Расчет и проектирование сварных конструкций

Содержание:

1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Введение Теоретическая часть Назначение конструкции  и требования к изготовлению Заготовки и материалы  для изготовления конструкции Практическая  часть Конструкция сварного изделия и его узлы Расчет сварных  швов на прочность Проектирование  технологического процесса Оборудование, инструмент для изготовления конструкции Технология изготовления подкрановой балки Контроль сварной  конструкции Заключение  Список использованной литературы

4 5 5 7 9 9 12 17 20 22 24 25 26

 

 

Введение

Сварочная техника  и технология занимают одно из ведущих  мест в современном производстве. Многие конструкции современных  машин и сооружений, например космические  ракеты, подводные лодки, газо- и  нефтепроводы, изготовить без помощи сварки невозможно. Развитие техники  предъявляет все новые требования к способам производства и, в частности, к технологии сварки. Сегодня сваривают  материалы, которые еще относительно недавно считались экзотическими.

Сваркой называется  процесс получения неразъемных  соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или  пластическом деформировании или совместном действии того и другого (ГОСТ2601-84).

В курсовом проекте  рассмотривается балка подкрановая  стальная для мостовых электрических  кранов общего назначения грузоподъёмностью  до 50 т.

Подкрановые балки – металлоконструкции, которые предназначены для перемещения по ним мостовых кранов и других грузоподъемных механизмов. Они воспринимают нагрузку собственного веса, грузоподъемного механизма и поднимаемого груза.

Подкрановые балки  относят к металлоконструкциям, которые, в основном, работают на изгиб. На балках устанавливают крановые пути (рельсы), их крепления, тупики и троллеи. Подкрановые балки состоят из ребер жесткости, полок и стенки (тела) балки. Их производят длиной 6 и 12метров. Изготовление подкрановых балок – сложный производственный процесс. Потому, что подкрановые балки относят к особо ответственным металлоконструкциям. От них зависит безопасная и надежная эксплуатация кранов.

Балки предназначаются  для мостовых электрических кранов общего назначения грузоподъемностью  до 50 т легкого, среднего и тяжелого режимов работы.

Цель курсового  проекта: провести расчет и конструирование  подкрановой балки, кран Q = 20 тс, L = 6 м, режим работы средний. 
1. Теоретическая часть

1.1 Назначение конструкции и требования к изготовлению

 

Стальная двутавровая  сварная балка представляет собой  сварную конструкцию из стальных листов, по форме и размерам схожую с размером и механическими па

раметрами аналогичными горячекатаной балки по СТО АСЧМ 20-93 и ГОСТ 26020-83 типа Б, Ш, К.

Подкрановые балки  разработаны для зданий и открытых крановых эстакад со стальными и  железобетонными колоннами, с проходами  и без проходов вдоль крановых путей, возводимых во всех климатических  районах (расчетная температура  наружного воздуха минус 65 ⁰С и выше), в несейсмических и сейсмических – до 9 баллов включительно – районах.

Применение балок  допускается при воздействии  неагрессивной, слабо-, среднеагрессивной среды, а для балок, выполняемых из углеродистой стали и сильноагрессивной среды [1].

Рисунок 1 - Схемы  и основные размеры балок:

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - стенка балки; 4 - ребра жесткости; 5 - опорные ребра.

Балки должны изготовляться  в соответствии с требованиями ГОСТ 23121-78, ГОСТ 23118-78 и СНиП III-18-75 по рабочим  чертежам КМД, утвержденным в установленном  порядке [1,2,3].

Шероховатость механически  обработанной торцевой поверхности  опорного ребра не должна быть грубее первого класса по ГОСТ 2789-73. Кромки поясов подкрановых балок после  машинной кислородной резки не должны иметь неровностей, превышающих  0,3 мм.

Детали балок, в зависимости от расчетной температуры, должны изготовляться из сталей классов, приведенных в таблице 1.

Материалы для  сварки должны приниматься в соответствии со СНиП II-В.3-72.

