Тепловые взаимодействия. Упрочнение конструкции.

Жесткость — это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Для машино­строения можно сформулировать следующее определение: жесткость — это способность системы сопротивляться действию внешних на­грузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости, представляющим собой отноше­ние силы Р, приложенной к системе, к мак­симальной деформации f, вызываемой этой силой.

Для случая растяжения-сжатия бруса по­стоянного сечения в пределах упругой дефор­мации коэффициент жесткости согласно зако­ну Гука

где F — сечение бруса, мм²; f -длина бруса в направлении действия силы, мм. Обратную величину

характеризующую упругую податливость бру­са, называют коэффициентом податливости.

Определенный по относительной де­формации (е = f/l) коэффициент жесткости

представляет собой условную нагрузку (Н), вызывающую относительную деформацию е = 1. Соответствующий коэффициент подат­ливости

представляет собой относительную деформа­цию при приложении нагрузки 1 Н.

Для случая кручения бруса постоянного се­чения коэффициент жесткости равен отношению приложенного к брусу крутящего момента М_кр, к вызываемому этим моментом углу  [рад] поворота сечений бруса на длине [мм]:

где 1р - полярный момент инерции сечения бруса.

Для случая изгиба бруса постоянного сече­ния коэффициент жесткости

где I - момент инерции сечения бруса, мм⁴; l - длина бруса, мм;  - завися­щий от условий нагружения.

Удельные показатели жёсткости. При сравнении жесткости, прочности и массы деталей, изготовленных из различных материалов, следует различать четыре основ­ных случая:

Детали одинаковы по конфигурации (при равной нагрузке имеют одинаковые напряже­ния).

Детали равножёстки (имеют одинаковые деформации при различных сечениях и напря­жениях).

Детали равнопрочны (имеют одинаковый запас прочности, различные сечения и напря­жения, пропорциональные пределу прочности материала).

Детали имеют одинаковую массу.

Первый случай (замена материала детали другим без изменения ее геометрических раз­меров) практически встречается, когда сечения детали заданы технологическим процессом (например, литые корпусные детали). Это так­же случай нерасчетных деталей с неопреде­ленными напряжениями. Второй и третий слу­чай имеют место при замене материала детали другим с одновременным изменением ее сечений (расчетные детали, в которых на­пряжения и деформации определяются доста­точно точно и назначаются с расчетом макси­мального использования прочности и жестко­сти материала). Четвертый случай - это слу­чай, когда масса конструкции задана ее функциональным назначением и условиями эксплуатации.

При сравнении прочностных, массовых и жесткостных показателей деталей, изготовлен­ных из различных материалов, будем предпо­лагать, что длина деталей одинакова, а сече­ния в последних трех случаях изменяются геометрически подобно.

1.Детали одинаковой конфигурации ( = const). В случае растяжения-сжатия отно­сительный коэффициент жесткости ` = EF, где F — сечение детали;
Е — модуль нормальной упругости. По условию F = const. Следовательно,  = const Е, т. е. жесткость деталей в данном слу­чае зависит только от модуля упругости. Запас прочности n = _/, где _ — предел прочности на растяжение;  - действующее в детали напряжение. По условию  = const. Следовательно, n = const _.

Масса детали m = Fl = const , где  — плот­ность материала.

Совершенно аналогичны соотношения в слу­чае изгиба и кручения, с той лишь разницей, что при кручении жесткость детали опреде­ляется модулем сдвига.

2.Равножесткие детали ( = const). Условие равножесткости в случае растяжения-сжатия

Следовательно,

(1)

Масса равножёстких деталей

Напряжения

С учётом формулы (1)  = const Е. Запас прочности

При изгибе масса равножёстких деталей

Запас прочности

3. Равнопрочные детали (n = const). Условие равнопрочности при растяжении-сжатии

Ввиду того, что n = const _ F= const. Следовательно для равнопрочных деталей

(2)

и масса

Коэффициент жёсткости с учётом формулы (2)

При изгибе

4. Детали равной массы (m = const). Условие равной массы при растяжении-сжатии m = Fl = const. Следовательно

Напряжения

Запас прочности

Коэффициент жёсткости

При изгибе

Для сравнительных целей пользуются наи­более простыми формулами для растяжения-сжатия.

Показатели массы, жесткости и прочности при растяжении-сжатии для всех разобранных выше случаев приведены в таблице. Значения удельной прочности n/m=_/ и удельной жесткости  /т = Е/одинаковы для всех кате­горий деталей.

