книги / Сварные конструкции.-1

лась бы возможность создания жестких ограничений для переме­ щений отдельных свариваемых элементов и не создавалась бы опас­ ность появления нежелательных деформаций и напряжений.

В наиболее сильной степени опасность появления разрушений от жесткого закрепления отдельных частей конструкции про­ является при сварке монтажных стыков. Поэтому в этих случаях применяют особые меры с целью предупреждения появления ре­ активных напряжений и для снижения опасности преждевремен­ ного разрушения.

Задача обеспечения требуемых свойств сварных конструкций должна решаться комплексно путем выбора материала конструк­ ции, оптимальных форм сопряжений и соответствующей техноло­ гии изготовления.

§ 2. Обеспечение технологичности сварных конструкций

Термином «технологичность» характеризуют комплекс свойств, способствующих изготовлению конструкций с наименьшей затра­ той средств и времени при одновременном обеспечении заданных для нее качественных показателей.

Термин «технологичность» не ийеет строгого научного опре­

не имеющая количественной оценки. Изделие считают технологич­ ным, если оно запроектировано так, что при его изготовлении обеспечена возможность применения высокопроизводительных тех­ нологических процессов.

Обеспечение высокой технологичности сварного изделия является одним из основных требований, которые должны учи­ тываться еще в процессе его проектирования. Выбором материала и конструктивных форм сварных соединений и узлов в весьма сильной степени определяются не только прочностные характе­ ристики проектируемого изделия, но и технологические возмож­ ности последующего процесса его изготовления.

Для сварной конструкции с позиций обеспечения лучшей техно­ логичности наиболее желательным является такой материал, ко­ торый допускает сварку обычными сравнительно простыми прие­ мами, не требующими создания рсобых условий, осложняющих производство (таких, как предварительный и сопутствующий подо­ грев изделия или последующая его термическая обработка и т. п.).

При проектировании сварных конструкций для улучшения их технологичности необходимо стремиться к тому, чтобы приня­ тое общее конструктивное решение предусматривало возможность применения наиболее простых форм сварных соединений и узлов и чтобы кроме того при этом для изготовления конструкции требо­ валось минимальное количество отдельных элементов и деталей

(например, возможно меньшее число различных прокатных про­ филей и размеров толщин листового проката и т. п.). Принятое конструктивное решение должно обеспечивать также возможность применения наиболее прогрессивных механизированных и автома­ тизированных методов на всех этапах изготовления сварной кон­ струкции: при заготовке деталей, при сборке и сварке ее отдель­ ных узлов и при ее окончательном монтаже на месте установки.

§ 3. Современные направления в проектировании и изготовлении технологичных сварных конструкций

Более совершенная форма сварных соединений позволяет до­ стигать и более высоких показателей технологичности сварные конструкций.

В большой степени качество сварной конструкции зависит от выбора надлежащего режима сварки, обеспечивающего получение заданных свойств металла в швах и околошовных зонах, правиль­ ное формирование швов, отсутствие пороков в сварных соедине­ ниях, а также от соблюдений требуемой точности проектных раз­ меров и форм самой конструкции.

Не менее важное значение для качества сварных конструкций имеет точность изготовления отдельных деталей — заготовок, а также точность и последовательность выполнения всех сбороч­ ных операций.

Подготовка и сборка деталей для осуществления более совер­ шенных соединений, какими являются соединения встык и втавр’, вместо нахлесточных соединений, требует и более высокого уровня организации процесса производства.

Правильное решение вопроса изготовления сварной конструк­ ции в ряде случаев является задачей достаточно сложной, охваты­ вающей все стадии производственного процесса и поэтому этот вопрос требует подробной предварительной проработки во всех его деталях. Для многих сложных сварных конструкций необхо­ дима разработка специального проекта технологического про­ цесса, в котором должны быть указаны методы получения заго­ товок, последовательность сборки и сварки, выбранные способы сварки и их режимы, меры обеспечения точности конструкции, а также способы контроля качества ее сварных соединений. Рацио­ нальный технологический процесс изготовления сварной конструк­ ции может быть выбран после сравнения нескольких вариантов, характеризующихся различными производственными показате­ лями. Правильная оценка таких различных вариантов возможна только на основании соответствующих технологических расчетов. Поэтому расчетные методы проектирования технологических про­ цессов изготовления сварных конструкций являются необходи­ мыми и они находят в современных производственных условиях все более широкое применение.

