 |
Нагрузки, виды и характер их воздействия
|
|
|
|
По характеру воздействия нагрузки могут быть статическими и динамическими.
Для статической нагрузки характерно относительно медленное ее приложение (от нуля до конечной величины). Примером статической нагрузки является собственный вес (масса) конструкции.
Многократные статические нагрузки, следующие с частотой не более одного нагружения в секунду, условно относят к повторно-статическим.
Динамические нагрузки - нагрузки, меняющиеся во времени и имеющие циклический характер нагружения. К ним относятся ударные, подвижные, вибрационные, переменные (знакопеременные, знакопостоянные). Ударный характер приложения нагрузок относят к числу наиболее тяжелых режимов работы сварных конструкций.
Расчет прочности сварных соединений при статических нагрузках
Внешние воздействия характеризуют значениями сил и значительно реже уровнем перемещений.
По виду приложения нагрузки могут быть:
сосредоточенными – Р, кН;
распределенными, равномерно, неравномерно по длине или по площади – q, кН/м; кН/мм2;
в виде моментов - изгибающих Ми и вращающих или крутящих Мвр, кН×м.
Под воздействием приложенной внешней нагрузки конструктивный элемент испытывает деформации. Виды деформаций: растяжение, сжатие, срез, сдвиг, кручение, изгиб. По характеру деформации могут быть упругими и пластическими.
Внутренними силовыми факторами являются:
продольная сила – N, кН;
поперечная (сдвигающая) сила – Q, кН;
крутящий момент – Mкр;
изгибающий момент – Ми.
Напряжения могут быть: нормальными s и касательными t, Н/мм2 (кгс/см2).
Как правило, реальные конструкции находятся под воздействием различного сочетания нагрузок и в таком случае они испытывают напряженно-деформированное состояние (НДС) различного вида.
|
|
|
При расчете сварных соединений на растяжение или сжатие условие прочности имеет вид:
по нормальным напряжениям
σш ≤ [σ’] (45);
по касательным напряжениям
tш ≤ [t’] (46);
Где:
σш – нормальные расчетные напряжения в сварном шве,
tш – касательное расчетные напряжения в сварном шве,
[σ’] – максимальные допускаемые нормальные напряжения в сварном шве,
[t’] – максимальные допускаемые нормальные напряжения в сварном шве,
Расчет сварных швов, в зависимости от расчетной схемы сварного соединения, следует проводить по формулам, приведенным в приложении.
Стыковые соединения, испытывающие одновременно действие нормальных и касательных напряжений, следует проверять по формуле
(47);
При действии изгибающего момента стыковой шов рассчитывают по формуле
σш = М /Wш ≤ [σ΄], (48);
где Wш = slш2/6 - осевой момент сопротивления стыкового шва.
Угловыми сварными швами выполняются соединения - нахлесточные, тавровые и угловые. Расчетная площадь сечения углового шва, являясь плоскостью среза шва, определяется по выражению:
Fш = hрlш ,
где hр = βК - расчетная высота поперечного сечения углового шва;
β - коэффициент для определения расчетной высоты шва в зависимости от формы его поперечного сечения (нормального, выпуклого, вогнутого), вида и способа сварки, принимаемый равным: 1 – для автоматической, 0,9 – для однослойной механизированной и многослойной автоматической, 0,8 – для многослойной механизированной, и 0,7 – для ручной сварки;
К - катет углового шва;
lш - расчетная длина шва.
При определении суммарной площади сечения угловых швов с равными катетами применяют выражение Fш = nβКlш, где n – количество швов.
|
|
|
При расчете сварных угловых швов коэффициент β часто принимают равным 0,7 независимо от способа сварки. Это приводит к дополнительному запасу прочности соединения, но влечет за собой перерасход сварочных материалов.
При расчете сварных соединений с угловыми швами необходимо учитывать следующие требования:
- катеты угловых швов следует принимать по расчету, но не более 1,2s и не менее величин, указанных в приложении 7.