Таблица 1 – Марки стали для производства балок

 

Наименование  детали	Сортамент	Класс стали для  зданий, воводимых при расчетной  температуре
		минус 40°С и выше		ниже минус
		Вариант 1. Из стали  одного класса	Вариант 2. Из стали  двух классов	40°С до минус 65°С
Пояс	ГОСТ 82-70	С38/23 или	С 46/33 (С 44/29)	С 46/33
Стенка	ГОСТ 19903-74	С 46/33	С 38/23	(С 44/29)
Опорное ребро		(С 44/29)	С 46/33 (С 44/29)
Ребро жесткости	ГОСТ 103-76, ГОСТ 19903-74	С 38/23

 

Поясные швы должны выполняться автоматической сваркой  с плавным переходом швов к  основному металлу.

При выполнении сварных  швов, соединяющих верхний пояс со стенкой, должен обеспечиваться полный провар стенки на всю ее толщину.

Все сварные швы  должны быть непрерывными.

Заводские стыки  листов поясов и стенок балок должны выполняться встык без накладок с применением двухсторонней  сварки. Односторонняя сварка допускается  при условии подварки корня шва.

Поверхность стыковых швов листов поясов должна быть зачищена заподлицо с основным металлом. Допускается  зачистка швов только в местах установки  кранового рельса и соединений листов со стенкой.

При выполнении стыковых сварных швов должен обеспечиваться полный провар. Расчетное сопротивление  наплавленного металла должно быть равно расчетному сопротивлению  основного металла.

Балки должны быть огрунтованы и окрашены. Грунтовка  и окраска должны соответствовать  пятому классу покрытия по ГОСТ 9.032-74 [1].

1.2 Заготовки и материалы  для изготовления конструкции

 

 

Подкрановые балки  для среднего ряда колонн должны поставляться блоками.

Блок должен состоять из двух балок, соединенных по верхнему поясу тормозным устройством, и  установленными между двумя балками  вертикальными связями для обеспечения  неизменяемости на время транспортирования  блока.

Подкрановые балки  должны изготовляться из марок сталей, указанных в таблице 1.

Материалы для  сварки следует принимать согласно СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции».

Болты следует  применять по ГОСТ 15589-70 (допускается  по ГОСТ 15591-70, ГОСТ 7798-70, ГОСТ 7796-70) и  назначать по СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции» применительно к конструкциям, не рассчитываемым на выносливость. Гайки следует применять по ГОСТ 5915-70 [1,2,3].

Для изготовления балки выбираем сталь конструкционную  низколегированную для сварных конструкций марки 14Г2АФ.

Химический состав в % материала   14Г2АФ по ГОСТ   19281 - 89 :

 C 0.12 - 0.18;  Si 0.3 - 0.6; Mn 1.2 - 1.6;  Ni до   0.3 ;

 S до   0.04;  P до   0.035; Cr до   0.4; V 0.07 - 0.12;  N 0.015 - 0.025; Cu до   0.3; As до   0.08.

Свариваемость:      без ограничений.

Механические  свойства при Т=20^oС материала 14Г2АФ:

S_в = 550 МПа; s_T = 400 МПа; d₅ = 20%.

Сварочный материал: электроды марки Э-42А УОНИ 13/45; ТУ 14-4 1855-2001 ГОСТ 9467-75 ГОСТ 9466-75; вид покрытия - Основный Б; временное сопротивление разрыву - 410 Н/мм² , угол загиба сварного соединения >180°; род тока  2; 2,5; 3; 4; 5; 6, постоянный обратной полярности; пространственные положения сварки - любое, кроме вертикального сверху вниз.

 

2. Практическая часть

2.1. Конструкция сварного  изделия и его узлы

 

Конструкция подкрановой  балки и конструкция отдельных  ее узлов показаны на рисунках 2, 3, 4.

