Способи зварювання балки

Вступ

При проектуванні зварних конструкцій необхідно правильно призначити технологічні процеси зварювання. Не дивлячись на велику кількість робіт які присвячені вивченню напруженого стану зварної конструкції типу балки як в відношенні напружень викликаних зовнішніми силами, так і термомеханічних процесів є питанням актуальним, особливо при розрахунку зварної балки таврового перерізу відповідно до завдання.

В роботі здійснюється конструктивне проектування, тобто підбирається форма і розміри перерізу балки, обґрунтовується конструкція і способи з’єднання окремих елементів які б задовольняли вимоги міцності, жорсткості стійкості й умовам експлуатації.

На основі аналітично-експериментальних розрахунків на міцність проектуємо зварну балку таврового перерізу довжиною L=4м.

При розрахунку зварних з’єднань такої балки необхідно враховувати технологічну і експлуатаційну міцність з’єднуючих матеріалів чинити опір утворенню тріщин та чутливість до концентраторів напружень.

Таким чином від якості розрахунку залежить якість зварної балки в цілому яка впливає н6а довговічність та надійність конструкції в експлуатації.

1. Аналітичний розділ

Балками називається елементи споруд, які працюють на поперечний згин.

В розділі на основі порівняльного аналізу розробляється конструктивна схема розрахунку таврової балки ТУ на її проектування, вибір матеріалів, технологічного процесу зварювання та методики розрахунку.

1.1 Конструкції зварних балок.

Залежно від навантаження, довжини і умов роботи застосовують балки суцільно-складеного перерізу. Суцільні балки звичайно мають двотавровий переріз.

Поперечні перерізи балок мають різну форму, яка залежить від значень: зусиль, наявності ексинтреситету, довжин, конструкції опорних кріплень, загальної компоновки об’єкта. Стиснуті елементи балки повинні бут не тільки міцні, але й стійкі. Тому поперечні перерізи стиснутих елементів повинні мати велику жорсткість у всіх напрямках. Найбільш прості й економні перерізи балок зображені на рис.1.

Рис.1. типи перерізів суцільних балок.

Балки які піддаються дії тільки рівномірного розподіленого навантаження мають постійний по всій довжині переріз, що спрощує виготовлення конструкції.

При розрахунку балок промислових споруд попередньо задаються формою і основними розмірами перерізу а потім роблять перевірочний розрахунок. Вирішальний вплив при цьому має висота перерізу. Рекомендується приймати такі співвідношення між висотою перерізу h і довжиною балки L.

h= ( L;

1.2. Матеріал конструкції балки

Металоконструкції названого типу виготовляються із стальних листів та стального фасонного прокату з вуглецевих сталей. Для зварних конструкцій основою є сталь низько вуглецевої групи В, яка поставляється за механічними властивостями та хімічним складом.

В основному використовується сталь ВСт3, ГОСТ 380-71, що має достатньо високі механічні властивості, задовільну ударну в’язкість та добрі технологічні властивості – пластичність і зварність.

Як відомо, сучасні металоконструкції виготовляють тільки зварними. Для зварювання застосовують дугові способи: ручне, автоматичне та напівавтоматичне, напівавтоматичне в свою чергу поділяється на зварювання під шарам флюсу та в середовищі захисних газів CO₂.

Ручне дугове зварювання – універсальний технологічний процес, оскільки дозволяє зварювати конструкції в усіх просторових положеннях, недолік – мала продуктивність.

Автоматичне та напівавтоматичне зварювання під шаром флюсу – високопродуктивний технологічний процес, але застосовується тільки при зварюванні в нижньому положенні.

Автоматичне зварювання під шаром флюсу використовується для зварювання поясних швів.

1.4. Методика розрахунку конструкції

Мета розрахунку конструкції – забезпечити задані умови експлуатації та необхідну міцність при мінімальних витратах матеріалів.

Існує два основних методи розрахунку:

- розрахунок за допустимим напруженням

- розрахунковими опорами за першим граничним станом

При розрахунку конструкції за допустимим напруженнями умова міцності має вигляд:

Ϭ ≤│Ϭ│зр;

τ ≤│τ│зр;

Оскільки на конструкцію балки поширюються існуючі норми та ТУ то приймаємо розрахунок за методикою допустимих напружень.

