Расчет и проектирование сварной балки двутаврового сечения

метки: Сварной, Расчет, Конструирование, Напряжение, Скорость, Режим, Ширин, Сткость

Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов.

В промышленности Республике Беларусь эффективно применяются современные сварочные технологии.

На многих предприятиях широко используется автоматизированная и механизированная сварка в среде защитных газов, контактная точечная сварка, различные новые методы сварки, наплавки, напыления, резки. Идет внедрение робототехнических комплексов, новейших средств технологического оснащения, а также современных методов контроля качества сварных конструкций.

В Республике Беларусь в 1992 году в состав НПО порошковой металлургии создан Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт сварки и защитных покрытий (НИИ СП).

Основными направлениями деятельности НИИ СП являются руководства государственными программами в области сварки и покрытий, оказания практической помощи промышленным предприятиям и организациям по сварке.

В последние годы ученые-сварщики Беларуси работают над созданием ресурсосберегающих технологий, которые позволяют снизить расход электроэнергии, уменьшить расход материалов, рационально использовать труд сварщиков при изготовлении различных конструкций, машин и изделий.

В Республике Беларусь и за рубежом разработаны и внедряются в производство новые конструкции источников питания сварочной дуги, которые потребляют меньшее количество электроэнергии, оборудование для механизированных и автоматизированных способов сварки. К высокопроизводительным заводам Республики Беларусь по изготовлению сварных конструкций можно отнести такие заводы, как МТЗ, МАЗ, БЕЛаз, МоАЗ, РУП МАЗ завод «Могилевтрансмаш», РУП «Могилевлифтмаш», минский завод холодильных установок и многие другие, где большой объем сварных конструкций производится на поточных линиях.

1. Конструкторский раздел

1.1 Описание конструкции балки

В данном курсовом проекте рассчитывается и проектируется сварная балка двутаврового сечения.

Балка ? это конструктивный элемент сплошного сечения, работающий на поперечный изгиб.

Сварные балки состоят из трёх основных элементов: вертикального — стенки, и двух горизонтальных ? поясов (полок), прикрепляемых к стенке заводской механизированной сваркой.

Сварные балки применяют при относительно больших пролетах и нагрузках.

Сварная конструкция «Двутавровая балка»

... каждые из которых обладают определенными свойствами. 1. Технологическая часть 1.1 Анализ конструкции изделия «Двутавровая балка» Двутавры - основной балочный профиль - имеют наибольшее разнообразие по типам, ... при помощи трех комплектов, позиционируется и фиксируется. Последним этапом является сварка балки. На специальном сварочном станке установлены два комплекта сварочных головок, которые ...

Они получили широкое применение в перекрытиях, конструкциях производственных зданий (подкрановые балки, балки рабочих площадок и так далее), мостах и т.д.

1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции

В данном курсовом проекте используется сталь Cт3пс, имеющая следующие характеристики: конструкционная низколегированная, хорошо свариваемая. Свариваемость без ограничений: сварка производится без подогрева и без последующий термообработки. Применяется в строительстве и машиностроении.

Химический состав стали приводится в таблицe 1.

Таблица 1 — Химический состав стали

Марка стали	ГОСТ	Содержание элементов, %
		C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P
Ст3пс	380-88	0,14-0,22	0,05-0,17	0,4-0,65	0,5-0,8	0,3-0,6	<0,3	0,07-0,012

Поверхность проката должна быть чистой, без трещин, пузырей, вкатанной или не вытравленной окалины, инородных включений и темных пятен. Дефекты местного характера допускается удалять путем зачистки при условии, что предельные минусовые отклонения по толщине листов не будут превышать норм.

Механические свойства стали приводятся в таблице 2

Таблица 2 — Механические свойства стали

Марка стали	ГОСТ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкости, МДж/м 2 при t=-40о С	Расчетное сопротивление, МПа
Ст3пс	19282-73	480	350	200	0,4	330

1.3 Расчет и конструирование балки

Определяем расчётные нагрузки F ^р , кН, по формулам

(1)

где

— нормативные нагрузки, кН;

— коэффициент условий работы, кН;

= 1,10.

