Расчет на прочность при ударе

Работа машин во многих случаях связана с ударными нагрузками, которые могут быть обусловлены либо назначением этих машин (например, ковочное оборудование), либо же являются нежелательным следствием условий работы машин или различных конструктивных факторов (например, удары на колеса автомобиля при преодолении препятствий; удары на шатунные болты при выплавке шатунных подшипников).

Ударом называется явление, когда при соприкосновении ударяющего тела и конструкции их относительная скорость изменяется на конечную величину за промежуток времени, пренебрежимо малый по сравнению с периодом свободного колебания конструкции. Обычно это время составляют доли секунды.

Характерной чертой удара является то, что деформация системы, воспринимающей удар, получается не только за счет массы, наносящей удар, но, главным образом, за счет той кинетической энергии, которой эта масса обладает в начале воздействия на систему. При этом возникают большие ускорения и большие инерционные силы, которые в основном и определяют силу удара.

Определение напряжений и деформаций при ударе является одной из наиболее сложных задач сопротивления материалов. Поэтому в инженерной практике применяют так называемый приближенный метод расчета на удар, базирующийся на следующих основных допущениях:

• 1) в элементе конструкции, воспринимающей удар, возникают напряжения, не превосходящие предела пропорциональности, таким образом, закон Гука сохраняет свою силу при ударе;
• 2) удар является абсолютно неупругим, т. е. тела после удара не отталкиваются друг от друга;
• 3) тело, наносящее удар, является абсолютно жестким, а значит, не деформируется;
• 4) местные деформации в зоне удара и рассеяние энергии при ударе не учитываются.

Рассмотрим основные виды ударов.

Продольный удар. В качестве примера рассмотрим систему с одной степенью свободы, которая представляет собой пружину с коэффициентом жесткости с и падающий на нес груз масссой т с высоты Я (рис. 109, а).

Определение силы удара весьма затруднительно, так как неизвестно время соударения, поэтому в инженерной практике обычно пользуются энергетическим методом.

Рис. 109. Динамическая модель ударного нагружения: а) падение груза с высоты Я; б) удар о пружину; в) возвратное движение груза Груз т при касании пружины будет обладать кинетической энергией К, которую можно выразить через скорость v_K груза в момент касания или высоту Я:

После того как груз коснется пружины, он начнет деформировать пружину. Когда вся кинетическая энергия груза перейдет в потенциальную энергию сжатой пружины, груз остановится (рис. 109, б), пружина получит свою наибольшую динамическую деформацию бд, а сила, сжимающая пружину, достигнет максимума. При составлении энергетического баланса здесь необходимо учитывать изменение потенциальной энергии груза на динамической деформации З_л:

Упругая энергия сжатой пружины определяется по формуле.

Составим энергетический баланс

C-Sl

или m-g-Hл-mg-S_u=——, который можно представить в следующем виде:

В результате рассмотрения статического равновесия упругой системы (рис. 109, в) следует, что отношение силы тяжести груза к жесткости пружины равно статической деформации пружины S_CT:

Получили квадратное уравнение, из которого динамическая деформация определится как

Поскольку знак «минус» в этом выражении не соответствует физической стороне рассматриваемой задачи, следует сохранить знак «плюс». Запишем выражение (162) в виде.

Величину, стоящую в скобках, называют динамическим коэффициентом:

Динамический коэффициент, выраженный через скорость груза в момент касания пружины, с учетом выражения (10.3) будет равен.

Окончательно динамическая деформация пружины определится как

Из формулы (166) следует, что при продольном ударе, чем больше длина стержня и чем меньше его жесткость, тем меньше динамический коэффициент, а следовательно, меньше динамическая сила и динамическое напряжение. Этим можно объяснить, что тросы, соединяющие тягач с буксируемым объектом, не должны быть короткими. Короткий трос при случайном ударе (трогании буксируемого объекта с места или из-за случайных препятствий на дороге) не выдерживает динамической нагрузки и разрывается.

