Проектирование сварной колонны

Введение

 

        В арсенале сегодняшних инженеров-сварщиков десятки принципиально различных способов сварки и их разновидностей: дуговая, диффузионная, электронно-лучевая, ультразвуковая, радиочастотная и т.д. Но ни у кого не вызывает сомнения, что потребности промышленности, развитие науки и творчество инженеров приведут к появлению новых способов получения неразьемных соединений и совершенствованию уже известных.

        Современные способы сварки и резки основаны на использовании энергии практически всех известных ее видов: механической, химической, электрической, электро-механической, лучевой и др. Это, однако, не означает, что использован уже весь спектр источников энергии для целей сварки. К примеру, среди лучевых источников энергии ждут своего времени для использования такие, как пучки нейтронов, пучки ионов и т.д

         Перспективное направление приобретает овладение процессом управления электронным лучём по нескольким параметрам. В частности применение импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну дает возможность существенно улучшить форму швов.

В настоящее время значительная часть сварных конструкций изготавливается ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, что объясняется универсальностью, простотой и технологической гибкостью этого способа. Основной недостаток дуговой сварки штучными электродами - использование ручного труда, требующего высокой квалификации сварщика. Замена ручной сварки полуавтоматической - самый простой и доступный путь интенсификации сварочного производства.

 Одно из главных направлений  дальнейшего развития сварочного  производства - широкое применение  механизированных и автоматизированных  способов сварки.

          Белорусский металлургический  завод  предприятие чёрной металлургии в городе Жлобине в Беларуси. Первоначальная производственная мощность завода — 700 тысяч тонн стали в год. Первая плавка, как и разливка СТАЛЬ 1 ГОСТ, была произведена 15 октября 1984 года.  Белорусский металлургический завод  в 2011 году   выпустил более 2 600 тыс. тонн стали, проката — около 2 200 тыс. тонн, стальных труб — более 110 тыс. тонн, металлокорда и проволоки различного назначения — более 400 тыс. тонн.

      Изучив преимущества и недостатки лучших мировых образцов сварочной техники, наши специалисты смогли создать производство современного сварочного оборудования под собственной торговой маркой OLIVER.

     В 2009 году были разработаны и внедрены в промышленное производство инверторные аппараты для ручной дуговой сварки Oliver ММА 160/200/250 на базе современных IGBT-технологий. Цифровое управление позволило реализовать в них функции «Hot start», «ARC Force», «Antistick», что поставило их в один ряд с лучшими мировыми образцами аналогичной техники.

     Специалисты нашей компании систематически проводят работы над увеличением модельного ряда выпускаемой продукции. Уже с начала 2010 года сварочные аппараты ВА 350/500 выпускаются в трех исполнениях: MIG/MAG, ММА и комбинированный вариант MIG/MAG/ММА.

    Также в 2010 году было начато производство сварочных горелок для полуавтоматической сварки марки Оливер N 15/ N 24/N 25/ N 26/ N36 для сварки проволокой сплошного сечения в среде защитных газов.

    В 2011 году техническими специалистами нашей компании был совершен настоящий прорыв в производстве сварочного оборудования. На основе собственных исследований и разработок:

- освоено серийное производство  инверторных полуавтоматов ПДУ-350.1К  и сварочных аппаратов для  ручной дуговой сварки с тиристорным  управлением ВД 350/500;

- проведена модернизация инверторных  аппаратов Оливер ММА 160/200/250, в результате которой улучшились технологические характеристики аппаратов;

- осуществлен переход от лицензионной  сборки к серийному выпуску  машин контактной точечной сварки  Оливер МТ-22/МТ-40.

 С начала 2012 года запущено производство инверторных аппаратов для ручной дуговой сварки промышленного назначения Оливер Профи ММА 250/300/350/400/500. Уменьшенный вес, стабильные технические характеристики позволяют использовать источник в заводских и монтажных условиях. Закончена разработка цифрового сварочного полуавтомата Оливер Профи МIG/MAG 350/500 и с середины 2012 года начато его серийное производство.

 Сварные металлические конструкции используют практически во всех отраслях народного хозяйства. Особенно широко сварные конструкции применяют при производстве металлургического, горнорудного, энергетического оборудования, строительно-дорожных машин, подвижного состава железных дорог, автомобилей и сельскохозяйственной техники, судов строительных конструкций и трубопроводов.

 Сварные металлические конструкции имеют следующие преимущества по сравнению с клепаными конструкциями: экономия металла до 15—20% за счет полного использования рабочих сечений, рационализации формы конструкции, меньшей массы соединительных элементов; уменьшение стоимости изготовления за счет уменьшения массы и трудоемкости изготовления — при изготовлении сварных конструкций исключается трудоемкая операция разметки и образования отверстий под заклепки; стоимость изготовления сварных конструкций снижается также за счет удешевления оборудования.

 

 

1 Конструкторский раздел

1. Описание конструкции колонны

 

Колонна- это металлическая конструкция которая работает на сжатие и служит для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций( балок, ферм, перекрытий больших пролетов), через фундамент на грунт. Она состоит из 3-ох основных частей:

1. Оголовка - верхней части колонны. Он состоит из плиты, вертикальных и горизонтальных ребер жесткости и предназначен для установки конструкций нагружающих колонну;
2. Стержня - основного несущего элемента колонны состоящего из двух швеллеров расположенными полками наружу;
3. Базы - нижней части колонны. Она состоит из опорной плиты, двух траверс и крепежных болтов и служит для распределения сосредоточенной нагрузки от стержня по поверхности фундамента.

