Критерии работоспособности валов.

Как правило, в процессе работы валы испытывают динамические нагрузки. Основной причиной их разрушения примерно в 40-50% случаев является недостаточная усталостная прочность.

При работе с большими перегрузками может проявляться малоцикловая усталость. Для тихоходных валов ограничивающим критерием может быть так же статическая прочность.

Для валов, изготовленных из хрупких и малопластичных материалов, критерием разрушения может быть недостаточная сопротивляемость хрупкому разрушению. Отрицательным критерием в этом случае может быть так же работа при низких температурах.

У валов, работающих с подшипниками скольжения, критерием нагружения может быть износ цапф.

Валы с диаметром до 150 мм, изготавливаются из стандартного проката большего диаметра из специальных головок.

Расчет валов и осей.

Как и любой другой расчет валов и осей подразделяется на проектировочный и проверочный.

При выполнении проектировочного расчета определяется диаметр вала.

Этот диаметр можно определить из расчета на чистое кручение.

Проверочный расчет.

Суть проверочного расчета заключается в том, что у вала определяется опасное сечение, т.е. то сечение, где наиболее вероятно произойдет разрушение. Определяется максимальное напряжение. действующее в этом сечении.

Определяются запасы прочности, которые не должны превышать некоторых допустимых значений.

Методика выполнения:

Составляется расчетная схема вала, где вал рассматривается как балка шарнирно положенная на опоры. Строим схему загрузки вала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Строим эпюры изгибающих моментов и суммарных моментов.

По результатам данных построений определяется опасное сечение вала.

Потенциально опасным считается то сечение, у которого:

1. действуют наибольшие суммарные изгибающие и крутящие моменты;

2. те сечения, в которых имеются концентраторы напряжений (выточки, шпоночные пазы, резкие переходы диаметров и т.д.)

В том случае, если эпюры напряжений получаются сложные и потенциально опасных сечений несколько, то подвергается проверке то сечение, у которого наибольший изгибающий и крутящий моменты и другие сечения, у которых разница с наибольшими значениями в пределах 15%.

После выявления опасного сечения проводиться его расчет:

1. если вал очень тихоходный, то расчет ведется по статистической прочности

2. быстроходных валов опасные сечения проверяются с учетом усталостной прочности. В этом случае в нем определяется коэффициент запаса прочности по нормальному напряжению.

Определяется запас прочности по касательным напряжениям.

σ_-1, τ_-1 – предел выносливости по нормальным и касательным напряжениям, зависит от материала и термообработки.

К_σ, К_τ – эффективные коэффициенты концентрации напряжений

δ – коэффициент упрочнения

ε_τ, ε_σ – масштабный фактор

σ_а, τ_а – амплитуда цикла

ψ_σ , ψ_τ – коэффициент чувствительности материала и асимметрии нагружений

τ_m, σ_m – среднее напряжение цикла

В том случае, если в сечении одновременно действуют и нормальное, и касательное напряжения, то определяется результативный коэффициент запаса прочности.

[n_min ] - допускаемый коэффициент запаса прочности берется из таблицы, зависит от степени ответственности конструкции, в которой расположен вал, а так же от точности расчетных схем этого вала.

Очень большие коэффициенты запаса прочности приводят к неоправданному увеличению металлоемкости, увеличение веса и стоимости.

Недостаточный коэффициент запаса может привести к быстрому разрушению вала.