Конструирование плоского металлического затвора

Содержание

Введение

1. Компоновка ригельного затвора
1. Конструктивная схема двухригельного затвора
2. Расположение ригелей по высоте затвора
3. Компоновка весовой продольной связевой фермы
4. Геометрическая схема поперечной фермы диафрагмы
2. Расчёты  стальной обшивки и профильных стрингеров
1. Расчётная схема работы обшивки
2. Определение расчётного пролёта обшивки
3. Подбор поперечного сечения стрингеров
3. Проектирование ригеля сплошного сечения
1. Расчётная схема ригеля-балки
2. Назначение размеров поперечного сечения ригеля
3. Расчет сварных поясных швов
4. Конструкция ригеля
4. Расчет и конструирование поперечной фермы-диафрагмы
1. Расчётная схема фермы-диафрагмы
5. Опорно-ходовое устройство затвора
1. Подбор сечения вертикальной опорной стойки
2. Выбор типа ходовых колёс и их расчёт
3. Контурное уплотнение плоского затвора

Выводы и рекомендации

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основная  задача курсовой работы сводится к  расчету основных параметров затвора.

Затвор  является составной частью каждого  гидротехнического сооружения. Затвор  - это конструкция, перекрывающая  отверстие в ГТС, позволяющая  регулировать величину расхода воды через них.

Одной из первой задач в  расчетах является определение расположения ригелей  по высоте затвора и построение конструктивной схемы ригеля. Также в курсовой работе необходимо спроектировать стальную обшивку и стрингер. Стальная обшивка  располагается с напорной стороны  затвора, она опирается на систему, состоящую из горизонтальных и вертикальных балок. Обшивка жестко, при помощи сварки, соединена с поддерживающими  ее балками.

Ригели  – главные горизонтальные балки, в зависимости от их количества затворы  бывают двух ригельные и   многоригельные.

Стрингеры – балки параллельные ригелям, поддерживающие обшивку.

Следующие задачи курсовой работы состоят в  проектировании ригеля сплошного сечения  и в расчете и конструировании  поперечной диафрагмы.

Диафрагмы (поперечные балки, поперечные фермы) –  элементы балочной клетки перпендикулярные ригелям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Компоновка ригельного затвора

 

1. Конструктивная схема двухригельного затвора

 

Составляем  геометрическую схему несущего ригеля, для чего предварительно определяем расчетный пролет L ригеля, его высоту h и размер b панели по длине (Рис. 1.1, поперечное сечение В–В):

 

 

 

Принимаем среднее значение

 

 

Высота ригеля в пролете из условия допустимого (минимального) относительного прогиба :

 

 

где – обратная величина допустимого прогиба ригеля,

               принимаем по таблице 1.1 Методических указаний ,

        R_y – расчетное сопротивление прокатной стали марки 09Г2С по пределу

               текучести, принимаем по таблице 1.2 [5], R_y = 315 МПа;

       γ_с – коэффициент условия работы конструкции ригеля и его элементов,

              принимаем по таблице 1.3 [5], γ_с = 1,0;

       Е – модуль упругости стали, Е = 2,06 *10⁵ МПа.

 

_{Принимаем: h = 2,1м.}

 

 

2. Расположение ригелей по высоте затвора

 

Плоский стальной затвор перекрывает прямоугольное  отверстие водозаборного (водосбросного) сооружения. Затвор проектируем двухригельным; размеры отверстия по заданию: расчетный напор пролет в свету .

По высоте затвора ригели располагаем так, чтобы они были равнонагруженными от основной нагрузки (давления воды). В противном случае возникает крутящий момент, который потребует дополнительный расчет и расход материала. Составляем расчетную схему (Рис. 1.2).

Положение равнонагруженных ригелей по высоте затвора можно определить: графическим способом (по А.В. Полонскому «Механическое оборудование гидротехнических сооружений». – М.: 1986) или аналитическим методом (по Б.Ю. Калиновичу «Шлюзование водных путей». – М.: Росиздат, 1948; а также А.И. Отрешко Инженерные конструкции.- М.: Колос, 1968).

Положение ригелей по высоте затвора будем определять по Б.Ю.Калиновичу с уточнением размеров по А.И. Отрешко.

Полная  высота затвора

 

Н = Н_з = Н₀ + 0,2 = 9 + 0,2 = 9.2 м.

