ВВЕДЕНИЕ

Увеличение скорости вращения и механической напряженности валов и осей приводит к необходимости применять для их изготовления новые металлы, более прогрессивную технологию обработки, требует постоянного совершенствования конструкций *, точного определения их прочности за счет улучшения методов расчета, использования экспериментальных методов измерения нагруженности и натурных испытаний.

Прогресс в конструировании и расчете валов тесно связан с опытом их эксплуатации, который позволяет во многих случаях оценивать предельно допустимую напряженность материала валов, совершенствовать их расчеты и подсказывает наиболее целесообразные конструктивные решения. Для ряда таких машин, как судовые, автотракторные и авиационные двигатели, практика конструирования и эксплуатационный опыт позволили установить ряд характерных соотношений между основными параметрами двигателей и необходимыми размерами вала. На этом основывались формулы для определения размеров валов, рекомендуемые морскими регистрами и другими классификационными источниками.

Для машин этого типа представилось также возможным с достаточной достоверностью применять упрощенные способы расчета с использованием данных о допускаемых напряжениях. Так излагается этот вопрос, например, в ряде руководств по конструированию и расчету автотракторных двигателей. Накопленный значительный практический материал по доводке и эксплуатации таких двигателей позволил установить диапазон допускаемых напряжений в шейках и щеках коленчатых валов в зависимости от применяемого материала и особенностей конструкции (полноопорные и неполноопорные валы, валы 4- и 6-цилиндровых двигателей). Подобным образом для конструирования и расчета осей подвижного состава железных дорог были выработаны упрощенные способы расчета и соответствующие им допускаемые напряжения.

Дальнейшие исследования нагруженности деталей машин, и в том числе валов, в связи с колебательными явлениями, ролью упругих и пластических перемещений, значением действительных напряжений, а также в связи с закономерностями сопротивления материалов усталости и хрупкому разрушению, позволили построить расчеты валов, более отвечающие действительным условиям работы.

Ввиду этого условные способы расчета валов теперь все в большей степени заменяются более эффективными методами определения запасов прочности, отражающими в количественной форме особенности конструкции и применяемых материалов валов, изменение нагрузок во времени и колебательные явления. Кроме того, большое значение приобретает расчет на жесткость, поскольку жесткость может определять работоспособность самого вала и связанных с ним деталей (подшипников, зубчатых колес, исполнительных механизмов и т. д.).

Методы, отражающие более современные представления о несущей способности деталей машин, описаны в литературе, посвященной как общим вопросам расчета деталей машин [57], так и расчету валов для машин различных типов [27, 15]. В связи с использованием этих методов расчета представление о запасе прочности получает более обоснованную трактовку, отражая не столько условность и неточность определения действующих в валах напряжений, сколько возможные случайные отклонения в величинах действующих нагрузок и механических свойств материала от принятых в расчет величин.

В турбомашинах надежность работы быстровращающихся роторов оказалась тесно связанной с обеспечением динамической устойчивости в связи с существованием критических состояний.

В технической литературе освещены случаи характерных разрушений коленчатых валов поршневых двигателей от крутильных колебаний [27].

Валы длинных и разветвленных трансмиссий силовых установок под воздействием крутильных колебаний оказываются также подверженными усталостным разрушениям.

Критические состояния валов роторов турбомашин часто являются причиной опасных колебаний всего агрегата, особенно при недостаточной сбалансированности, и приводят к усталостным поломкам валов и других узлов [8].

Анализ резонансных состояний и вынужденных колебаний линейных систем [56] позволил вычислительными средствами и путем электромоделирования определять опасные режимы вращения валов, а также напряжения, возникающие при колебаниях.

Получило широкое распространение торсиографирование валов поршневых машин механическими и электрическими способами [81], а также измерение динамических жесткостей роторных машин для определения критических скоростей в зависимости от особенностей конструкции [22].

Опытное определение жесткости валов при кручении и изгибе (а для коленчатых валов — и при продольной нагрузке) широко используется для установления параметров упругих систем, включающих вал, при расчете частот собственных колебаний этих систем и вибрационных напряжений в валах и сопряженных с ними деталях.

Систематизация соответствующих данных позволила обосновать характеристики сил рассеяния и другие параметры, необходимые при предварительном расчете валов на прочность при упругих колебаниях. Вопросы конструирования и расчета на прочность валов, а также связанных с ними узлов с учетом воздействия колебаний являются большой самостоятельной областью, которая не могла быть изложена в этой книге. Они обстоятельно освещены в соответствующей литературе [77, 4, 72].

Наряду со стационарными или медленно изменяющимися колебаниями валы (горных машин, валы автотракторных трансмиссий с фрикционными сцеплениями, валопроводы прокатных станов и др.) могут подвергаться импульсивным воздействиям.

Воздействие силовых импульсов порождает в вале и связанной с ним системе колебательные явления нестационарного характера, уровень которых зависит от параметров импульса (процесса нарастания сил во времени) и параметров системы.

Соотношение периода собственных колебаний машинных систем с валами и периода нарастания силовых импульсов позволяет рассматривать эти системы, не принимая во внимание высокочастотные колебания, возникающие в связи с влиянием собственных распределенных масс валов. Тем самым отпадает необходимость в рассмотрении волновых явлений в валах, которым свойственны заведомо высокие частоты собственных колебаний, в том числе — высших форм. Вопросам расчета упругих систем на действие силового импульса посвящена соответствующая литература [71, 36].