сварная балка двутавровое сечение

Определяем сумму моментов относительно точки В, ?М _в , кН Ч м, из уравнения

(2)

a, b, c, d, l

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки А, R _А ^н , кН

(3)

Определяем сумму моментов относительно точки А, М _А , кН Ч м, из уравнения

(4)

Выражаем из уравнения реакцию опоры относительно точки В, R _В ^н , кН

(5)

Определяем расчётные реакции опор R _A ^р , R_В ^р , кН, по формулам

(6)

Производим проверку правильности определения реакций, кН

(7)

Определяем нормативные моменты в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, кН Ч см, из уравнений

Указываем, в какой точке будет максимальный нормативный изгибающий момент М ^н _max , кН Ч см. М^н _{max =} 28 800 кН Ч см.

Определяем расчётные изгибающие моменты в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, кНЧсм, по формулам

(8)

Указываем, в какой точке будет максимальный расчётный изгибающий момент М ^p _max =

Определяем нормативные поперечные силы в точках 2, 3, 4, 5, 6, кН, из уравнений

(9)

Указываем сечение балки, где действует максимальная нормативная поперечная сила Q ^н _мах , кН, Q^н _мах =

Определяем расчётные поперечные силы в точках 2, 3, 4, 5, 6, кН, по формулам

(10)

Указываем максимальную расчётную поперечную силу Q ^р _мах , кН.

Q ^р _{мах =}

На листе формата А4 в приложении Б строим эпюру изгибающих моментов и поперечных сил в масштабе.

1.4 Подбор сечения сварной балки

Определяем требуемый момент сопротивления сечения балки с учётом развития в ней пластических деформаций при работе на изгиб W _тр , см³ , по формуле

, (11)

где

R _у — расчётное сопротивление материала сварной балки [1, с.40], кН/см² .

Максимальный нормативный изгибающий момент М ^н _max , кНЧсм, берётся из эпюры.

Главной задачей при подборе сечения сварной балки является установление её высоты h, так как высота является главным размером сечения.

Определяем наименьшую высоту сечения балки h _min , см, из условия жёсткости, по формуле

(12)

где l — длина балки, см;

[f/l] — допускаемый относительный прогиб балки.

В практических расчётах отношение М ^н _max / М^р _max принимается равным 0,80.

Определяем оптимальную высоту стенки балки h _опт , см, из условия экономичного расхода металла, по формуле

, (13)

где S _ст — толщина стенки, возрастает с увеличением высоты сечения балки и определяется по эмпирической формуле, мм.

, (14)

где h — ориентировочная высота балки, м.

, (15)

где l — пролёт балки, м.

По ГОСТ 82-70 толщину стенки принимаем равной 10 мм.

Окончательную высоту стенки балки принимаем равной 450 мм, руководствуясь данными ГОСТ 82-70.

Определяем требуемую площадь сечения одного поясного листа А _п , см² , по формуле

(16)

Выразив площадь сечения пояса А _п , через ширину пояса и толщину пояса, получим формулу

, (17)

где

b _п — ширина пояса, см; S_{п —} толщина пояса, см.

Ширину поясного листа принимаем в пределах, b _п , см

(18)

По технологическим условиям эта ширина должна быть не менее 200 мм.

Тогда толщина поясного листа S _п , см, определяется по формуле

(19)

Причём, S _п назначается в пределах 8-40 мм, но не меньше, чем S_ст с градацией по ГОСТ 82-70.

Значения S _п и b_п уточняем по ГОСТ 82-70 и определяем действительное значение сечения поясного листа , см² , по формуле

(20)

Отношение должно быть меньше или равно 20.

1.5 Проверка прочности и жёсткости скомпонованного сечения балки

По назначенным размерам определяем геометрические характеристики сечения.

Определяем момент инерции сечения балки относительно оси х I _x , см⁴ , по формуле

(21)

Определяем действительное значение момента сопротивления сечения балки , см ³ , по формуле

, (22)

где h — высота балки, см.

(23)

Определяем статический момент половины сечения балки относительно оси х S _х , см³ , по формуле

, (24)

где — площадь сечения стенки балки, см ² .

Производим проверку балки на прочность по нормальным напряжениям , кН/см ² , от максимального изгибающего момента, по формул

(25)

Производим проверку балки на прочность по касательным напряжениям , кН/см ² , от максимальной поперечной силы, по формуле

, (26)

где

R _s — расчётное сопротивление материала срезу, кН/см² .

Производим проверку балки на жёсткость по относительному прогибу

, (27)

где Е — модуль упругости, кН/см ^{2 ;} Е = 21 000 кН/см² ;

• [f/l] — нормативный прогиб, зависит от назначения балки и даётся в условии.

