§ 41. КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ ЦЕЛЬНОЛИТОЙ РАМЫ

Параллели (направляющие для ползуна) и вальная подставка, вы­полненные в одной отливке, представляют в современных локомобилях раму машины. Назначение рамы сводится к связыванию между собой отдельных частей машины и восприятию возникающих между этими частями усилий. В зависимости от действия этих усилий и их величины рама получает свое конструктивное оформление.

У локомобилей старых конструкций параллели выполнялись отдельно от вальной подставки и присоединялись к цилиндру. Вальная подставка и цилиндр в отдельности прикреплялись к котлу и связывались между собой при помощи тяг. Одно из креплений делалось жестким, а дру­гое допускало небольшие перемещения. Чаще всего глухое крепление было у цилиндров.

Так как котел подвергается тепловым деформациям при работе, то расстояние между цилиндрами и валом было непостоянным, потому что скользящие опоры часто заедали, а тяги деформировались. Помимо этого такая конструкция не давала возможности отдельно собирать машину.

Современная конструкция цельнолитой рамы для однокривошипной машины локомобиля представлена на фиг. 202, а Отливка включает в себя вальную подставку с корпусами коренных подшипников и па­раллели с цилиндрической рабочей поверхностью.

Фланцем параллелей рама присоединяется к цилиндру, составляя один блок основных неподвижных частей.

Рама с цилиндрами устанавливается на кронштейны котла, причем вальная подставка закрепляется наглухо, а крепление цилиндра должно допускать движение по котлу, деформирующемуся при изменении тем­пературы содержащейся в нем воды.

При конструировании основные размеры рамы предопределяются ранее разработанными деталями машины, такими, как коленчатый вал, регулятор, цилиндр и т. д., и их общей компоновкой и увязкой.

Для упрощения изготовления (отливки) рамы конструктивные ее формы должны быть по возможности просты, так как это упрощает изготовление моделей и само литье и уменьшает брак.

Рамы локомобилей обычно отливаются из серого чугуна марок СЧ 18-36 и СЧ 21-40.

У крупных машин для облегчения веса встречаются рамы, отлитые из стали. В быстроходных машинах иногда применяются сварные рамы.

При расчете рамы сначала, исходя из конструктивных и технологи­ческих соображений, выполняется эскиз рамы, а затем производится поверочный расчет на прочность всех опасных сечений.

Вся рама периодически то растягивается, то сжимается силой да­вления пара на поршень Р кг (см. §11 настоящего раздела). Помимо этого при таком направлении вращения вала, когда палец кривошипа описывает нижнюю часть своей траектории, перемещаясь в сторону цилиндра (см. фиг. 202, б), нижняя параллель нагружается нормаль­ной к ней силой Д/д кг. Величина силы Л/0 определяется уравнением (439).

Наиболее опасными в раме и подлежащими проверке являются се­чения / —/ (фиг. 202) и II — II (фиг. 202 и 203). В сечении /—I от действия силы Р возникает напряжение растяжения или сжатия, а от действия силы N0 — напряжение изгиба.

Сечение II — II испытывает напряжения изгиба, растяжения или сжатия и кручения.

Суммарные напряжения при этом не должны превосходить для чу­гунных рам 150—250 кг/см2.

Методика расчета изложена в примерном расчете.

Проверим напряжения в сечениях I — / (фиг. 202) и II — II (фиг. 202 и 203) рамы локомобиля П-25 по следующим исходным данным:

1) диаметр цилиндра D = 140 мм;

2) давление пара перед машиной /?, = 13 ати;

3) отношение длины кривошипа к длине шатуна X = ~ ^ =

4) вес ползуна GK = 10,5 кг;

5) вес поршневого штока Gui,„ = 2,7 кг;

6) вес шатуна Gm = 17,1 кг;

7) материал рамы серый чугун марки СЧ 18-36.

Найдем напряжение в сечении I — I.

При расчете параллели (фиг. 202) рассматриваем ее на участке ab как балку, свободно лежащую на двух опорах, нагруженную в сере­дине сосредоточенной силой N0 и растягиваемую или сжимаемую си­лой Р.

Величину силы Р находим по формуле (417):

Максимальная величина нормального давления ползуна на параллель от давления пара на поршень по формуле (339) равна

N = Рtg0max = 2000-0,185 = 370 кг

При вращении вала машины в направлении часовой стрелки (фиг. 202, а и 6) полная величина давления ползуна на нижнюю параллель N0 кг по формуле (439) равна

N0 ~ Gh + 0,5G шт + 0,2о Glu =

= 370+10,5 + 0,5-2,7+0,25-17,1 ^386 кг.

Изображенное на фиг. 202, г сечение относится к обеим парал­лелям.

Фиг. 203. Расчетное сечение 11—11 рамы машины: ■а — схема нагружения; б — сечение II—IГ, в ~ условное сечение для определения момента сопро­тивления изгибу.

Положение центра тяжести рассматриваемого сечения / — / для одной параллели относительно оси хх (фиг. 202, г) находим по формуле (420):

Sfr-yi

2^,

величина же

е2 = h — Cj =6,9—4,8 = 2,1 см.

Измерение величины площади сечения дает F = 33,9 см2.

