способ определения прочности элемента металлоконструкций машин в наиболее неблагоприятных сечениях элемента

Формула изобретения

Способ определения прочности элемента металлоконструкций машины в наиболее неблагоприятных сечениях элемента, включающий выбор материала и нормативных напряжений, определение нагрузок, действующих на элемент, условий работы и определение геометрического параметра сечения элемента металлоконструкции машины из соотношения F^* N (R_к) отличающийся тем, что после определения геометрического параметра сечения оценивают прочность элемента металлоконструкции машины по соотношению периода Т действия усилий на него и расстояния точки их приложения от опоры по формуле TEI/mFl1, причем, в случае невыполнения условий по указанному соотношению, геометрический параметр F^* выбирают по сортаменту и операции оценки повторяют, где Т период приложения нагрузки, Е модуль упругости, I момент инерции сечения, m масса конструкции, F площадь сечения конструкции, l расстояние от опоры до точки приложения усилия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в строительном, дорожном, горном машиностроении, а также самолето-, автомобиле-, кораблестроении при определении прочности в наиболее неблагоприятных сечениях элемента металлоконструкций, на который действуют нагрузки, носящие нестационарный характер.

Известен способ определения прочности элемента металлоконструкций машин в наиболее неблагоприятных сечениях элемента при работе в условиях нестационарного режима нагружения по допускаемым напряжениям, включающий выбор материала элемента конструкции и допускаемых напряжений. После этого определяют нагрузки, действующие на элемент металлоконструкции, внутренние усилия и геометрический параметр сечения элемента конструкции. Определение прочности по этому способу состоит в том, чтобы напряжения в элементах конструкций от действия нагрузок в наиболее неблагоприятных сочетаниях не превышали предельных значений, установленных соответствующими нормами или особыми техническими условиями по формуле:



где напряжения, возникающие в расcчитываемых элементах от действия нагрузок;

Р^* внутренние усилия (растяжение сжатие, изгибающий и крутящий моменты, поперечная сила), возникающие в элементе;

F^* геометрический параметр сечения (площадь сечения, момент инерции или момент сопротивления сечения);

[] допускаемое напряжение, устанавливаемое соответствующими нормами или техническими условиями;

_т предел текучести материала рассчитываемого элемента;

n коэффициент запаса прочности.

Недостатком этого способа является невозможность учесть распределение напряжений по сечению в реальных машинах, в результате чего некоторые элементы металлоконструкций оказываются недогруженными и работают с избытком запаса прочности, а некоторые перегруженными и работают на пределе.

Наиболее близким способом определения прочности элементов является способ по предельному состоянию, включающий выбор материала и нормативных напряжений, определение нагрузок, действующих на элемент, условия работы, определение геометрического параметра сечения элемента металлоконструкций машин по формуле:

NF^*PK (1)

где N наиболее расчетное усилие в рассматриваемом элементе;

N = _iP^y_in_i

Здесь: _i усилие в элементе при Р^н=1,

P^н_i n_i коэффициент возможного превышения расчетной нагрузки:

F^* геометрический фактор элемента (площадь сечения, момент сопротивления, момент инерции сечения);

P=K_oP^н расчетное сопротивление элемента;

K_o коэффициент однородности материала;

R^н нормативное сопротивление (предел текучести _т, предел выносливости _rк;

К коэффициент условий работы, учитывающий три основных обстоятельства. Здесь К=K₁K₂K₃.

где K₁ коэффициент, учитывающий ответственность рассчитываемого элемента;

К₂ коэффициент, учитывающий отклонения в геометрических размерах элемента и качество его присоединения при изготовлении;

K₃ коэффициент, учитывающий несовершенство расчета, связанного с неточностью определения внешних сил или применяемых расчетных схем.

Недостаток этого способа определения прочности элемента металлоконструкций машин невозможность учесть инерционность элемента металлоконструкции и возникающих в нем резонансных явлений при совпадении частот колебаний от действий внешней нагрузки и внутренних усилий.

Целью изобретения повышение надежности и долговечности элемента металлоконструкций машин за счет исключения возможности появления в элементе резонансных явлений.

Поставленная цель достигается тем, что способ определения прочности элемента металоконструкций машин, включающий выбор материала, усилий, действующих на конструкцию, условия ее работы и определение сечения по формуле:



согласно изобретению дополнительно определяют соотношение периода действия усилий на элемент и точки их приложения по формуле:

(2)

Здесь Т период воздействия внешнего усилия на элемент, с;

Е модуль упругости, Па;

I момент инерции сечения элемента металлоконструкции, м;

l расстояние от опоры до точки приложения усилия на элемент, м;

m масса элемента металлоконструкции, кг;

F площадь сечения, м².

