Проектирование сварной колонны
Введение
В арсенале сегодняшних инженеров-сварщиков десятки принципиально различных способов сварки и их разновидностей: дуговая, диффузионная, электронно-лучевая, ультразвуковая, радиочастотная и т.д. Но ни у кого не вызывает сомнения, что потребности промышленности, развитие науки и творчество инженеров приведут к появлению новых способов получения неразьемных соединений и совершенствованию уже известных.
Современные способы сварки и резки основаны на использовании энергии практически всех известных ее видов: механической, химической, электрической, электро-механической, лучевой и др. Это, однако, не означает, что использован уже весь спектр источников энергии для целей сварки. К примеру, среди лучевых источников энергии ждут своего времени для использования такие, как пучки нейтронов, пучки ионов и т.д
Перспективное направление приобретает овладение процессом управления электронным лучём по нескольким параметрам. В частности применение импульсного воздействия электронного луча на сварочную ванну дает возможность существенно улучшить форму швов.
В настоящее время значительная часть сварных конструкций изготавливается ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, что объясняется универсальностью, простотой и технологической гибкостью этого способа. Основной недостаток дуговой сварки штучными электродами - использование ручного труда, требующего высокой квалификации сварщика. Замена ручной сварки полуавтоматической - самый простой и доступный путь интенсификации сварочного производства.
Одно из главных направлений
дальнейшего развития
Белорусский металлургический завод предприятие чёрной металлургии в городе Жлобине в Беларуси. Первоначальная производственная мощность завода — 700 тысяч тонн стали в год. Первая плавка, как и разливка СТАЛЬ 1 ГОСТ, была произведена 15 октября 1984 года. Белорусский металлургический завод в 2011 году выпустил более 2 600 тыс. тонн стали, проката — около 2 200 тыс. тонн, стальных труб — более 110 тыс. тонн, металлокорда и проволоки различного назначения — более 400 тыс. тонн.
Изучив преимущества и недостатки лучших мировых образцов сварочной техники, наши специалисты смогли создать производство современного сварочного оборудования под собственной торговой маркой OLIVER.
В 2009 году были разработаны и внедрены в промышленное производство инверторные аппараты для ручной дуговой сварки Oliver ММА 160/200/250 на базе современных IGBT-технологий. Цифровое управление позволило реализовать в них функции «Hot start», «ARC Force», «Antistick», что поставило их в один ряд с лучшими мировыми образцами аналогичной техники.
Специалисты нашей компании систематически проводят работы над увеличением модельного ряда выпускаемой продукции. Уже с начала 2010 года сварочные аппараты ВА 350/500 выпускаются в трех исполнениях: MIG/MAG, ММА и комбинированный вариант MIG/MAG/ММА.
Также в 2010 году было начато производство сварочных горелок для полуавтоматической сварки марки Оливер N 15/ N 24/N 25/ N 26/ N36 для сварки проволокой сплошного сечения в среде защитных газов.
В 2011 году техническими специалистами нашей компании был совершен настоящий прорыв в производстве сварочного оборудования. На основе собственных исследований и разработок:
- освоено серийное производство
инверторных полуавтоматов ПДУ-
- проведена модернизация
- осуществлен переход от
С начала 2012 года запущено производство инверторных аппаратов для ручной дуговой сварки промышленного назначения Оливер Профи ММА 250/300/350/400/500. Уменьшенный вес, стабильные технические характеристики позволяют использовать источник в заводских и монтажных условиях. Закончена разработка цифрового сварочного полуавтомата Оливер Профи МIG/MAG 350/500 и с середины 2012 года начато его серийное производство.
Сварные металлические конструкции используют практически во всех отраслях народного хозяйства. Особенно широко сварные конструкции применяют при производстве металлургического, горнорудного, энергетического оборудования, строительно-дорожных машин, подвижного состава железных дорог, автомобилей и сельскохозяйственной техники, судов строительных конструкций и трубопроводов.
Сварные металлические конструкции имеют следующие преимущества по сравнению с клепаными конструкциями: экономия металла до 15—20% за счет полного использования рабочих сечений, рационализации формы конструкции, меньшей массы соединительных элементов; уменьшение стоимости изготовления за счет уменьшения массы и трудоемкости изготовления — при изготовлении сварных конструкций исключается трудоемкая операция разметки и образования отверстий под заклепки; стоимость изготовления сварных конструкций снижается также за счет удешевления оборудования.