Главные конструктивные способы повыше­ния жесткости без существенного увеличения массы:

всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием;

для деталей, работающих на изгиб,— целе­сообразная расстановка опор, исключение не­выгодных по жесткости видов нагружения;

рациональное, не сопровождающееся возра­станием массы, увеличение моментов инерции сечений;

рациональное усиление ребрами, работаю­щими предпочтительно на сжатие;

усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому;

Усталостными явлениями вызвано около 80% поломок и аварий, происходящих при эксплуатации машин. Поэтому проблема сопротивления усталости является ключевой для повышения надежности машин.

Число циклов нагрузок, которые материал выдерживает до разрушения, зависит от мак­симального напряжения и интервала между крайними значениями напряжений цикла. По мере уменьшения напряжений число циклов до разрушения увеличивается и при некотором достаточно малом напряжении становится не­ограниченно большим. Это напряжение, на­зываемое пределом выносливости, кладут в основу прочностного расчета деталей, под­верженных циклическим нагрузкам.

Предел ограниченной выносливости, как напряжение, не вызывающее разрушения об­разца при определенном числе циклов (обычно 5-Ю7 циклов).

При контактном нагружении сила действует на малом участке поверхности, вследствие чего в поверхностном слое металла возникают высокие местные (локальные) на­пряжения. Этот вид нагружения встречается при соприкосновении сферических и цилиндри­ческих тел с плоскими, сферическими или ци­линдрическими поверхностями.

В машиностроительных конструкциях на­грузка, как правило, бывает циклической вследствие периодического изменения дей­ствующей силы, а также вследствие относи­тельного движения соприкасающихся тел.

Сферические соединения. Максимальное напряжение _max в поверх­ностном слое при сжатии двух сфер, выпол­ненных из одинакового материала, по Герцу

где Р — действующая на соединение нагрузка, Н; Е — модуль нормальной упругости мате­риала сфер, МПа; d — диаметр меньшей сферы, мм; ₀ - безразмерная величина,

где а = D/d — отношение диаметров большей и меньшей сфер; знак плюс относится к слу­чаю внешнего контакта (обе поверхности вы­пуклы), минус - к внутреннему контакту (одна из поверхностей вогнутая).

Цилиндрические соединения. Максимальное напряжение при сжатии двух цилиндров, выполненных из одинакового материала, по Герцу

где d – диаметр меньшего цилиндра, мм; l – длина цилиндров, мм; `₀ – безразмерная величина.

Тепловые напряжения возникают если материал при колебаниях температуры лишен возможности свободно расширяться или сжиматься.

Различают торможение тепловых деформа­ции детали сопряженными деталями (тор­можение смежности) и торможение деформаций волокон детали смежными во­локнами (торможение формы).

Торможение смежности. Примером торможе­ния смежности является соединение деталей, имеющих при работе различную температуру или выполненных из материалов с неодина­ковыми коэффициентами линейного расшире­ния.

Торможение формы. Тепловые напряжения, вызванные торможением формы, возникают при неравномерном нагреве детали, когда от­дельные волокна материала лишены возмож­ности по конфигурации детали расширяться в соответствии с законом тепловой деформа­ции. В отличие от торможения смежности здесь напряжения возникают только при перепаде температур в теле детали (при стационарном тепловом потоке, когда тепло переходит от горячих участков к более холодным, или при неустановившемся тепло­вом потоке, например при тепловом ударе, когда волна тепла распространяется по телу детали).

Тепловые деформации. В узлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготов­ленных из материалов с разными коэффициен­тами линейного расширения, тепловые деформации могут существенно влиять на взаимное расположение деталей.

Упрочнение конструкций.

При упругом упрочнении конструкции зара­нее придают деформации, противоположные деформациям при рабочем нагружении.

Пластическое упрочнение. При этом способе участки материала, наи­более нагруженные в рабочем состоянии, пред­варительно подвергают пластической дефор­мации, создавая в них остаточные напряжения, противоположные по знаку рабочим. Способы:

Упрочнение перегрузкой. Упрочнение пере­грузкой заключается в воздействии на деталь повышенной силы того же направления, что и рабочая, вызывающей пластические дефор­мации наиболее напряженных участков.