1.5. Допустимі напруження для розрахунку

Вибір допустимих напружень фактором техніко-економічним. Вибираючи їх, треба забезпечити не тільки гарантовану працездатність конструкції, але й мінімальну можливу металоємність конструкції, від якої залежить її вартість.

Допустимі напруження для основного металу, вибирають з таблиці 1.

Таблиця 1

Допустимі напруження для сталі ВСт3сп

Вид зусиль	Умовне позначення	Величина, МПа
Розтяг	[Ϭ]р	160
Стиск	[Ϭ]с	160
Згин	[Ϭ]з	160
Зріз	[τ]	104

Допустимі напруження для зварних швів, визначаються в процентному відношенні від допустимих напружень для основного металу згідно відповідних залежностей. Для автоматичного та напівавтоматичного зварювання та ручному дуговому електродами, якість яких вища ніж Э42А, вони мають вигляд:

- допустиме напруження на розтяг для стикового шва [Ϭ΄]p=[Ϭ]p;

- допустиме напруження на стиск для стикового шва [Ϭ΄]с=[Ϭ]с;

- допустиме напруження на зріз для стикового шва [τ΄]=0,65[Ϭ]p;

- допустиме напруження на зріз для кутового шва [τ΄]=0,65[Ϭ]с;

Результати розрахунку за даними формулами наведені в таблиці 2.

Таблиця 2.

Допустимі напруження для зварних швів

Вид шва	Умовні позначення	Величина, МПа	Вид зусиль
Стиковий	[Ϭ΄]p	160	Розтяг
[Ϭ΄]с	160	Стиск
[τ΄]	104	Зріз
Кутовий	[τ΄]	104	Зріз

1.6. Норми і технічні умови на проектування

Особливістю конструкції балки переміщення безпосередньо по верхньому поясі різних навантажень, так в яких виникає не тільки деформацію балки в цілому, але й місцеву деформацію стінки, особливо плоских з'єднань.

1. Навантаження які діють на балки, можна поділити на дві групи – вертикальні та горизонтальні. До вертикальних відносять: велика маса балки, тиск крайових коліс.

2. Матеріал. ТУ регламентують застосовувати для балок низько вуглецеву та низьколеговані сталі. (ГОСТ 380-88 та ГОСТ 12282-73).

3. Допустимі напруження. Для балочних конструкцій допустимі напруження приймаються за таблицями, а для зварних швів практичному відношенні від допустимих напружень на основний метал. Міцність і економічність буде забезпечена коли Ϭ_max≤5%│Ϭ│p.

4. Показником економічності перерізу балки є параметр W/F;

де F - площа перерізу, см², W - момент опору перерізу, см³.

Чим більше це відношення, тим при меншій масі металу досягається збільшення опору перерізу балки на згин.

5. Зварювання. Робочі елементи конструкції необхідно зварювати якісними електродами або автоматичним електродуговим зварюванням.

6. Границі деформації. Найбільший прогин балки не повинен перевищувати прольоту. Розрахунок прогину балок ведеться у припущені тільки статичного навантаження.

7. Геометричні розміри. Висота балок визначається потрібною геометрією. Рекомендується приймати висоту балки h в залежності від довжини прольоту L в наступних межах:

h/L = ( ;

8. Загальна і місцева стійкість балки. При проектуванні необхідно забезпечити загальну стійкість, тобто всієї стиснутої частини перерізу балки.

При проектуванні зварних балок необхідно забезпечити не тільки іх необхідну працездатність, але і найбільшу економічність. Піднесення економічності досягається більш можливим використанням матеріалу, який забезпечує можливість одержання найменшої маси і більш високої технологічності конструкції, яка забезпечується вибором форми, які допускають використання високопродуктивних методів зварювання.

Висока працездатність зварних балок забезпечується виконанням вимог які встановлені умовами міцності, жорсткості і витривалості.