1.6 Расчёт сварных швов, соединяющих пояса со стенкой

При работе балки на изгиб в сварных швах, соединяющих пояса со стенкой, возникают сдвигающие усилия Т, которые вызывают касательные напряжения .

Рисунок 1 — Балка сварная

При работе балки на изгиб в сварных швах, соединяющих пояса со стенкой, возникают сдвигающие усилия Т, которые вызывают касательные напряжения , в соответствии с рисунком 1.

Определяем величину сдвигающего усилия на длине 1 см балки Т, кН, по формуле

( 28)

где — статический момент поясного листа, см ³ .

(29)

где — площадь поперечного сечения поясного листа, см ² ;

• а — расстояние от нейтральной оси х до центра тяжести поясного листа, см.

(30)

Рисунок 2 — Сечение балки

Определяем напряжение в сварных швах ^т _{w ,} кН/см² , по формуле

(31)

где — площадь поперечного сечения сварных швов на длине 1 см, см ² .

(32)

где в — коэффициент, зависящий от способа сварки;

• в = 0,85 при механизированной сварке;

К _f — катет сварного шва, см.

По конструктивным соображениям принимаем катет сварного шва К _f = 8 мм.

1.7 Проверка местной устойчивости стенки балки

Местная устойчивость балки проверяется в зависимости от отношения и напряженного состояния.

=37,50<80,

следовательно, стенка устойчива, но нужны промежуточные рёбра жёсткости.

Определяем расстояния между рёбрами жёсткости а, мм, по формуле

(33)

На всём пролёте балки устанавливаются парные рёбра жёсткости, расстояние а корректируется в зависимости от пролёта балки, n — количество рёбер в соответствии с рисунком 3.

Рисунок 3 — Установка поперечных рёбер жёсткости

Определяем ширину ребра по формуле

(34)

Определяем толщину ребра S _р , мм, по формуле

(35)

Толщину ребра S _P по ГОСТ 82-70 принимаем равной 4 мм.

Ширину ребра b _P по ГОСТ 82-70 принимаем равной 56 мм.

1.8 Расчёт опорных частей балок

При шарнирном опирании сварных балок на нижележащие конструкции передачу опорной реакции осуществляют через парные опорные ребра, приваренные к нижнему поясу балки, к стенке (двумя вертикальными швами) и к верхнему поясу в соответствии с рисунком 4.

Рисунок 4 — Парные опорные рёбра

Размеры опорного ребра определяем из расчёта на смятие их торцов. Площадь опорного ребра А _{оп . р} ., см² , определяем по формуле

(36)

где — расчетная реакция опоры, ;

— расчетное сопротивление на смятие торцевой поверхности, кН/см .

Принимаем толщину опорного ребра S _{оп . р .} = 18 мм.

Тогда, зная, что площадь опорного ребра вычисляется по формуле

(37)

Выразим из неё ширину опорного ребра b _{оп . р .,} см, в виде формулы

Наименьшая ширина опорного ребра принимается 200 мм.

Принимаем

Чтобы ребро не потеряло местную устойчивость, необходимо проверить соотношение

(38)

После определения размеров ребра определяем катет сварного шва К _f , см, из условия прочности сварных швов, по формуле

(39)

где n — число сварных швов;

n = 2

Принимаем катет сварного шва К _f = 8 мм.

В сварных балках вся опорная реакция передаётся на ребро через вертикальные угловые швы.

Передачу опорной реакции можно осуществить и посредством диафрагмы с фрезерованным нижним торцом, приваренной к торцу балки в соответствии с рисунком 5.

Размеры диафрагмы определяем из расчёта на смятие её торца. Площадь диафрагмы , см ² , определяем по формуле

(40)

Зададим толщину диафрагмы принимаем 20 мм = 2 см.

Рисунок 5 — Диафрагма как опорная часть балки

Определим ширину диафрагмы , см, по формуле

(41)

Принимаем b _д = 180 мм.

Определяем катет сварного шва К _f , см, по формуле

где n — число сварных швов.

n = 4

Принимаем катет сварного шва К _f = 8 мм.

1.9 Расчёт стыков балок

Расчёт стыков балок производится в соответствии с рисунком 6.

