книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

Для рассмотренных типов сварных соединений параметры Дет?

До" и Да, т а ч , установленные по данным представительных выборок, сведены в табл. 47.

Из табл. 47 следует, что параметр Да?, определяющий норматив­ ное сопротивление усталости при первом исходе испытаний, и пара­

соединения и характеристики цикла. Это позволяет объединить фор­ мулы (60) и (61) и определить нормативное сопротивление усталости сварных соединений из выражения

Таким образом, в зависимости от объема выборки нормативное сопротивление усталости сварных соединений R" рекомендуется определять либо по формуле (54) (в случае представительной выбор­ ки, позволяющей установить нижний доверительный интервал аг ), ли­ бо по равенству (64) (когда аг соответствует горизонтальному участ­ ку кривой усталости, положение которого определяется исходом испытания двух образцов на заданной базе испытания). Величины R", установленные по формулам (54) и (64), могут совпадать или раз­ личаться максимум на 1,2—1,5 кГ/мм2 (в последнем случае меньшие значения дает формула (64), а параметр AR (Р), характеризующий вероятность неразрушения соединения, не зависит от рассмотрен­ ных способов определения R", вида соединения и характеристики цикла. Его рекомендуется принимать в соответствии с данными табл. 46.

В главе I I I было установлено, что линии предельных напряже­ ний аг различных сварных соединений параллельны и наклонены под углом 45° к оси абсцисс, отвечающей значениям a m i n в диаграм­ ме am i n , а т а х или ат в диаграмме ат, сттах. Такая закономерность

190

единений малоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей (/> =0,95)

Вид соединения

П р и м е ч а н и е . Линиями очерчены границы применимости значений Rr только для низ­ колегированных н высокопрочных сталей.

191

позволяет найти аг по одному из известных значении предела вынос­

сварным соединениям малоуглеродистых и низколегированных

Вероятностно-статистический подход к оценке сопротивляемос­ ти сварных соединений усталостным разрушениям позволяет под­ нять значения Rr. Несмотря на то что в их основу положены наибо­ лее низкие пределы выносливости, полученные на базе 107 с учетом влияния остаточных напряжений, установленные расчетные сопро­ тивления Rr для наиболее распространенных характеристик цик­ ла г заметно выше принятых в настоящее время в различных нормах проектирования (рис. 115)..

При отрицательных характеристиках цикла и особенно прибли­ жающихся к минус единице (когда растягивающие остаточные

192

напряжения проявляют свое влияние в наибольшей степени) предла­ гаемые расчетные сопротивления усталости либо совпадают, либо они ниже регламентированных, установленных ранее на основании испытания образцов небольшого сечения без учета влияния оста­ точных напряжений. Однако, поскольку знакопеременные напряже­ ния, близкие к симметричному циклу, в рассматриваемых конструк-

являются условными. Напряжения от нормативных нагрузок суще­ ственно превышают фактические, определяющие циклическую повреждаемость конструкций, что, в конечном счете, порождает необоснованные требования к выполнению и обработке сварных со­ единений вплоть до механической зачистки всех стыковых и нахлесточных швов растянутых и сжато-растянутых элементов (напри­ мер, в пролетных строениях железнодорожных мостов).

Для большинства рассматриваемых конструкций характерен не­ стационарный режим нагружения с меняющейся по величине ам­ плитудой напряжений. При таком режиме нагружения накопление повреждаемости зависит не только от уровня переменных напряже­ ний, но и от продолжительности действия напряжения данного раз­ маха по отношению к общему числу циклов. Поэтому дальнейшее совершенствование расчета на усталость сварных металлоконструк­ ций должно связываться с установлением их действительной нап­ ряженности, изучением нестационарности и изменчивости нагру­ жения во времени, подобно тому, как это практикуется в машино­ строении [140]. Работы, проведенные в последние годы, позволили получить спектры эксплуатационных напряжений в таких конструк­ циях, как подкрановые балки, краны, экскаваторы, драги, телеви­ зионные мачты и др.

Изучение напряженности подкрановых балок в 42 пролетах различных цехов металлургических и машиностроительных заводов, проведенное ЦНИИ «Проектстальконструкция» [11, 12, 15], по­ казало, что наиболее частая нагрузка составляет только 0,3—0,6 нормативной нагрузки одного крана. Повторяющиеся напряжения в балках не превышают 800—1000 кГ/см2. При этом такие напряже­ ния наблюдаются редко. Чаще в балках действуют меньшие напря­ жения различной величины (рис. 117). Обследованные подкрано­ вые балки были запроектированы по прежним нормам и рассчитыва­ лись на вертикальное воздействие двух кранов [11, 12, 15].

В связи с образованием усталостных трещин в районе угловых швов верхних (сжатых) поясов подкрановых балок ИЭС им. Е. О. Патона совместно с ЦНИИПСК были проведены исследова­ ния напряженного состояния балок в различных условиях работы. В этих исследованиях применялись более совершенные методики за­ меров напряжений и обработки результатов.

