PKM - ściąga - wiele zagadnień.doc

1. Obciążenia i stany kryterialne konstrukcji. Rodzaje obciążeń: Podział ze względu na sposób działania sił na rozpatrywany przedmiot: ● rozciąganie; ● ściskanie; ● ścinanie; ● zginanie, ● skręcanie. Obciążenia te mogą występować razem bądź osobno. Podział ze względu na charakter obciążenia (zmienność sił i momentów w czasie): ● statyczne (stałe); ● zmienne. Kryteria: Kryterium wytrzymałości przy obciążeniach statycznych: Nie dopuszcza się do odkształceń trwałych, małe odkształcenia mogą być dozwolone:  σobl=σn≤σdop=k·(R·ε/x), gdzie: σobl – naprężenia obliczeniowe, σn – nominalne, k – dopuszczalne, R – graniczne, ε – współczynnik wielkości przedmiotu, x – współczynnik bezpieczeństwa. Weryfikacji podlega przekrój o najmniejszych wymiarach. Kryterium wytrzymałości przy obciążeniach zmiennych: Obliczenia przybliżone. W elementach ognisko jest zwykle w największym  spiętrzeniu naprężeń , tam gdzie występuje efekt karbu.

10. Działanie karbu – spiętrzenie naprężeń, obliczanie spiętrzonego naprężenia. W miejscach zmiany kształtu lub wymiarów obciążonych elementów następuje zmiana rozkładu naprężeń – naprężenia ulegają spiętrzeniu i mogą być znacznie większe od nominalnego obliczonego. Mówimy wtedy o działaniu karbu. Przez pojęcie karbu należy rozumieć każdą nieciągłość elementu powodującą zmianę kształtu wewnątrz przekroju. Działanie karbu można przedstawić jako miejscowe zagęszczenie linii sił, a więc trajektorii punktów przekazujących obciążenie elementarnym cząstkom materiału, w pręcie rozciąganym, zginanym i skręcanym. Stąd następują spiętrzenia naprężeń, osiągają one największą wartość (Tmax)­ na dnie karbu w pręcie z materiału doskonale sprężystego. Przy braku działania karbu naprężenia nominalne w przekroju wynoszą σn=P/Ak­ lub σn=Mg/Wx. Stosunek wartości naprężeń σmax­ i σn­ jest miarą spiętrzenia naprężeń wyrażoną przez współczynnik kształtu lub teoretyczny współczynnik spiętrzenia naprężeń αk=σmax/σn. Max. naprężenia w miejscu karbu σmax­­­=β·σn­, β – współczynnik spiętrzenia naprężeń. Opis ostrości karbu: b/B, ρ/B, gdzie: b – odległość dwóch karbów, B – wymiar nominalny płytki, ρ – promień krzywizny karbu: ● β=βk+βp-1 ● jeżeli βp zostało osiągnięte przez obróbkę cieplną wtedy: β=βk·βp ● gdy karbów jest wiele: βk=Σ(i=1,n)βki+1-n; ● β=z/zkp=[1+ηk(αk-1)]βk­

12. Współczynniki: kształtu αk, działania karbu βk, stanu powierzchni βp, wrażliwości materiału ηk­­­, spiętrzenia naprężeń β. ● Współczynnik kształtu αk=σmax/σn, gdzie: σmax – wyznaczone doświadczalnie naprężenia max. związane ze zmianą kształtu, σn – naprężenia normalne ze wzorów; ● Współczynnik działania karbu βk=z/zk wskazuje ile razy wytrzymałość zmęczeniowa „z” próbki gładkiej bez karbu  jest większa od wytrzymałości zmęczeniowej zk próbki z karbem; zależy od materiału próbki; ● Współczynnik wrażliwości materiału ηk=(βk-1)/(αk-1); ● Współczynnik stanu powierzchni βp=z/zp zależy od materiału, rodzaju obciążenia, chropowatości powierzchni, gdzie: z – wytrzymałość zmęczeniowa próbki gładkiej, zk – wytrzymałość zmęczeniowa próbki o danym stanie powierzchni; ● Współczynnik spiętrzenia naprężeń β=z/zkp=[1+ηk(αk-1)]βk wskazuje na ilościową zmianę wytrzymałości zmęczeniowej spowodowaną spiętrzeniem naprężeń.