Дополнительное определение соотношения периода действия усилий на элемент конструкции и точки приложения усилий в сочетании с остальными признаками позволяет исключить возможность возникновения резонанса в элемента конструкции при действии на него усилий с периодичностью Т за счет изменения точки приложения этого усилия. Если же резонансные явления, вызывающие разрушения конструкции, возникают в определенной ее точке, то исключаем возможность их появления за счет изменения периода действия усилий на элемент конструкции. Другими словами, при работе машин в различных условиях эксплуатации, используемая предлагаемый способ определения прочности элементов металлоконструкций представляется возможным определять параметры периода воздействия усилий, который позволяет исключить резонанс.

На фиг. 1 показана схема экспериментальной установки; на фиг. 2 то же, вид А; на фиг. 3 то же, сечение Б-Б.

Для осуществления предлагаемого способа было изготовлена экспериментальная установка (фиг. 1), состоящая из двигателя 1, параллельно соединенного с латтером 2 и передающим вращение с вала двигателя 1 на шкив 3 (фиг. 2), к которому присоединен шарнирно-сочлененный двухзвенник 4 со свободным концом. Для испытаний взята линейка 6 прямоугольного сечения с размерами 0,008 м и 0,040 м (фиг. 3), которая имитирует элемент металлоконструкций. Линейка 6 закреплена неподвижно на опорах 7 и 8 под свободным концом двухзвенника 4, размещенного в направляющей 5. Изменяя число оборотов двигателя 1 латтером 2, мы изменяем периодичность приложения усилий к линейке 6 при помощи свободного конца двухзвенника 4 в различных точках конструкции, расположенных на расстояние l от опоры (фиг.2), равным 0,3; 0,4,0,7 м (см. таблицу, графа 2). Масса линейка 6 равна 3,6 кг, длина линейки 1 м, площадь сечения линейки определяется по формуле:

F 0,0080,4 3,2^-4 м₂.

Модуль упругости Е 2,1 10⁶ Па.

Момент инерции сечения линейки определяем с учетом жесткости элементов в заделке. I= 3,4110_-10м⁴.

Реализация предлагаемого способа проверена при проведении эксперимента.

Точку приложения усилия к линейке (расстояние l) изменяем, перемещая установку над линейкой. Изменяя и регулируя латтером периодичность Т приложения усилий к линейке, добиваемся появления в последней резонансных явлений. Например, (см. табл.поз. 1), усилие приложено на расстояние l 0,3 м от опоры с частотой Т появления резонансных явлений (см. табл.графа 3 и 5), равной 0,39012 с.

Расчеты данного положения по формуле (2) предлагаемого способа приведены в графе 4 таблицы. Соотношение соответствует появлению резонансных явлений. Если усилия с той же самой периодичностью Т 0,39012 с приложить в других точках конструкции, например при l 0,4 м, наблюдаются слабые колебания, резонансные явления не наблюдаются. Соотношение . При l 0,5; 0,6 и 0,7 м резонансные явления не наблюдались. При этом соотношение равно 0,4850; 0,4042; 0,3464, соответственно. В таблице (поз. 125) приведены соотношения в случае появления резонанса в других точках конструкции при соответствующих частотах приложения усилий.

Таким образом, анализ данных таблицы показывает, что если резонансные явления были вызваны определенной периодичностью приложения усилий в определенной точке конструкции, то, изменяя точку приложения усилий, мы предотвращаем резонансные явления. Аналогичным образом можно, изменяя периодичность приложения усилий, можно избежать резонансные явлений в определенной точке конструкции. Анализ данных таблицы показывает, что, чем больше отношение отличается от 1, тем меньше возможность появления резонансных явлений.

Способ проверен на элементах металлоконструкций известных машин с известными данными. Покажем его на примерах определения прочности стойки рыхлителя.

Пример 1. Определение прочности стойки рыхлителя на базе трактора Т-500(табл.поз.2).

Материал элемента стойки сталь 110Г13Л, нормативное напряжение стали 480 МПа. Модуль упругости для этой марки стали равен 2,110⁶ Па. Период колебаний стойки под действием силы резания грунта снимается с осциллографических кривых и равен полному времени, затрачиваемому на процессе разрушения грунта: T=2,03 с /см. Сладкова Л.А. Создание самозатачивающихся наконечников рыхлителей повышенной износостойкости для разработки многолетнемерзлых грунтов. (Автореф. дис. к.т.н.М. ЦНИИС, 1990, с. 17). Подставим числовые значения в формулу (2).

Анализ данных таблицы показывает, что, чем ближе величина соотношения ТЕI/mFl к 1, тем большее число поломок приходится на одну машину в год. Число поломок стоек рыхлителя взяты по данным эксплуатирующих организаций г. Норильска.

Результаты данных таблицы показывают, что по предлагаемому способу можно предопределить появление резонансных явлений в конструкции и предотвратить их, изменяя соотношение величин периода Т воздействия усилия на элемент конструкции или точки ее приложения усилия.