Расчет и проектирование сварной балки двутаврового сечения

• Введение
• 1. Конструкторский раздел
• 1.1 Описание конструкции балки
• 1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции
• 1.4 Подбор сечения сварной балки
• 1.5 Проверка прочности и жёсткости скомпонованного сечения балки
• 1.6 Расчёт сварных швов, соединяющих пояса со стенкой
• 1.7 Проверка местной устойчивости стенки балки
• 1.8 Расчёт опорных частей балок
• 1.9 Расчёт стыков балок
• 1.10 Расчёт массы балки
• 2. Технологический раздел
• 2.1 Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных соединений
• 2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования
• 2.3 Ресурсосберегающие мероприятия при проектировании балки
• Список используемых источников

Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов.

В промышленности Республике Беларусь эффективно применяются современные сварочные технологии.

На многих предприятиях широко используется автоматизированная и механизированная сварка в среде защитных газов, контактная точечная сварка, различные новые методы сварки, наплавки, напыления, резки. Идет внедрение робототехнических комплексов, новейших средств технологического оснащения, а также современных методов контроля качества сварных конструкций.

В Республике Беларусь в 1992 году в состав НПО порошковой металлургии создан Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт сварки и защитных покрытий (НИИ СП). Основными направлениями деятельности НИИ СП являются руководства государственными программами в области сварки и покрытий, оказания практической помощи промышленным предприятиям и организациям по сварке.

В последние годы ученые-сварщики Беларуси работают над созданием ресурсосберегающих технологий, которые позволяют снизить расход электроэнергии, уменьшить расход материалов, рационально использовать труд сварщиков при изготовлении различных конструкций, машин и изделий.

В Республике Беларусь и за рубежом разработаны и внедряются в производство новые конструкции источников питания сварочной дуги, которые потребляют меньшее количество электроэнергии, оборудование для механизированных и автоматизированных способов сварки. К высокопроизводительным заводам Республики Беларусь по изготовлению сварных конструкций можно отнести такие заводы, как МТЗ, МАЗ, БЕЛаз, МоАЗ, РУП МАЗ завод «Могилевтрансмаш», РУП «Могилевлифтмаш», минский завод холодильных установок и многие другие, где большой объем сварных конструкций производится на поточных линиях.

1. Конструкторский раздел

1.1 Описание конструкции балки

В данном курсовом проекте рассчитывается и проектируется сварная балка двутаврового сечения.

Балка? это конструктивный элемент сплошного сечения, работающий на поперечный изгиб.

Сварные балки состоят из трёх основных элементов: вертикального — стенки, и двух горизонтальных? поясов (полок), прикрепляемых к стенке заводской механизированной сваркой.

Сварные балки применяют при относительно больших пролетах и нагрузках.

Они получили широкое применение в перекрытиях, конструкциях производственных зданий (подкрановые балки, балки рабочих площадок и так далее), мостах и т. д.

1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции

В данном курсовом проекте используется сталь Cт3пс, имеющая следующие характеристики: конструкционная низколегированная, хорошо свариваемая. Свариваемость без ограничений: сварка производится без подогрева и без последующий термообработки. Применяется в строительстве и машиностроении.

Химический состав стали приводится в таблицe 1.

Таблица 1 - Химический состав стали

Поверхность проката должна быть чистой, без трещин, пузырей, вкатанной или не вытравленной окалины, инородных включений и темных пятен. Дефекты местного характера допускается удалять путем зачистки при условии, что предельные минусовые отклонения по толщине листов не будут превышать норм.

Механические свойства стали приводятся в таблице 2

Таблица 2 — Механические свойства стали

1.3 Расчет и конструирование балки

Определяем расчётные нагрузки F^р, кН, по формулам

(1)

где

— нормативные нагрузки, кН;

— коэффициент условий работы, кН;

= 1,10.

сварная балка двутавровое сечение Определяем сумму моментов относительно точки В, ?М_в, кН Ч м, из уравнения

(2)

где a, b, c, d, l — расстояния между приложенными усилиями на балке, м.