Момент инерции площади сечения /— / относительно оси, прохо­дящей через ее центр тяжести, по уравнению (421) равен

/ = 2 ft + Ft (*i - У/)*] = 96,5 ел*.

Момент сопротивления площади сечения равен: 1) для растягиваемой части сечения

2) для сжатой части сечения

Изгибающий момент балки, свободно лежащей на опорах и нагру­женной по середине сосредоточенной силой N0 кг (фиг. 202,в), равен

М = кгсм. (574)

Для разбираемого примера

.. 386-42

М = —г— = 4053 кгсм. 4

Напряжения от изгиба нижней параллели в сечении / — / опреде­ляются по уравнению (419):

1) для растягиваемой части сечения

_ /VI 4053

W* 45,9

88 кг (см[49].

Зв 1 ~W1~ 20,1

Напряжение в сечении / — / от растяжения или сжатия двух парал­лелей силой Р равно

30 кг/см2.

Р 2000 : ~ 2F ~ 2-33,9

Суммарное напряжение составит:

1) для растягиваемой части сечения

Uj == аи і + з2 = 202+30 = 232 кг/см2;

2) для сжатой части

а2 = аВ2 - f - оа = 88+30= 118 кг/см2.

Определим напряжения в сечении II—II (фиг. 202 и 203), распо­ложенном под углом 30° к вертикальной плоскости, проведенной через ось цилиндра и параллелей.

Схема нагрузки сечения II—II в горизонтальной плоскости приве­дена на фиг. 203, а.

Сечение II—II рассматривается как плоскость защемления балки,

р

нагруженной на конце переменной по направлению силой — (сила, дей­ствующая на коренной подшипник) с плечом I = 11 см и под углом 30° к плоскости сечения.

Ввиду этого рама в сечении II — II:

1) изгибается моментом

2) растягивается или сжимается силой

— sin 30°= 0,5 = 0,25-2000 = 500 кг;

8) скручивается моментом

cos 30° — сила, действующая в плоскости сечения II — II; 1Х — плечо

момента, представляющего собой расстояние между центром тяжести сечения и осью цилиндра и параллелей).

Положения центра тяжести площади сечения II — II относительно оси у находим, используя чертеж фиг. 203,6, по формуле (420)

2»;

е2 = b — ег = 9,5- 2,93=6,57 см.

Положение центра тяжести площади относительно оси х определим по той же формуле:

У0 = Щ^-= 20,2 см.

2j г І

Полученная величина у0 дает возможность найти расстояние /, = = 1,7 см между центром тяжести сечения и осью параллели.

155 кг}см2.

Момент инерции площади сечения II — II относительно оси у', па­раллельной оси у и проходящей через центр тяжести сечения, опреде­лится по данным фиг. 203,6", подставленным в формулу (421):

I = 2 Vi + Pi («1 - +)2] = 467,6 сл»*.

Моменты сопротивления изгибу равны: 1) для внешней части сечения

160 см3;

71 см3.

2) для внутренней части сечения

Величина площади сечения находится по следующей формуле: F = SF,. = 56,5 см2.

Учитывая характер нагружения балки, найдем напряжения изгиба по формуле (419):

= 69 кг}см[50];

1) в крайних волокнах внешней части сечения

Напряжения от растяжения или сжатия в сечении определятся по формуле

; 9 кг/см2

Р sin 30° 2000-0,5

•2-.Ч6.5

Суммарное напряжение от изгиба и растяжения или сжатия будет равно:

1) в крайних волокнах внешней части сечения

=1 = зи і + = зи 1 - f= 694-9 = 78 кг}см2;

2) в крайних волокнах внутренней части сечения

а2 = ов2 — зг = Од 2 — ad= 155—9=146 кг/см2.

Р

Момент СИЛЫ cos 30°, действующей в плоскости сечения // — II,

с плечом 1Х = 1,7 см вызывает напряжение кручения.

Для определения момента сопротивления площади сечения // — II, имеющего сложную форму, заменяем действительное сечение условным коробчатым сечением (фиг. 203, в) высотой h = 34,5 см, шириной пблки Ь = 9,5 см и толщиной s = 1 см.

33 Гармсуша и Юшина. 649.

Для коробчатого или двутаврового сечения момент сопротивления при кручении определяется формулой

WK = -|-s2 h + 2(b — s)] см5. (575)

Для плошади сечения II — II момент сопротивления равен WK = I2 [34,5+2 (9,5—1)] = 11,44 см5.

Величина напряжения кручения в сечении II — II определяется по формуле (496):

= 129 кг/см2.

Суммарное напряжение от изгиба и кручения определяется:

1) для хрупких материалов по первой теории прочности

апр~ 0,5 а+0,51/”з2 + 4т2 кг/см2; (576)

2) для пластичных материалов по третьей теории прочности

а„р = У"о2 + 4т* кгсм2. (577)

Для чугунной рамы необходимо применить первую теорию прочно­сти, и напряжение получится равным

апр =0,5-146+0,5 |/І462+4-129* =73+0,5-296 =

= 73+148 = 221 кг/см2.

Расчет показывает, что величины напряжений в раме локомобиля П-25 соответствуют допускаемым значениям.