- расчетная длина углового шва должна быть не менее 4К (или 40 мм);
- расчетная длина флангового шва не должна превышать 50К (из условия обеспечения наименьшего объема сварочных деформаций и напряжений), за исключением швов, в которых усилие действует на всем протяжении шва;
- величина нахлеста должна быть не менее 5 толщин наиболее тонкого из свариваемых элементов;
- соотношения величин катетов швов следует принимать 1:1 при действии статических и не менее 1:1,5 - динамических нагрузок;
- применение односторонних угловых швов не допускается в конструкциях, испытывающих действие динамических нагрузок и эксплуатируемых в агрессивных средах.
Расчет сварных соединений на выносливость
Сварные конструкции, работающие под действием переменных нагрузок, необходимо проверять расчетом на выносливость.
Долговечность конструкций, у которых могут возникнуть явления усталости, зависит от предела выносливости материала, из которого они изготовлены. При расчете таких конструкций на выносливость допускаемые напряжения или расчетные сопротивления для основного металла и сварных соединений, принятые при проверке статической прочности, понижают путем умножения их на коэффициент γ ≤ 1.
Влияние динамических нагрузок учитывают с помощью коэффициента η, принимаемого в зависимости от типа машины и характера ее работы, тогда расчетная нагрузка равна Рр = η Р.
При расчете сварных соединений на выносливость условие прочности при переменных нагрузках в общем виде имеет вид:
по нормальным напряжениям
σш ≤ [σRσ] (49);
по касательным напряжениям
tш ≤ [tRσ] (50);
|
|
|
где σR - среднее значение предела выносливости сварного соединения.
Примерами конструкций, испытывающих действие динамических нагрузок, являются детали и узлы машин, корпусные транспортные конструкции и др.
Нагрузки в сочетании с формой сварных соединений и элементов конструкций образуют сложные распределения напряжений, от которых в большинстве случаев зависят прочность и работоспособность сварных соединений.
Своеобразны условия эксплуатации, когда сварная конструкция имеет большую накопленную энергию из-за того, что под нагрузкой находятся значительные участки металла с высоким уровнем действующих напряжений. Это в первую очередь газопроводы большого диаметра, крупные сосуды со сжатым газом, сосуды из высокопрочных сталей, в которых накопленная энергия упругих деформаций весьма значительна.
Температура
Необходимость учета температурного фактора в процессе эксплуатации сварных конструкций существенно зависит от состояния материала.
Сопутствующее эксплуатации действие температуры может вызывать весьма неблагоприятные аномальные ухудшения свойств металла вследствие протекания таких процессов, как деформационное старение металла, тепловое охрупчивание, отпускная хрупкость, замедленное разрушение и др.
Эксплуатационная температура может быть:
нормальной - плюс 20 °С;
низкой – от минус 40 °С и ниже;
высокой – от плюс 200 °С и выше;
криогенной до абсолютного нуля.
Область низких температур диктует свои требования в отношении выбора материала конструкции из-за возможности отрицательного проявления низкотемпературной хрупкости.
При криогенных температурах, как правило, необходимо использовать специальные стали и цветные сплавы, а также соответствующие им виды и способы сварки.
В области высоких температур эксплуатации выбор соответствующего жаропрочного материала является решающим для обеспечения необходимой работоспособности сварной конструкции.
Длительное воздействие высокой температуры или ее изменение во времени по определенному закону, в том числе и без нагрузок, в ряде случаев может вызвать существенные изменения прочности и пластичности материала под влиянием изменения структурного состояния и образования внутренних деформаций и напряжений. При продолжительном действии температуры и нагрузки проявляется ползучесть металла, и прочность определяется пределом длительной прочности.
|
|
|
Среда
Воздействие фактора среды также крайне многообразно. Характер агрессивной среды значительно влияет на выбор материала, который может иметь отрицательные последствия даже при отсутствии нагрузок, вызывая, например, коррозию металла. В сочетании с нагрузками возможно коррозионное растрескивание, которое в дальнейшем может привести к хрупкому разрушению.
