Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет и проектирование сварных конструкций

Содержание:

1.1

1.2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

Введение

Теоретическая часть

Назначение конструкции и требования к изготовлению

Заготовки и материалы для изготовления конструкции

Практическая часть

Конструкция сварного изделия и его узлы

Расчет сварных швов на прочность

Проектирование технологического процесса

Оборудование, инструмент для изготовления конструкции

Технология изготовления подкрановой балки

Контроль сварной конструкции

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Сварочная техника и технология занимают одно из ведущих мест в современном производстве. Многие конструкции современных машин и сооружений, например космические ракеты, подводные лодки, газо- и нефтепроводы, изготовить без помощи сварки невозможно. Развитие техники предъявляет все новые требования к способам производства и, в частности, к технологии сварки. Сегодня сваривают материалы, которые еще относительно недавно считались экзотическими.

Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагревании или пластическом деформировании или совместном действии того и другого (ГОСТ2601-84).

В курсовом проекте рассмотривается балка подкрановая стальная для мостовых электрических кранов общего назначения грузоподъёмностью до 50 т.

Подкрановые балки – металлоконструкции, которые предназначены для перемещения по ним мостовых кранов и других грузоподъемных механизмов. Они воспринимают нагрузку собственного веса, грузоподъемного механизма и поднимаемого груза.

Подкрановые балки относят к металлоконструкциям, которые, в основном, работают на изгиб. На балках устанавливают крановые пути (рельсы), их крепления, тупики и троллеи. Подкрановые балки состоят из ребер жесткости, полок и стенки (тела) балки. Их производят длиной 6 и 12метров. Изготовление подкрановых балок – сложный производственный процесс. Потому, что подкрановые балки относят к особо ответственным металлоконструкциям. От них зависит безопасная и надежная эксплуатация кранов.

Балки предназначаются для мостовых электрических кранов общего назначения грузоподъемностью до 50 т легкого, среднего и тяжелого режимов работы.

Цель курсового проекта: провести расчет и конструирование подкрановой балки, кран Q = 20 тс, L = 6 м, режим работы средний.
1. Теоретическая часть

1.1 Назначение конструкции и требования к изготовлению

Стальная двутавровая сварная балка представляет собой сварную конструкцию из стальных листов, по форме и размерам схожую с размером и механическими па

раметрами аналогичными горячекатаной балки по СТО АСЧМ 20-93 и ГОСТ 26020-83 типа Б, Ш, К.

Подкрановые балки разработаны для зданий и открытых крановых эстакад со стальными и железобетонными колоннами, с проходами и без проходов вдоль крановых путей, возводимых во всех климатических районах (расчетная температура наружного воздуха минус 65 ⁰С и выше), в несейсмических и сейсмических – до 9 баллов включительно – районах.

Применение балок допускается при воздействии неагрессивной, слабо-, среднеагрессивной среды, а для балок, выполняемых из углеродистой стали и сильноагрессивной среды [1].

Рисунок 1 - Схемы и основные размеры балок:

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - стенка балки; 4 - ребра жесткости; 5 - опорные ребра.

Балки должны изготовляться в соответствии с требованиями ГОСТ 23121-78, ГОСТ 23118-78 и СНиП III-18-75 по рабочим чертежам КМД, утвержденным в установленном порядке [1,2,3].

Шероховатость механически обработанной торцевой поверхности опорного ребра не должна быть грубее первого класса по ГОСТ 2789-73. Кромки поясов подкрановых балок после машинной кислородной резки не должны иметь неровностей, превышающих 0,3 мм.

Детали балок, в зависимости от расчетной температуры, должны изготовляться из сталей классов, приведенных в таблице 1.

Материалы для сварки должны приниматься в соответствии со СНиП II-В.3-72.

