Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра технологических машин и оборудования

Проектирование сварных конструкций

Учебное пособие

по проведению курса лекций по дисциплине

«проектирование сварных конструкций»

Уфа 2013

Учебное пособие предназначено для магистрантов направления подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование» (профиль подготовки «Теоретические основы проектирования оборудования нефтегазоперерабатывающих, нефтехимических и химических производств») для выполнения самостоятельных работ по дисциплине «Принципы и методы конструирования и проектирования оборудования»

Составитель: Закирничная М.М., профессор кафедры ТМО

Мавлеткулов У.Р., магистрант гр. ММО31-12-01

Камалов Ф.Ф., магистрант гр. ММО31-12-01

Херувимов Д.В., магистрант гр. ММО31-12-01

Рецензент: Габбасова А.Х., доцент кафедры ТМО

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2013

Глава I. Вводная 5

Глава II. Материалы 10

§ 1. Сорта сталей и алюминиевых, сплавов 10

§ 2, Сортамент 17

Глава III. Заготовительные операции 22

Глава IV. Сварные соединения и расчет их прочности при статических

нагрузках 31

§ I. Принципы расчета строительных конструкций по предельно­му состоянию 31

§ 2. Принципы расчета машиностроительных конструкций по до­пускаемым напряжениям 33

§ 3. Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения при рас­чете прочности сварных соединений в стальных конструкциях 34 § 4. Допускаемые напряжения для сварных конструкций из алю-

мшшеных сплавов 36

§ 5. Электролуговые сварные соединения 38

§ 6. Сварные соединения, выполненные контактной сваркой 58

§ 7, Соединения при специальных методах сварки 69

§ 8. Соединения при сварке пластмасс 79

§ 9. Примеры расчета 81

§ 10. Комбинированные клепано-сварные соединения 85

§ 11. Клеено-сварные соединения 87

§ 12. Паяные соединения 88

§ 13. Соединения, работающие на изгиб и сложное сопротивление . 91 § 14. Расчет прочности сварных соединений по рекомендации Меж­дународного института сварки (М1-Ю) 102

§ 15. Условные обозначения сварных швов 106

Глава V. Концентрация напряжений в сварных соединениях и ме­тоды ее снижения 110

§ 1. Общие соображения 11О

§ 2. Распределение напряжении в стыковых швах 113

$ 3. Распределение напряжений в лобовых швах 114

§ 4. Распределение напряжений во фланговых швах 120 § 5. Распределение напряжений в комбинированных соединениях

с лобовым и фланговыми швами 124

§ б. Распределение усилий в роликовых соединениях, сваренных

контактным способом 126

§ 7. Распределение усилий в точечных соединениях, сваренных кон­тактным способом 127

§ 8. Концентрация деформаций в зоне дефектов 131 Глава VI. Деформации, напряжения и перемещения, вызываемые про­цессом сварки 133

§ I, Деформации н напряжения при неравномерном нагреве

и остывании 133

§ 2, Свойства металлов при высоких температурах. Распределе­ние температур при сварке 136

§ 3. Образование деформации, напряжений, и перемещении при

сварке 139

§ 4. Остаточные' напряжения в сварных соединениях 145

§ 5. Деформации и перемещения в сварных соединениях и кон­струкциях 146

§ 6. Остаточные напряжения и перемещения, возникающие и эле­ментах оболочек 16l

§ 7. Экспериментальные методы определения сварочных деформа­ции, напряжении н перемещений 165

Г /I л в а VII. Методы снижения остаточных напряжений и деформаций

в сварных конструкциях 170

§ 1. Общие замечания 170

§ 2. Уменьшение остаточных напряжений 172

§ 3. Способы уменьшения сварочных деформации и перемещений 177

§ 4. Особенности уменьшения напряжений и перемещений при

спарке элементов тонкостенных оболочек 180

Г л а в л VIII. Технологическая прочность сварных соединений и мето­ды ее повышении 190