Объемное уплотнение. Объемное уплотнение заключается в глубоком обжатии участков детали, испытывающих при рабочей нагрузке напряжения растяжения. Детали подвергают обжатию на стадии заготовки в холодном или полупластичном состоянии.

Термопластичное упрочнение. Термопластич­ное упрочнение основано на том, что при неравномерном нагреве в горячих участках детали возникают напряжения сжатия, а в хо­лодных — напряжения растяжения. Их значе­ние зависит от температурного перепада, коэффициента линейного расширения и моду­ля упругости материала. При достаточно больших температурных перепадах появляют­ся местные пластические деформации, которые можно использовать для упрочнения.

Упрочнение ферменных систем. Аналогичны­ми приемами можно упрочнять ферменные, рамные системы и близкие к ним конструкции.

3 . Проектирование автоматизированной складской системы.

Складская система предназначена для обеспечения своевременного снабжения технологического оборудования полуфабрикатами в подготовленном для транспортировании виде и хранения готовых изделий.

Классификация складских систем:

-по организационной структуре: децентрализованная, централизованная, комбинированная.

-по функциональному назначению: цеховой склад, склад на производственном участке, накопитель у технологического оборудования.

-по виду хранящегося груза: склад материала и заготовок, межоперационный склад, склад комплектующих изделий, склад технологической оснастки, склад готовой продукции.

-по способу складирования: штабельные и стеллажные.

-по высоте хранения: низкие (до 5м), средние (5-8м), высотные (свыше 8м).

Принцип построения складской системы выбирают исходя из экономических соображений, а проектирование ее выполняют с учетом расположения накопителей на производственных участках, годового грузопотока в цех, нормативного запаса грузов, общего числа наименований грузов одновременно хранящихся на складе. К основным направлениям при проектировании складской системы следует отнести использование автоматизированных кранов-штабелеров, высотных стеллажей, унифицированной тары, специальных погрузчиков.

Технологический процесс складирования состоит из следующих этапов: приемки грузов, размещения и хранения их, отпуска груза со склада.

В общем случае складская система с учетом технологического процесса выполнения складских работ имеет следующую структуру:

-автоматизированный склад в цехе и на участках для хранения полуфабрикатов, готовых изделий и тех. оснастки.

-приемоздаточные секции.

-отделение сборки и разборки технологической оснастки.

-отделение установки и съема полуфабрикаиов.

-отделение мойки и консервации технологической оснастки.

-накопители у технологического оборудования.

При выборе типа склада можно пользоваться классификацией, за основные признаки приняты наличие стеллажных конструкций, типы и конструкция стеллажей и штабелирующих устройств.

автоматические склады

стеллажные конвейерные

с блочными стеллажами с клеточными стеллажами элеваторные подвесные

со стеллажными со стеллажными проходные

кранами-штабелерами нами-штабелерами

с мостовыми с мостовыми

кранами-штабелерами нами-штабелерами

с напольными роботами с напольными роботами

Большое распространение в автоматизированном производстве получили склады с автоматическими стеллажными кранами-штабелерами, поскольку они занимают небольшие площади и имеют высокую производительность. К недостаткам относят: малую гибкость к изменению планировки и небольшая грузоподъемность одной секции.

Подвесные автоматизированные склады применяют в производстве, когда в качестве внутрицехового транспорта используют подвесной толкающий ковер с автоматическим адрессованием грузов.

Склады с элеваторными стеллажами применяют при малых грузопотоках, небольших сроках и запасах хранения грузов и малых размерах самих изделий.

Склады с мостовыми кранами-штабелерами используют при больших запасах хранения, крупных грузах и незначительных грузопотоках.

Основные расчетные параметры при проектировании автоматизированного склада следующие: геометрические размеры ячеек, число ярусов по высоте, высота подъема грузозахвата штабелера, занимаемая площадь.

Для приема грузов на склад, а также выдачи их со склада на транспортную систему рядом с автоматизированным складом обычно располагают приёмно-сдаточную секцию. Она является составной частью складской системы. Секция должна обеспечивать удобство подъездаили стыковки с транспортными средствами, доставляющими грузы на склад и отправляющимигрузы на производственные участки.

При проектировании автоматизированного склада возможны две схемы планировочных решений: тупиковая и сквозная

1. При тупиковой схеме приемно сдаточная секция склада находится с одной стороны по отношению к зоне хранения и выходные и входные грузопотоки совмещены

2. При сквозной- приемная секция расположена с одной стороны, сдаточная – с другой.