Для создания работоспособной конструкции нередко необходима термообработка после сварки.
Степень влияния концентрации напряжений на выносливость конструктивного элемента в зависимости от расположения концентратора напряжений показана в таблице 14.
Таблица 14
Результаты испытаний образцов из стали
| Тип соединения | σ-1, МПа | Кσ |
| Стыковое Прикрепление фасонок встык Прикрепление ребер жесткости Нахлесточные соединения с обваркой по контуру Нахлесточные соединения с фланговыми швами | 70 52 41 35 23 | 1,32 1,40 1,55 1,69 2,33 |
Влияние остаточных напряжений на прочность сварных соединений при переменных нагрузках проявляется главным образом при наличии концентраторов напряжений. Так, например, снижение усталостной прочности могут вызвать поры, оказавшиеся в протяженных швах, где остаточные напряжения в направлении вдоль шва имеют наибольшие значения и трещины от пор растут поперек шва.
Как показали исследования, остаточные напряжения на статическую прочность сварных соединений не влияют.
Сопоставление пределов выносливости для разных типов соединений позволило показать преимущество сварных стыковых соединений по сравнению другими типами.
Пределы выносливости стыковых соединений, выполненных без дефектов, лишь незначительно отличаются от пределов выносливости основного металла.
Соединения с угловыми швами, обладающие острыми концентраторами напряжений, имеют низкую усталостную прочность, которая может быть несколько повышена специальными приемами.
По рациональному проектированию и изготовлению разработаны рекомендации: применять лобовые угловые швы с неравнобедренным очертанием при отношении горизонтального катета к вертикальному как 2:1, в комбинированных соединениях производить обваривание соединений по всему контуру.
|
|
|
Рис.10 Сопоставление пределов выносливости для разных типов соединений
1 – цельная деталь, 2 – деталь с отверстием, 3 – деталь с фронтально нагруженным нахлесточным сварным соединением, 4 – стыковой шов со снятым усилением, 5 – двухсторонний стыковой шов, 6 – односторонний стыковой шов, 7 – двухсторонний тавровый шов, 8 – односторонний тавровый шов, 9 – контактная точечная сварка, 10 – наплавка, 11 – косой стыковой шов со снятым усилением, 12 – двухсторонний косой стыковой шов, 13 - деталь с флангово нагруженным нахлесточным сварным соединением,
Повышение сопротивления усталости можно обеспечить, во-первых, снижением в сварных соединениях концентрации напряжений, а во-вторых, благоприятным изменением поля остаточных напряжений.
Минимальную концентрацию напряжений стремятся обеспечить как за счет рационального выбора типов соединений, методов и приемов сварки, так и путем устранения резких переходов от шва к основному металлу, механической зачисткой, электродуговой обработкой или нанесением покрытий.
Все названные способы оказываются эффективными в частных случаях. Например, механическая зачистка швов дает повышение усталостной прочности в стыковых соединениях при R = - 1, меньше - при R = 0 и почти не повышает усталостную прочность лобовых и фланговых швов.
Электродуговая обработка швов также более эффективна для стыковых и менее - для угловых швов.
Методы устранения и перераспределения остаточных напряжений многообразны.
Высокий отпуск является наиболее универсальным способом снятия остаточных напряжений. Однако наряду со снятием остаточных напряжений высокий отпуск может вызвать существенное изменение структуры и свойств металла, в особенности в зонах концентрации пластических деформаций, и положительное влияние высокого отпуска снижается по мере увеличения степени концентрации напряжений. Установлено, что стыковые соединения из низкоуглеродистых и низколегированных сталей при качественном их выполнении работают в эксплуатации вполне удовлетворительно и без высокого отпуска.
Соединения с угловыми швами, обладающие низкой усталостной прочностью, не улучшают своих качеств в результате отпуска, а напротив, их ухудшают, в особенности при циклах R ≥ 0.