§ I. Образование в сварных соединениях горячих (крнсталлиза-

ционных) трещин 190

§ 2. Образование в сварных соединениях холодных трещин 192

Глина IX. Статическая прочность сварных соединений 197

§ I. Общие положения 197

§ 2. Прочность сварных соединении 202

§ 3. Повышение статической прочности 214

Г л а и л X. Усталостная прочность сварных соединений и методы ее

повышении 217

$ I. Прочность основного металла при переменных нагрузках 217

§ 2. Прочность сварных соединении из стали, выполненных дуго­вой сваркой, при переменных нагрузках 222

§ 3. Уем злостная прочность парных соединений элементов боль­ших толщин 229

§ 4. Усталостная прочность сварных соединений при контактной

сварке 231

§ 5 Усталостная прочность парных соединений из цветных сплавов, сваренных дуговой сваркой 234

§ 6. Методы повышения прочности сварных соединении при пере­менных нагрузках 235

§ 7. Допускаемые напряжения при работе конструкций иод пере­менными нагрузками 240

Глава XI. Хрупкие разрушения сварных соединений 246

§ 1. Общие положений 246

§ 2. Причины хрупких разрушений сварных конструкций 251

§ 3. Прочность сварных соединении при уларе 255

§ 4. Предупреждение хрупких разрушений 257

Г л а и а XII. Конструктивная прочность сварных изделий 261

§ 1. Понятие о конструктивной прочности 261

§ 2. Влияние схемы напряженного состояния 266

§ 3. Влияние концентраторов напряжений 271

§ 4. Влияние пониженной температуры 272

§ 5. Влияние пластической деформации и деформационного ста­рении 274

§ 6. Пуш повышения конструктивной прочности 275

Глава XIII. Общие принципы рационального проектирования и изго­товления сварных конструкций 279

§ I. Рациональное проектирование н изготовление конструкций 279

§ 2. Выбор материалов для сварных конструкций. 281

§ 3. Рациональное построение технологических процессов изготов­ления сварных конструкций 285