Таблица 1 – Марки стали для производства балок

Наименование детали	Сортамент	Класс стали для зданий, воводимых при расчетной температуре
		минус 40°С и выше		ниже минус
		Вариант 1. Из стали одного класса	Вариант 2. Из стали двух классов	40°С до минус 65°С
Пояс	ГОСТ 82-70	С38/23 или	С 46/33 (С 44/29)	С 46/33
Стенка	ГОСТ 19903-74	С 46/33	С 38/23	(С 44/29)
Опорное ребро		(С 44/29)	С 46/33 (С 44/29)
Ребро жесткости	ГОСТ 103-76, ГОСТ 19903-74	С 38/23

Поясные швы должны выполняться автоматической сваркой с плавным переходом швов к основному металлу.

При выполнении сварных швов, соединяющих верхний пояс со стенкой, должен обеспечиваться полный провар стенки на всю ее толщину.

Все сварные швы должны быть непрерывными.

Заводские стыки листов поясов и стенок балок должны выполняться встык без накладок с применением двухсторонней сварки. Односторонняя сварка допускается при условии подварки корня шва.

Поверхность стыковых швов листов поясов должна быть зачищена заподлицо с основным металлом. Допускается зачистка швов только в местах установки кранового рельса и соединений листов со стенкой.

При выполнении стыковых сварных швов должен обеспечиваться полный провар. Расчетное сопротивление наплавленного металла должно быть равно расчетному сопротивлению основного металла.

Балки должны быть огрунтованы и окрашены. Грунтовка и окраска должны соответствовать пятому классу покрытия по ГОСТ 9.032-74 [1].

1.2 Заготовки и материалы для изготовления конструкции

Подкрановые балки для среднего ряда колонн должны поставляться блоками.

Блок должен состоять из двух балок, соединенных по верхнему поясу тормозным устройством, и установленными между двумя балками вертикальными связями для обеспечения неизменяемости на время транспортирования блока.

Подкрановые балки должны изготовляться из марок сталей, указанных в таблице 1.

Материалы для сварки следует принимать согласно СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции».

Болты следует применять по ГОСТ 15589-70 (допускается по ГОСТ 15591-70, ГОСТ 7798-70, ГОСТ 7796-70) и назначать по СНиП II – 23 -81 «Стальные конструкции» применительно к конструкциям, не рассчитываемым на выносливость. Гайки следует применять по ГОСТ 5915-70 [1,2,3].

Для изготовления балки выбираем сталь конструкционную низколегированную для сварных конструкций марки 14Г2АФ.

Химический состав в % материала 14Г2АФ по ГОСТ 19281 - 89 :

C 0.12 - 0.18; Si 0.3 - 0.6; Mn 1.2 - 1.6; Ni до 0.3 ;

S до 0.04; P до 0.035; Cr до 0.4; V 0.07 - 0.12; N 0.015 - 0.025; Cu до 0.3; As до 0.08.

Свариваемость: без ограничений.

Механические свойства при Т=20^oС материала 14Г2АФ:

S_в = 550 МПа; s_T = 400 МПа; d₅ = 20%.

Сварочный материал: электроды марки Э-42А УОНИ 13/45; ТУ 14-4 1855-2001 ГОСТ 9467-75 ГОСТ 9466-75; вид покрытия - Основный Б; временное сопротивление разрыву - 410 Н/мм² , угол загиба сварного соединения >180°; род тока 2; 2,5; 3; 4; 5; 6, постоянный обратной полярности; пространственные положения сварки - любое, кроме вертикального сверху вниз.

Практическая часть

2.1. Конструкция сварного изделия и его узлы

Конструкция подкрановой балки и конструкция отдельных ее узлов показаны на рисунках 2, 3, 4.

Рисунок 2 - Общий вид подкрановой рядовой балки

Рисунок 3 - Общий вид подкрановой концевой балки

Рисунок 4 - Основные узлы балки

Указания по назначению катетов сварных швов, кроме оговоренных, приведены в пояснительной записке.
Опорные ребра с вырезом применяются при значениях ветровых, тормозных и сейсмических нагрузок, передающихся через балки на связи по колоннам [2].

