Иванов А.С. - Конструируем машины Часть 1 (1053457), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Канат из женских волос растягивался и опасные растягивающие напряжения от изгиба в корпусе уменьшались. Еще более интересна конструкция барки тех же времен, ее длина около 60 м (рис. 4.15). При перевозке обелисков массой по 350 т их укладывали в середине барки основаниями один к другому.
На барке негде разместить гребцов и поэтому ее буксировали гребные суда. От веса обелисков прогибалась середина барки. Чтобы прогиб уменьшить, следовало бы поместить шпренгель (растянутый канат) под корпусом судна в воде, что непрактично. Поэтому над баркой устанавливали арку из дерева, работающую на сжатие. На принципе замены изгиба растяжением основаны висячие и вантовые конструкции. 123 Рнс. 4.15. Эскиз барки Рнс. 4.18. Высочайшие телебашни мира: а — в Торонто 550 м; б — в Москве (Оетанкнно) 540 м; в— в Токио 333 м; г — в Париже (Эйфелева башня) 312 м; д— в Лондоне 184 м; е — в Москве (башня Шухова) !60 м а б в г д е 125 124 Висячие покрытия были предложены русским инженером ВГ Шуховым (1853 — 1939). В 1896 г. по его проектам на Нижегородской технической выставке было построено 4 павильона размерами 68к98 м, несущими злементами их покрытий 2 служил гибкий шатер из пересекающихся стальных полос, опиРающихся в середине здания на стойки.
Один из павильонов изображен на рис. 4.16. Висячие покрытия в других странах стали строить лишь спустя полвека. Рне. 4.16. Павильон с висячим покрытием конструкции В.Г. Шухова На сегодня наибольший в мире пролет висячего моста через Реку имеет мост через устье реки Хамбер (Великобритания), построенный в А! г. (рис. 4.17); длина его пролета !410 м.
Проезжая часть моста в виде коробчатой балки высотой сече- ""Я 4,5 м (1/313 длины пролета) поддерживается наклонными "слвесками. Подвески закреплены на канатах, а канаты — на )хелезобетонных пилонах. Каждый канат содержит 15000 оцинкованных проволок диаметром 5 мм. Проволока выдерживает разрывное усилие 30 кН.
Подвески и канат работают при напряжениях 600 МПа. Рнс. 4.17. Висячий мост через реку Хамбер Несуибао способность конструкции можно иовысить, создав в неб начальные напряжения иного знака, чем рабочие. Начальные напряжения сжатия выгодно создавать в конструкциях из материала, плохо работающего на растяжение (например, бетон). Одна из высочайших телебашен мира Останкинская высотой 540 м и диаметром кольцевого основания 60 м при ширине кольца 1 и (масса 30000 т) смонтирована в !967 г. нашим соотечественником инженером Н.В.
Никитиным (рис. 4.18, 6). Чтобы обеспечить прочность и устойчивость под действием возможного ураганного ветра скоростью до 140 км/ч, башня притянута к фундаменту 150 стальными тросами, закрепленными в ней вблизи ее вершины. Сила натяжения каждого троса составляет 72 кН„а разрывное усилие 100 кН при диаметре троса 38 мм. Таким образом, напряжения растяжения в бетонном корпусе башни от изгибающих рабочих нагрузок заменены напря- жениями сжатия путем предварительного напряжения тросов (оценка необходимой силы натяжения тросов в Останкинской башне будет обсуждаться на следующем шаге). Использйвание предварительного напряжения в конструкции позволяют включить в работу весь ее материал и за счет этого снизить массу машины.
Предварительно напряженные конструкции широко применяют в прокатных станах, прессах, подъемных кранах и других крупных машинах, где экономический эффект от облегчения конструкции наиболее ощутим. Усталостная прочность деталей определяется прочностью малых объемов материала в зоне высокой концентрации напряжений. Поэтому большое значение имеет местная оптимизация форм — уменьшение концентрации напряжений. Для этого удаляют материал, мало участвующий в работе, создают плавные переходы, рассредотачивают по длине детали разные концентраторы напряжений.
Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых напряжения растут от нейтральной оси к внешней поверхности. На поверхности расположены основныс источники концентрации напряжений. Таким образом, поверхностные слои деталей испытывают гораздо большие напряжения, чем сердцевина. Все это указывает на целесообразность поверхностных упрочиений (рис. 4.19). Упрочнение поверхности пластическим деформированнем, термической или химико-термической обработкой повышает твердость поверхностного слоя и создает в нем большие остаточные напряжения сжатия. Повышенная твердость влечет за собой рост пределов текучести и выносливости, а также временного сопротивления материала.
Остаточные напряжения сжатия, вычитаясь из опасных для прочности растягивающих напряжений от внешних нагрузок, повышают прочность детали. Упрочнение пластическим деформированием возможно, например, путем обкатки роликом, особенно удобной для тел вращения, иаклепа дробью. Для ряда деталей поверхностное пластическое упрочнение предусмотрено как обязательное.