     База распределяет сосредоточенное давление от стержня колонны по определенной площади фундамента, обеспечивает закрепление нижнего конца стержня колонны в фундаменте в соответствии с принятой расчетной схемой.

     Стержень- основной несущий  элемент колонны, связывающий оголовок и базу.

     Оголовок предназначен  для распределения нагрузки по  сечению стержня, а так же  он  служит для опоры вышележащих  конструкций.

    Колонна сквозная, центрально-сжатая, с высотой 9,5 метров и нагрузкой 1116кН, которая действует строго по центру колонны. Стержень колонны состоит из двух прокатных швеллеров с номером профиля 30. Швеллера расположены полками во внутрь. Швеллера скреплены с помощью сварки полками. База и оголовок имеет шарнирное  крепление верхнего и нижнего  конца колонны.

 

1.2Выбор и обоснование металла  сварной конструкции

 

 

     Для изготовления колонны применяются  углеродистая сталь обыкновенного  качества ст3пс поставляемая по  ГОСТ 380-94 и предназначенная для  изготовления проката горячекатаного: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмов, слябов, сутунки, заготовок катаной и непрерывно-литой, труб, поковок и штамповок, ленты, проволоки, метизов и др..               Эта сталь хорошо сваривается, шов получается без пор и нет трещин в около- шовной  зоне. Колонна, изготовленная из этой стали хорошо переносит перепады температур, обеспечивает  надежность в эксплуатации при заданной нагрузке.

     Таблица 1 – Химический состав стали Ст.3пс

Марка Стали	ГОСТ	Содержание элементов, %
		С	Мn	Si	Cr	Cu	Ni
Ст.3пс	380-94	0,14-0,22	0,40-0,85	0,05-0,17	<0,3	<0,3	<0,3

 

 

    Таблица 2 – Механические свойства стали Ст.3пс

Марка стали	ГОСТ	Предел прочности при растяжении МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, мДж/м2	Расчётное сопротивление, Мпа
10ХСНД	19281-89	380	230	230	23	235

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Расчёт и конструирование  стержня колонны

 

Ориентировочно принимаем коэффициент продольного изгиба

 

 

Определяем требуемую площадь поперечного сечения стержня колонны Атр, см2, по формуле

 

 

где  N – расчетная нагрузки, кН;

      Ry – расчетное сопротивление металла, кН/см2 [1, с. 41].

Так как сечение колонны состоит из двух швеллеров, находим требуемую площадь одного швеллера , см2, по формуле

 

 

По таблицам сортамента подбираем близкую к требуемой площади А'тр действительную площадь поперечного сечения одного швеллера А'д и вписываем геометрические характеристики швеллера:

• № швеллера – 24
• А'д = 30,6 см2
• Iх = 2900см4
• Iy =  208см4
• rx = 9,73см
• rу = 2,6 см
• zo = 2,42см

Определяем действительное значение площади поперечного сечения стержня , см2, по формуле

 

 

 

 

 

 

Определяем гибкость стержня колонны относительно оси х-х, λх, по формуле

 

где lp –  расчетная длина стержня колонны, зависящая от закрепления ее концов в соответствии с рисунком 1, см;

      rx –  радиус инерции, см.

 

По λх определяем действительное значение коэффициента продольного изгиба φд [2, с. 348].

Проверяем стержень колонны на устойчивость σ, кН/см2, по формуле

 

 кН/см2    

где ус – коэффициент условий работы [2, с. 343].

 

Стержень колонны должен иметь минимальное сечение, удовлетворяющее требованию устойчивости. Недонапряжение и перенапряжение не должно превышать 5 %.

Определяем перенапряжение в сечении колонныю

lp =hk=9м

 

 

 

 

 

1.4 Расчет и конструирование  соединительных планок

 

Определяем расстояния lв, см, между соединительными планками 2 в соответствии с рисунком 2, по формуле

 

 см

где λв –  гибкость одной ветви, λв= 30

       rу – радиус инерции одного швеллера 1 относительно собственной

   оси, см.

Принимаем расстояние между соединительными планками 80см.

Определяем расстояние между швеллерами b, исходя из условия равноустойчивости.

Для этого из условия равноустойчивости

 

 

Выражаем гибкость стержня относительно оси у-у, λу

 

 

Определяем необходимый радиус инерции сечения стержня ry, см, относительно оси у-у, по формуле

 

см

 

Если полки швеллера расположены внутрь, в соответствии с рисунком 3, то расстояние между ветвями колонны b, см, определяем по формуле

 

                                                        

 см

 

Расчетные размеры (b) округляем до целого четного числа b=24см.

 

 

Определяем геометрические характеристики сечения стержня.

Определяем момент инерции сечения колонны относительно оси  у-у I'у, см4, по формуле:

 

 см4

      Если полки швеллера  расположены наружу, то расстояние  а, см, определяем по                                 

 

 

 

Определяем действительное значение радиуса инерции сечения стержня относительно оси у-у ry, см, по формуле

 

 

Определяем действительную гибкость стержня колонны относительно оси у-у λ'у, по формуле

 

                      

Определяем приведенную гибкость стержня, λпр, по формуле