2.2. Расчет сварных швов на прочность

Основным критерием работоспособности швов сварных соединений является прочность. Расчет на прочность основан на допущении, что напряжения в шве распределяются равномерно как по длине, так и по сечению.

Рассчитаем сварное соединение двутавровой балки с колонной при следующих данных: F = 8 кН, L = 6,0 м.

Рисунок 5 – Схема для расчета сварного соединения двутавровой балки с колонной

1.Определяем сечение двутавровой балки по условию её прочности:

где Ми – изгибающий момент, действующий на балку от силы F в месте её заделки;

W – осевой момент сопротивления площади поперечного сечения балки.

Ми = FL = 8000·6000 = 48 ∙10⁶ Н·мм

Примем, что балка изготовлена из стали Ст.3 (σ_т=220 МПа).

Тогда

[σ] = σ_т/s,

где s – коэффициент запаса прочности, s = 1,4 [1].

[σ] = 220/1,4 = 157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку, действующую на балку от момента Ми, получаем:

мм³

Выбираем двутавр (с учётом действия силы F) № 16.

Для него имеем:

h=160 мм, в=81 мм, d=5 мм, t=7.8 мм, Wx=109х10³ мм³, Jх=873·10⁴ мм⁴ (рисунок 6).

Рисунок 6 – Схема двутавра для подкрановой балки

Проверим прочность балки при суммарной (полной) нагрузке:

А – площадь поперечного сечения балки.

А = 2bt + (h – 2t)d = 2·81·7,8 + (160 – 2·7,8)·5 = 1985,6 мм².

Прочность балки обеспечена.

Задаёмся размерами сварного шва и проверяем его на прочность

Длина сварного углового шва определяется размерами периметра двутавровой балки, а катет шва примем – к = d = 5 мм.

Условие прочности сварного шва:

где τ_F - напряжения в шве от силы F и направлено оно по вертикальной оси; τ_М - напряжение от момента М. Оно изменяется по линейному закону (как напряжения изгиба) и направлено по горизонтальной оси; [τ'] – допускаемое напряжение для сварного шва,

[τ'] = 0.6[σ_р] = 0.6·157 = 94 МПа.

где А₁ и W₁ – площадь поперечного сечения сварного шва и её осевой момент сопротивления.

А₁ = 4·0.7кt + 2·0.7кb + 2·0.7к(h – 2t) + 2·0.7к(b-d) = = 4·0,7·5·7,8 + 2·0,7·5·81 + 2·0,7·5 (160 -2·7,8) + 2·0,7·5(81 – 5) = 2219 мм².

где J₁ – момент инерции площади поперечного сечения сварного шва относительно оси х-х (рис. 6).

Контур сварного шва изображён на рисунке 7 и катет шва по всему контуру равен к = 5 мм.

J₁ = J_н – J_б,

где J_н - момент инерции площади поперечного сечения по наружному контуру шва,

J_б - момент инерции площади поперечного сечения балки (по внутреннему контуру шва) и равен Jб = Jх = 873·10⁴ мм⁴.

Рисунок 7 – Контур сварного шва.

Таким образом, прочность сварного шва не обеспечена.

Возьмём следующий размер двутавра №18.

Для него имеем:

h = 180 мм, b = 90 мм, d = 5.1 мм, t = 8.1 мм, J_x = 1290х10⁴мм⁴, W_x = 143x10³ мм³.

Параметры сварного шва определим по принципу, использованному ранее:

длина шва – определяется обходом по контуру двутавра, а катет шва К = 5 мм.

А₁ = 40,7·5·8,1 + 2·0,7·5·90 + 2·0,7·5(180 – 2·8,1) + 2·0,7·5(180-5,1) =3114 м².

Таким образом:

Расхождение составляет 3.9%, что допустимо (менее 5%).