Стыки стенки и сжатого пояса делают прямыми. Стык растянутого пояса устраивают прямым, если напряжения в поясе не превышает расчётное сопротивление сварного соединения растяжению. В противном случае делают косым.

Рисунок 6 — Стыки балок

Стык каждого элемента балки рассчитываются на усилие (момент), воспринимаемое этим элементом. Стык стенки рассчитывают на действия изгибающего момента и поперечной силы.

Определяем изгибающий момент, приходящийся на стенку М _ст , кН Ч см, по формуле

(42)

где М ^Р — изгибающий момент, действующий в данном сечении (в месте расположения стыка), кН Ч см;

I _ст — момент инерции всего сечения стенки, см⁴ ;

I _х — момент инерции всего сечения балки, см⁴ .

(43)

Определяем касательные напряжения в сварном стыковом шве ^Q _w , кН/см² , от действия поперечной силы, по формуле

(44)

где Q — поперечная сила, действующая в данном сечении, кН;

S _{х —} статический момент половины продольного сечения шва

относительно нейтральной оси, см ³ .

(45)

Определяем нормативные напряжения в сварном шве у _w ^Мст , кН/см² , от изгибающего момента, по формуле

( 46)

где

W _ст — момент сопротивления сечения стенки балки, см³

(47)

Кроме того, стыковой сварной шов стенки должен быть проверен на приведенные напряжения у _w ^пр , кН/см² , по формуле

(48)

Определяем усилие N, кН, воспринимаемое поясом, по формуле

, (49)

где — расстояние между центрами тяжести поясов, см, в соответствии с рисунком 2.

=45+1=46 см

Тогда напряжение в растянутом поясе у _w ^N , кН/см² , будет определено по формуле

(50)

где А _ш — площадь поперечного сечения пояса, см² .

(51)

1.10 Расчёт массы балки

Определяем массу балки G, кг, по формуле

(52)

где — масса пояса балки, кг;

— масса стенки балки, кг.

(53)

где l — пролёт балки, см;

г — удельный вес металла, г/см ³ ;

г = 7,85 г/см ³ .

(54)

2. Технологический раздел

2.1 Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных соединений

Для изготовления балки выбираем механизированный способ сварки в углекислом газе и применяем проволоку Св08Г2С. Так как данная проволока является универсальной и гарантирует высокие сварочно-технологические свойства, стабильность механических свойств металлошва и надежность сварных соединений. Контроль качества визуальный, так как визуальный способом осмотра выявляются несоответствия сварного шва требуемым геометрическим размерам.

Геометрические размеры, которые необходимо выдержать в процессе сварки проверяют специальными инструментами или универсальных измерительных средств. А именно: при помощи водяного уровня, отвеса и металлической рулетки.

2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования

Критерием оптимального выбора режимов служит максимальная производительность процесса сварки при условии получения требуемых геометрических размеров поперечного сечения шва, регламентированных ГОСТ 14771-76 и достаточно низких потерь металла на угар и разбрызгивания.

Расчёт режимов сварки производится для конкретного случая.

Для угловых швов расчёт режимов имеет следующий вид.

Определяем скорость сварки V _св , м/ч, по формуле

(55)

где — коэффициент наплавки, г/А ^. ч;

I — сила тока, А;

г ? удельная плотность;

г = 7,85 г/см ³ ;

— площадь поперечного сечения шва, мм ² .

(56)

где — катет шва, мм;

q — высота усиления шва, мм.

Определяем скорость подачи сварочной проволоки , м/ч, по формуле

(57)

где d — диаметр сварочной проволоки, мм.

Режимы сварки сводим в таблицу 3.

Таблица 3 — 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	Расход газа, дм 3 /мм
8	2	300ч350	28ч30	164ч210	10ч13	15ч17

Для стыковых швов расчёт режимов выглядит следующим образом. Для С 7. Для S=10 мм.

(58)

где А _ш — площадь поперечного сечения шва, мм²

( 59)

где е, q, b — значения принимаемые по ГОСТ 14771-76,e=12 мм

q=2 мм

b=1,50 мм

S — толщина металла, мм,

S _min =10 мм.

Определяем скорость подачи V _под , м/ч, по формуле

(60)

Результаты расчётов сводим в таблицу 4.