13. Karby wielokrotne, sumowanie działania karbów. Karby występujące obok siebie nazywamy karbami wielokrotnymi. Wypadkowe działanie karbów może być łagodzące spiętrzenie naprężeń lub silniejsze w porównaniu z działaniem karbów pojedynczych. Mówimy odpowiednio o karbach odciążających i przeciążających. Karby wielokrotne dzieli się zwykle na szeregowe i równoległe, zależne głównie od ich położenia względem osi obciążenia (wzdłuż osi – szeregowe, w poprzek – równoległe). Karby szeregowe i równoległe tworzą pola karbów, jak np.: ściany sitowe, czy wielokrotne i różnie usytuowane otwory. Wpływ takich karbów musi być uwzględniony w obliczeniach przez odpowiednią wartość wypadkowego współczynnika kształtu. Określają ją wartości poszczególnych współczynników kształtu αk.­­ Dla współdziałających n karbów mamy wzór: αk≈Σ(i=1,n)α’k­-n+1. Obliczenia współczynników αt przeprowadza się tak jakby działały wyłącznie karby pojedyncze w elementach (przy pominięciu obszarów związanych z innymi karbami). Również współczynnik działania karbu βk, przy uwzględnieniu n karbów, można wyrazić następująco βk≈Σ(i=1,n)βk­-n+1. Uwzględnienie to powinno być przeprowadzone z dużym „wyczuciem” ażeby niepotrzebnie nie podwyższać wartości βk w przypadku np. karbów od siebie oddalonych, nie mówiąc już o możliwości działania karbu odciążającego.

14. Karby odciążające. Karby odciążające są zazwyczaj karbami szeregowymi, a więc łagodzącymi działanie karbów pojedynczych. Przykładem odciążających karbów szeregowych jest gwint na śrubie. Osłaniające działanie karbów wielokrotnych wykorzystuje się np. do osłabienia działania pojedynczego ostrego karbu A, przez wykonanie w jego sąsiedztwie dodatkowych karbów tępych B i C (najlepiej przez wygniatanie). Przy okazji warto wiedzieć, że wywiercenie otworu o odpowiedniej średnicy w pręcie zginanym siłą skupioną (otwór na linii działania obciążenia) powoduje odciążające działanie przekroju niebezpiecznego. RYSUNEK

15. Wpływ stanu powierzchni elementu na wytrzymałość zmęczeniową. Każdy rodzaj i sposób obróbki powierzchni wpływa na wytrzymałość zmęczeniową. Wpływ ten kojarzy się np. w przypadku obróbki skrawaniem z chropowatością (względną gładkością) powierzchni. Ślady po obróbce tworzą karby powierzchniowe, które można porównywać do wielokrotnych mikrokarbów. Na wielkość i rozkład naprężeń, a także na własności warstwy wierzchniej wpływa układ naprężeń własnych, wywołanych skutkami procesu obróbczego.

16. Wpływ naprężeń własnych (zgniot, obróbka cieplna) na wytrzymałość zmęczeniową. Zgniot (umacnianie) warstw powierzchniowych, uzyskuje się za pomocą różnych zabiegów mechanicznych, jak: kulkowanie, wałeczkowanie, krążkowanie, młotkowanie. Zabiegi te istotnie polepszają wytrzymałość zmęczeniową, zwłaszcza elementów z różnymi karbami. Fakt ten łączy się głównie z korzystnym układem własnych naprężeń ściskających w umocnionej warstwie. Obróbka cieplna, hartowanie płytkie płomieniowe lub indukcyjne powiększają wytrzymałość zmęczeniową. Jeszcze wydatniej zaznacza się wpływ nawęglania, hartowania i azotowania. Zabiegi te zmniejszają wrażliwość materiału na działanie karbu prawie do zera i znacznie poprawiają wytrzymałość zmęczeniową W przypadku nawęglania i hartowania istnieje optymalna grubość warstwy utwardzonej, przy której uzyskuje się największy wzrost wytrzymałość zmęczeniowej.

17. Wykres Wöhlera – wytrzymałość zmęczeniowa okresowa i granica zmęczenia. Wytrzymałość zmęczeniowa okresowa Zn – jest to graniczne naprężenie, przy którym przekrój ulega zniszczeniu po określonej liczbie cykli obciążenia; Zg – granica zmęczenia, czyli największa amplituda naprężenia przy której próbki nie ulegną uszkodzeniu w ciągu liczby cykli równej Ng­.