Динамический коэффициент показывает, во сколько раз деформация при ударе больше деформации при статическом приложении нагрузки. В том же отношении изменяются внутренние силы и напряжения:

Из анализа выражений (164) и (165) видно, что динамический коэффициент зависит от кинетической энергии падающего груза. В случае, если груз опускается на упругую систему мгновенно, без начальной скорости (Я = 0), динамическая деформация уже вдвое превышает статическую. Соответственно, в два раза большими оказываются и напряжения.

Динамический коэффициент, а следовательно, и динамические напряжения, также зависят от жестокости упругой системы. При большей жесткости статические деформации имеют меньшие значения, а динамические напряжения при этом увеличиваются. Поэтому снижение напряжений при ударе может быть достигнуто уменьшением жесткости системы.

NB: зависимости для определения динамических напряжений и деформаций, полученные на примере падения груза на пружину, применимы и для других упругих систем: при расчете на удар при растяжении — сжатии, кручении и изгибе.

В каждом случае придерживаются следующего порядка расчета: а) в месте падения груза к упругой системе прикладывают статическую нагрузку, равную весу падающего груза;

• б) определяют статическую деформацию упругой системы;
• в) определяют напряжения в материале, возникающие от приложения статической нагрузки;
• г) определяют коэффициент динамичности;
• д) определяют динамические напряжения и деформации,
• е) сравнивают напряжения при ударе с допускаемыми напряжениями:

Обычно коэффициент запаса п принимают равным и_т = 2.

В полученных выражениях не учтена масса упругой системы, к которой прикладывается ударная нагрузка. Учет массы даег меньшие значения динамических напряжений, поэтому, рассчитывая конструкции без учета ее массы, мы получаем дополнительный запас прочности.

Поперечный удар. В результате падения груза массой т с высоты Я, балка будет испытывать изгибной или поперечный удар (рис. 110). При поперечном ударе можно пользоваться формулами (164), (165), (166), (167), если в них величину принять за прогиб при статическом нагружении.

Рис. 110. Динамическая модель поперечного удара.

Скручивающий удар. На рис. 111 приведен вал, на левом конце которого закреплен диск с моментом инерции J_m. Вал вращается с угловой скоростью ш. При внезапном торможении правого конца вала вся кинетическая энергия диска перейдет в потенциальную энергию деформации вала: К = U, где.

Рис. 111. Модель скручивающего удара В пределах действия закона Гука можно записать:

откуда.

Так как наибольшие касательные напряжения в сечении Т

т=—, то с учетом выражения (170) найдем максимальное ди;

^р

намическое напряжение:

где W_p — момент сопротивления сечения кручению.

Для определения максимального угла закручивания вала при торможении воспользуемся формулой угла закрутки при кручении, которая с учетом (170) принимает вид.

Пример 34. На стальную балку двутаврового поперечного сечения по середине пролета падает груз массой т — 100 кг (рис. 112). Длина балки / = 3 м; высота падения h = 10 мм. Для двутавра № 24, а из таблицы сортамента определяем J_x = 3800 см⁴; W_x — 317 см³; J_y = 260 см⁴; W_y = 41,6 см³. Необходимо сопоставить наибольшие статические и динамические напряжения в поперечном сечении балки и прогибы под грузом для случаев изгиба балки в плоскости наибольшей и наименьшей жесткости.

Рис. 112. Схема к расчету двухопорной балки на удар.

Решение Рассмотрим сначала случай изгиба балки в плоскости наибольшей жесткости. Наибольшие нормальные напряжения в поперечном сечении балки при статическом ее нагружении составляют.

Динамический коэффициент при поперечном ударе.

где S" — прогиб балки посередине пролета при статическом нагружении:

Определим динамический прогиб и наибольшие динамические напряжения, возникающие в балке при падении груза:

Во втором случае, при изгибе балки в плоскости наименьшей жесткости, аналогично получаем.

Тогда динамический прогиб и наибольшие динамические напряжения в балке при ее изгибе в плоскости наименьшей жесткости.

При статическом действии нагрузки напряжения во втором случае больше, чем в первом, в 7,63 раза, а при ее ударном действии — лишь в 2,36 раза. Это различие объясняется тем, что во втором случае жесткость балки значительно (в 14,6 раза) меньше, чем в первом, что приводит к существенному уменьшению динамического коэффициента.