Материалы изготовления элементов металлических конструкций и деталей механизмов

Номенклатура материалов, используемых в машиностроении очень большая и включает в себя:

— черные металлы;

— цветные металлы и их сплавы;

— неметаллические материалы.

Черные металлы – это промышленное название железа и его сплавов.

К черным металламотносятся стали и чугуны.

При выборе конструкционных материалов для крановых конструкций следует учитывать специфические условия работы последних, характеризующиеся переменными нагрузками, возможностью эксплуатации при низких температурах. Это определяет необходимость применения материалов с высокими значениями пределов усталости, текучести, ударной вязкости.

Для ответственных элементов металлических конструкций грузоподъемных машин применяются малоуглеродистые стали ВСт3пс2, ВСт3Гпс2, ВСт3пс4, ВСт3Гпс4, ВСт3пс5, ВСт3сп5, ВСт3сп2, ВСт3Гпс5, М16С по ГОСТ 6713-75, низколегированные стали 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2, 09Г2С по ГОСТ 19281 – 73, ГОСТ 19282 – 73, ГОСТ 6713 – 75 и др. [2]

Малоуглеродистые стали поставляются с гарантией механических свойств (группа А), химического состава (группа Б), механических свойств и химического состава (подгруппа В). Предпочтительной является сталь подгруппы В. Для нее гарантируются: пределы текучести s_Т, прочности s_В, относительное удлинение e, ударная вязкость а_Н при температуре +20 °С, загиб на 180° в холодном состоянии, верхние пределы содержания углерода, серы, фосфора, предельное содержание никеля (Н), хрома (X), меди (Д).Основной маркой является сталь Ст3. Эта сталь хорошо сваривается, достаточно прочна, пластична: предел текучести s_Т ³ 230 Мпа; предел прочности s_В » 380…490 Мпа; относительное удлинение e₅ > 23 %; ударная вязкость а_Н ³ 7×10⁶Дж/м² при 20 °С.

Различают мартеновскую сталь спокойной (ВСт3сп), кипящей (ВСт3кп), полуспокойной (ВСт3пс) плавки.

Кипящая сталь, имеющая значительное количество серы и фосфора, имеет бόльшую склонность к старению и переходу в хрупкое состояние, особенно при низких температурах, но более дешевая. Так, при понижении температуры от +15 °С до — 40 °С а_Н для этой стали снижается в 16 раз, в то время как для стали Ст3сп при тех же условиях снижается только в два раза. Одновременно повышаются пределы прочности, текучести, сталь охрупчивается, снижается сопротивление распространению хрупких трещин. Поэтому при температурах до — 40 °С следует применять мартеновскую сталь Ст3 спокойной плавки, а при более низких температурах — сталь марки М16С, низколегированные стали 10ХСНД, 15ХСНД и др. Из этих соображений сталь Ст3кп применяют при температурах не ниже — 20 °С. Влияние, аналогичное низкой температуре, оказывают также следующие факторы: многоосное напряженное состояние, высокая скорость нагружения, старение, холодный наклеп, облучение нейтронами.

С целью снижения массы конструкции и ограничения хрупких разрушений применяются низколегированные стали повышенной прочности 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2 и др. Эти стали по сравнению со сталью Ст3 имеют меньшую хладноломкость, почти в 1,5 раза больший предел текучести, повышенную стойкость против коррозии. Однако стоимость их выше, они более чувствительны к концентрации напряжений при переменных нагрузках и склонны к потере устойчивости стержней и пластин. Поэтому низколегированные стали целесообразно применять в тех случаях, когда размеры сечения определяются из условий прочности, а не из условий устойчивости, т. е. для кранов большой грузоподъемности.

Ориентировочная стоимость широкополосовой стали различных марок, %: ВСт3кп – 100; ВСт3пс — 105; ВСт3пс — 108; 09Г2 — 120; 09Г2С — 122; 10Г2С1 — 125; 15ХСНД—157; 10ХСНД — 180 [6].

Детали, подверженные интенсивному истиранию — диски трения, шестерни, валы-шестерни, — рекомендуется изготовлять из стали 50 Г; тяжело нагруженные валы, валы-шестерни, червяки и звездочки механизмов — из стали 40Х или 45Х; металлические конструкции с трехосным напряженным состоянием — из низколегированных сталей 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2.

Чугунное омме по качеству не ниже марки СЧ15 ГОСТ 1412-85 может применяться для изготовления [5]:

а) зубчатых, червячных и ходовых колес грузоподъемных кранов и машин с ручным и машинным приводом;

б) барабанов, корпусов редукторов и блоков, за исключением блоков для кранов стрелового типа;

в) колодок тормозов, кронштейнов барабанов и корпусов подшипников.

Для тормозных шкивов механизма передвижения и поворота грузоподъемных кранов допускается применение литья из чугуна по качеству не ниже марки СЧ20 по ГОСТ 1412-85 [5].

Для изготовления противовесов и несиловых деталей марки отливок не регламентируются [5].

При изготовлении деталей машин широко применяют сплавы цветных металлов, которые по сравнению с исходными металлами имеют повышенную пластичность, теплопроводность, коррозийную стойкость или другие положительные свойства.

К сплавам меди относятся бронзы и латуни.

Бронза — это сплав меди с оловом, свинцом, алюминием и т.п.

Латунь — это сплав меди с цинком (до 50%), часто с добавлением алюминия, марганца, свинца и других элементов.

Бронзы обладают хорошими антифрикционными и антикоррозионными свойствами. Их применяют для изготовления: вкладышей подшипников скольжения, червячных и винтовых колес, водяной, паровой и масляной арматуры.

Латуни хорошо обрабатываются давлением, характеризуются достаточной прочностью и стойкостью против коррозии. Их применяют при изготовлении проводов, гильз, труб, деталей электромашин.

При изготовлении деталей машин используют баббит.

Баббит — это сплав на основе олова и свинца с сурьмой или медью.

Баббит имеет высокие антифрикционные свойства (то есть малый коэффициент трения). Их применяют при изготовлении вкладышей подшипников скольжения.

Применение алюминиевых сплавов уменьшает массу металлических конструкций, увеличивает коррозионную стойкость и ударную вязкость, дает возможность получить профили практически любой формы.

Для изоляции конструктивных элементов из алюминиевых сплавов от контакта со стальными применяются изолирующие прокладки, гальванические покрытия и окраска.

В грузоподъемных машинах применяют и неметаллические материалы. Так, из капроновой смолы литьем под давлением изготавливают втулки подшипников скольжения для опорно-поворотных устройств портальных кранов, распорные кольца, футеровку канатных блоков; из текстолита — вкладыши, втулки, шестерни; из гетинакса — электроизоляционные плиты и перегородки. Для теплоизоляции кабин применяются пенопласт ФС-7-2, для облицовки стен — декоративный бумажно-слоистый пластик марки ОД, для буферов и втулок пальцевых муфт — резина марки 1 В, для тормозных колодок — асбестовая фрикционная лента [3].

2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ КРАНОВ И КРАНОВЫХ МЕХАНИЗМОВ. РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЖЕНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН