3.4. Расчёт на прочность сварных соединений

Расчёт поясных швов

,

где: Q – максимальная расчётная перерезывающая сила;

S – статический момент инерции пояса относительно центральной оси;

k – катет шва сварного соединения;

I - момент инерции главной балки;

 - коэффициент, учитывающий глубину проплавления.

(см³),

I = 342000 (см⁴).

(кН/см²)

В верхних поясных швах добавляются напряжения от сосредоточенной силы, которые рассчитываются по формуле:

_р =(mp)/(2kz) = (0,4*78)/(2*0,85*0,6*23,9) =1,3 (кН/см²).

_рез = SQRT(1,9² + 1,3²) = 2,1 (кН/см²)  9,6 (кН/см²).

Катеты швов, приваривающих ребра жесткости к поясам и вертикальному листу, принимаются такимиже, как и поясные швы, т.е. – 6 мм.

Эти швы не передают рабочих усилий, а являются связующими и расчету не подлежат.

Швы, приваривающие ребра жесткости к нижнему поясу, являются концентраторами напряжений и влияют на прочность растянутого нижнего пояса. Поэтому, необходимо рассчитать коэффициент снижения допускаемых напряжений.

 = 1/(0,6К_э+0,2-(0,6К_э-0,2)r)  1,

где Кэ - эффективный коэффициент концентрации напряжений, равный 1,4. Характеристика цикла нагружения r = Mmin/Mmax = 0,38.

 = 1/((0,6*1,4+0,2)-(0,6*1,4-0,2)*0,38) = 1,54.

Таким образом, наличие тавровых соединений не окажет существенного влияния на работоспособность конструкции.

4. Расчёт концевой балки

Схема нагружения концевой балки показана на рисунке 6.

R = 173 кН

Мв = Rа  0,4 = 173  0,925 = 160 (кНм)

Мг = Т  0,4 = 15,6  0,925 = 14,4 (кНм)

где: Т – сила, возникающая при торможении тележки

(кН)

За опорное сечение балки принимаем профиль из 2-х швеллеров №36, расставленных на расстоянии 250 мм друг от друга и двух листов 250 х 10 мм.

Момент инерции относительно оси Х

I_х= I_x1 +I_x2

где: I_x1 – момент инерции концевой балки;

I_x2 – момент инерции 2-х листов

I_x1 = 2  1085 = 22000 (см⁴)

(см⁴)

I_х = 43000 (см⁴)

В месте соединения опорные балки ослаблены отверстиями для болтов d = 23 мм. Учтём величину уменьшения момента инерции сечения вследствие его ослабления

I_осл = 4  2,3  0,8(4,2² +12,3²) + 4  2,3 2,4  21,2² = 11167 (см⁴)

Момент инерции нетто ослабленных швеллеров равен

I_нетто = I_х – I_осл = 43000 – 1167 = 31800 (см⁴)

Момент сопротивления 2-х швеллеров равен:

(см³)

Нагрузка равномерно распределяется между ветвями балки. Принимаем, что внутренний швеллер воспринимает 2/3 от полного момента

М_шв = 2/3  160 = 107 (кН/см²)

Напряжение от вертикального изгиба в более нагруженном швеллере

(кН/см²) , что больше, чем 160 (кН/см²)

, что допустимо

Момент инерции балки относительно вертикальной оси составляет

I_у= I_у1 +I_у2 = 2(446 + 38 20²) + 2(25²1/12) = 31300 (см⁴)

I_нетто = 0,8 I_у = 25040 (см⁴)

(кН/см²)

Расчетное напряжение от изгибов в вертикальной и горизонтальной плоскости

 = 16,3 +0,4 = 16,7 (кН/см²)

_р = 16 (кН/см²)

, что вполне допустимо.

5.Определение веса металлоконструкции и сварных швов

Определяем массу главных балок:

m₁=230(21,238+21281)7,8=16800(кг)

Определяем массу концевых балок:

m₂=22,2(26,1510^-3+20,2510^-2)7800=600(кг)

Определяем массу уголков:

m₃=1,85(1,81,15+36)=105(кг)

Определяем массу косынок:

m₄=0,12²610^-3187800=12(кг)

Определяем массу листов:

m₅=2410^-3177800=1060(кг)

Определяем массу полос:

m₆=2610^-3210^-3177800=3(кг)

Определяем массу диафрагм:

m₇=10^-21,520,33247800=940(кг)

Определяем массу гнутых листов:

m₈=8(1,40510^-30,425+1,12510^-30,25+2,7210^-2)7800=1450(кг)

m_=9800 кг

Вес конструкции 98000 (Н). В расчётах принимается вес конструкции 90 (кН), в результате чего погрешность в расчёте минимальная. Масса наплавленного металла 60 кг.