В зависимости от установленного режима сварки расчетом можно определить и ожидаемыедеформации. Это дает возможность, выбирая соответствующую последовательность сварки всех швов конструкции, обеспечить такую точность ее размеров, при которой возможные отдельные отклонения будут укладываться в пределы допусков. В случае, когда одним выбором рациональной последо­ вательности сборки и сварки нельзя избежать нежелательных деформаций, можно предусмотреть применение специальных мер для их предупреждения. При этом эффективность применения та­ ких мер также может быть проверена расчетом.

Современное состояние сварочной техники характеризуется переходом к комплексной механизации технологического процесса в целом, к поточным и автоматическим линиям. На Днепропетров­ ском заводе металлоконструкций им. Бабушкина создана высоко­ механизированная поточная линия по изготовлению сварных дву­ тавровых профилей большого сечения. На Челябинском трубо­ прокатном заводе налажено поточное производство труб большого диаметра.

Внастоящее время поставлена задача по механизации свароч­ ных процессов не только на заводах, но и на строительных пло­ щадках.

Вряде случаев более рациональным решением вопросов мон­ тажа конструкции может быть такое, при котором наибольшая часть работ будет сосредоточена на заводе, а работы на строитель­ ной площадке будут сведены до минимума.

Вкачестве примера такого решения можно привести изготовле­ ние крупногабаритных сварных резервуаров для хранения нефти. Продолжительное время их сборка и сварка осуществлялась пол­ ностью на монтаже полистовым методом. Это сильно ограничивало возможности применения автоматической сварки, а также сбо­ рочно-сварочных приспособлений, что значительно удорожало производство и снижало качество изготовления сварных резер­ вуаров.

Большим достижением явился разработанный по предложению Г. В. Раевского в Институте электросварки имени Е. О. Патона АН УССР поточный метод заводского изготовления вертикаль­ ных цилиндрических резервуаров, который получил название метода сворачивания (или рулонирования).

Этот метод заключается в том, что стенка и днище вертикаль­ ного резервуара изготовляются целиком на заводе в виде отдель­ ных плоских полотнищ, которые после сварки сворачиваются в рулоны, имеющие габариты, доступные для перевозки по желез­ ной дороге. Способ рулонирования обычно применяется при тол­ щине металла до 1 2 мм. Сваренные полотнища сворачиваются в рулоны, имеющие длину до 1 2 м и диаметр до 3,2 м (фиг. VII. 1). Применение метода рулонирования позволяет большую часть сбо­ рочных и сварочных работ перенести с монтажной площадки на

юз

уменьшает трудности получения качественных отливок, поковок

иштамповок больших размеров, создает возможность для более широкого применения наиболее прогрессивных высокопроизво­ дительных методов литья, ковки и штамповки, повышает качество

идолговечность изделий, уменьшает затраты металла, снижает трудоемкость и сокращает сроки изготовления изделий. Сочетание

благоприятных свойств различных технологических процессов (хорошее формообразование при отливке, высокая степень чистоты поверхности при штамповке и др.) наряду с современными возмож­ ностями сварки, обеспечивающими большую производительность

Фиг. VII. 2. Конструкция фундаментных частей турбины в литом (а) и сварном (б) вариантах.

процесса и высокую прочность сварных соединений, приводит к тому, что комбинированные сварные конструкции являются наи­ более прочными и наиболее технологичными.

Значительный экономический эффект от применения сварных комбинированных конструкций получен на Ленинградском метал­ лическом заводе им. XXII съезда КПСС, широко использующем сварку при изготовлении уникальных турбин для крупнейших гидроэлектрических станций нашей страны. Вместо крупных от­ ливок завод широко применяет сварные комбинированные кон­

зателей происходит в основном за счет значительного уменьшения объема механической обработки и экономии металла.