1 Конструкторский раздел
- Описание конструкции колонны
Колонна- это металлическая конструкция которая работает на сжатие и служит для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций( балок, ферм, перекрытий больших пролетов), через фундамент на грунт. Она состоит из 3-ох основных частей:
- Оголовка - верхней части колонны. Он состоит из плиты, вертикальных и горизонтальных ребер жесткости и предназначен для установки конструкций нагружающих колонну;
- Стержня - основного несущего элемента колонны состоящего из двух швеллеров расположенными полками наружу;
- Базы - нижней части колонны. Она состоит из опорной плиты, двух траверс и крепежных болтов и служит для распределения сосредоточенной нагрузки от стержня по поверхности фундамента.
База распределяет сосредоточенное давление от стержня колонны по определенной площади фундамента, обеспечивает закрепление нижнего конца стержня колонны в фундаменте в соответствии с принятой расчетной схемой.
Стержень- основной несущий элемент колонны, связывающий оголовок и базу.
Оголовок предназначен для распределения нагрузки по сечению стержня, а так же он служит для опоры вышележащих конструкций.
Колонна сквозная, центрально-сжатая, с высотой 9,5 метров и нагрузкой 1116кН, которая действует строго по центру колонны. Стержень колонны состоит из двух прокатных швеллеров с номером профиля 30. Швеллера расположены полками во внутрь. Швеллера скреплены с помощью сварки полками. База и оголовок имеет шарнирное крепление верхнего и нижнего конца колонны.
1.2Выбор и обоснование
Для изготовления колонны
Таблица 1 – Химический состав стали Ст.3пс
МаркаСтали |
ГОСТ |
Содержание элементов, % | |||||
С |
Мn |
Si |
Cr |
Cu |
Ni | ||
Ст.3пс |
380-94 |
0,14-0,22 |
0,40-0,85 |
0,05-0,17 |
<0,3 |
<0,3 |
<0,3 |
Таблица 2 – Механические свойства стали Ст.3пс
Марка стали |
ГОСТ |
Предел прочности при растяжении МПа |
Предел текучести, МПа |
Относительное удлинение, % |
Ударная вязкость, мДж/м2 |
Расчётное сопротивление, Мпа |
10ХСНД |
19281-89 |
380 |
230 |
230 |
23 |
235 |
1.3 Расчёт и конструирование стержня колонны
Ориентировочно принимаем коэффициент продольного изгиба
Определяем требуемую площадь поперечного сечения стержня колонны Атр, см2, по формуле
где N – расчетная нагрузки, кН;
Ry – расчетное сопротивление металла, кН/см2 [1, с. 41].
Так как сечение колонны состоит из двух швеллеров, находим требуемую площадь одного швеллера , см2, по формуле
По таблицам сортамента подбираем близкую к требуемой площади А'тр действительную площадь поперечного сечения одного швеллера А'д и вписываем геометрические характеристики швеллера:
- № швеллера – 24
- А'д = 30,6 см2
- Iх = 2900см4
- Iy = 208см4
- rx = 9,73см
- rу = 2,6 см
- zo = 2,42см
Определяем действительное значение площади поперечного сечения стержня , см2, по формуле
Определяем гибкость стержня колонны относительно оси х-х, λх, по формуле
где lp – расчетная длина стержня колонны, зависящая от закрепления ее концов в соответствии с рисунком 1, см;
rx – радиус инерции, см.
По λх определяем действительное значение коэффициента продольного изгиба φд [2, с. 348].
Проверяем стержень колонны на устойчивость σ, кН/см2, по формуле
кН/см2
где ус – коэффициент условий работы [2, с. 343].
Стержень колонны должен иметь минимальное сечение, удовлетворяющее требованию устойчивости. Недонапряжение и перенапряжение не должно превышать 5 %.
Определяем перенапряжение в сечении колонныю
lp =hk=9м
1.4 Расчет и конструирование соединительных планок
Определяем расстояния lв, см, между соединительными планками 2 в соответствии с рисунком 2, по формуле
где λв – гибкость одной ветви, λв= 30
rу – радиус инерции одного швеллера 1 относительно собственной
оси, см.
Принимаем расстояние между соединительными планками 80см.
Определяем расстояние между швеллерами b, исходя из условия равноустойчивости.
Для этого из условия равноустойчивости
Выражаем гибкость стержня относительно оси у-у, λу
Определяем необходимый радиус инерции сечения стержня ry, см, относительно оси у-у, по формуле
Если полки швеллера расположены внутрь, в соответствии с рисунком 3, то расстояние между ветвями колонны b, см, определяем по формуле
Расчетные размеры (b) округляем до целого четного числа b=24см.
Определяем геометрические характеристики сечения стержня.
Определяем момент инерции сечения колонны относительно оси у-у I'у, см4, по формуле:
Если полки швеллера
расположены наружу, то расстояние
а, см, определяем по
Определяем действительное значение радиуса инерции сечения стержня относительно оси у-у ry, см, по формуле
Определяем действительную гибкость стержня колонны относительно оси у-у λ'у, по формуле
Определяем приведенную гибкость стержня, λпр, по формуле
Так как λпр ≤ λх, то сечение стержня подобрано правильно и стержень на устойчивость не проверяем.