 

Б.Ю. Калинович (стр. 346 [6]) рекомендует расстояние между ригелями определять из условия, чтобы наибольший изгибающий момент консоли м был равен наибольшему изгибающему моменту для балки между ригелями. Отсюда получают, что ригели будут равно нагруженными, если полная высота затвора будет равна

 

 

где – длина верхней консоли:

 

 

      – длина нижней консоли:

 

Тогда

 

 

Откуда

 м.

 

 м,

 м,

 м,

 

 

 

Уточняем  рекомендуемые размеры  , по А. И. Отрешко [3]:

 

принято – условие выполнено.

Окончательно принимаем 

 

рекомендуется принимать: ;

Принимаем

 

Принято ;

 что допустимо.

Точность  расчёта усилий Р₁ и Р₂ для верхнего и нижнего ригелей можно установить из треугольника давления воды с основанием х:

м

и трапеции со сторонами х = 6,6 м, Н₀ = 9 м и высотой h_тр = Н₀ – х.

 м;

 

Вычисляем фактические  величины усилий Р₁ и Р₂, действующие на верхний и нижний ригели при их расположении по Б.Ю. Калиновичу:

;

.

По выполненному расчету суммарное давление воды на затвор

 тс.

По эпюре  суммарное давление воды на затвор

тс – результаты расчетов совпадают.

Условие равнонагруженности ригелей

 тс.

Отклонение  фактических численных значений усилий от их равного нагружения

 

 

 отклонение допустимое.

 

Вывод:

1. Равно нагруженные ригели установлены по высоте затвора с точностью 2,4%, что в расчётах допустимо.
2. Расположение ригелей по способу Б.Ю. Калиновича является рациональным приёмом расчета.

 

 

Геометрические размеры ригеля

 

Определяем  высоту сечения ригеля на опорах и ширину b панелей между ребрами жесткости на опорных и средних участках (Рис. 1.3).

 

Высота  сечения ригеля на опорах

м.

 

Принимаем: h₁ = 1 м.

Намечаем расположение в ригеле поперечных ребер жесткости с шагом между ними для чего предварительно принимаем нечетное число панелей ригеля: n_п = 5 шт.

 м;

Ширина b панели должна быть:

,

 – условие выполнено.

Переломы  безнапорной полки ригеля располагаем  на расстоянии х от осей опор:

 м

Фактически  пролеты крайних панелей ригеля составляют:

.

Принятые  вписываются в допустимые пределы.

На основании  выполненных расчетов разрабатываем конструктивную схему продольной связевой фермы двухригельного затвора.

 

3. Компоновка весовой продольной связевой фермы

 

Продольная  связевая ферма расположена на безнапорной стороне затвора между ригелями. Верхними и нижними поясами связевой фермы являются безнапорные полки ригелей. Решетки фермы состоят из стоек и раскосов. Стойками решетки служат безнапорные пояса диафрагмы с низовой стороны затвора. Раскосы представлены восходящими тяжами, расположенными в направлении от основного узла ригеля к верхнему узлу. Составим конструктивную схему продольной связевой фермы (Рис. 1.4).

Составим схему продольной связевой фермы

         2*a

 

        b                         b                        b                         b                         b

                                                      L=16.5

Рис. 1.4. Конструктивная схема продольной связевой фермы

 

Продольная  связевая ферма совместно с напорной стальной обшивкой, ригелями и другими  элементами в вертикальной плоскости  затвора образует неизменяемый пространственный блок. Жесткость из плоскости затвора обеспечивается ригелями, фермой-диафрагмой совместно со стрингерами, поддерживающими стальную обшивку. Учитывая возможный (нежелательный) прогиб ригелей под действием собственного веса, их деформации ограничиваются диагональными связями. Диагональные связи соединяют средний участок верхнего ригеля с крайними опорными стойками и верхней обвязкой. Усилия в раскосах продольной связевой фермы определяют от действия крутящего момента на затвор и от совместного перемещения (деформации) фермы с низовыми поясами ригелей.

Общая высота равна 2а = 3,6 м. Пролет фермы равен пролету затвора L= 14,5 м. Наклонные связи размещаем влево и вправо от соединенных узлов.

 

4. Геометрическая схема поперечной фермы диафрагмы

 

Тип и  конструкция фермы-диафрагмы принимается  в зависимости от ее ширины, определяемой высотой h ригелей. Составим геометрическую схему поперечной фермы-диафрагмы и наметим примерное расположение стрингеров по высоте затвора (Рис. 1.5). Пояса и элементы решетки фермы-диафрагмы проектируют из прокатных уголков, если расчетный напор на затвор Н₀ = Н_d = 720 м.