Опыт изготовления ряда сложных и ответственных сварных конструкций (котлов, сосудов высокого давления, конструкций атомной промышленности, криогенной аппаратуры и др.) показывает, что не только высокий отпуск, но в ряде случаев и более высокотемпературная термическая обработка оказываются необходимы и используются как для снятия остаточных напряжений, так и для выравнивания и улучшения структуры металла.
17. Техника безопасности, противопожарные мероприятия и промышленная санитария
В этом вопросе организационного раздела курсового проекта необходимо изложить материал с точки зрения мастера производственного участка и отразить:
- общие требования по допуску работающего к сборке и сварке;
- производственные опасности при сборке и сварке;
- мероприятия по борьбе с загрязнениями воздуха, шумом, вибрацией, нормы освещения, вентиляция, места расположения оборудования для вентиляции;
- меры предохранения от поражения электрическим током;
- меры предохранения от излучения дуги и ожога;
- меры безопасности при работе с защитными газами;
- противопожарные мероприятия на участке.
Библиографический список
Основные источники
1. Чернышов Г.Г. Технология электрической сварки плавлением: учебник для студ. учреждений сред.проф. образования - М. Издательский центр «Академия», 2010. - 496с.
2. Маслов Б.Г. Производство сварных конструкций: учебник для студ. учреждений сред.проф. образования/ Б.Г.Маслов, А.П.Выборнов. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 256с.
3. Овчинников В.В. Расчет и проектирование сварных конструкций: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования/ ВюВ.Овчинников - М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 256с.
4. О.С.Моряков, Оборудование машиностроительного производства: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. образования. М.,: Издательский центр «Академия», 2009.
5. В.В. Овчинников. Контроль качества сварных конструкций: учебник для студ. учреждений сред.проф. Образования – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 256 с.
6.Милютин В. С., Катаев Р. Ф. Источники питания и оборудование для электрической сварки плавлением. М.: Издательский центр «Академия», 2010.
7.Лубнин, М.А. Проектирование сварных конструкций. Прочность и деформации конструкций [Текст]:учеб. пособие/М А. Лубнин, С.А. Готовко.-Красноярск:СибГАУ,2005.-140с.
Дополнительные источники:
8.Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987.
9.Ю. Н. Разаренов. Оборудование для электрической сварки плавлением, М; Машиностроение, 1987 г.
10.О. Н. Барашкова. Источники питания сварочной дуги, М; Высшая школа, 1982 г.
11.Л. П. Шебеко. Оборудование и технология автоматической и полуавтоматической сварки, М; Высшая школа, 1985 г.
12. Сварка в машиностроении. Справочник в четырех томах. Машиностроение, 1978-1983.
13.Китаев А.М, Китаев Я.А. Справочная книга сварщика. Машиностроение,1985.
14.Свецинский В.Г, Галиныч В.К, Кушнерев Д.М, Суйтель А.М. Сварочные материалы для механизированных способов дуговой сварки. Машиностроение,1983.
15.Сварочные материалы для дуговой сварки. Справочник (Под ред. Потапова Н.Н)- Машиностроение,1989
16.Электроды для дуговой сварки и наплавки. Каталог.- Киев,1967.
17.Электроды специального назначения для сварки и наплавки. Каталог. -М. Чермебинформация,1989.
18. Дюргеров Н.Г.,СагировХ.Н., ЛенивкинВ.А. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. - Энергоиздательство,1985
19. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением (под ред. Патона Б.Е.)Машиностроение,1974.
20.Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демьянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. Машиностроение,197Технология и оборудование сварки плавлением (Под ред. Никифорова Г.Д.); Машиностроение,1986
21. ГОСТ 2.312 – 72. Условные изображения и обозначения сварных соединений.
22.ГОСТ 5264 – 80. Швы сварных соединений. Ручная электродуговая сварка. Основные типы и конструктивные элементы.
23. ГОСТ 14771 – 76. Швы сварных соединений. Электродуговая сварка в защитных газах. Основные типы и конструктивные элементы.
24. ГОСТ 8713 – 79. Швы сварных соединений. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсами. Основные типы и конструктивные элементы.
Учебно-методическое издание
|
|
|