Определяем условную поперечную силу Fусл, кН, возникающую в сечении стержня как следствие изгибающего момента.
Для сталей с σв до 330 МПа условную поперечную силу Fусл, кН, определяем по формуле
кН
Определяем силу Т, кН, срезывающую планку, при условии расположения планок с двух сторон, по формуле
Определяем момент М, кН см, изгибающий планку в ее плоскости, при условии расположения планок с двух сторон, в соответствии с рисунком 4, по формуле
Принимаем размеры планок.
Высота планки dпл, см
Толщина планки Sпл, см
Причем толщину планки
1.5 Расчет сварных швов, прикрепляющих планки к ветвям
колонны
Определяем напряжение tмw, кН/см2, от изгибающего момента в шве в соответствии с рисунками 2,4, по формуле
где Wш – момент сопротивления сварного шва, см3.
где β – коэффициент, зависящий от способа сварки;
Кf – катет сварного шва, Кf=(0,6...0,8) Sпл, см;
lш – длина сварного шва, прикрепляющего планку к стержню колонны, lш= dпл+2lн, см.
lн =2 Sпл = 2 10=20см
lш=10+2 2=14см
Определяем напряжение среза в сварном шве перерезывающую планку tтw, кН/см2, по формуле
где Аш – площадь поперечного сечения сварного шва, см2
Определяем равнодействующее напряжение tпр, кН/см2, по формуле
,
,
где Rwf – расчетное сопротивление сварного соединения, кН/см2
[1, с.41].
База служит для распределения нагрузки от стержня равномерно по площади опирания и обеспечивает закрепление нижнего конца колонны.
База – состоит из опорной плиты и 2х траверс. Для уменьшения толщины плиты, если по расчету она получилась больше номинальной, ее укрепляют ребрами жесткости. Анкерные болты фиксируют правильность положения колонны относительно фундамента.
Определяем требуемую (расчетную) площадь опорной плиты Ар, см2, в соответствии с рисунком 5, по формуле
где N – расчетное усиление в колонне, кН;
Rсмб – расчетное сопротивление бетона (фундамента) на смятие,
Rсмб=0,6 кН/см2
Определяем ширину опорной плиты В, см, по формуле
см
где h – высота сечения профиля, см;
Sтр – толщина траверсы, Sтр=1,2Sпл =1,2 0,4=0,48 см;
С – консольная часть опорной плиты, см,
С=10…15 =10см.
Окончательный размер Вд принимаем согласно ГОСТ 82-70 [2, с.358] Вд =450мм.
Определяем длину опорной плиты L, см, по формуле
Окончательную длину опорной плиты Lд=34мм принимаем по ГОСТ 82-70 [2,с.358] в зависимости от конструкции сечения.
Определяем действительную площадь опорной плиты Ад, см2, по формуле
Определяем толщину опорной плиты Sоп.пл из условия работы ее на изгиб.
Определяем изгибающий момент М1, , на консольном участке 1 по длине 10 мм, в соответствии с рисунком 5, по формуле:
где σб – опорное давление фундамента, кН/см2.
где Ад – действительная площадь опорной плиты, см2.
Определяем изгибающий момент М2 на участке 2, опирающемся с четырех сторон, , по формуле
где α – коэффициент, зависящий от отношения более длинной стороны к более короткой на участке 2 – таблица 3.
Таблица 3 – Коэффициент для расчета плит, опертых с четырех сторон
Длинная |
1 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
1,9 |
2 |
>2 |
Короткая | ||||||||||||
Α |
0,048 |
0,055 |
0,063 |
0,069 |
0,075 |
0,081 |
0,086 |
0,091 |
0,094 |
0,098 |
0,1 |
0,125 |
Определяем изгибающий момент М3, , на участке 3, по формуле
где β – коэффициент, зависящий от отношения закрепленной стороны а
к незакрепленной стороне h, в соответствии с таблицей 4.
Таблица 4 – Коэффициент для расчета плит, опертых с трех сторон
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1 |
1,2 |
1,4 |
2 |
>2 | |
0,06 |
0,074 |
0,088 |
0,097 |
0,107 |
0,112 |
0,120 |
0,125 |
0,132 |
0,133 |
Толщину плиты Sоп.пл определяем по максимальному из трех изгибающих моментов, мм, по формуле
Диаметры анкерных болтов принять конструктивно:
- для шарнирных баз d=20мм. Принимаем d=20мм
Для жестких баз применяем анкерные плитки 5, которые привариваются к траверсам в процессе монтажа колонны в соответствии с рисунком 6.