Было установлено, что при проходе крана по балке в зоне на­ хождения катка крана возникает местный крутящий момент, кото­ рый вызывает закручивание верхнего пояса подкрановой балки в промежутке между ребрами жесткости. Величина и направление местного крутящего момента зависят от направления движения кра­ на. Дополнительные переменные напряжения от действия местно­ го момента в верхнем поясе подкрановых балок могут достигать 500 кГ/см2, а в верхней части стенки — 850 кГ/см2.

В то же время еще раз была подтверждена возможность сниже­ ния общих нагрузок для расчета подкрановых балок на усталость до величины, равной 0,6 нормативной. При этом сжатая часть

196

балки должна проверяться на усталость с учетом действия местного момента [491.

Значительные работы по изучению распределения накоплен­ ных частот крановых нагрузок проводились лабораторией эксплуа­ тационной прочности в Дармштадте — Эберштадте (ФРГ) [185, 275]. В работе [275] изучались действительные напряжения в балках

2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 0 2 А 6. 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 0 2 4 'б 8 0 2 4 6 8

Рис. 117. Кривые частот повторяемости напряжений в подкрановых балках:

/ — дворы изложниц; 2 — шихтовые дворы; 3 — печные пролеты; 4 — разливочные пролеты; 5 — отделения раздевания слитков .

коробчатой конструкции четырех кранов одного из металлургиче­ ских заводов. Напряжения записывались с помощью контактного датчика, в котором возникал электрический сигнал, как только на­ пряжения достигали определенного уровня. Наблюдения длились от двух до восьми недель. Экстраполяция проводилась на 50-лет­ ний период! Было установлено, что часто повторяющиеся напря­ жения не превышают 600—900 кГ/см2 и вызываются нагрузками,' составляющими 0,4—0,6 нормативной нагрузки одного крана [15, 275].

Основная цель работы [185] заключалась в определении распре­ деления накопленных частот нагрузок для различных групп кранов с отличающимися режимами работы — перегрузочных, транспорт­ ных, разливочных, стрипперных, монтажных и др. Напряжения за­ мерялись проволочными тензодатчиками, установленными посредине

197

нижнего пояса крановой балки. Для регистрации напряжений использовался разработанный в лаборатории пленочный осцилло­ граф, работающий без усилителя. Осциллограф мог в течение четы­ рех — шести недель регистрировать напряжения непрерывно. По­ лученные распределения накопленных частот основных нагрузок упрощены введением идеальных типовых графиков. В соответствии

ент Р изменялся в пределах 0,15—0,80. При больших значениях Р расчет рекомендуется выполнять исходя «из условий обеспечения циклической прочности на воздействие эквивалентных нагрузок. При небольших Р допускаемые напряжения целесообразно прини­ мать исходя из статической прочности и расчет выполнять по максимальным нагрузкам.

Изменчивость напряжений в пролетных строениях железнодо­ рожных мостов изучалась сотрудниками Иллинойсксго универси­ тета [99, 244]. Напряжения замерялись с помощью самопишущих приборов. Анализ этих данных показал, что максимальные напряже­ ния в пролетных строениях возникают только при проходе наибо­ лее тяжелых поездов, составляющих малый процент общего числа проходящих составов. Характер распределения частот максималь­ ных деформаций, полученный в этих исследованиях, показан на рис. 118.

Расчет на усталость сварных элементов железнодорожных мо­ стов в Советском Союзе выполняется с учетом нестационарности,

198

максимальным напряжениям, а по нижним, отвечающим эквива­ лентным напряжениям (рис. 119).

О спектрах эксплуатационных напряжений в сварных элементах экскаваторов можно судить по данным работы [43]. Исследовался од­ ноковшовый универсальный экскаватор Э-2005 с прямой лопатой ем­

та 4. Проволочные тензодатчики устанавливались в 46 точках стре­ лы, рукояти, ходовой рамы и задней стенки ковша. Напряжения регистрировались'на протяжении большого числа рабочих циклов,

f

Рис. 119. Нестационарность поездной нагрузки (схема):

которые включали процесс копания, поворот, разгрузку ковша и возврат в исходное положение. Статистическому анализу подверга­ лись данные измерений в наиболее напряженных точках. Распре­ деление переменных напряжений в наиболее нагруженных точках рукояти, стрелы и ходовой рамы приведены на рис. 120. В 80% случаев напряжение в рукояти находится между —120 и +600 кГ1смг, в то время как единичные максимальные напряжения могут приближаться к пределу текучести исходного материала (в данном случае применялась сталь 09Г2С).

Приведенные выше спектры напряжений, являющиеся, очевидно, представительными для подкрановых балок, кранов, пролетных строений железнодорожных мостов и экскаваторов, свидетельству­ ют о том, что наиболее часто повторяющиеся эксплуатационные нагрузки составляют только 0,4—0,6 принимаемых в настоящее время нормативных нагрузок для расчетов на усталость этих кон­ струкций. В этой связи открываются широкие возможности по уточнению расчета сварных соединений на усталость, особенно ка­ сающихся определения расчетных переменных напряжений.

Для мостов, кранов, подкрановых балок, радиомачт, экскава­ торов, вагонов и ряда других конструкций характерен нестационар­ ный режим нагружения со случайной изменчивостью как максималь­ ных а т а х , так и минимальных am i n напряжений или же переменной

характеристикой цикла т = . Р г ш п . Имеется несколько предложе-

Ошах

199