§ 4. Сборочно-сварочные операции и проектирование приспособ­лений 288

Глава XIV. Балки 301

§ 1. Общие сведения о балках 301

§ 2. Схема расчета балок 302

§ 3. Определение расчетных усилии в балках методом линии влия­ния 303

§ 4. Расчет жесткости и прочности 308

§ 5. Общая устойчивость 313

§ 6. Местная устойчивость 315

§ 7. Ребра жесткости 316

§ 8. Работа на кручение 318

§ 9. Расчет с учетом пластических деформации 319

§ 10. Сварные соединения 322

§ 11. Стыки 323

§ 12. Применение штампованных глухих профилей 324

§ 13. Применение алюминиевых сплавов 326

§ 14. Опорные части 330

§ 15. Результаты испытании 331

§ 16. (Примеры сварных конструкции 333

§ 17, Пример расчета и конструирования балки 336

Глав а XV, Стойки 353

§ 1, Типы поперечных сечении 353

§ 2. Устойчивость стоек со сплошными поперечными 355

§ 3. Прочность и устойчивость стоек с составными поперечны­ми сечениями 365

§ 4. Соединительные элементы 366

§ 5. Стыки 371

§ 6. Базы и оголовки 372

§ 7. Примеры стоек 372

Глава XVI. Изготовление конструкций балочного типа 375

§ 1, Изготовление балок двутаврового сечения 376

§ 2. Пример проектирования оснастки поточной линии сборки

я сварки двутавровых балок 388

§ 3. Изготовление конструктивных элементов двутаврового се­чения 400

§ 4. Изготовление балок коробчатого сечения 405

§ 5. Приемы выполнения стыков балок 411

Глава XVII. Сварные рамы 414

§ !, Типы соединений элементов рамы 414

§ 2. Соединения балок в рамах с дополнительными усилениями 417

§ 3. Соединения балок со стойками 420

§ 4. Точечные соединения рам, работающих на изгиб 421

§ 5. Сварные рамы и станины 424

§ 6. Рамы иод двигатели 437

§ 7. Изготовление рам 428

Глава XVIII. Решетчатые конструкции (фермы) 440

§ 1. Типы ферм 440

§ 2. Определение нагрузок и усилий стержней 441

§ 3. Линии влияния усилии стержней 443

§ 4. Поперечные сечения стержней 448

§ 5. Сечения сжатых н растянутых поясов, раскосов и стоек 449

§ 6. Узлы ферм 453

§ 7. Специальные конструкции ферм 461

§ 8. Стыковые соединения поясов 463

§ 9. Сварные легкие прутковые фермы 467

§ 10, Применение алюминиевых сплавов и сварных конструкциях

Ферм 468

§ 11. Пример расчета алюминиевой фермы 469

§ 12. Пример расчета стальной фермы 472

§ 13. Применение пайки 475

§ 14. Пример расчета кранового моста 476

§ 15. Изготовление решетчатых конструкций 505

Глава XIX. Листовые конструкции (расчет и проектирование) 514

§ 1. Вертикальные цилиндрические резервуары 514

§ 2. Покрытия цилиндрических резервуаров 521

§ 3. Резервуары со сферическими днищами 524

§ 4. Сферические и каплевидные резервуары 527

§ 5. Цистерны 529

§ 6. Местные напряжения в листовых конструкциях 530

§ 7. Газгольдеры 533

§ 8, Применение алюминиевых сплавов для изготовления резервуа­ров и цистерн 534

§ 9. Конструкции металлургического и других комплексов 535

§ 10. Котлы и сосуды, работающие под давлением 539

§ П. Трубы н трубопроводы 554

Глава XX, Листовые конструкции (технология изготовления) 561

§ Г Негабаритные емкости и сооружения 561

§ 2. Сосуды, работающие под давлением 588

§ :'>. Изготовление сварных труб 616

§ 4. Сварка труб и трубопроводов 629

§ 5. Корпусные листовые конструкции 640

Глава XXI. Сварные детали машин (расчет и конструирование) 658

§ 1. Тины сварных деталей машин 658

§ 2. Барабаны 665

§ 3. Корпуса редукторов 671

§ 4. Шестерни и шкивы 675

Глава XXII. Сварные детали машин (технология изготовления) 680

§ 1. Детали тяжелого и энергетического машиностроения 680

§ 2. Детали общего машиностроения 698

§ 3, Сварка деталей приборов 710

Г ла-u а XXIII. Сварные соединения стержней и рельсов 715

§ 1. Сварные соединения арматуры железобетона 715

§ 2. Изготовление арматурных сварных конструкций 718

§ 3. Сварка стыков рельсов 722

Глава XXIV, Механизация и автоматизация сварочного производства 725

§ 1. Механизация транспортных операций 725

§ 2. Механизация заготовительных операции 739

§ 3. Механизация и автоматизация сборочно-сварочных операций 745

Литература 756

ГЛАВА I

ВВОДНАЯ

Сварка является одним из наиболее прогрессивных методов обработки металлов и неметаллических материалов.

Впервые в 1882 г. талантливый русский изобретатель Н. Н. Бе-нардос предложил способ соединения и разделения металлов непосредственно действием электрического тока с применением угольной дуги. Этот способ сварки угольной дутой носит его имя. В 1888—1890 гг. горный инженер Н. Г. Славянов разрабо­тал метод электрической сварки металлов металлическим электродом.

Широкое развитие дуговая сварка металлов получила лишь после Великой Октябрьской социалистической революции.

С 1932 г. применение сварки вместо клепки в конструкциях стало не только рекомендованным, но и обязательным в ряде объектов строительных конструкций. С этого же периода науч­но-исследовательские институты начали проводить работы но созданию электродов высокого качества.

Со второй половины 30-х годов сварка получила новое широ­кое применение в различных отраслях машиностроения: на автомобильных заводах в Москве и Горьком, при изготовлении всевозможных деталей и узлов машин на Ново-Краматорском заводе и др.; в энергомашиностроении (Металлический завод в Ленинграде); при сооружении строительных конструкций. В эти же годы в СССР было сооружено несколько сварных же­лезнодорожных мостов.

