Техника - молодёжи 1999-09, страница 19

стране одних только валов диаметром до двухсот миллиметров и длиной более трех диаметров выпускается около 2 млрд. в год. Для их производства требуется примерно 8 млн. т стали, четвертая часть которой уходит в стружку при обработке — неоправданная роскошь. Использовать этот огромный резерв можно не только повышением качества металлов и применением профильного проката для заготовок, но главным образом, разработкой принципиально новых деталей машин.

Обязательно ли делать вал сплошным и нельзя ли его свернуть из ленты в рулон? Специалист сразу же забросает вопросами: как в таком случае передать крутящий момент? Как обеспечить жесткость и прочность вала, соосность деталей на нем? Какова цель его изготовления, наконец? Начнем с цели — улучшение технологичности и резкое снижение себестоимости. Под технологичностью понимается трудоемкость изготовления. Так вот, трудоемкость. Из одной и той же ленты можно скрутить валы различных диаметров в широком диапазоне размеров (рис. 4). Диаметр вала изменяется простым скручиванием ленты до подгонки к посадочному отверстию детали. Встает вопрос: как передать крутящий момент гладкой поверхностью вала? Ведь шпонку или шлицы

Рис. 4. Со сплошным обычным валом

Неприятностей навалом.

Вал из ленты — это класс!

Он готов на счете «раз».

на ленте не нарежешь. И не надо. Вал можно просто сдеформировать, просунув в некруглое отверстие зубчатого колеса. Отверстие имеет профиль эллипса, криволинейного треугольника или квадрата. В настоящее время такие некруглые (профильные) соединения получают все более широкое распространение. Отсутствие шпонок исключает концентрацию напряжений и повышает надежность вала, а современный уровень металлообработки позволяет вытачивать некруглые отверстия с помощью нехитрых приспособлений.

Теперь о жесткости. Наверное, все видели фокусника, который на глазах публики громко постукивает палкой, затем легко перегибает ее и даже разрывает на части. Или, надрезав

5 Техника молодежи № 9

ножницами, вытягивает палку в лохматую елку. Факиры, может быть, и не зная законов сопротивления материалов, вовсю используют их в своих фокусах. Лист бумаги свободно трепещет, но свернутый в трубку с трудом поддается изгибу. В чем дело? В форме сечения, в моменте его инерции, которому прямо пропорциональна жесткость детали. Так вот, момент инерции сечения трубки в тысячи раз больше, чем листа бумаги, из которого она свернута. В соответствующее число раз выше и жесткость трубки. Эффект фокуса усиливается оттого, что факир имеет дело не со сплошным валом, а с трубкой. Как вы думаете, насколько жесткость полого вала меньше сплошного? Всего лишь на 6%, если диаметр отверстия вдвое меньше диаметра вала! Если же диаметр отверстия увеличить до двух третей наружного диаметра, жесткость уменьшится всего на четверть, зато материалоемкость снизится более чем вдвое.

Давайте посмотрим, что будет происходить, если еще больше увеличивать диаметр отверстия полого вала, уменьшая толщину его стенки. Как ни странно, жесткость тонкостенного вала можно значительно повысить, если...на него установить детали передач: зубчатые колеса, втулки, муфты, подшипники. Объясняется это тем, что вал из ленты, раскручиваясь, плотно прилегает к отверстиям деталей и приобретает их жесткость Сплошной же вал не может раздаться по профилю посадочных отверстий. Зазоры в соединениях с деталями не мешают ему прогибаться под нагрузкой; практически не влияют на его жесткость, комбинируя расстоянием между опорами и деталями, установленными на витом валу, можно свести к минимуму влияние на жесткость тонкой стенки. Например, при диаметре полого вала 40 мм и толщине стенки 1 мм (десять витков ленты толщиной 0,1 мм) его жесткость в 5 раз меньше жесткости сплошного вала. Однако тот же витой вал в сборе с деталями, занимающими 2/3 межопорного расстояния, имеет жесткость всего лишь в 1,5 раза меньше сплошного.

Наконец, о прочности, включая и усталостную, то есть зависящую от цикличности переменной нагрузки. Для того чтобы сломать проволоку, ее надо часто-часто перегибать в разные стороны. Как вы думаете, какую проволоку легче сломать толстую или тонкую? Оказывается толстую. Число перегибов до излома при увеличении диаметра проволоки от 0,5 до 5 мм уменьшается в 5 раз. Уменьшение

удельной прочности с увеличением размеров наблюдается у всех, без исключения, деталей: валов, корпусов, стоек, колонн. Так не лучше ли иметь детали с тонкими стенками, компенсируя уменьшение сечения повышением удельной прочности материала? Оригинальное, научно обоснованное решение было найдено во ВНИИ металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШЕ) при разработке малогабаритных прессов. Колонны прессов отливали тонкостенными, затем обматывали их с натягом в несколько слоев плющильной проволокой толщиной 1,0... 1,5 мм. (Плющильная проволока, подвергнутая термомеханической обработке, имеет прочность на порядок больше, чем чугун). В результате пресс получался в 4 раза легче обычного.

Аналогичное упрочнение наблюдается и в навитом вале. Катаная лента толщиной 0,1 мм имеет прочность в 4...5 раз выше прочности сплошного вала из того же материала. Направленное расположение волокон (текстура) материала и высокое качество ленты, из которой навивается полый вал, повышают усталостную прочность в 3...4 раза по сравнению с микрогребешками (концентраторы напряжений) вала, обточенного резцом. А вот исторический пример. В Праге существует музей оружия. В его залах размещается ценная коллекция доспехов и огнестрельного оружия. Но одна пушка длиной всего 90 см повергает посетителей в полное изумление. Это орудие изготовили итальянские мастера XVI в. Для прочности его ствол обмотали... многими слоями кожи, да так, что в наши дни пушка готова к бою. Есть у пушки и небольшой секрет. Плотно уложенные слои кожи создают внутренние напряжения обратного знака (сжатие) по отношению к рабочим напряжениям (растяжение) при выстреле, что повышает прочность ствола.

Таким же свойством обладает и навитой вал. Когда при наматывании на оправку витки ленты плотно укладываются один на другой, они приобретают те же самые полезные напряжения сжатия. Под нагрузкой они компенсируют рабочие напряжения. Явление повышения прочности многослойных полых валов впервые было теоретически обосновано в 1861 г. русским академиком А.В.Гадолиным. Он предложил и практическое применение положительного эффекта в производстве орудий Составные стволы орудий имели меньшую толщину, чем монолитные одинакового калибра.

Характеристики навитого вала привлекают внимание специалистов из самых разных отраслей промышленности. Для авиастроителей особенно важно невиданное, в 3 и более раз, уменьшение металлоемкости. Станкостроителям нравится повышенная демпфирующая способность: многослойная структура активно рассеивает энергию колебаний и гасит вибра