Прочность шва обеспечена.

2.3. Проектирование технологического оборудования

Обычно подкрановые балки собирают из трех листовых элементов. При сборке нужно обеспечить симметрию и взаимную перпендикулярность полок и стенки (рисунок 8), прижатие их друг к другу и последующее закрепление прихватками. Для этой цели используют сборочные кондукторы (рисунок 9), с соответствующим расположением баз и прижимов по всей длине балки. На установках с самоходным порталом (рисунок 10), зажатие и прихватку осуществляют последовательно от сечения к сечению. Для этого портал 1 подводят к месту начала сборки (обычно это середина балки) и включают вертикальные 2 и горизонтальные 3 пневмоприжимы. Они прижимают стенку балки 4 к стеллажу, а пояса 5 — к стенке. В собранном сечении ставят прихватки. Затем прижимы выключают, портал перемещают вдоль балки на шаг прихватки и операция повторяется. Вертикальные прижимы 2 позволяют собирать балки значительной высоты Н, не опасаясь потери устойчивости стенки от усилии горизонтальных прижимов. Если балка имеет весьма большую высоту, например элементы мостовых пролетных строений, ее стенку изготовляют из нескольких продольных листов. Для сборки таких балок также может использоваться установка со сборочным порталом, но с большим числом вертикальных прижимов.

Рисунок 8 – Допуски на сборку Н-образного сечения

Рисунок 9 – Схема кондуктора для сборки двутавровых балок

При изготовлении двутавровых балок поясные швы обычно сваривают автоматами под слоем флюса. Приемы и последовательность наложения швов могут быть различными. Наклоненным электродом (рисунок 11, а,б) одновременно сваривают два шва, однако может возникнуть подрез стенки или полки. Выполнение швов «в лодочку» (рисунок 11,в) обеспечивает более благоприятные условия их формирования и проплавления, зато приходится поворачивать изделие после сварки каждого шва. Для поворота используют позиционеры-кантователи.

Рисунок 10 – Схема портала для сборки двутавровых балок

Рисунок 11 – Способы укладки швов при сварке балок

В центровом кантователе (рисунок 12,а) предварительно собранная на прихватках балка 2 закрепляется зажимами в задней 1 и передней 3 бабках и с помощью червячном передачи 4 устанавливается в требуемое положение. Подвижная задняя опора позволяет сваривать в таком кантователе балки различной длины. Цепной кантователь (рисунок 12,б) состоит из нескольких фасонных рам 5, на которых смонтировано по две звездочки (холостая 1 и ведущая 4) и блоку 6. Свариваемую балку 3 кладут на провисающую цепь 2. Вращением ведущих звездочек балка поворачивается в требуемое положение. Следует иметь в виду, что такой кантователь не обеспечивает жесткого положения свариваемой конструкции, поэтому сварку целесообразно производить сварочной головкой, перемещающейся непосредственно по балке. В некоторых случаях применяют кантователи на кольцах (рисунок 12,в). Собранная балка укладывается на нижнюю часть кольца 1, откидная часть 2 замыкается с помощью болтов 3, и балка закрепляется системой зажимов 4 [6].

Рисунок 12 – Схемы позиционеров кантователей для сварки балок:а – в центрах; б – цепной; в – с кольцами.

2.4. Оборудование, инструмент для изготовления конструкции

К инструментам и принадлежностям электросварщика относятся электрододержатель, щиток или маска, специальный молоток с зубилом, стальная щётка, металлические клейма для маркировки сварных швов и ящик или сумка для хранения и переноски электродов и инструмента.

Электрододержатель должен удовлетворять следующим требованиям: быть лёгким (не более 0,5 кг) и удобным в обращении; иметь надёжную изоляцию; не нагреваться при работе и обеспечивать наиболее полное расплавление электрода; обеспечивать быстрое и надёжное закрепление электрода в удобном для сварки положении; его зажимное устройство должно действовать без больших усилий как при закрепление электрода, так и при его смене; присоединение сварочного провода к стержню держателя должно быть прочным и обеспечивать надёжный контакт.