18. Wytrzymałość zmęczeniowa próbki i elementu maszynowego. Wytrzymałość zmęczeniową wyznacza się na określonej liczbie próbek wzorcowych obciążonych różnymi wartościami σ aż do zniszczenia przy liczbie cykli Nc lub do czasu przekroczenia Ng. Otrzymane punkty nanosi się na krzywą N-σ zwaną krzywą Wöhlera. Najmniejsza liczba próbek do określenia wytrzymałości zmęczeniowej wynosi 10. W badaniach elementów maszyn minimalna liczba próbek wynosi 6. Co najmniej dwie próbki nie powinny ulec zniszczeniu w ciągu Ng cykli przy naprężeniu równym granicy zmęczenia lub o 5% wyższym.

19. Pojęcie współczynników bezpieczeństwa x i δ. Rzeczywisty współczynnik bezpieczeństwa δ – stosunek max. naprężenia granicznego dla próbki do max. naprężenia spiętrzonego w elemencie, określonego przez cykl roboczy, δ=(Zχ·ε)/σobl=Zχ/(1/e·sobl)≥x, gdzie: (1/e·sobl) – max. naprężenie spiętrzające, x=1,3÷1,5 przy ścisłym obliczaniu na podstawie danych doświadczalnych i wyników pomiarów naprężeń w układzie, x=1,5÷1,7 przy „zwykłej” dokładności obliczeń, bez możliwości doświadczalnej kontroli obciążeń i naprężeń, x=1,7÷2,0 dla elementów o większych wymiarach, dla których nie dysponujemy możliwościami badań wytrzymałościowych w postaci naturalnej, przy średnim poziomie technicznym, x=2÷2,5 przy orientacyjnym określaniu obciążeń i naprężeń. Dla χ=0 → δ=Z0ε/δσna /??/ x=δ/ε /??/

20. Wyznaczenie naprężeń dopuszczalnych przy obciążeniach stałych. Mając odpowiednie dane dot. granic wytrzymałości, np.: Re, Rm­, możemy wyznaczyć wartości naprężeń dopuszczalnych przy danych rodzajach naprężeń. Naprężenia te oznaczamy symbolem k. Przy obciążeniach stałych wartość naprężeń dopuszczalnych obliczamy z reguły wg granicy plastyczności Re­, dzieląc jej wartość przez współczynnik bezpieczeństwa xRe odniesiony do Re­­: k=Re/xRe; W przypadku gdy wartość Re jest trudna do ustalenia, wyznaczamy wartość naprężeń dopuszczalnych według wytrzymałości doraźnej, dzieląc przez współczynnik bezpieczeństwa xR­ w odniesieniu do Rm: K=Rm/xR. Nieco odmiennie ustalamy wartości naprężeń dopuszczalnych przy zginaniu, skręcaniu, ścinaniu dla żeliwa szarego, odpowiednio:  kg­=αkr; ks=βkr; kt=γkr­, gdzie: γ=0,7÷0,8, a współczynniki a i b zależą od kształtu przekroju części i jakości powierzchni.

Klasyfikacja połączeń maszynowych

Połączenia dzielimy na spoczynkowe (brak względnego przemieszczenia elementu pod obciążeniem) i ruchome. Połączenia spoczynkowe znajdują zastosowanie w: ▪ łączeniu blach w celu powiększenia ich wymiarów ▪ łączeniu elementów walcowych, kutych, tłoczonych, odlewanych dla uzyskania większych ustrojów, których nie można wykonać jednorodnie ze względu na ograniczenia technologiczne, transportowe itp. ▪ łączeniu osi wałów, prętów, rur, trzonów i opraw w celu ich przedłużenia. Łączone elementy nazywamy elementami głównymi, a elementy łączące – łącznikami. Połączenia spoczynkowe: ● nierozłączne: ▪ spojeniowe (bezpośrednie: spawane, zgrzewane, lutowane, klejone, wulkanizowane) ▪ plastyczne (pośrednie: nitowe; bezpośrednie: walcowane) ▪ sprężyste (pośrednie: pierścieniowe, kotwicowe; bezpośrednie: wciskowe) ● rozłączne: ▪ sprężyste (pośrednie: śrubowe, klinowe) ▪ kształtowe (pośrednie: śrubowe, wpustowe, kołkowe, sworzniowe, klinowe; bezpośrednie: wypustowe, wieloboczne, gwintowe).