 

 

 

 

 

 

2. Проектирование стальной обшивки и стрингера

 

Стальная  обшивка затвора воспринимает давление воды и передаёт его на стрингеры (горизонтальные балки) и стойки (вертикальные элементы затвора). Стрингеры и стойки расположены в одной плоскости и образуют балочную клетку. Целью расчётов является определение толщины обшивки и расстояния между стрингерами (в вертикальном направлении), а также подбор поперечного сечения стрингеров.

 

1. Расчётная схема работы обшивки

 

Стальная  обшивка с напорной стороны затвора рассчитывается на прочность и устойчивость (жесткость). В верхней части затвора ее опорами служат стрингеры, в средней и нижней частях – полки ригелей и стрингеры.

Обшивка жестко соединена сваркой с полками ригелей, стрингерами и стойками, ее расчетный пролет зависит от высотного расположения стрингеров. В определении высотного положения стрингеров необходимо исходить из принципа равнонагруженности обшивки на отдельных участках С_i.

На каждом участке по высоте затвора пролетом С_i стальной обшивки является расстояние между стрингерами и полками ригелей и стрингерами (Рис. 2.1), где С_i – осевой размер или размер между полкой и стрингером:

Рис. 2.1. Расчетная схема работы стальной обшивки, загруженной давлением воды

 

 

 

 

При назначении размеров C_i принимают следующие упрощения (в запас прочности):

1. Стальная обшивка «жестко» соединена со стрингерами, полками ригелей и элементами фермы–диафрагмы;
2. Величина внешней нагрузки принимается по ее наибольшему значению на данном участке, т.е. q₀ = q_i;
3. Пролет обшивки C_i определяют из двух условий: прочности (1-е предельное состояние) и жесткости (2-е предельное состояние), сравнивают расчетные величины и принимают наименьшее значение.

Выписываем  расчетные зависимости для определения  пролета C_i из условия прочности и жесткости стальной обшивки, работающей на местный изгиб (Рис. 2.2).

 

 

 

2. Определение расчётного пролёта обшивки

 

Задаемся  толщиной стальной обшивки плоского затвора:

 мм;

; принимаем t₀ = 10  мм. Ширину полок несущих ригелей предварительно принимаем 0,4 м.

Составляем  общую расчетную схему расположения стрингеров (Рис.2.3), так будут расставлены стрингеры после расчета пролетов обшивки по участкам №№ 1 – 9.

Расчёт  обшивки производим по отдельным  участкам снизу от порога вверх.

Участок №1 (от порога до нижнего ригеля).

Расчетное значение нагрузки на уровне Н₁ = 9 м.

;

(из условия прочности);

(из условия жесткости).

Первый стрингер принимаем на расстоянии С₀₁ = 0,6м от порога.

Участок №2 (от нижнего ригеля вверх).

Уровень расположения расчетной нагрузки (от НПУ):

Н₂ = 3,6 м + 4,4 м – 0,20 м = 7,8 м;

;

(по прочности);

(по жёсткости).

Принимаем С₀₂ = 1,1 м.

Участок №3 (от стрингера №2 вверх).

Уровень расположения расчетной нагрузки :

Н₃ = 3,6 + 4,4 – 1,1 =6,9 м;

 кН/м;

(по прочности),

(по жесткости).

Принимаем С₀₃ = 1,2 м.

Поскольку расчет по жесткости в нашем случае является определяющим, расчеты по прочности в дальнейшем опускаем.

Участок №4 (от стрингера №3 вверх).

Уровень расположения расчетной нагрузки от НПУ:

Н₄ = 3,6 + 4,4 – 1,1 – 1,2 = 5,7м;

 кН/м

.

Принимаем С₀₄ = 1,3 м.

Участок №5 (от верхнего ригеля вверх).

Н₅ = 4,4 м – 0,2 м = 4,2 м;

 кН/м;

.

Принимаем С₀₅= 1,3 м.

Участок №6 (от стрингера №5 вверх).

Н₆ = 4,4 – 1,3 = 3,1 м;

 кН/м;

.

Принимаем С₀₆ = 1,5 м.

Участок №7 (от стрингера №6 вверх).

Н₇ = 4,4 – 1,3 – 1,5 = 1,6 м;

Принимаем С₀₇=1,6 м (остаток длины).

Окончательно принятая расстановка  стрингеров приведена на рис. 2.1

`  

2.3. Подбор поперечного сечения стрингеров

 

Составляем  расчетную схему работы стрингеров (Рис. 2.4).