Так, обкатке роликом подвергают оси железнодорожных колесных пар, гребные валы с)/дов. Глубину упрочненного слоя Ь выбирают 2 — 10% от радиуса г упрочняемой детали. Дробеструйное 126 твч ь в,йвд1 иис вь тв и+ем гу гг м вм А в ьдз е,вгиумсете Ф 1 Рис. 4.19. Эффективность упрочнения: а — глвлквя деталь нагружена изгнбаюпгим моментом, поверхностное упрочнснис отсутствует; б — то жс, поверхность детали упрочнсна; в — деталь с КОНПСН1Ратором напРяжсний динамически нагружена нтгибаквпим моментом, поверхностное упрочнение отсутствует; г — то же, павсркнос1ь детали упрочнена упрочнение используют для обработки рессор и пружин железнодорожного транспорта; глубина упрочненного слоя составляет Ь = 0,5...0,7 мм.
Среди термических методов упрочнения широко распространена вследствие своей технологичности поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Твердость материала в состоянии поставки обычно измеряют по Бринеллю (НВ), вдавливая шарик в испытуемый образец. Твердость закаленных изделий, как правило, измеряют по Роквеллу (НКСв) шкала С, которую характеризует глубина отпечатка в образце алмазного конуса. При закалке ТВЧ удается достигнуть твердости поверхности НКС 45 — 56 (до 62). Глубина закаленного слоя при этом в зависймости от марки стали и режима закалки может составлять Ь = 1...7 мм. К химико-термическим методам поверхностного упрочнения относятся цемецтация и азотироваиие. Цементация — это процесс насыщения углеродом поверхности с последующей ее закалкой.
При этом достигается твердость поверхности НКС, 58...63. Глубина упрочненного слоя может составлять Ь = = 0,2...2,5 мм. Азотирование (насыщение поверхности азотом) беспечивает особо высокую поверхностную твердость. Тверость тонких слоев обычно измеряют по Викерсу (НУ), вдаввая алмазную четырехгранную пирамиду в образец. При ззотировании можно добиться твердости НУ 500...950 при глубине упрочненного слоя Ь = 0,1...0,6 мм.
На рис. 4.19, а изображена гладкая цилиндрическая деталь, „агруженная изгибающим моментом М (эпюра напряжений о аштрихована). Если напряжения не превысили предела текучести п.„(прямоугольник на рисунке), то прочность детали обеспечена. При поверхностном упрочнении длину участка детали, подвергаемого такой обработке, указывают на рабочем чертеже иприхпунктиром, а наименование обработки — на полке линии-выноски к этому участку (рис. 4.! 9, б). Предел текучести упрочненной детали будет изменяться по радиусу ступенчато. Это позволяет безопасно увеличивать изгибающий момент, нагружающий деталь, до некоторой величины М+ д М. На рис.
4.19, в, г представлено переменное нагружение изгибающим моментом детали с концентратором напряжез(ий в виде цилиндрической проточки. Если деталь не подверглась упрочнению (рис. 4.18, в), то допускаемая амплитуда напряжений о ограничена длительным пределом выносливости материаза в состоянии поставки а н При упрочнении (рис. 4.19, г) вследствие возрастания предела выносливости поверхностных слоев материала допустимо существенно увеличивать амплитуду напряжений ое и изгибающий момент.
Рис. 4.20 дает ответ на вопрос о характере изменения тве— лести и остаточных напряжений а . По оси абсцисс отложено р отношение толщины поверхностного слоя Ь к радиусу детали б на оси ординат рис. 4.20, а найесена твердость в трех шкалах: ло Бринеллю (НВ), по Роквеллу шкала С (НЕС ) и по Викерсу НУ). Такое представление твердости позволяет показать взаимосвязь трех шкал. По оси ординат рис. 4.20, 6 указаны о'таточные напряжения а, возникающие при упрочнении. Для повышения прочности иногда имеет смысл применять "атериалы, обладающие высокой удельной п)ючиостью. Обратимся я к периодическому закону Д.И. Менделеева.
Д.И. Менделеев (1834 — 1907) в 35 лет открыл этот закон, предсказав 128 з з е з (у и 6Д (е! 6 и б Рис, 420. Изменение по толщине детали твердости материала (а) и остаточных напряжений (б) при разных методах упрочнения: 1 — закалка ТВЧ; 2 — цемеитеция; 3 — обкатка роликом; 4 — яробеетруйиея обработка; з — езотироезиие более 10 неизвестных элементов и правильно определив их атомные массы.
С поразительной точностью были им спрогнозированы свойства галлия и германия. Он предугадал с помощью своего закона наличие в природе трансурановых элементов, а его последователи предсказали, а затем открыли неон, криптон и ксенон. Известно, что чем больше номер элемента по таблице Д.И. Менделеева, тем больше заряд ядра и больше масса атома. Чем больше электронных оболочек у атома, тем больше его радиус. При фиксированном числе оболочек с увеличением заряда ядра радиус атома для большинства элементов уменьшается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