Щитки и маски применяются для предохранения глаз и кожи лица сварщика от вредного влияния ультрафиолетовых лучей и брызг расплавленного металла. Их изготовляют из лёгкого токонепроводящего материала (фибра, спецфанера). Масса щитка или маски не должна превышать 0,6 кг. За процессом сварки наблюдают через специальные стёкла. Тёмные стёкла - светофильтры марки Э-1 применяют при величине тока до 70А, Э-2 при величине тока до 200А, Э-3 - при величине тока 400А и Э-4 - при величине тока больше 400А. Для предохранения от брызг металла светофильтры марки ТС-3 закрывают прозрачным стеклом. Для работы в монтажных условиях лучше применять каску-маску, которая также надёжно защищает голову и удобна в эксплуатации как в летнее, так и зимнее время [4].

Ток от силовой сети подводится к сварочным аппаратам по проводам марки КРПТ. От сварочных аппаратов к рабочим местам сварочный ток поступает по гибкому проводу марки ПРГ, АПР, или ПРГД с резиновой изоляцией. К электрододержателю должен быть подключен гибкий медный провод марки ПРГД длиной не менее 3 м.

В качестве источника питания для электрической дуги применяют трансформатор, выпрямитель, преобразователь.

Сварочный трансформатор предназначен для положения напряжения

сети до необходимого рабочего напряжения и регулировки силы сварочного тока. Он состоит из: корпуса, сердечника, первичной и вторичной обмотки, переключателя ступеней, токоуказательного механизма.

Сварочный выпрямитель представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный.

Он состоит из: силового трансформатора, блока силовых вентилей, стабилизирующего дросселя, блока защиты, системы управления вентилями.

Сварочный преобразователь это машина, служащая для преобразования переменного тока в постоянный сварочный ток.

Преобразователь состоит из: генератора постоянного тока и приводного трехфазного двигателя, находящихся на одном валу и в одном корпусе.[1]

При выполнении сварки стыка труб я буду использовать выпрямитель ВДУ-601 - Выпрямитель дуговой универсальный номинальная мощность которого 600 Ампер номер модификации 1.

Техническая характеристика.

Номинальная мощность- 69 А.

Сила номинального сварочного тока - 630 А.

Придел регулирования сварочного тока - 100-700 А.

Напряжение холостого хода 90 В.

Номинальное рабочее напряжение - 66В.

Габаритные размеры 1250 х 900 х 1155 мм. Масса - 59,5 кг.

Вспомогательный инструмент - в процессе работы сварщик пользуется инструментами для зачистки кромок от ржавчины и других загрязнений, а также для вырубки дефектов и зачистки швов от шлака. Для этого применяют металлическую проволочную щётку, зубило, молоток, комбинированное зубило с рукояткой, имеющее один заострённый конец, а другой конец в виде обычного зубила.

Для измерения разделки кромок, зазора между стыками и сварных швов используют набор шаблонов ШС-2. Шаблоны позволяют контролировать угол скоса кромок, размер притупления, качество сборки под сварку, размер деплонации (превышение одной кромки над другой) стыковых швов и величину зазора в стыковых и тавровых соединениях.

Спецодежда (куртка и брюки или комбинезон, а также рукавицы) изготовляются из плотного брезента, сукна, асбеста [5].

2.5. Технология изготовления подкрановой балки

Изготовление подкрановых балок требует наличия специального оборудования и рабочих, соответствующей специальности и квалификации. Технологический процесс изготовления этих металлоконструкций включает такие производственные циклы: заготовительные, сборочные, сварочные работы, окраска и прием ОТК.

Изготавливают подкрановые балки двумя способами: из двутавровых балок и листового металла.