Другим вопросом строительной механики, получившим существенное значение в связи с расчетом валов, явился вопрос об определении усилий в элементах коленчатого вала и при его внешней статистической неопределимости.

Расчет многоопорных валов по неразрезной схеме имел значение не только для правильного определения изгибающих моментов и опорных реакций, но сыграл решающую роль при выяснении влияния неравномерной осадки и износа коленных опор на прочность. Этот вопрос уже давно затрагивался в литературе [12], так как большая жесткость на изгиб машинных валов приводит к тому, что даже незначительная несоосность опор неразрезного вала вызывает в нем значительные внутренние усилия и переменные напряжения, оказывающиеся в ряде случаев причиной поломок коленчатых и прямых валов от изгиба [37].

Анализ влияния несоосности на прочность валов показал роль упругости блока или станины машины, значение монтажной несоосности и неравномерного износа для Надежности вала. Это способствовало разработке конструктивных и технологических мер увеличения прочности валов в условиях длительной эксплуатации, например, путем ограничения допустимых износов коренных шеек или предельных смещений осей коренных подшипников при монтаже.

Перемещения, возникающие при работе валов, оказывают существенное влияние на работоспособность валов и сопряженных с ними деталей (подшипников, зубчатых колес, муфт), а также на точность работы узлов, например, шпинделей в металлообрабатывающих станках.

При определении упругих перемещений широко используется экспериментальное определение коэффициентов влияния для перемещений. Это позволяет учесть действительные жесткости опор и заделок, а также влияние на жесткость вала посаженных деталей (например, турбинных дисков) и особенности деформаций сложных по форме валов (коленчатые и т. п.).

Определение упруго-пластических перемещений, которые могут возникать в валах при редко действующих, но больших перегрузках, основывается на тех же методах сопротивления материалов, но с использованием представлений о переменных (зависящих от деформации) параметрах упругости. При расчете статически неопределимых валов в этом случае оказывается необходимым применение метода последовательных приближений [82].

Следует также отметить существенные успехи, достигнутые в вопросах выяснения действительного распределения напряжений в валах различных конструкций, чему способствовало развитие методов измерения деформаций на объемных моделях с помощью тензометров малой базы.

В результате многосторонних экспериментов были получены данные для прямых валов о концентрации напряжений в галтелях сопряжений и около поперечных отверстий, а для коленчатых валов — о распределении напряжений в зависимости от конструкции колена, соотношений основных размеров щек и шеек и очертаний сопряжений.

Опытные данные послужили основой для определения максимальных напряжений в валах в зависимости от их конструкции и соотношения размеров частей. Вопрос об условиях прочности применительно к особенностям напряженных состояний в валах получил развитие в результате исследований влияния абсолютных размеров деталей и неравномерности распределения напряжений, а также характера напряженного состояния на усталостное разрушение.

Представилось возможным охарактеризовать эффективность концентрации напряжений и учесть влияние размеров поковок и отливок на механические свойства и тем самым отразить в расчете валов действительное распределение напряжений и их абсолютные размеры. При этом результаты исследований по критериям сопротивления усталости для плоского напряженного состояния послужили основанием к уточнению расчетных формул для определения запасов прочности валов при одновременном изгибе и кручении.

В связи с усложнением расчета валов на прочность по сопротивлению усталости и сопротивлению пластическим деформациям с учетом распределения и режима изменения напряжений, размеров и сечений и других факторов потребовалось выделить критерии предварительной оценки необходимости расчета валов на статическую прочность или усталость. Такие критерии позволяют заранее установить необходимость проведения того или иного расчета вала на прочность.

Во многих машинах валы испытывают действие нагрузок, величина и повторяемость которых подчиняются вероятностным закономерностям. Типичными примерами таких конструкций являются оси подвижного состава железных дорог, полуоси и валы трансмиссий автомобилей, валы горных машин, экскаваторов и многих других. Данные измерений нагруженности таких валов в условиях эксплуатации дали возможность составить статистические характеристики действующих в них напряжений [59]. Определение величины запаса прочности при нестационарном изменении переменной напряженности основывается на закономерностях накопления усталостного повреждения. Изучение накопления усталостного повреждения привело к формулировке условия суммирования относительных долговечностей, эти условия легли в основу расчетных выражений для величины напряжений эквивалентной стационарной нагруженности.

При этом удалось свести расчет нестационарно нагруженных валов, в том числе валов с нагрузками, подчиняющимися вероятностным закономерностям, к расчету по эквивалентным напряжениям постоянной амплитуды.

Существенным фактором прочности валов является использование для их изготовления новых материалов и технологии. Применение для отливки валов (особенно коленчатых) таких материалов, как сталь и высокопрочный чугун, дало возможность создать конструкции валов с улучшенным распределением напряжений и повышенной прочностью, особенно под действием крутящих нагрузок [58]. Для литых валов, кроме того, уменьшается объем сложной механической обработки. Применение поверхностного химико-термического упрочнения (азотирования, нитроцементации) и холодного наклепа (дробеструйной обработки, накатки роликами) позволяет повысить прочность валов без увеличения их размеров.

Конструирование и расчет валов и осей изложены в ряде руководств [21, 23, 47, 48, 73, 75, 82, 83]. В них получили в той или иной мере отражение перечисленные выше вопросы. В этом издании книги они изложены на основании более полного анализа новых методов и данных, а также практики их использования при проектировании.


* В дальнейшем изложении в тех случаях, когда речь пойдет о валах и осях совместно, будем опускать название оси.


Назад, на страницу описания