Таблица 4 — Режимы сварки

Толщина, S, мм	Диаметр проволоки, dпр, мм	Сварочный ток, I, А	Напряжение, U, В	Вылет электрода, lэ, мм	Расход газа, дм 3 /мм	Скорость сварки, Vсв, м/ч	Скорость подачи, Vпод, м/ч
10	1,60	250ч300	28ч30	20ч25	15ч17	10ч15	239ч313

На основе рассчитанных режимов сварки выбираем сварочный аппарат Fast Mig KM 400, благодаря высокому КПД и низкой мощности холостого хода, являются энергосберегающими, быстро реагируют на изменение в сварочной дуге, благодаря быстродействию системы электронного регулирования. Дуга горит стабильно. Сохраняет предельно заданные параметры.

В этих сварочных аппаратах используются преимущественно инвенторная технология, которая гарантирует хорошее возбуждение дуги при механизированной сварки в защитных газах.

Таблица 5 — Технические данные сварочного аппарата Fast Mig ^TM KM 400

Сетевое напряжение 3 ? 50/60 Гц
400 В — 15%+ 20%
Потребляемая мощность
80 % ПВ	—
100 % ПВ	18,5 кВА
Максимальная нагрузка при 40° С
80 %	—
100 %	300 А
Диапазон сварочного напряжения
MIG	10-37 В
Сварочное напряжение до	46 В
Напряжение холостого хода	65 В
Мощность на холостом ходу	25 Вт
КПД	87 %
Коэффициент мощности	0,9
Рабочая температура	-20…+140° С
Наружные габариты
длина	590 мм
ширина	230 мм
высота	430 мм
Масса	34 кг
Питание периферийных устройств	24 В пост.Т.

2.3 Ресурсосберегающие мероприятия при проектировании балки

На современном этапе при организации всех производственных процессов в различных отраслях промышленности самым актуальным является сбережение энергетических и материальных ресурсов.

При производстве сварных конструкций существенное внимание уделяется экономии материалов получаемой продукции, энергоресурсов, времени производства, уменьшения трудоёмкости изготовления и других параметров. Показателем экономии материалов является: снижение веса конструкции, уменьшение отходов материалов, использование стандартных узлов, взаимозаменяемость деталей и т.д. Показателем экономии энергоресурсов являются параметры режимов сварки: напряжение дуги, сварочный ток. Показателями уменьшения трудоемкости являются: применение материалов, упрощающих геометрию швов, сокращение числа деталей в конструкции, типы сварных швов. Экономия времени достигается за счёт механизации и автоматизации процессов заготовки, сборки, сварки, за счёт правильной организации работы сварщика на рабочем месте, рациональной планировки рабочего места, использования высокопроизводительной технологической оснастки.

Спроектированная конструкция балки, является технологичной, установлена высота сечения h = 450 мм, толщина стенки S _ст =10 мм, ширина поясного листа b_п =200 мм, толщина поясного листа S_п =12 мм, толщина ребра S_p =4 мм, ширина ребра b_p =56 мм, толщина опорного ребра S_{оп . р .} =18 мм, наименьшая ширина опорного ребра b_{оп . р .} =180 мм, катет сварного шва K_f =8 мм, ширина диафрагмы b_д =200 мм, относительный прогиб = , при длине балки 10 м. Получить минимальное сечение, то есть снизить металлоёмкость, обеспечив напряжение в сечении балки и в сечении сварных швов, не превышающих нормативных значений.

Для сварки рёбер жёсткости, опорных рёбер и стыковых швов применяется механизированная сварка в углекислом газе.

Применение механизированной сварки в углекислом газе для сварки опорных рёбер и рёбер жёсткости с оптимально выбранными размерами катетов сварных швов даёт возможность снизить расход сварочной проволоки, электроэнергии и обеспечить качество этих соединений.

Перечисленные мероприятия обеспечивают снижение энергоресурсов, а так же основного металла и электродной проволоки.

Список используемых источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/raschet-i-konstruirovanie-svarnoy-balki/

1. Блинов, А.Н. Сварные конструкции / А.Н. Блинов, К.В. Лялин. — Москва: Строй издательство, 1990. — 353с.: ил.

2. Михайлов, А.М. Сварные конструкции: учебное пособие для техникума / А.М. Михайлов. — Москва: Строй издательство, 1983. — 367 с.: ил.

3. Майзель, В.С. Сварные конструкции: учебник для техникумов / В.С. Майзель, Д.И. Навроцкий. — Ленинград: Машиностроение, 1973. — 304 с.