2.4 Расчет усилий на валки при сварке сформованной полосы из стали 22гф

Расчет производят по методике Ю.Ф. Шевакина и В.Я. Гольберга.

Рисунок 2.12 - Деформация трубной заготовки в сварочных валках

На рисунке 2.12 показаны продольное (а) и поперечное (б-г) сечения очага деформации при сварке кромок сформованной полосы. Деформацию трубной заготовки в сварочном узле можно разделить на три стадии.

В начальной стадии 1-1 (б) совершается гиб трубной заготовки во внеконтактной зоне. В контактной зоне деформации в сечении 2-2 (в) уменьшается исходная овальность заготовки и продолжается гиб ее до момента соединения кромок в точке А. Обе указанные стадии процесса происходят на длине - длине главного перехода. При образовании замкнутого профиля заготовки происходит деформация осадки кромок и обжатие трубной заготовки по диаметру (г) на длине (сечение 3-3).

Указанная последовательность деформации положена в основу при выводе формулы для определения усилия металла на валки в сварочном узле.

Полное усилие металла на валки определяют как сумму усилий, необходимых для осуществления деформации, по формуле

, (2.1)

где - усилие, необходимое для осуществления деформации, Н;

- усилие металла на валки при уменьшении исходной овальности заготовки, Н;

- усилие металла на валки при гибе трубной заготовки, Н;

- усилие металла на валки при осадке кромок в процессе сварки, Н.

Усилие металла на валки при гибе трубной заготовки определяют по формуле

Усилие гиба полосы в калибре сварочных валков можно определить из равенства момента внутренних сил изгибающему моменту внешних сил. Момент внутренних сил на длине находят по формуле:

, (2.2)

На рисунке 2.13 дана схема приложения внешних сил при гибе трубной заготовки в сварочном калибре. Одновременно с гибом происходит изменение овальности и меняется угол приложения силы Р. При гибе точка С неподвижна. Вокруг нее происходит поворот двух ветвей трубной заготовки, в результате чего происходит сближение кромок. Изгибающий момент действующих сил

, (2.3)

где - радиус трубы

Рисунок 2.13 - Схема приложения сил (а) при гибе полосы и распределение их (б) в сварочном калибре.

В начальный момент контакта с валком происходит изменение овальности, так как момент относительно точки а максимален. Это приводит к увеличению угла .

Максимального значения изгибающий момент достигает при :

, (2.4)

Приравняв выражения (2.3) и (2.4), найдем усилие гиба, необходимое для осуществления внеконтактной деформации:

, (2.5)

где - предел текучести формуемого металла,

- толщина стенки трубной заготовки, м;

- длина участка плавного перехода, м;

- радиус трубы, м.

Усилие Р₀, затрачиваемое на изменение овальности заготовки, не превышает 10 % от усилия гиба, поэтому им можно пренебречь.

Определяем усилие осадки . Сварочный валок является достаточно массивным по сравнению со стенкой трубы, и его можно рассматривать как упругое основание. На рисунке 2.13 (б) показано схематически распределение сил в калибре сварочного валка. Для нахождения давления на валок надо знать усилия и . В работе Ю.Ф. Шевакина и В.И. Пастернак было доказано, что для всех размеров электросварных труб

, (2.6)

Для определения усилия , приложенного на кромке трубы, нужно знать длину контакта , величину и изменение напряжения по длине контакта. Допустим, что напряженное состояние металла при осадке кромок близко к линейному.

При сварке труб металл кромок нагревается еще до подхода к стыку, причем максимальная температура имеет место в точке схода кромок (см. рис 2.12, точка А). В дальнейшем от точки А по мере продвижения трубной заготовки происходит охлаждение металла.

Учитывая, что скорость охлаждения металла в процессе сварки равна приблизительно 500 град в секунду, а время прохождения элементарного объема от точки схода кромок до оси сварочных валков составляет

0,015 – 0,025 сек, перепад температур по всей длине контакта кромок составит 6,3 – 7,6 град, что практически можно не учитывать.

Пренебрегая упрочнением металла в процессе осадки и приняв во внимание все приведенные выше соображения, можно считать, что величина удельных усилий на всей длине участка пластической деформации (от точки схода до линии центров) практически сохраняется постоянной и равной . Для сварки токами высокой частоты усилие осадки кромок:

, (2.7)

где - температурный коэффициент при сварке токами высокой частоты;

- длина участка пластической деформации, м.

По формуле (2.1) определяют полное усилие металла на валки при сварке трубной заготовки

Вес трубной заготовки определяют по формуле

, (2.8)

где - вес трубы, Н;

- плотность металла, кг/м³;

- ширина штрипса, м;

- длина трубной заготовки до сварочного калибра, м;

- длина трубной заготовки после сварочного калибра, м;

- ускорение свободного падения, м/с².

Схема расположения валков в сварочной клети изображена на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14 – Схема расположения валков сварочной клети

Усилие на нижний опорный валок определяется по формуле

, (2.9) , (41)

где - усилие на нижний опорный валок, Н.

Усилие на боковой валок определяют по формуле

, (2.10)

где - усилие на боковой валок, Н.

Усилие на верхний валок определяют по формуле

, (2.11)

где - усилие на верхний валок, Н.