Статическая расчетная схема стрингеров представляет собой 7-ми пролетную неразрывную балку. Определяем равномерно распределенную нагрузку на стрингеры, используя схему высотного их расположения (Рис. 2.4). Для этого считаем ординаты середин участков:

 

 

Стрингер  № 0 (на уровне порога)

.

Стрингер  №1

.

Стрингер  №2

.

Стрингер  №3

.

Стрингер  №4

.

Стрингер  №5

.

Стрингер  №6

.

Стрингер  №7

.

 

Наибольшее  значение равномерно распределенной нагрузки на стрингеры – кН/м.

Производим  подбор сечения швеллера:

определяем  момент:

 кНм;

 

.

 

По сортаменту предварительно принимаем швеллер № 24:

с W_x  = 242 cм³ ; I_x  = 2900 cм⁴.

Проверяем подобранный стрингер швеллера №24 на относительный прогиб:

 

 

 

 

Окончательно  для стрингеров принимаем швеллер № 24.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Проектирование ригеля сплошного сечения

 

1. Расчётная схема ригеля-балки

 

Ригель  затвора  работает как свободно опертая балка на двух опорах, загруженная равномерно распределённой нагрузкой q, (Рис 3.1).

 

Рис. 3.1. Расчетная схема ригеля-балки

 

2. Назначение размеров поперечного сечения ригеля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2. Поперечное сечение ригеля

 

 

 

 

В результате проработки компоновочной части  проекта имеем:

L = 16,5 м; h = 2,1м; h₁ = 1,0 м.

Определим расчетную погонную нагрузку на ригель:

 

 кН/м.

 

Выполним  статический расчет ригеля

 кН

Расчетный максимальный момент:

 

 кНм.

 

Требуемое значение момента сопротивления:

 

.

Конструируем  поперечное сечение ригеля в числах.

 

Принимаем прокатную  балку с учетом общей высоты h = 2,1 м.

 

Величину  h_w принимаем равной 2000 мм.

 

Ширину полок  b_f  примем в пределах (1/4 - 1/6) ∙ h_w.

 

Принимаем b_f  = 1/5,9  h_w = 340 мм.

 

Задаемся  t_f из расчета что h_w  = h – (10 50 мм), где t_f = 10 50 мм.

 

Принимаем t_f = 20 мм.

 

Определим приближенно  t_w из устойчивости против потери вертикальной плоскости

 

 ≈13 мм

Найдем фактический момент сопротивления  = 2I_x / h

Момент инерции поперечного  сечения ригеля равен сумме моментов инерции стенки и полок:

I_x = - момент инерции стенки

I_x =  = 866666 10^-8 м⁴

I_x = _f × - момент инерции  поперечного сечения ригеля, где _f – площадь полки: _f = b_f∙× t_f

_f  = 0,34× 0,020 = 0,0068 м².

I_x = 2 × 0,0068 × (2,04/2)² = 743058 + 1414944 =

= 2281610 ×10^-8 м⁴

Фактический момент сопротивления равен:

= 2 × 2281610 × 10^-8 /2,04  = 21368,7 × 10^-6 м³

Сравним требуемый и фактический момент сопротивления, разница не должна составлять более 10 %

 - 21340) /23561,62)) × 10^-6 × 100 % = 0,13 %, в пределах нормы.

 

Проверка  прочности балки:

 

Недонапряжение:

 

что допустимо.

Проверка  жесткости балки:

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, сечение ригеля в средней части  пролета окончательно принимаем согласно рисунку 3.3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет сварных поясных швов

 

Расчет сводится к определению размера катета сварного шва, прикрепляющего стенку к полкам ригеля, и производится по формуле

 

 

 

где R_wf = 200 МПа – расчетное сопротивление сварного шва, определяемое по

       табл. 4.1;

     β_f = 0,9 – коэффициент, выбираемый по табл. 4.2;

      γ_wf = 1;

      γ_c = 1 – коэффициенты условий работы сварного шва и конструкции;

      S_f – статический момент сдвигаемой части сечения-полки:

 

;

 

 мм.

 

Окончательно по табл. 4.3 принимаем  K_f = 14 мм.