Визначення розмірів перерізу балки слід починати з вибору її висоти яка є головним розміром поперечного перерізу. Від вибору висоти вертикального листа балки залежить її жорсткість і маса. Тому висота вертикального листа і вибирається виходячи із умов забезпечення необхідної жорсткості і мінімальної маси виробу. При цьому слід мати на увазі, що із двох названих умов перша являється обов’язковою так як визначається вимогами технічних умов на проектування балок.

Умова забезпечення необхідної жорсткості балок витікає із заданих технічними умовами обмеження по прогину балки.

Перевірка жорсткості балки здійснюється визначенням відносного прогину, який не повинен перебільшувати нормативну величину тобто:

;

Граничне значення відносного прогину величина елементів в частках від прольоту є такі: і залежить від призначення балки. Величина відносного граничного прогину балки залежить від відношення висоти балки до її прольоту. Висота балки визначається із умов жорсткості по виведені формули для кожного конкретного випадку навантаження в залежності від довжини прольоту.

1.7. Експериментальне визначення напружень в зварних з’єднаннях

Найбільш універсальними засобами для вимірювання залишкових напружень, а також напружень від дії зовнішніх зусиль є тензометри опору матеріалів в результаті деформацій.

Методика вимірювання робочих напружень

Якщо металевий дріт діаметром d, натягнути силами Р так, що в ньому виникнуть напруження Ϭ_х. Тоді зміну діаметра дроту можна представляти, з однієї сторони, як:

e_d = ;

і з другої сторони, як:

e_d =-υ ;

Як відомо, величина e_d пропорційна відносній зміні електричного дроту R. Тоді:

e_d = =K ; Ϭ_x=-К .

Таким чином знаючи початковий електричний опір провідника R і його абсолютну зміну ∆R можна знайти напруження Ϭ_x.

Практика роботи з тензоризисторами опору, показала, що початковий опір краще вибирати в границях 150…200 Ом. При такому опорі довжина дроту діаметром 0,02мм досягає 100…120 мм. Дріт названої довжини складають в вигляді решітки яка утворює датчик певної бази. Дротяну решітку приклеюють на спеціальну полімерну плівку. Виводи припаюють із більш товстого дроту діаметром 0,15…0,3мм. При кріплені давачів до поверхні виробів використовують спеціальні клеї, які не втрачають пружних властивостей при деформаціях.

Градуювання датчиків проводиться на спеціальних стендах (рис.2.).

Принципова електросхема зображена на рис.3.

Рис. 2. Пристрій для градуювання дротяних давачів

Рис. 3. Електрична схема вимірювань

Д_р - робочий давач;

Д_к - компенсаційний давач;

R₁,R₂ -дротяні тензометри мостової схеми;

Е - джерело живлення;

Розрахунок робочих напружень проводиться наступним шляхом. Напруження в верхніх шарах балки і в давачі при згині визначається:

Ϭ_x= = ; (1)

З другої сторони прогин балки в місці наклеїного давача можна знайти за формулою:

f_max= = ; (2)

Підставивши рівняння 2в1 отримаємо:

I_x= ; f_max= = ;

f_max*2Ebδ³=3PlL²;

P= ;

Звідки

Ϭ_x= ;

Використовуючи виведену формулу вирахуємо напруження при градуюванні дротяних давачів і будуємо залежність зміни напружень від деформації елемента конструкції.

2. Розрахунковий розділ

Відповідно до завдання виходячи із умови міцності на згин від дії максимального моменту на балку необхідно підібрати переріз балки в виді зварного тавра з висотою стінки h і товщиною листових елементів δ.

2.1. Розрахункова схема конструкції

Необхідно розрахувати конструкцію зварної балки прогоном L м, яка вільно опирається на дві опори і навантажена рівномірно розподілиним навантаженням q кн/м. (рис.4.). Переріз балки – зварний тавр. Найбільший прогин балки відповідно ТУ f/L= 1/500.

Рис.4. Розрахункова схема конструкції.

При симетричному навантажені реакції:

R_A=R_B= = = 6нм;

Дата добавления: 2015-08-31