Применение штампованных и прокатных деталей значительно уменьшает площади поверхностей, подлежащих механической обработке, и, кроме того, позволяет уменьшать припуски на обра­ ботку за счет соблюдения более точных размеров по толщине штам­ пованных заготовок.

Экономия металла достигается главным образом за счет при­ менения прокатных деталей с более тонкими стенками по сравне­ нию со стальными отливками.

В качестве примера комбинированной сварной конструкции из отливок можно привести статор гидротурбины, изготовление ко­ торого было осуществлено на Ново-Краматорском машинострои­ тельном заводе (фиг. VII. 3).

Сектор статора представляетсобой сложную простран­ ственную деталь. Изготовле­ ние ее в виде одной целой от­ ливки требует ручной фор­ мовки в специальных ямах, что сильно усложняет про­ изводственный процесс.

В случае применения ком­ бинированной сварной кон­ струкции допускается рас­ членение сектора статора на простые элементы: кольца и колонны. При этом процесс их изготовления сильно упро­ щается: отпадает необходи­ мость подготовки громоздких ям, расширяется фронт ра­ бот, существенно сокращает­ ся объем земляных работ, допускается машинная фор­ мовка. Все это значительно сокращает трудоемкость и цикл изготовления и увели­

чивает более чем в два раза съем литья с одного квадратного метра формовочной площади. Цикл изготовления статора, имею­ щего диаметр 14 м, высоту 4,6 ж, уменьшился до 50 суток для свар­ ного варианта вместо 1 2 0 суток — для литого.

Особое значение приобретают сварные комбинированные кон­ струкции для современного направления в развитии машинострое­ ния, которое характеризуется непрерывным повышением мощно­ стей машин, аппаратов и установок и связанными с этим значи­ тельным увеличением габаритов и веса отдельных деталей и узлов. При этом создаются условия, при которых техника литья, ковки и штамповки, существующая даже на самых крупных заводах, не может в полной мере обеспечить получение крупногабаритных изделий без существенного снижения их качества.

В таких условиях применение сварных комбинированных кон­ струкций оказывается не только наиболее целесообразным, но даже единственным путем решения поставленных задач, так как

производственные возможности Изготовления сварных конструк­ ций не ограничиваются ни весом, ни размером отдельных частей.

Наиболее значительные успехи в применении сварных комби­ нированных конструкций в крупном машиностроении могут быть достигнуты с применением электрошлаковой сварки. Этот новый высокопроизводительный метод сварки характерен тем, что поз­ воляет осуществлять соединение отдельных деталей за один про­ ход без ограничения их толщины.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются все воз­ можности применения комбинированных сварных конструкций, однако они свидетельствуют о том большом значении, которое эти конструкции должны иметь в нашей промышленности.

На июньском Пленуме ЦК КПСС в 1959 г. отмечалось, что широ­ кое применение электрошлаковой сварки и других видов сварки в тяжелом машиностроении, предусматривающее замену цельно­ литых и цельнокованых Конструкций сварными, сварно-литыми и сварно-коваными, позволяет увеличить выпуск продукции без дополнительного строительства мощных литейных цехов. При этом также значительно (примерно на 25%) снижается вес кон­ струкции.

Все это свидетельствует о больших перспективах в деле разви­ тия сварных конструкций и указывает на то, что проектирование их необходимо осуществлять с установкой на дальнейшее расши­ рение возможностей комплексной автоматизации и механизации всех операций процесса их изготовления.

ГЛАВА VIII

СВАРНЫЕ БАЛКИ

§ 1. Типы балок и область их применения

Балкой называется сплошной элемент, работающий на попе­ речный изгиб и передающий действующую на него нагрузку на опоры. В некоторых конструкциях балки работают на косой изгиб, на продольные усилия или на кручение.