 

 

Рисунок 2 - Общий вид  подкрановой рядовой балки

 

Рисунок 3 - Общий вид подкрановой концевой балки

 

Рисунок 4 - Основные узлы балки

 

 

1. Указания по назначению катетов сварных швов, кроме оговоренных, приведены в пояснительной записке.
2. Опорные ребра с вырезом применяются при значениях ветровых, тормозных и сейсмических нагрузок, передающихся через балки на связи по колоннам [2].

 

2.2. Расчет сварных швов  на прочность

 

Основным критерием  работоспособности швов сварных соединений является прочность. Расчет на прочность основан на допущении, что напряжения в шве распределяются равномерно как по длине, так и по сечению.

Рассчитаем сварное  соединение двутавровой балки с  колонной при следующих данных: F = 8 кН, L = 6,0 м.

Рисунок 5 – Схема для расчета сварного соединения двутавровой балки с колонной

 

1.Определяем сечение  двутавровой балки по условию  её прочности: 

                                   

где  Ми – изгибающий момент, действующий на балку от силы F в месте её заделки;

       W – осевой момент сопротивления площади поперечного сечения балки.

            Ми = FL = 8000·6000 = 48 ∙10⁶ Н·мм

   Примем, что  балка изготовлена из стали Ст.3 (σ_т=220 МПа).

   Тогда 

                                [σ] = σ_т/s,

 где s – коэффициент запаса прочности, s = 1,4 [1].

                             [σ] = 220/1,4 = 157 МПа. 

     Учитывая  только основную нагрузку, действующую  на балку от момента Ми, получаем:

  мм³

 

   Выбираем  двутавр (с учётом действия силы F) № 16.

   Для него  имеем: 

h=160 мм,  в=81 мм, d=5 мм, t=7.8 мм, Wx=109х10³ мм³, Jх=873·10⁴ мм⁴ (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема двутавра для подкрановой балки

 

Проверим прочность  балки при суммарной (полной) нагрузке:

                                      

                              

А – площадь поперечного сечения балки.

А = 2bt + (h – 2t)d = 2·81·7,8 + (160 – 2·7,8)·5 = 1985,6 мм².

                                                 

                                     

и

             

Прочность балки  обеспечена.

Задаёмся размерами  сварного шва и проверяем его  на прочность 

Длина  сварного углового шва определяется размерами  периметра двутавровой балки, а  катет шва примем – к = d = 5 мм.

 Условие прочности  сварного шва:

                                    ,

где   τ_F - напряжения в шве от силы F и направлено оно по вертикальной оси;  τ_М - напряжение от момента М. Оно изменяется по линейному закону (как напряжения изгиба) и направлено по горизонтальной оси; [τ'] – допускаемое напряжение для сварного шва,

[τ'] = 0.6[σ_р] = 0.6·157 = 94 МПа.

                            

где  А₁ и W₁ – площадь поперечного сечения сварного шва и её осевой момент сопротивления.

А₁ = 4·0.7кt + 2·0.7кb + 2·0.7к(h – 2t) + 2·0.7к(b-d) = = 4·0,7·5·7,8 + 2·0,7·5·81 + 2·0,7·5 (160 -2·7,8) + 2·0,7·5(81 – 5) = 2219 мм².

                                      

где J₁ – момент инерции площади поперечного сечения сварного шва относительно оси х-х  (рис. 6).

Контур сварного шва изображён на рисунке 7 и катет  шва по всему контуру равен  к = 5 мм.

                                            J₁ = J_н – J_б,

   где   J_н  - момент инерции площади поперечного сечения по наружному контуру шва,

     J_б  - момент инерции площади поперечного сечения балки (по внутреннему контуру шва) и равен Jб = Jх = 873·10⁴ мм⁴.

Рисунок 7 – Контур сварного шва.

 

Таким образом, прочность  сварного шва не обеспечена.

Возьмём следующий  размер двутавра №18.

Для него имеем:

h = 180 мм, b = 90 мм, d = 5.1 мм, t = 8.1 мм, J_x = 1290х10⁴мм⁴,  W_x = 143x10³ мм³.