 

4. Конструкция ригеля

 

По результатам расчётных данных пунктов 3.2 – 3.4 вычерчивается конструкция ригеля в трёх проекциях (см. формат А1) с указанием основных размеров составной балки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет и конструирование поперечной фермы-диафрагмы

 

1. Расчетная схема фермы-диафрагмы

 

Определим гидростатическое давление воды на ферму диафрагмы

Р_гд. = 0,5g××b

Р_гд. = 0,5 ² = 1311,11кН

 

Гидростатическая  нагрузка Р_гд. воспринимается опорами .

Р_гд. = ,

 

Р_гд.

Определим величину опорной реакции:

  
= Р_гд. / 2 = 1311,11/2 = 655,55 кН

 

По опыту  проектирования ферм диафрагм поверхностных  затворов, максимальное сжимающее усилие действует в стержне С_12.

С₁₂ Þ N_s,max = / 2 = 327,75 кН.

Максимальное  растягивающее усилие воспринимает стержень С_4.

С₄ Þ N_r,max = / 3 = 218,5 кН.

Найдем необходимые  площади поперечного сечения  сжатого и растянутого стержней.

Растянутый:

 

Сжатый

 

Требуемую площадь  принимаем равной А_тр = 19,2 см²

По = 19,2 см² подбираем по сортаменту два равнополочных уголка 2└ 125x8 площадью 19,69 см², z₀ = 3,36 см.

 Окончательно  принимаем 2└ 125×8 мм. В целях  унификации размеров стержни  поясов и решетки фермы устанавливаем  из одних и тех же элементов,  т.е. 2└ 125 × 8 мм, z₀=3,36 см.

 

 

 

Расчетная схема

5. Опорно-ходовое устройство затвора

 

1. Подбор сечения вертикальной опорной стойки

 

В рабочем  состоянии затвора опорно-концевые стойки воспринимают максимальную поперечную силу Q_max от опорного сечения ригеля, равную опорной реакции:

А_р = Q_A= Q_B;

А_р = Q_max.

Высота  стенки опорно-концевой стойки равна  высоте стенки ригеля h_w в опорном сечении:

h_w1 =h₁ – 2t_f;

h_w1 = 1000 – 2 * 20 = 960 мм.

 

В опорных  сечениях ригель прикрепляется к  опорно-концевой стойке сварными швами. Расчёт сварных швов приводится в  пункте 3.4. «Расчёт сварных поясных  швов».

Основные  размеры опорно-концевой стойки:

h_w1 = 960 мм; b_wf = b_f = 340 мм; t_w1 = t_w =13 мм; t_wf = t_f = 34 мм.

 

2. Выбор типа ходовых колёс и их расчёт

 

Колесные  опорные устройства применяют при  больших нагрузках на затвор с  целью уменьшения сил трения в  опорно-ходовых частях и, соответственно, снижения мощности подъёмных механизмов. Выбор  типа конструкции  основного  колёсного опорного устройства определяется пролётом затвора, гидростатической нагрузкой  на него, а также, особенностями и  частотой маневрирования затвором. Колесные опорные части затворов являются сложными в изготовлении и эксплуатации.

 

В проектировании плоского поверхностного затвора принимаем  колёсный тип опорно-ходового устройства. Суть расчёта опорно-ходовых колёс  состоит в определении расчётного давления на одно колесо, диаметра колеса, его диаметральной прочности  и поверочного расчёта на смятие поверхностей соприкосновения колеса и рельса.

Расчётное давление на одно колесо балансирной  тележки, расположенной с одной  стороны ригеля, определяем по формуле:

 

 

 

 

 

Диаметр опорно-ходового колеса двухколесной балансирной тележки определяют из формулы:

 

 

Откуда диаметр  рабочего колеса тележки:

 

 

 

 

 

3. Контурное уплотнение плоского затвора

 

Уплотнительные  устройства служат для плотного перекрытия зазоров между затвором и закладными частями. У поверхности затворов уплотнители устанавливают по трем сторонам (порог и боковые части).

Донное  уплотнение выполняется из деревянного  бруса  или резины, боковые из фасонной литой износо-и морозоустойчивой резины. Уплотнения крепятся к затвору с помощью пружинистого стального листа.

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. СНиП 2-23-81. Стальные конструкции. Госстрой СССР.М., ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
2. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.  Госстрой СССР.М., ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
3. Отрешко А.И. Инженерные конструкции. М., Колос, 1988.
4. Васильев А.А. Металлические конструкции. М., Стройиздат, 1979.
5. Стальные поверхностные затворы гидротехнических сооружений. Методические указания. Сост. Ю.Н. Синицин, Г.К. Мицкевич. КуИСИ, Куйбышев, 1986.