С 40-х годов в СССР в результате деятельности Института электросварки АН УССР в первую очередь его основателя Е. О. Патона (именем которого назван Институт), а также дру­гих организаций начинается успешное применение в промыш­ленности автоматической и полуавтоматической сварки под сло­ем флюса, которое сыграло выдающуюся роль сначала в период Великой Отечественной войны при создании вооружения, а позд­нее в деле широкого внедрения передовых методов сварки во всех отраслях народного хозяйства. С этого же времени получа-

5

ют распространение сварные конструкции не только из углеро­дистых, но и из различных легированных сталей, а также из сплавов цветных металлов в наиболее ответственных машино­строительных и строительных конструкциях, работающих при статических и динамических нагрузках при низких и высоких температурах.

Замечательными достижениями советской техники, отмечен­ные Ленинскими премиями, являются созданные силами Института электросварки имени Е. О. Патопа и разработанные на ряде заводов методы индустриального изготовлении сварных листовых конструкций (резервуаров и т. д.); электрошлаковая сварка, сыгравшая большую роль в развитии советского тяже­лого машиностроения; разработанный несколькими организация­ми способ сварки в среде углекислого газа, а также метод кон­тактной сварки с непрерывным оплавлением.

В 50-е годы получили развитие различные автоматические и механизированные методы сварки. Непрерывно расширяется метод сварки под слоем флюса. За последнее десятилетие о СССР значительных успехов достигло развитие методов свар­ки в среде аргона плавящимся и вольфрамовым электродами. в среде углекислого газа, электрошлаковой, а также автомати­зированных методов контактной сварки. В СССР внедряются новые сварочные процессы: холодная сварка, сварка трением. сварка токами высокой частоты, ультразвуковая сварка, впбро-иаплавка, электроннолучевая и диффузионная сварки, сварка взрывом, различные процессы пайки металлов и сплавов и др.

Развитие сварочной техники происходило в СССР параллель­но с развитием пауки о сварке. В настоящее время в СССР над изучением основных проблем сварочной техники работает сеть научно-исследовательских институтов, вузов и заводских лабо­раторий.

Решениями XXI и XXII съездов КПСС принята грандиозная программа нового технического вооружения промышленности и поставлены перед сварщиками новые задачи исключительной важности.

Значительно увеличивается объем производства сварных конструкций во всех областях техники, особенно в машинострое­нии. В 196,5 г. сварено всего 25 млн. г конструкций, из них: в про­мышленности — 15 млн. т, в строительстве-—7,6 млн. т. За семи­летие уровень механизации сварочных работ вырос более чем в 4 раза по сравнению с 1958 г.; уровень механизации наплавоч­ных работ достиг 42%, а объем производства сварочного обору­дования увеличился в 5 раз; в 2,5 раза вырос выпуск инженеров и техников по сварочному производству. Значительное развитие получила наука о сварке.

Созданы комбинированные изделия из проката, отливок и по­ковок, соединяемые различными методами сварки, главным

б

образом электрошлаковым- Используются всевозможные стали, сплавы из цветных металлов, расширяется применение листового проката, гнутых и штампованных профилей, максимально инду­стриализуется производство изделий.

Большое внимание уделено расширению выпуска электросва­рочного оборудования: дуговых автоматов для -сварки под слоем флюса, в среде защитных газов и т. д., контактных машин, обо­рудования для сварки новыми методами па основе их типизации.

Значительно возрос уровень автоматизации сварочных работ: я среднем 40% всех сварочных работ в промышленности, 20% в строительстве н 100% при изготовлении труб выпол­няются автоматами. Реконструирована база производства электродов и флюсов, значительно увеличен объем примене­ния наплавочных работ, организованы показательные заводы и цехи.

Согласно решениям ХХШ съезда КПСС и постановлению Правительства объем производства сварных конструкций в 1970 г. возрастет в 1,5 раза по сравнению с 1965 г. При этом автоматизация сварочных работ составит в среднем 51,5%, из них 60% по промышленности и 32% но строительству.