POŁĄCZENIA SPAWANE

Zalety: ● łatwość kształtowania przestrzeni konstrukcyjnej ● ekonomiczne uzasadnienie w przypadku produkcji jednostkowej ● łatwość i ekonomiczność stosowania spawania w przypadku ustrojów wielkogabarytowych ● często jedyna możliwość naprawy lub regeneracji części lub zespołów ● duża trwałość. Wady: ● stosunkowo niska wytrzymałość przy obciążeniach zmiennych ● wysokie wymagania odnośnie do kwalifikacji spawaczy, zwłaszcza przy wykonywaniu spoin dużej klasy ● występowanie odkształceń spawalniczych ● poważne zagrożenia w zakresie BHP.

Czynniki wpływające na spiętrzenie naprężeń w spoinie: ● konstrukcyjne – spiętrzenie naprężeń wywołane występowaniem karbów (nieciągłości kształtu), węzłów spawalniczych oraz wpływem sztywności elementów spawanych. Kształt złącza spawanego i rodzaj spoiny mają decydujący wpływ na rozkład naprężeń. Tylko dla spoin czołowych X i V można założyć równomierny ich rozkład. Warunki konstrukcyjne wpływające na rzeczywisty rozkład naprężeń podlegają bezpośredniej działalności konstruktora i powinny być przedmiotem optymalizacji. ● technologiczne – procesy termiczne towarzyszące kształtowaniu złącza spawanego wywołują powstawanie tzw. naprężeń spawalniczych lub naprężeń własnych. Sumują się one z naprężeniami roboczymi pod wpływem obciążenia. Przeciwdziałanie polega na odpowiedniej technologii spawania, a także obróbce cieplnej (wyżarzanie odprężające) elementów spawanych. ● struktura złącza i wady wykonania – procesy metalurgiczne topnienia i krzepnięcia spoiny wywołują szereg przemian strukturalnych w spoinie i w materiale rodzimym. Przemiany strukturalne mogą być przyczyną powstawania mikronaprężeń, w wyniku których mogą powstać szczeliny i mikropęknięcia będące mikrokarbami. Wykonaniu spoiny wszystkimi znanymi metodami towarzyszy zawsze możliwość wystąpienia wad zewnętrznych lub wewnętrznych.

Modele obliczeniowe:

Spoiny pachwinowe (kątowe). Obliczanie naprężeń nominalnych: ● do wyznaczenia przekroju i wskaźnika spoiny przyjmuje się wysokość trójkąta spoiny, ● oblicza się zawsze na ścinanie bez względu na charakter obciążeń, ● naprężenia zastępcze wyznacza się sumując geometrycznie naprężenia składowe, ● materiał spoiny traktuje się jako izotropowy podlegający prawu Hooke’a przyjmując, że naprężenia są proporcjonalne do hipotetycznych odkształceń.

Dla wyznaczenia powierzchni spoiny przyjmuje się wysokość trójkąta spoiny „a”, natomiast dla wyznaczenia wskaźników spoiny dokonuje się hipotetycznego obrotu płaszczyzny wyznaczonej przez wysokość trójkąta spoiny do płaszczyzny złącza.

, gdzie: ;;

Spoiny czołowe. Obliczanie naprężeń nominalnych: ● naprężenia normalne składa się ze stycznymi stosując hipotezę Hubera. ● materiał spoiny traktuje się jako izotropowy podlegający prawu Hooke’a przyjmując, że naprężenia są proporcjonalne do hipotetycznych odkształceń.

, gdzie: ;;;

Naprężenia dopuszczalne:

k’=z·z0·k – dla obciążeń statycznych,

k’=z·za·kz – dla obciążeń zmiennych,

gdzie:

k’ – naprężenia dopuszczalne dla spoiny,

z – współczynnik jakości spoiny (z=0.5 dla spoin normalnych, z=1 dla spoin mocnych),

z0 – współczynnik rodzaju obciążenia i kształtu spoiny dla obciążeń stałych,