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки А, R_А^н, кН

(3)

Определяем сумму моментов относительно точки А, М_А, кН Ч м, из уравнения

(4)

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки В, R_В^н, кН

(5)

Определяем расчётные реакции опор R_A^р, R_В^р, кН, по формулам

(6)

Производим проверку правильности определения реакций, кН

(7)

Определяем нормативные моменты в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, кН Ч см, из уравнений Указываем, в какой точке будет максимальный нормативный изгибающий момент М^н_max, кН Ч см. М^н_{max =} 28 800 кН Ч см.

Определяем расчётные изгибающие моменты в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, кНЧсм, по формулам

(8)

Указываем, в какой точке будет максимальный расчётный изгибающий момент М^p_max =

Определяем нормативные поперечные силы в точках 2, 3, 4, 5, 6, кН, из уравнений

(9)

Указываем сечение балки, где действует максимальная нормативная поперечная сила Q^н_мах, кН, Q^н_мах =

Определяем расчётные поперечные силы в точках 2, 3, 4, 5, 6, кН, по формулам

(10)

Указываем максимальную расчётную поперечную силу Q^р_мах, кН.

Q^р_{мах =}

На листе формата А4 в приложении Б строим эпюру изгибающих моментов и поперечных сил в масштабе.

1.4 Подбор сечения сварной балки

Определяем требуемый момент сопротивления сечения балки с учётом развития в ней пластических деформаций при работе на изгиб W_тр, см³, по формуле

(11)

где

R_у — расчётное сопротивление материала сварной балки, кН/см².

Максимальный нормативный изгибающий момент М^н_max, кНЧсм, берётся из эпюры.

Главной задачей при подборе сечения сварной балки является установление её высоты h, так как высота является главным размером сечения.

Определяем наименьшую высоту сечения балки h_min, см, из условия жёсткости, по формуле

(12)

где l — длина балки, см;

[f/l] - допускаемый относительный прогиб балки.

В практических расчётах отношение М^н_max/ М^р_max принимается равным 0,80.

Определяем оптимальную высоту стенки балки h_опт, см, из условия экономичного расхода металла, по формуле

(13)

где S_ст — толщина стенки, возрастает с увеличением высоты сечения балки и определяется по эмпирической формуле, мм.

(14)

где h — ориентировочная высота балки, м.

(15)

где l - пролёт балки, м.

По ГОСТ 82–70 толщину стенки принимаем равной 10 мм.

Окончательную высоту стенки балки принимаем равной 450 мм, руководствуясь данными ГОСТ 82–70.

Определяем требуемую площадь сечения одного поясного листа А_п, см², по формуле

(16)

Выразив площадь сечения пояса А_п, через ширину пояса и толщину пояса, получим формулу

(17)

где

b_п — ширина пояса, см; S_{п -} толщина пояса, см.

Ширину поясного листа принимаем в пределах, b_п, см

(18)

По технологическим условиям эта ширина должна быть не менее 200 мм.

Тогда толщина поясного листа S_п, см, определяется по формуле

(19)

Причём, S_п назначается в пределах 8−40 мм, но не меньше, чем S_ст с градацией по ГОСТ 82–70.

Значения S_п и b_п уточняем по ГОСТ 82–70 и определяем действительное значение сечения поясного листа, см², по формуле

(20)

Отношение должно быть меньше или равно 20.

1.5 Проверка прочности и жёсткости скомпонованного сечения балки

По назначенным размерам определяем геометрические характеристики сечения.

Определяем момент инерции сечения балки относительно оси х I_x, см⁴, по формуле

(21)

Определяем действительное значение момента сопротивления сечения балки, см³, по формуле

(22)

где h — высота балки, см.

(23)

Определяем статический момент половины сечения балки относительно оси х S_х, см³, по формуле

(24)

где — площадь сечения стенки балки, см².

Производим проверку балки на прочность по нормальным напряжениям, кН/см², от максимального изгибающего момента, по формул

(25)

Производим проверку балки на прочность по касательным напряжениям, кН/см², от максимальной поперечной силы, по формуле

(26)

где

R_s — расчётное сопротивление материала срезу, кН/см².

Производим проверку балки на жёсткость по относительному прогибу

(27)

где Е — модуль упругости, кН/см^2; Е = 21 000 кН/см²;

[f/l] - нормативный прогиб, зависит от назначения балки и даётся в условии.

1.6 Расчёт сварных швов, соединяющих пояса со стенкой

При работе балки на изгиб в сварных швах, соединяющих пояса со стенкой, возникают сдвигающие усилия Т, которые вызывают касательные напряжения .

Рисунок 1 — Балка сварная

При работе балки на изгиб в сварных швах, соединяющих пояса со стенкой, возникают сдвигающие усилия Т, которые вызывают касательные напряжения, в соответствии с рисунком 1.

Определяем величину сдвигающего усилия на длине 1 см балки Т, кН, по формуле

(28)

где — статический момент поясного листа, см³.

(29)

где — площадь поперечного сечения поясного листа, см²;

а — расстояние от нейтральной оси х до центра тяжести поясного листа, см.

(30)

Рисунок 2 — Сечение балки

Определяем напряжение в сварных швах ^т_w, кН/см², по формуле

(31)

где — площадь поперечного сечения сварных швов на длине 1 см, см².

(32)

где в — коэффициент, зависящий от способа сварки;

в = 0,85 при механизированной сварке;

К_f — катет сварного шва, см.

.

По конструктивным соображениям принимаем катет сварного шва К_f = 8 мм.

1.7 Проверка местной устойчивости стенки балки

Местная устойчивость балки проверяется в зависимости от отношения и напряженного состояния.

=37,50<80,

следовательно, стенка устойчива, но нужны промежуточные рёбра жёсткости.

Определяем расстояния между рёбрами жёсткости а, мм, по формуле

(33)

На всём пролёте балки устанавливаются парные рёбра жёсткости, расстояние, а корректируется в зависимости от пролёта балки, n — количество рёбер в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3 — Установка поперечных рёбер жёсткости

Определяем ширину ребра по формуле

(34)

Определяем толщину ребра S_р, мм, по формуле

(35)

Толщину ребра S_P по ГОСТ 82–70 принимаем равной 4 мм.

Ширину ребра b_P по ГОСТ 82–70 принимаем равной 56 мм.

1.8 Расчёт опорных частей балок

При шарнирном опирании сварных балок на нижележащие конструкции передачу опорной реакции осуществляют через парные опорные ребра, приваренные к нижнему поясу балки, к стенке (двумя вертикальными швами) и к верхнему поясу в соответствии с рисунком 4.

Рисунок 4 — Парные опорные рёбра

Размеры опорного ребра определяем из расчёта на смятие их торцов. Площадь опорного ребра А_{оп. р}., см², определяем по формуле

(36)

где — расчетная реакция опоры, ;

— расчетное сопротивление на смятие торцевой поверхности, кН/см .

Принимаем толщину опорного ребра S_{оп. р.} = 18 мм.

Тогда, зная, что площадь опорного ребра вычисляется по формуле

(37)

Выразим из неё ширину опорного ребра b_{оп. р.,} см, в виде формулы

Наименьшая ширина опорного ребра принимается 200 мм.

Принимаем

Чтобы ребро не потеряло местную устойчивость, необходимо проверить соотношение

(38)

После определения размеров ребра определяем катет сварного шва К_f, см, из условия прочности сварных швов, по формуле

(39)

где n — число сварных швов;

n = 2

Принимаем катет сварного шва К_f = 8 мм.

В сварных балках вся опорная реакция передаётся на ребро через вертикальные угловые швы.

Передачу опорной реакции можно осуществить и посредством диафрагмы с фрезерованным нижним торцом, приваренной к торцу балки в соответствии с рисунком 5.

Размеры диафрагмы определяем из расчёта на смятие её торца. Площадь диафрагмы, см², определяем по формуле

(40)

Зададим толщину диафрагмы принимаем 20 мм = 2 см.

Рисунок 5 — Диафрагма как опорная часть балки

Определим ширину диафрагмы, см, по формуле

(41)

Принимаем b_д = 180 мм.

Определяем катет сварного шва К_f, см, по формуле

где n — число сварных швов.

n = 4

Принимаем катет сварного шва К_f = 8 мм.

1.9 Расчёт стыков балок

Расчёт стыков балок производится в соответствии с рисунком 6.

Стыки стенки и сжатого пояса делают прямыми. Стык растянутого пояса устраивают прямым, если напряжения в поясе не превышает расчётное сопротивление сварного соединения растяжению. В противном случае делают косым.

Рисунок 6 — Стыки балок

Стык каждого элемента балки рассчитываются на усилие (момент), воспринимаемое этим элементом. Стык стенки рассчитывают на действия изгибающего момента и поперечной силы.

Определяем изгибающий момент, приходящийся на стенку М_ст, кН Ч см, по формуле

(42)

где М^Р — изгибающий момент, действующий в данном сечении (в месте расположения стыка), кН Ч см;

I_ст — момент инерции всего сечения стенки, см⁴;

I_х — момент инерции всего сечения балки, см⁴.

(43)

Определяем касательные напряжения в сварном стыковом шве ^Q_w, кН/см², от действия поперечной силы, по формуле

(44)

где Q — поперечная сила, действующая в данном сечении, кН;

S_{х -} статический момент половины продольного сечения шва

относительно нейтральной оси, см³.

(45)

Определяем нормативные напряжения в сварном шве у_w^Мст, кН/см², от изгибающего момента, по формуле

(46)

где

W_ст — момент сопротивления сечения стенки балки, см³

(47)

Кроме того, стыковой сварной шов стенки должен быть проверен на приведенные напряжения у_w^пр, кН/см², по формуле

(48)

Определяем усилие N, кН, воспринимаемое поясом, по формуле

(49)

где — расстояние между центрами тяжести поясов, см, в соответствии с рисунком 2.

=45+1=46 см

Тогда напряжение в растянутом поясе у_w^N, кН/см², будет определено по формуле

(50)

где А_ш — площадь поперечного сечения пояса, см².

(51)

1.10 Расчёт массы балки

Определяем массу балки G, кг, по формуле

(52)

где — масса пояса балки, кг;

— масса стенки балки, кг.

(53)

где l — пролёт балки, см;

г — удельный вес металла, г/см³;

г = 7,85 г/см³.

(54)

2. Технологический раздел

2.1 Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных соединений

Для изготовления балки выбираем механизированный способ сварки в углекислом газе и применяем проволоку Св08Г2С. Так как данная проволока является универсальной и гарантирует высокие сварочно-технологические свойства, стабильность механических свойств металлошва и надежность сварных соединений. Контроль качества визуальный, так как визуальный способом осмотра выявляются несоответствия сварного шва требуемым геометрическим размерам.

Геометрические размеры, которые необходимо выдержать в процессе сварки проверяют специальными инструментами или универсальных измерительных средств. А именно: при помощи водяного уровня, отвеса и металлической рулетки.

2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования

Критерием оптимального выбора режимов служит максимальная производительность процесса сварки при условии получения требуемых геометрических размеров поперечного сечения шва, регламентированных ГОСТ 14 771–76 и достаточно низких потерь металла на угар и разбрызгивания.

Расчёт режимов сварки производится для конкретного случая.

Для угловых швов расчёт режимов имеет следующий вид.

Определяем скорость сварки V_св, м/ч, по формуле

(55)

где — коэффициент наплавки, г/А^. ч;

I — сила тока, А;

г? удельная плотность;

г = 7,85 г/см³;

— площадь поперечного сечения шва, мм².

(56)

где — катет шва, мм;

q — высота усиления шва, мм.

Определяем скорость подачи сварочной проволоки, м/ч, по формуле

(57)

где d — диаметр сварочной проволоки, мм.

Режимы сварки сводим в таблицу 3.

Таблица 3 — Режимы сварки

Для стыковых швов расчёт режимов выглядит следующим образом. Для С 7. Для S=10 мм.

(58)

где А_ш — площадь поперечного сечения шва, мм²

(59)

где е, q, b — значения принимаемые по ГОСТ 14 771–76,e=12 мм

q=2 мм

b=1,50 мм

S — толщина металла, мм,

S_min=10 мм.

Определяем скорость подачи V_под, м/ч, по формуле

(60)

Результаты расчётов сводим в таблицу 4.

Таблица 4 — Режимы сварки

На основе рассчитанных режимов сварки выбираем сварочный аппарат Fast Mig KM 400, благодаря высокому КПД и низкой мощности холостого хода, являются энергосберегающими, быстро реагируют на изменение в сварочной дуге, благодаря быстродействию системы электронного регулирования. Дуга горит стабильно. Сохраняет предельно заданные параметры.

В этих сварочных аппаратах используются преимущественно инвенторная технология, которая гарантирует хорошее возбуждение дуги при механизированной сварки в защитных газах.

Таблица 5 — Технические данные сварочного аппарата Fast Mig^TM KM 400

2.3 Ресурсосберегающие мероприятия при проектировании балки

На современном этапе при организации всех производственных процессов в различных отраслях промышленности самым актуальным является сбережение энергетических и материальных ресурсов.

При производстве сварных конструкций существенное внимание уделяется экономии материалов получаемой продукции, энергоресурсов, времени производства, уменьшения трудоёмкости изготовления и других параметров. Показателем экономии материалов является: снижение веса конструкции, уменьшение отходов материалов, использование стандартных узлов, взаимозаменяемость деталей и т. д. Показателем экономии энергоресурсов являются параметры режимов сварки: напряжение дуги, сварочный ток. Показателями уменьшения трудоемкости являются: применение материалов, упрощающих геометрию швов, сокращение числа деталей в конструкции, типы сварных швов. Экономия времени достигается за счёт механизации и автоматизации процессов заготовки, сборки, сварки, за счёт правильной организации работы сварщика на рабочем месте, рациональной планировки рабочего места, использования высокопроизводительной технологической оснастки.

Спроектированная конструкция балки, является технологичной, установлена высота сечения h = 450 мм, толщина стенки S_ст=10 мм, ширина поясного листа b_п=200 мм, толщина поясного листа S_п=12 мм, толщина ребра S_p=4 мм, ширина ребра b_p=56 мм, толщина опорного ребра S_{оп. р.} =18 мм, наименьшая ширина опорного ребра b_{оп. р.} =180 мм, катет сварного шва K_f=8 мм, ширина диафрагмы b_д=200 мм, относительный прогиб =, при длине балки 10 м. Получить минимальное сечение, то есть снизить металлоёмкость, обеспечив напряжение в сечении балки и в сечении сварных швов, не превышающих нормативных значений.

Для сварки рёбер жёсткости, опорных рёбер и стыковых швов применяется механизированная сварка в углекислом газе.

Применение механизированной сварки в углекислом газе для сварки опорных рёбер и рёбер жёсткости с оптимально выбранными размерами катетов сварных швов даёт возможность снизить расход сварочной проволоки, электроэнергии и обеспечить качество этих соединений.

Перечисленные мероприятия обеспечивают снижение энергоресурсов, а так же основного металла и электродной проволоки.

Список используемых источников

1. Блинов, А. Н. Сварные конструкции / А. Н. Блинов, К. В. Лялин. — Москва: Строй издательство, 1990. — 353с.: ил.

2. Михайлов, А. М. Сварные конструкции: учебное пособие для техникума / А. М. Михайлов. — Москва: Строй издательство, 1983. — 367 с.: ил.

3. Майзель, В. С. Сварные конструкции: учебник для техникумов / В. С. Майзель, Д. И. Навроцкий. — Ленинград: Машиностроение, 1973. — 304 с.