Изучение сварных соединений конструкций строительных машин. Методические указания к выполнению лабораторно-практической работы

Министерство Образования Российской Федерации ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Методические указания к выполнению лабораторно-практической работы

Составитель

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2002.

Дамбуев Г.Н.

Методические указания по дисциплине «Строительные машины» к выполнению лабораторно-практической работы: «Изучение сварных соединений конструкций строительных машин» для студентов III курса строительного факультета специальности «Промышленное и гражданское строительство» составлены доцентом кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Дамбуевым Г.Н. Рецензент: к.т.н., доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Сергеев К.И.

ВВЕДЕНИЕ Высокая производительность сварочного процесса, высокое качество соединений и экономичное использование металла обеспечивают в настоящее время использование сварки для изготовления разнообразных металлоконструкций машин и механизмов различных назначений. Сварка – не только технологический процесс получения заготовок разнообразной формы и сложности, предназначенной для последующей механической обработки. Сварка – это в первую очередь метод сборки и монтажа конструкций из отдельных элементов, выполняющих различные функции. Высокие эксплуатационные характеристики сварных изделий – результат рациональных конструктивных решений и совершенства технологического процесса сборки и сварки. Потребности в создании ранее неизвестных сочетаний деталей, их свойств и функциональных назначений рождают новые технологические приемы сварки, которые открывают новые возможности для проектирования и изготовления металлоконструкций различных технологических назначений. Сварка в современном производстве является основным видом получения соединений металлических строительных конструкций. Наиболее прогрессивно изготовление металлических конструкций на заводах, и их соединение на строительных объектах высокопрочными болтами. Широкое применение находят сварные конструкции из гнутых или штампованных элементов. Эти конструкции допускают рациональные формы при малой трудоемкости их изготовления. Сварка позволяет удешевлять и совершенствовать конструкции, полученные разными заготовительными операциями из поковок, проката, отливок и деталей из разных материалов. Применение сварных конструкций обеспечивает существенную экономию металла по сравнению с клепанными и литыми. Для сварки характерны высокие экономические показатели: малая трудоемкость процесса, относительно низкая стоимость оборудования и возможность автоматизации процесса сварки.

НЕСУЩИЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН Одной из основных задач совершенствования сварных металлоконструкций строительных машин является снижение их массы при одновременном повышении надежности так как масса сварных конструкций составляет почти половину общей массы этих машин. На несущих конструкциях монтируют рабочие органы, а также все механизмы и сборочные единицы машин. Следовательно, от их правильного конструктивно-технологического проектирования, изготовления, а также ремонта в процессе их эксплуатации зависит срок службы строительных машин. Несущие сварные конструкции машин классифицируют на балочные, рамные и решетчатые. Балочные конструкции. К таким конструкциям относят телескопические стрелы кранов; стрелы и рукояти экскаваторов; хребтовые балки автогрейдеров; стрелы бетононасосов; металлоконструкции ходовых устройств машин и др. На рис. 1. приведены сечения балок металлоконструкции вышеуказанных машин. По типу сечений различают балки открытого и замкнутого сечений (Рис. 1.). Наибольшие распространение в строительных и дорожных машинах получили балки с замкнутым сечением. Кроме того, различают балки из прокатных профилей постоянного сечения (швеллер, двутавр, прямоугольное сечение, трубы) и составные, которые могут изготавливать из листовых, гнутых и комбинированных элементов. Наиболее экономичными по затрате металла при действии изгибающего момента в одной плоскости являются балки двутаврового сечения. Балки замкнутого сечения целесообразно применять при действии крутящего момента или изгибающих моментов в разных плоскостях. Рамные конструкции. Рамные конструкции порталов башенных кранов, ходовых рам гусеничных экскаваторов, самоходных кранов и других машин изготовляют обычно из листовых элементов, при этом используют гнутые профили и сортовой прокат. Как правило, эти рамы имеют почти одинаковые габаритные размеры (длину и ширину).

-4-

Рис. 1. Открытые (1,2,5,12) и замкнутые (3,4,6-11, 1316) сечения балок: а – прокатных; б – из листовых элементов; в – из гнутых элементов; г – комбинированных.

-5-

Рис. 2. Ходовая рама одноковшового гусеничного экскаватора. Например, ходовую раму гусеничного экскаватора изготовляют из отдельных листовых элементов (Рис. 2.), а в средней ее части устанавливают цилиндрическую обечайку, на которой размещают опорноповоротную часть экскаватора. Такая конструкция характерна для машин (экскаваторов, кранов, бетононасосов, автоподъемников и др.), имеющих поворот вокруг вертикальной оси. Опорно-поворотную часть машин желательно устанавливать на жесткое основание для исключения заклинивания опорноповоротного круга. Ходовые рамы пневмоколесных экскаваторов, поворотные платформы экскаваторов и кранов, рамы погрузчиков, автогрейдеров, бетононасосов и многих других строительных и дорожных машин изготавливают из отдельных балок (продольных и поперечных). Решетчатые конструкции. Стрелы кранов, драглайнов, башни кранов, металлоконструкции мачтовых и грузопассажирских подъемников и других строительных машин являются решетчатыми конструкциями. Они могут быть плоскими и пространственными. -6-

Плоские решетчатые конструкции имеют соединительные решетки различных типов: треугольные, треугольные со стойками; раскосные, двойные треугольные (крестовые); полураскосные и т.д. Решетчатые конструкции изготавливают из прокатных профилей открытого или замкнутого сечений, причем последние имеют существенные преимущества по сравнению с первыми: они обладают большей устойчивостью при работе на сжатие и кручение. Наибольшее распространение при изготовлении решетчатых конструкций получили уголковые и трубчатые профили. На рис. 3. приведены различные сопряжения пояса с раскосами в решетчатых конструкциях. При выполнении пояса из уголкового профиля элементы решетки изготавливают из уголкового или трубчатого круглого профилей. При выполнении пояса из трубчатого круглого профиля решетки изготавливают тоже из трубчатого круглого профиля. Пространственные решетчатые конструкции выполняют с совмещенными и несовмещенными в смежных гранях узлами. Каждая плоскость конструкции может иметь соединительные решетки различных типов. При больших длинах конструкции выполняют составными (из отдельных секций). Каждая секция должна иметь на концах одну или две поперечные диагональные диафрагмы. Секции соединяют с помощью шарниров или фланцев.

-7-

Рис. 3. Различные сопряжения пояса с раскосами в решетчатых конструкциях а – соединение пояса с раскосами сплющиванием концов труб и приваркой их внутри или снаружи к плоскости полки; б – то же по торцу полки; в – разрезание труб вдоль решеток и вставка разрезом в перо уголка пояса и сварка по контуру места стыка трубы с полкой уголка пояса; г – приварка отрезков труб с разделкой по концам под сопряжением с поясом в конструкциях из круглых трубчатых элементов; д – решетки выполненные из одного трубчатого профиля, изогнутого по нужной форме и приваренные к поясу без косынок; е – пояса решеток выполненные из труб квадратного сечения, а раскосы из круглых труб.

-8 –

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Сварка – технологический процесс соединения деталей, основанный на использовании сил молекулярного сцепления происходящий при сильном нагреве их до расплавленного или пластического состояния. Она является одним из самых распространенных современных способов получения неразъемных соединений конструкции машин, а также различных металлических конструкции. Сварные соединения являются наиболее совершенными неразъемными соединениями так как лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготовлять детали и конструкции различных форм и размеров. Так, сваркой изготавливают станины, рамы и основания машин, корпуса редукторов, зубчатые колеса, шкивы, маховики, фермы, паровые котлы, различные резервуары, корпуса речных и морских судов, мосты и другие несущие конструкции машин, а также строительные металлические конструкции. В современном производстве используются различные способы сварки: газовая, электродуговая, контактная, трением, электрошлаковая, специальные виды сварок (диффузионная, плазменная, электронно-лучевая, радиочастотная, ультразвуковая, взрывом), а также различные способы наплавки. Наибольшее применение для сварки деталей и конструкции машин, а также строительных металлоконструкций получили ручная дуговая сварка и автоматическая сварка в среде защитных газов и под слоем флюса. На рис. 4 приведена принципиальная цепь схемы ручной дуговой сварки.

Рис. 4. Принципиальная схема электрической цепи при ручной дуговой сварке 1 – рабочий стол; 2 – свариваемые изделия; 3 – электрод; 4 – электродержатель; 5 – изолированный сварочный провод; 6 – источник питания дуги; 7 – сварочный провод; 8 – струбцина.

-9При сварке на переменном токе порядок присоединения проводов к клеммам источника питания дуги не имеет значения так как полярность непрерывно меняется. Большинство современных электродов общего назначения пригодно для сварки любой полярности, вместе с тем имеется ряд марок электродов, предназначенных для сварки на какой-либо полярности. В паспортах на электроды указывается преимущественное применение их при той или иной полярности. Сварные соединения по взаимному расположению соединяемых элементов классифицируются на: стыковые, нахлесточные, тавровые, угловые, в ряде случаев используются соединения комбинированные, прорезные, торцовые, с накладками, электрозаклепками. На рис. 5. приведены сварные соединения.

Рис.5. Сварные соединения а – стыковые, б – стыковые с отбортовкой, в – стыковые листы разной толщины, г – нахлесточные, д – угловые, е – тавровые, ж – прорезные, з – торцовые (боковые), и – с накладками, к – электрозаклепками. Недостатком сварного соединения при изготовлении конструкции является нестабильность качества шва, зависящая от классификации сварщика. - 10 -

Этот недостаток устраняется применением автоматической сварки. В настоящее время прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, включая высоколегированные, а также сплавов и пластмасс. Новые прогрессивные методы сварки позволяют увеличить толщину свариваемых деталей, качество сварного шва и производительность выполнения сварочных работ.

- 11 РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Основное требование при проектировании сварных деталей и конструкций машин – обеспечение равнопрочности шва и соединяемых деталей, т.е. должно выполняться условие

[σ ] ≤ [σ ′] где [σ ' ] - допускаемое напряжение сварного шва. Расчет и проектирование сварных соединений (конструкций и деталей) сводится к выбору вида соединения, способа сварки, марки электрода, рациональному размещению сварных швов, определению сечения и длины швов из условия равнопрочности наплавленного металла (шва) и соединяемых деталей. Сварные швы стыковых соединений называют стыковыми. Сварные швы нахлесточных, угловых и тавровых соединений называют угловыми. Стыковые швы рассчитывают по номинальному сечению соединяемых элементов без учета утолщения швов. В зависимости от работы стыкового шва (Рис.6.) его соответственно рассчитывают на растяжение

σ p = F / lS ≤ [δ ' p ] на сжатие

σ с = F / lS ≤ [δ 'c ]

Где F – сила, растягивающая или сжимающая соединяемые элементы; S – толщина более тонкой свариваемой детали; l - длина шва; [σ p ' ] и [σ c ' ] - соответственно допускаемое напряжение для шва при растяжении и сжатии. При действии на стыковой шов изгибающего момента М в плоскости соединяемых элементов (рис.7.) расчет шва производят по формуле:

σ = 6 М / Sl 2 ≤ [σ ' p ] - 12 -

Рис. 6 Если стыковой шов находится под действием изгибающего момента М и растягивающей силы или сжимающей силы F (Рис. 8), то такой шов рассчитывают по формуле:

σ = F /( Sl) + 6M /( Sl 2 ) ≤ [δ ' p ] Нахлесточные соединения, как правило выполняют угловыми вами

Рис. 7

Рис. 8

Нахлесточные соединения, как правило выполняют угловыми швами. Угловые швы по расположению относительно силы действующей на шов различают: на поперечные или лобовые, расположенные перпендикулярно направлению силы; продольные или фланговые, расположенные параллельно направлению силы; косые, расположенные под углом к направлению силы; комбинированные, представляющие собой сочетание перечисленных швов. Угловые швы рассчитывают на срез по наименьшей площади сечения, расположенного в биссекторной плоскости прямого угла поперечного сечения шва (Рис. 9). В расчетном сечении толщину углового шва принимают равной 0,7 К, - 13 -

где К – катет поперечного сечения шва, l - длина шва.

Рис. 9 Расчет угловых швов производится по формуле:

τ с = F /(0,7кl) ≤ [τ 'c ]

где

τ с -расчетное напряжение среза в шве; l -длина шва;

[ τ 'c ]- допускаемое напряжение на срез шва; F – сила, приложенная на соединение. Если соединение выполненное угловым швом нагружено изгибающим моментом М в плоскости соединения элементов (Рис. 10), то расчет производят по формуле:

τ = 6М /(0,7кl 2 ) ≤ [τ 'c ] при действии на угловой шов изгибающего момента М и силы F, перпендикулярной шву (Рис. 11.), его рассчитывают по формуле:

- 14 -

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

τ = F /(0,7kl) + 6M /(0,7 kl 2 ) ≤ [τ 'c ] Угловой шов (Рис. 12), на который действует изгибающий момент М=F l и сила F, параллельная шву, рассчитывают по формуле:

τ = [ F /(0,7 kl)]2 + [6 Fl / 0,7kl 2 ] ≤ [τ 'c ] - 15 -

Комбинированные швы рассчитывают на основании принципа независимости действия сил. Для фланго-лобового шва (Рис.13) безопасное усилие, которое может он выдержать можно определить по формуле:

Fфл + Fлоб = 0,7кΣl[τ 'c ] где l - суммарная длина лобового и флангового швов соединения. Соединения выполненные точечной сваркой (Рис. 14. аодносрезная; б – многосрезная плоскость) работают преимущественно на срез и рассчитываются по формуле: П=π Pu π=3,14

τ = F /[ Z ( Пd 2 / 4)i] ≤ [τ 'c ]

где Z – число сварных точек; i - число плоскостей среза; d – диаметр сварной точки. Диаметр сварной точки выбирают в зависимости от толщины, меньшей из свариваемых деталей (пластин).

Рис. 13

Рис. 14

d = 1,2S+4 мм d = 1,5S+5 мм

при S ≤ 3 мм при S >5 мм

Обычно принимают

t=3d;

t1=2d; t2=1,5d.

В расчете значения допускаемых напряжений в сварных швах принимают из таблицы допускаемых напряжений сварных швов при статических нагрузках.

- 16 –

Таблица Допускаемые напряжения для сварных швов при статической нагрузке

Сварка

Допускаемое напряжение для сварных швов При сжатии При сдвиге При растяжении [σ 'c ] (срезе) [τ 'c ]

[σ ' p ]

Автоматическая, ручная электродами Э-42А и Э-50А, в среде защитного газа, контактная стыковая

Ручная электродами обычного качества

[σ p ]

[σ p ]

0,65 [σ p ]

0,9 [σ p ]

[σ p ]

0,6 [σ p ]

-

0,5 [σ p ]

Контактная точечная

При переменных нагрузках рекомендуется рассчитывать прочность сварного шва с учетом коэффициента снижения допускаемых напряжений, который учитывает характер нагружения сварного соединения.

- 17 -

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТРНОПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Приведите виды соединений применяемых в конструкциях строительных машин и механизмов. Приведите классификацию сварных соединений. Приведите принципиальную схему оборудования для выполнения электродуговой сварки. Приведите классификацию сварных швов. Приведите способы сварки, область применения различных видов сварки. Приведите наиболее часто применяемые способы сварки. Приведите условие прочности расчета сварных швов. Приведите формулу условия прочности сварных стыковых швов. Приведите формулу условия прочности сварного соединения выполненного угловым швов. Приведите формулу условия прочности комбинированного сварного соединения. Приведите прогрессивные способы сварки. Приведите основные требования техники безопасности при выполнении электродуговой сварки. Приведите область применения сварных балочных конструкций строительных машин. Приведите область применения сварных рамных конструкции строительных машин. Приведите область применения сварных решетчатых конструкций строительных машин.

- 18 -

СОСТАВ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ Продолжительность проведения лабораторно-практической работы составляет 2 часа (одно занятие). Тема: Сварные соединения используемые в конструкциях строительных машин. Содержание: Изучение сварных соединений конструкций строительных машин. Определение прочностных зависимостей соединения. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Изучить на стенде «Сварные соединения» сварное соединение по варианту задания. 2. Привести чертеж сварного соединения по варианту задания, выполнить измерение элементов соединения и нанести размеры элементов соединения на чертеже. 3. Привести чертеж сварного соединения с указанием размеров соединения. 4. В процессе выполнения работы необходимо заполнить таблицу данными измерения и расчетными зависимостями определений прочностных параметров соединения. 5. Представить отчет по выполненной работе и подготовить ответы на контрольные вопросы к выполнению лабораторно-практической работы.

НЕОБХОДИМЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ 1. Стенд с типовыми сварными соединениями. 2. Измерительная линейка. 3. Штангенциркуль.

- 19 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИЗУЧЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН Рис. 1. Чертеж сварного соединения по варианту задания в двух-трех проекциях с размерами элементов соединения. Рис. 2. Чертеж сварного шва соединения с размерами элементов соединения. Характеристика параметров сварного соединения № 1 2 3 4

Наименование параметров Вид сварного соединения Толщина пластин соединения, мм Толщина пластины соединения, мм Длина шва соединения, мм

5

Длина шва соединения, мм

6

Длина шва соединения, мм

7

Длина шва соединения, мм

8 9 10 11 12

Катет сварного шва, мм Катет сварного шва, мм Материал соединяемых пластин Прочность соединяемого металла Прочность сварного шва соединения

K1 K2 Сталь [σ ]

13

Прочность сварного шва соединения

14

Разрывное усилие соединения, выполненного ручной электродуговой сваркой; Н, кН, (кг) Разрывное усилие соединения, выполненного автоматической электродуговой сваркой; Н, кН, (кг) Величина разницы разрывного усилия соединения при различных способах сварки Н, кН, (кг) Выводы по выполненной работе

[τ ] F

15 16 17

Обозначение

Параметры

S1 S2

l1 l2 l3 Σl

[σ ] 1

1

F2

ΔF

Примечание: сварка выполнена электродом марки не ниже Э-34 -

20 –

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Волков Д.П. Строительные машины. – М.: Высшая школа. 1998.-319. с: ил. 2. Гузенков П.Г. Детали машин: Учебник для вузов. – 4 изд. – М.: Высшая школа, 1986.-359. с; ил. 3. Доценко А.И. Строительные машины и основы автоматизации: Учебник для строительных вузов. – М.: Высшая школа, 1995 – 400 с.; ил. 4. Иосилевич Г.Б. Детали машин: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1988. – 386 с.: ил. 5. Строительные машины: Справочник: в 2 т. Т.1: Машины для строительства промышленных, гражданских сооружении и дорог / А.В. Раннев, В.Ф. Корелин, А.В. Жаворонков и др.; Под общ. ред. Э.Н. Кузина. – 5-е изд. перераб. – М.: Машиностроение, 1991. – 496 с. ил.

- 21 -

СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ

3

2. НЕСУЩИЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

4

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

9

4. РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

13

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

18

6. СОСТАВ И ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

19

7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

21

8. СОДЕРЖАНИЕ

22

- 22 -