Толщина анкерных плиток Sа=30…40 мм. Принимаем Sа=30 мм
Ширина плитки bа, мм, принимается в зависимости от диаметра анкерных болтов, по формуле
Определяем суммарную длину сварных швов Σlш, см, прикрепляющих траверсу к ветвям колонны, по формуле
где β – коэффициент, зависящий от способа сварки;
Кf – катет сварного шва принимается по наименьшей толщине
металла по СНиП 11-23-81 (с.48, таблица 38), см.
Определяем высоту траверсы hтр, см по формуле
Принимаем высоту траверсы 23см
1.7 Расчет и конструирование оголовка колонны и ее стыков
Оголовок служит опорой для балок, ферм и распределяет сосредоточенную нагрузку на колонну равномерно по всему сечению стержня.
Давление на колонну передается на опорную плиту 6 – рисунок 7, а затем на опорное ребро 7 и через ребро 8 на ветви колонны и далее равномерно распределяется по сечению колонны. Поперечное ребро 9 препятствует скручиванию опорных ребер.
Рисунок 7 – Оголовок колонны
Принимаем толщину опорной плиты оголовка Sо.пл= 20 мм.
Принимаем толщину опорных ребер Sр= 16 мм.
Так как опорная плита оголовка устанавливается на фрезерованные торцы опорных ребер, то катеты сварных швов, прикрепляющих опорную плиту к опорным ребрам, принимаются конструктивно: Кf=6мм
С опорных ребер давление на стенку колонны передается через вертикальные угловые швы.
Определяем требуемую длину вертикальных угловых швов lш, см, по формуле
где β – коэффициент, зависящий от способа сварки;
Кf – катет шва, принимается по минимальной толщине металла, см.
Принимаем =30,6см
Проверяем ребро на срез t, кН/см2, по формуле
где Ap – площадь ребра, см2;
Rs – расчетное сопротивление сдвигу, кН/см2.
2.1 Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных швов
Для изготовления колонны выбираем полуавтоматическую сварку в среде защитных газов, потому что. Полуавтоматическая сварка в среде защитного газа - наиболее универсальный и распространенный в промышленности метод сварки.
Основной принцип сварки MIG-MAG заключается в том, что металлическая проволока во время сварки подается автоматически в зону сварки через сварочную горелку и расплавляется теплом дуги. Проволока при этом методе играет двойную роль – она является и токопроводящим электродом, и служит присадочным материалом. Результат (качество) сварки MIG-MAG в значительной мере зависит от правильности выбора режимов работы сварочного аппарата (напряжение дуги, ток, скорость подачи проволоки, скорость сварки), а также от правильности выбора и расхода защитного газа (скорость подачи газа через сопло).
Защитный газ, который подается в зону сварки через газовое сопло, защищает дугу и сварочную ванну с расплавленным металлом. Металл в расплавленном состоянии химически активен и может взаимодействовать с защитным газом. Инертный защитный газ, такой как аргон или гелий, химически не реагирует с металлом в сварочной ванне в процессе горения дуги. Примером активных защитных газов являются углекислота и смеси аргона (реже гелия) с небольшими добавками углекислоты или кислорода. До недавнего времени углекислота являлась наиболее распространенным видом защитного газа для полуавтоматической сварки.
2.2 Выбор режимов
сварки и сварочного оборудован
Исходя из выбранного способа сварки, необходимо выбрать и обосновать
параметры режима.
Критерием оптимального выбора режимов служит максимальная
производительность процесса сварки при условии получения требуемых
геометрических размеров поперечного сечения шва, регламентированных
на угар и разбрызгивание.
Основными параметрами режима автоматической, полуавтоматической
сварки под флюсом являются сварочный
ток, диаметр, скорость подачи свароч-
Таблица 5 – Режимы сварки
Катет сварного шва, мм |
Диаметр проволоки, d, мм |
Сварочный ток, Iсв, А |
Напряжение дуги, Uд, В |
Скорость подачи проволоки, Vпод, м/ч |
Скорость сварки, Vсв, м/ч |
Вылет электрода, lэ, мм |
Расход газа, л/мин |
5 |
1.2 |
100-250 |
25-27 |
152-417 |
8.5-23.8 |
10-13 |
9-12 |
Расчет режимов сварки производится всегда для конкретного случая.
Определяем скорость сварки Vсв, м/ч, по формуле:
где αн – коэффициент наплавки;
I – сила тока, А;
γ – удельная плотность;
γ=7,85 г/см3;
Аш – площадь поперечного сечения шва, мм2.
где Кf – катет шва, мм;
q – высота усиления шва, мм.
Определяем скорость подачи сварочной проволоки Vпод, м/ч, по формуле:
