продольной силы F условие прочности имеет вид:

где s – толщина соединяемых деталей; l – суммарная длина сварного шва.

При совместном действии усилия F и момента М используют условие

Автоматическая сварка под флюсом обеспечивает равнопрочность соединений, выполненных стыковыми швами при работе на растяжение и сжатие. Отметим, что в химических аппаратах основные сварные соединения (сварка обечайки, соединение обечайки с днищами и т. д.) выполняют стыковыми швами электродуговой автоматической сваркой под флюсом, поэтому они расчету не подлежат.

Нахлесточные соединенияс сечением швов в виде треугольника, как показывает эксперимент, разрушаются по биссектрисе h.

Расчет таких швов независимо от направления действующей силы F проводится по формуле:

где k – величина катета шва; l –длина шва.

Тавровые соединения, выполненные без подготовки кромок рассчитываются на срез по формуле

При сквозном проплавлении с подготовкой кромок расчет тавровых соединений ведут по формуле

Угловые соединенияприменяют преимущественно для передачи малых нагрузок и поэтому их обычно не рассчитывают.

Резьбовыми соединениями называют разъемные соединения деталей с помощью резьбы или резьбовыми крепежными деталями – винтами, болтами, шпильками, гайками. Резьба образуется путем нанесения на поверхность деталей винтовых канавок с сечением согласно профилю резьбы. По форме профиля резьба бывает треугольная, трапецеидальная, упорная, прямоугольная и круглая. Благодаря своим достоинствам – высокой надежности, способности воспринимать большие нагрузки и создавать большие усилия затяжки, удобству разборки и сборки, резьбовые соединения получили очень большое распространение.

В зависимости от формы стержня, на котором нарезана резьба, различают цилиндрические и конические резьбы. Резьба, расположенная на наружной поверхности деталей, называется наружной, а на внутренней – внутренней. В зависимости от направления вращения контура, образующего резьбовое соединение, различают правую (винтовая линия поднимается слева направо) и левую резьбы. По числу винтовых линий, одновременно навитых на цилиндре, резьбы бывают однозаходные и многозаходные (двух-, трехзаходные и т.д.)

По назначению резьбы делят на крепежные (метрическая крупная и мелкие, дюймовая); крепежно-уплотнительные (трубная, конические); ходовые (трапецеидальная и упорные – крупные, нормальные и мелкие); специальные (часовая, круглая).

Крепежные и крепежно-уплотнительные резьбы имеют треугольный профиль и отличаются повышенным трением и высокой прочностью.

Ходовые резьбы имеют симметричный или асимметричный трапецеидальный профиль и отличаются пониженным трением в резьбе и меньшей прочностью. Прямоугольная резьба, хотя и имеет наименьшие потери на трение, применяется редко вследствие низкой прочности и технологических недостатков.

Основными размерными параметрами резьбы (рис.3.5) являются: наружный d, средний d ₂и внутренний d ₁диаметры резьбы, рабочая высота профиля h, шаг резьбы Р, угол профиля a.

Для многозаходных резьб вводят дополнительный термин – ход резьбы Р_h, равный произведению шага на число заходов. Таким образом, ход равен расстоянию, на которое переместится винт вдоль своей оси при повороте на один оборот в неподвижной гайке.

Перечисленные параметры можно рассматривать в общем виде, так как все профили имеют общие элементы и могут быть получены варьированием угла профиля, высоты профиля и радиусов закруглений.

Как показывает опыт эксплуатации, под действием изменяющихся во времени вибрационных нагрузок, а также в результате температурных воздействий осевая нагрузка, следовательно, и трение в резьбе могут уменьшиться. В таком случае достаточно небольшого воздействия на детали соединения (толчки, вибрация), чтобы произошло самоотвинчивание гайки или винта.

Для предотвращения таких явлений необходимо использовать специальные средства стопорения. Такие устройства создают дополнительное трение в резьбе или запирают крепежные детали специальными элементами – шплинтами, шайбами.

К первому виду стопорных устройств относятся контргайки (вторые гайки), обеспечивающие дополнительное трение за счет упругого распора гайки и контргайки, а также самоконтрящиеся гайки с радиальным натягом резьбы. Этот натяг получается в результате пластического обжатия верхней части гайки и придания ей эллиптической формы, либо при выполнении нескольких радиальных прорезей (рис.3.6 а). Широкое применение получили пружинящие шайбы, обеспечивающие, вследствие упругости шайбы, сохранение сил трения в резьбе.

Ко второму виду стопорных устройств относятся шплинты (рис.3.6 б), представляющие собой стержни, согнутые из проволоки полукруглого сечения, шайбы с отгибающимися кромками (рис.3.6 в), стопорные шайбы с лапками (рис.3.6 г). Можно применять стопорение пайкой или приваркой, которая превращает соединение в неразъемное.

Методика расчета резьбовых соединений зависит от условий нагружения винтов и конструктивной схемы соединения. По условиям нагружения винты подразделяются на воспринимающие осевую, поперечную или комбинированную нагрузки, которые остаются неизменными или циклически меняются во времени.

В зависимости от технологических условий сборки винты могут быть ненапряженными (не затянутыми в процессе сборки) или напряженными (затянутыми), получающими значительную осевую нагрузку уже в процессе сборки, до приложения внешних сил. Кроме того, винты можно установить с зазором или без зазора.

Основным видом нагружения винтов является осевое растяжение. При этом их разрушение может произойти по следующим причинам:

1. Повреждение или разрушение резьбы (срез, смятие, износ);

2. Разрыв стержня по резьбе или по переходному сечению;

3. Разрушение у головки.

По критериям, соответствующим этим видам разрушения, производят расчет винтов при стандартизации. При этом используется условие равнопрочности по всем видам разрушения. Поэтому при применении стандартных винтов можно ограничиться расчетом прочности стержня винта, а другие размеры подобрать с использованием ГОСТа.

Расчет ненапряженных винтов, несущих осевую нагрузку F проводится на основе условия прочности стержня при растяжении

Полагают, что площадь поперечного сечения , где d ₁ – внутренний диаметр резьбы. Из приведенного условия прочности вычисляют

Далее, используя ГОСТ, подбирают ближайший больший внутренний диаметр резьбы и все остальные параметры.

Расчет болтов, нагруженных поперечными силами. В случаях, когда винт установлен в отверстие с зазором (рис.3.7 а)и соединение деталей должно обеспечиваться трением за счет усилия затяжки F_з, условие прочности имеет вид

Полагают, что или , где F_p – растягивающая сила, f – коэффициент трения, i – количество плоскостей среза, k =1,3 – коэффициент, учитывающий скручивание винта. С учетом этих выражений получается формула для определения диаметра винта: