Элементов на прочность и жесткость

Корпус объединяет все элементы и узлы приспособления: на нем размещаются и закрепляются установочные и зажимные устройства, вспомогательные элементы и механизмы.

Корпус воспринимает усилия, действующие на узел или изделие при сборке и сварке, поэтому он должен обладать достаточной прочностью, жесткостью (при минимально возможном весе) и виброустойчивостью.

Кроме того, корпус приспособления должен иметь удобную конструкцию, позволяющую быстро установить, закрепить и снять детали и готовый узел (изделие); быть простым в изготовлении, обеспечивать безопасность в работе.

Центр тяжести передвижных или кантуемых приспособлений не должен выходить за пределы опорных элементов корпуса (в противном случае приспособление будет неустойчивым).

Конструктивные формы корпусов зависят от конфигурации и размеров узлов, изделий. В простейшем случае корпус представляет прямоугольную плиту, планшайбу, коробку, ящик.

Форма и размеры корпуса зависят также от места его установки: на столе сварщика, на фундаменте, на шпинделе, передней или задней бабке, планшайбе поворотного механизма, на столе станка-автомата и т.д.

Корпусы отливаются по индивидуальным моделям, свариваются из элементов, вырезанных из листового или профильного металла, собираются из отдельных частей, получаемых отливкой или вырезкой из листового металла и из стандартных литых заготовок с последующей их обработкой.

Корпусы и части сборных корпусов обычно отливаются из чугуна марок СЧ12-28 и СЧ15-32. Сварные корпуса изготовляют из стали марок Ст.3, Ст.5, Ст.6.

Упорные и несущие конструкции корпусов приспособлений рассчитываются на прочность и жесткость либо по заданным зажимным усилиям, либо по возможным деформациям, возникающим в процессе сварки.

Рассмотрим в качестве примера расчет верхней и нижней опорных балок применительно к сборочно-сварочному устройству клавишного типа, приведенному на рис. 5.22. Приспособление предназначено для сборки и сварки стыковых соединений листов длиной до 6,5 м. Расчетная длина опорных балок равна 7 м. Материал опорных балок – BCт.3сп.

Верхняя балка является опорой зажимного клавишного устройства и одновременно несущей конструкцией для рельсового пути сварочного автомата. Поэтому ее необходимо рассчитывать как на прочность, так и на жесткость, чтобы упругая деформация балки не превышала величины, обусловленной требуемой точностью положения электрода относительно линии шва.

Расчет верхней опорной балки на прочность. Составляем расчетные схемы (рис. 6.1).

Балка работает на изгиб и кручение. Изгиб происходит под действием равномерно распределенной нагрузки q = р – g = 20 – 3 = I7 кН/м, где p = 20 кН/м – заданное погонное усилие на клавишах; g = 3 кН/м – собственный вес балки и закрепленных на ней устройств, приходящийся на единицу длины балки.

Наибольший изгибающий момент (см. рис. 6.1, б) будет посредине балки:

где L – длина балки между опjрами (L = 7 м). Максимальное напряжение изгиба

где W – момент сопротивления балки, равный моменту инерции сечения балки относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести сечения, J = 58520 см⁴, отнесений к высоте:

Тогда

т.е. оно значительно ниже допускаемого значения σ _и = 250 МПа для материала балки ВСт.Зсп и условий работы.

Следовательно, балка обладает гарантированной прочностью на изгиб.

Наибольший крутящий момент (от внецентренной нагрузки на клавиши) действует не посредине балки (как при изгибе), а по ее концам и не совмещается с действием наибольшего изгибающего момента. В среднем сечении балок крутящий момент равен нулю. Поэтому влияние скручивания балки на ее прочность невелико и им можно пренебречь, но его необходимо учесть при расчете балки на жесткость

Расчет балки на жесткость. Прогиб балки под действием равномерно распределенной нагрузки q будет наибольшим посредине ее пролета (см. рис. 6.1, б):

при этом Е = 2,1·10⁵  МПа.

Кроме того, балка приобретает деформации скручивания, причем наибольший угол закручивания будет посредине балки и, следовательно, его деформативное действие будет совмещаться с действием изгиба балки.

Балка нагружена крутящим моментом, равномерно приложенным по всей ее длине (см. рис. 6. 1, в): m _кр = р· l ₀ = 20 · 0,32 = 6,40 кН/м.

Для консольной балки трапецеидального сечения (как для трубчатого сечения), нагруженной на свободном конце крутящим моментом М_кр, напряжение и деформация определяются по формулам теории упругости:

                                                (6.1)

где F – площадь, ограниченная срединной (штриховой) линией на рис. 6.1, а;
δ – толщина стенки.

Из условия симметрии рассматриваемой балки и симметрии нагрузки на кручение следует, что двухопорная балка длиной L может быть заменена эквивалентной консольной балкой длиной 0,5 L, заделанной в опоре и нагруженной равномерно распределенным крутящим моментом т_кр = pl ₀ (l ₀ – поперечное плечо силы р относительно центра тяжести сечения балки).

Касательное напряжение кручения будет наибольшим в месте заделки (на опоре), где действует наибольший крутящий момент

                                          (6.2)

Подставляя это значение М_кр в формулу (6.1), получим выражение для наибольшего напряжения кручения:

                                      (6 3)

для рассматриваемой балки

Напряжение кручения τ мало и им можно пренебречь, к тому же оно не совпадает по сечению с наибольшим нормальным напряжением изгиба σ _и.

Наибольший угол закручивания балки в ее средине

                                          (6.4)

где S – длина срединной (штриховой) линии на рис. 6.1, а; G = 8,0 • 10¹⁰ Па – модуль сдвига. I

Отсюда

Наибольшая деформация кручения α совпадает (по сечению) с наибольшим прогибом балки посредине пролета, поэтому необходимо суммировать ее деформативное воздействие с действием изгиба.

Отклонение конца электрода А (см. рис. 6.1, а) максимально в тот момент, когда сварочный автомат находится посредине балки. В результате изгиба балки конец получит вертикальное перемещение вверх, равное прогибу f. В то же время под действием момента кручения конец электрода отклонится вверх по дуге окружности j _в, описанной радиусом R из центра кручения (приближенно из центра тяжести сечения балки): j = Rα = 454·0,0056 = 2,5 мм.

По размерам, приведенным на рис. 6.1, a, можно определить вертикальную (j _в) и горизонтальную (j _г) составляющие этого перемещения: j _в =365·0,0056=2 мм; j _г = 270·0,0056 = 1,5 мм.

Суммарное вертикальное перемещение конца электрода вверх соответствует увеличению вылета электрода h _в = f + j _в = 4,3 +2 =6,3 мм. Горизонтальное смещение электрода от оси свариваемого стыка h _г = j _г = 1,5 мм.

Эти отклонения необходимо сопоставить с пределами, допускаемыми по технологии сварки при использовании конкретного сварочного оборудования.

Для уменьшения или устранения отклонений рекомендуется направляющие рельсы для сварочного автомата устанавливать и закреплять на балке при включенном зажимном устройстве, т.е. при рабочем – изогнутом состоянии балки. Прямолинейность и строгая параллельность обеспечиваются соответствующими прокладками.

Расчет нижней опорной балки на прочность и жесткость. Если нижняя продольная балка 9 (см. рис. 5.22) укрепляется на жесткая основании, ее деформация и напряжения могут быть сведены к нулю путём соответствующего усиления фундамента.

Если же нижняя балка устанавливается на отдельных опорах (например, в передвижном зажимном устройстве), то ее расчет на прочность и жесткость приобретает первостепенное значение. Нижняя опорная балка может быть рассмотрена как балка, опертая по концам и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой q = 2 p + g _н, значительно превосходящей нагрузку верхней балки. Определяем расчетный изгибающий момент в нижней балке и прогиб:

                             (6.5)

                         (6.6)

здесь, р – погонное усилие одного ряда клавишей, кН/м; g_н – собственной вес нижней балки, кН/м.

В рассматриваемом примере нижняя балка имеет коробчатое сечение. Высота балки 700 мм, ширина 300 мм, толщина стенок 16 мм, толщина поясов 24 мм. Момент инерции сечения J = 239000 cм⁴, момент сопротивления W = 6800 см³

По формуле (6.5) определяем изгибающий момент и соответствующее напряжение изгиба:

По формуле (6.6) находим прогиб балки посредине:

Суммарное изменение вылета электрода в результате упругого деформирования верхней и нижней балок h _эл = 4,3 + 2,7 + 2,0 = 9,0 мм. Оно должно быть меньше допускаемого по технологии сварки.

Предположим, что приспособление применяется с оборудованием для автоматической сварки под флюсом. Тогда допускаемое отклонение вылета электрода (номинал ± 5 мм) равно 10 мм. Таким образом в данном случае увеличение вылета электрода вследствие упругого деформирования балок не превышает допускаемого.