Прогрессивные методы сварки возрастут в 1970 г. по сравне­нию с 1965 г.: в среде защитных газов в 1,5 раза; электрошлако­вой в 1,5 раза; контактной и дуговой под флюсом в 1,2 раза. Создаются цептросвары и центрорезы для централизованного изготовления типовых узлов конструкций. Особенно важной за­дачей является освоение сварки прочных сплавов с пределом те­кучести 150 кГ/мм² и выше, что позволит достигнуть значитель­ной экономии проката, а также особо чистых металлов (медь, никель, железо), тугоплавких металлов и сплавов (ниобий, воль-фрам, тантал).

На рис. 1-1 и 1-2 приведены примеры сварных конструкций, выполненных в СССР и за рубежом.

Сварные конструкции обладают многими преимуществами по сравнению с клепаными. Применение сварки, по сравнению с клепкой, в конструкциях из малоуглеродистых сталей позво­ляет получить экономию металла-. Ю-*-20% в стропильных фер­мах, 15-г-20% в кранах, 15-^25% в сосудах. Снижение стои­мости сварных изделий, по сравнению со стоимостью клепаных, происходит в результате уменьшения веса сварных конструкций н трудоемкости изготовлении. Оборудование сварочных цехов проще и дешевле, чем клепальных.

При производстве резервуаров, котлов, вагонов-цистерн, тру­бопроводов, а также и в судостроении имеет исключительно большое значение возможность получения плотных соединений. При замене клепки сваркой создаются условия бесшумного про­цесса, что очень важно в вопросах охраны труда и техники безопасности, Перечисленные выше преимущества сварки перед

7

s, .^и«»й««И*я«*«*»*

■^ -=£■

Рис. 1 ■ 1. Балочное неразрезное пролетное строение моста им. Е. О. Патопа через Днепр в Киеве

Рис. 1-2. Атомный реактор в Донрене

клепкой позволили в настоящее время совершенно вытеснить клепку конструкций почти во всех областях техники.

Несмотря на значительные успехи в развитии литейной тех­нологии, сварные конструкции по сравнению с литыми обладают важными преимуществами: уменьшается вес изделий в обрабо­танном виде (чистый вес); при переводе стальных литых изде­лий па сварные конструкции уменьшение веса иногда достига­ет 30%, при переводе чугунных-- 50-:-60%. Это происходит вследствие того, что размеры литых конструкции часто зависят не только от прочности и жесткости, но и от условий производ­ства литья; уменьшаются припуски на механическую обработку. Изделия после отливки весьма часто подвергаются механической обработке, и отход металла бывает значительным.

В сварных конструкциях указанные потери металла почти отсутствуют, обеспечивается получение высоких механических свойств. В литых изделиях при недостаточно хорошо отработан­ном технологическом процессе возникают поры, усадочные рако­вины. По этой причине многие рамы под машины, рамы теле­жек, корпуса редукторов и т. п., ранее изготовлявшиеся литыми, в настоящее время свариваются.

Капитальные затраты на оборудование сварочных цехов меньше, чем па оборудование литейных. В особенности дорого оборудование сталелитейных цехов. Сварные конструкции эко­номичнее и целесообразнее литых при индивидуальном и мелко­серийном производстве, а также в конструкциях, имеющих слож­ные геометрические формы, когда в процессе литья возникают затруднения. Но сварные конструкции уступают литым в эконо­мичности при отливке изделий простых геометрических форм и при крупносерийном и массовом производстве.

Сварные конструкции позволяют рационализировать форму поковки, так как сваркой можно заменить одну сложную поков­ку большого габарита сочетанием двух или нескольких простых поковок или сочетанием поковки с прокатным элементом.

Высокая производительность сварочного процесса, хорошее качество сварных соединений и экономичное использование ме­талла способствует тому, что сварочная техника стала ведущим технологическим процессом при изготовлении металлических конструкции всех видов.