Изготовление подкрановых балок из двутавров более экономично и быстрее. Для изготовления металлоконструкций берут двутавровую балку №24-40. Ее размечают и режут по нужным размерам. Затем, зачищают и удаляют ржавчину и окалину. Полученную заготовку отправляют на сварочный стенд. На стенде на нее устанавливают по чертежам ребра жесткости и делают сварочные прихватки.

Ребра жесткости располагают на всю ширину балки. Они могут быть поперечными и продольными. Поперечные ребра являются основными рабочими ребрами жесткости. От них зависит жесткость и устойчивость металлоконструкции.

После прихватки ребер, их проваривают сплошным сварочным швом. Сделав сварку ребер, подкрановые балки отправляют на сверлильный участок, где делают отверстия для крепления рельсов. Затем, подкрановые балки грунтуют, а затем окрашивают. После окраски металлоконструкций, их принимает ОТК.

Изготовление подкрановых балок из листового металла более трудоемкий процесс, чем первый способ. Листовой металл режут по размерам подкрановой балки. Для сварки на заготовках снимают фаски. В основном, скос кромок делают на заготовке, для стенки подкрановой балки. Чаще применяют V- образную фаску. Фаски зачищают шлифованием. Затем, заготовки подают и закрепляют на сборочно-сварочный стенд. На нем делают сборку и сварку балки. Сварка выполняется двумя сварщиками или сварочными автоматами.

В дальнейшем технология изготовления подкрановых балок, такая же, как первым способом.

Для изготовления подкрановых балок применяют полуавтоматическую, автоматическую ручную сварку. При сварке металлоконструкций важно соблюдать технологию сварки. Потому, что на металлоконструкции действуют сварочные напряжения и деформации. От них подкрановую балку может повести, а это брак.

На производстве подкрановых балок задействованы стропальщики, слесаря-сборщики, машинисты кранов, сварщики. Контроль и изготовление металлоконструкций выполняют, по рабочим чертежам, технологи и мастера участков.

2.6. Контроль сварной конструкции

Существуют различные методы контроля сварных швов: гидравлические, пневматические, вакуумные, керосиновый. Внешний осмотр выявляет несоответствие шва требуемых геометрическим размерам, наплывы подрезы, прожоги. Размеры швов должны соответствовать указанным на чертеже. При выявлений наружных дефектов (поры, трещины) нужно удалить шлак, зачистить место сварки удалить поры и трещины с помощью горелки или шлифмашинки, а после удаления и зачистки переварить шов сначала.

Чтобы обеспечить высокое качество и надежность сварных соединений, необходимо выполнить предварительный контроль, пооперационный контроль, контроль готовых сварных соединений.

Контроль готовых сварных соединений выполняют после выполнения термической обработки (если она предусмотрена требованиями технологического процесса).[7]

Заключение

В курсовом проекте были рассмотрены вопросы по электросварке подкрановой балки для электрических мостовых кранов.

Рассмотрен вопрос описания изделия, а так же условия его эксплуатации и применения.

Освещен вопрос понятия характеристики основного материала и оценка свариваемости стали, а также влияние компонентов на свойства материала.

Приведены описание техники сварки, контроля сварной конструкции.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 23121-78 Балки подкрановые стальные для мостовых электрических кранов общего назначения грузоподъёмностью до 50т. Технические условия

2. СНиП II-23-81 Стальные конструкции

3. СНиП III-18-75 Металлические конструкции

4. Думов С.И. - Технология электрической сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1987г.

5. Козьяков А.Ф, Морозова Л.Л. Охрана труда в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1990г.

6. Куркин А.С. Сварочные конструкции. - М.: Машиностроение, 1991г.

7. Китаев А.М. Сварочная книга сварщика. - М.: Машиностроение, 1985г.

8. Рыморов К.С. Механизация и автоматизация сварочного производства. - М.: Машиностроение, 1990г.