6. РАСЧЁТ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПОЯСНЫХ ШВОВ БАЛКИ

При сварке поясных швов балки вследствие неравномерного нагрева возникают остаточные напряжения, которые вызывают прогиб балки. Результирующее действие остаточных напряжений можно учесть используя фиктивную усадочную силу Рус. Схема образования прогиба приведена на рисунке 7.

Величина усадочной сил при сварке углового шва определяется по формуле [1]:

,

где: S_расч = 0,5(S_n +S_b) при сварке угловых соединений;

S_расч = 0,5(2S_n +S_b) - при сварке тавровых соединений

В данном случае соединения угловые.

Если режимы сварки заранее неизвестны, то отношение q/v_c можно принимать по формулам [2]:

,

где: D – численный коэффициент, равный 30 000 Дж/см³ при автоматической сварке и 40 000 Дж/см³ при ручной сварке.

k - катет углового шва в см, k = 0,6 см., h_b = 70 см, S_b = 0,8 см, a_n = 19 см, Sn = 1 см.

S_расч = 0,5(2 1 + 0,8) = 1,4 (см)

(ДЖ/см²)

(кН)

Если соединение выполняется двумя тавровыми швами (зоны термического влияния перекрываются), то результирующая усадочная сила

P’_ус = 1,4 Р_ус = 2  146 = 292 (кН)

Усадочная сила приложена с эксцентриситетом и создаёт изгибающий момент

М = P’_ус  е ,

Рисунок 7 – Прогиб при сварке поясных швов балки:

а) при сварке швов 1; б) при сварке швов 2.

Эксцентриситет определяется из расчёта положения центра тяжести сечения

где: S₁ S₂ – статические моменты площадей относительно оси, проходящей по верхней кромке вертикального моста

F₁+F₂ – сумма площадей

S₁ = h_b  Sb  h_b/2 ; F₁ = h_bS_b

S₂ = a_n  S_n  S_n/2 ; F₂ = a_n  S_n

S₁ = 70  0,8 70/2 = 1960 (см³) F₁ = 70  0,8 = 56 (см²)

S₂ = 19  1,0  0,5 = 9,5 (см³) F₂ = 19 (см²)

(см)

М = 146  26 = 3800 (кН  см)

Прогиб составляет

(см)

где Е – модуль упругости, Е = 2 10⁴ (кН/см²)

I₁ – момент инерции сечения

(см⁴)

При сварке швов с оборотной стороны возникает прогиб обратного знака. Однако, так как сварка ведётся по металлу с растягивающими напряжениями, то усадочная сила

P’_усz  0,7 P’_ус = 0,7  146 = 102 (кН)

(кН см)

I = 1,6 10^-2 (м²) = 70760 (см⁴)

(см)

Общий прогиб

z = 8,8 – 1,02 = 7,8 (см)

4. ТЕХНОЛОГИЯ ИГЗОТОВЛЕНИЯ БАЛКИ

Балка двутаврового сечения состоит из двух поясов, вертикальной стенки и ребра жёсткости.

Схема сборки балки в кондукторе с использованием передвижного сборочного портала приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема сборки балки.

Сборка. На упоры кондуктора укладывается вертикальная стенка и устанавливаются пояса. Посредством портала с помощью вертикальных прижимов стенка прижимается к упорам (основанию портала), а горизонтальных прижимов – пояса к вертикальной стенке. Производится прихватка. Портал перемещается к следующему участку, производится прихватка и т.д.

Сварка. Производится сварочным автоматом тракторного типа на стеллаже наклонным электродом или на кантователе «в лодочку».

Установка и прихватка рёбер жесткости. Установка производится по разметке, или в кондукторе. Сварка механизированная в среде углекислого газа или ручная дуговая покрытыми электродами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Николаев Г.А. Куркин С.А., Винокуров С.А. Сварные конструкции. Точность сварных соединений и деформации конструкции. М.: Высшая школа, 1971. 760 с.

2. Николаев Г.А. Куркин С.А., Винокуров С.А. Расчёт, проектирование и изготовление сварных конструкций. М.: Высшая школа, 1971. 760 с.

3. Богуславский П.Е. Металлические конструкции грузоподъёмных машин. М.: Машиностроение, 1961. 423 с.