По статической схеме балки могут быть однопролетные и много­ пролетные, разрезные и неразрезные. Однопролетные балки имеют две опоры (обычно одну шарнирно-неподвижную и другую шар­ нирно-подвижную), многопролетные — по несколько опор и бывают разрезные и неразрезные. Разрезные балки прерываются над опорами, неразрезные представляют собой сплошные балки, не прерывающиеся над опорами. Первые статически определимы, вторые статически неопределимы. В стальных конструкциях наи­ более распространены разрезные балки, вследствие определенности их работы, а также простоты изготовления и монтажа.

Стальные балки бывают прокатные и составные.

Прокатные балки чаще всего применяются из двутавров, реже из швеллеров. Так как эти балки по условиям прокатки имеют толщину стенки избыточную по сравнению с необходимой для обеспечения их прочности и устойчивости, то они требуют боль­ шей затраты стали, чем составные, но менее трудоемки в изготовле­ нии и более дешевы.

Составные балки применяются тогда, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости и устойчивости, а также в тех случаях, когда применение прокатных балок влечет за собой значительный перерасход металла. Изготовляются со­ ставные балки из нескольких прокатных или гнутых профилей и применяются главным образом двутаврового или коробчатого (замкнутого двустенчатого) сечения (фиг. VIII. 1). Удовлетворяя требованиям прочности, жесткости и устойчивости, балки одновре­ менно должны иметь возможно меньший вес и быть технологич­ ными в изготовлении.

Балки широко распространены в самых разнообразных соору­ жениях: гражданских и промышленных зданиях, мосто-вагоно- и краностроении, гидротехнических сооружениях и пр.

Фиг. VIII. 1. Сечения сварных двутавровых и короб­ чатых балок.

§ 2 . Прокатные балки

Основными профилями прокатной балки являются двутавр и швеллер. Обыкновенный прокатный двутавр хорошо работает на поперечный изгиб в плоскости стенки (при условии обеспечения общей устойчивости балки), но, имея малую боковую жесткость, плохо работает на косой изгиб.

Широкополочный прокатный двутавр обладает значительно большей боковой жесткостью, чем обыкновенный, а потому при­ менение его в ряде случаев предпочтительнее.

Швеллер является асимметричным профилем, а потому при работе на изгиб в нем возникает также и кручение; он менее устой­ чив, чем двутавр, но обладает несколько большей боковой жест­ костью.

Местная устойчивость стенок и полок прокатных двутавров и швеллеров обеспечена толщинами, принятыми в сортаменте.

Расчет прокатных балок сводится к определению необходимого номера профиля, после чего проверяется прочность, жесткость и общая устойчивость балки.

Выбрав тип балки и ее сечения и определив расчетный пролет (расстояние между осями опор), а также расчетную нагрузку, дей­ ствующую на балку, вычисляют максимальный изгибающий мо­ мент, по которому находят требуемый момент сопротивления сече­

ния балки Wmp. В зависимости от принятой методики расчет ве­ дется либо по методу предельных состояний, либо по методу до­ пускаемых напряжений (гл. IV, § 2 и 3).

Требуемый момент сопротивления сечения балки Wmp опреде­ ляют по формуле

Затем подбирают по сортаменту (приложение V, табл. 3 и 4) бли­

жайший номер профиля, имеющий моментсопротивления № > Wmp, после чего проверяют напряжения в балке

балках не требуется, так как стенки их по условиям прокатки получаются относительно толстыми и касательные напряжения в них всегда ниже допускаемых.

Проверка жесткости балки состоит в определении ее относи­ тельного прогиба (отношения абсолютного прогиба балки f к ее пролету /), который не должен превышать нормативного, т. е.

Предельные значения относительного прогиба — приведены

в табл. 3 приложения IV.

Величина относительного прогиба балки зависит от отношения

Основные размеры балки. Основные размеры балки — пролет и высота — назначаются исходя из оптимальных (наивыгодней­ ших) сооотношений размеров сооружения.

Высота балки определяется главным образом из условий ее наименьшего веса и требуемой жесткости; в некоторых случаях существенную роль играет ограничение строительной высоты (на­ пример, для главных балок крановых мостов) или конструкция сопряжения балок.

Оптимальная с точки зрения веса высота балки может быть определена следующим образом.