ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1.1 Цель работы :
Изучение конструкций сварных соединений и методов их расчета.
1.2 Оборудование и инструменты :
Модели сварных соединений, штангенциркуль, линейка.
1.3 Общие сведения :
Сварные соединения являются наиболее распространенным и совершенным видом неразъемных соединений. Почти исключительно в сварном исполнении изготавливают резервуары, котлы и сосуды высокого давления, металлические конструкции подъемнотранспортных машин, рамы, тележки и части кузовов транспортных машин. Сваркой соединяются рельсы бесстыкового пути, металлическая обшивка вагонов и локомотивов, многооборотные металлические контейнеры. Свариваются крупногабаритные корпуса редукторов, зубчатые колеса, барабаны лебедок.
В зависимости от расположения свариваемых деталей различают четыре вида сварных соединений: стыковое, нахлесточное, тавровое и угловое. Названные сварные соединения выполняют двумя видами швов: стыковыми и угловым и рассчитывают на прочность по допускаемым напряжениям. Допускаемые напряжения для сварных соединений:
|
|
; |
|
|
1 , |
(1.1) |
|
||
|
|
|
|||||||
где |
и , — коэффициенты, зависящие от вида и марки |
|
|||||||
электрода (табл. 1.1); |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
||
|
|
Коэффициенты и |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Коэффициенты, принимаемые |
|||
Вид технологического процесса |
|
|
при |
|
|
|
|||
|
|
сварки |
|
|
|
растяжении и |
сжатии |
|
срезе |
|
|
|
|
|
|
изгибе |
|
|
|
Автоматическая под флюсом, ручная |
|
|
|
|
|||||
электродами Э42А и Э50А, |
|
|
|
1 |
1 |
|
0,65 |
||
контактная стыковая |
|
|
|
|
|
|
|
||
Ручная дуговая электродами Э42 и |
|
|
0,9 |
1 |
|
0,6 |
|||
Э50, газовая сварка |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Контактная точечная и шовная |
|
|
|
- |
- |
|
0,5 |
||
— коэффициент понижения допускаемого напряжения при переменной нагрузке,
7
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.2) |
здесь R— коэффициент асимметрии цикла, |
|
|||||||
R |
Fmin |
|
min |
|
min . |
(1.3) |
||
|
|
|
||||||
|
F |
|
max |
|
|
max |
|
|
|
max |
|
|
|
|
|
||
При постоянной нагрузке R = +1 и 
= 1;
— эффективный коэффициент концентрации напряжений), определяется по табл. 1.2;
|
Таблица 1.2 |
|
Коэффициенты концентрации напряжений |
||
Расчетный элемент |
Коэффициент Кэф |
|
Стыковые швы с полным |
|
|
проваром корня без механической |
1,4 |
|
обработки |
|
|
Угловые лобовые швы с плавным |
2 |
|
переходом при ручной сварке |
||
|
||
Угловые фланговые швы, |
|
|
лобовые швы при наличии |
3,5 |
|
выпуклого валика и небольшого |
||
|
||
подреза |
|
|
II р и м е ч а н и е: При наличии в сварном соединении нескольких |
||
элементов в расчетах учитывается элемент с наибольшим Кэф. |
||
|
- допускаемое напряжение на растяжение для материала |
|
соединяемых деталей при статической нагрузке: |
|
|
|
Т , |
(1.4) |
|
s |
|
|
где σТ — предел текучести, МПа; σТ и |
принимают по табл. |
П. 1; |
s— коэффициент запаса прочности, для металлических |
|
конструкций принимают s= 1,4... 1,6. |
|
|
|
Нахлесточное соединение выполняется |
угловыми швами. |
Независимо от вида нагрузки расчет угловых швов ведется по наиболее опасным касательным напряжениям. Основной размер - катет шва k(рис. 1.1, а, б). Он обычно принимается равным толщине
свариваемых листов при |
10 мм. Опасное сечение направлено по |
|
биссектрисе прямого угла. Высота опасного сечения: |
||
h= ksin 45° 0,7k. |
(1.5) |
|
Шов называется лобовым, если он расположен перпендикулярно действию нагружаемой силы F(рис. 1.1, а, б), и фланговым, если расположен параллельно ей (рис. 1.1, б). Комбинированный шов (рис. 1.1, б) содержит лобовые и фланговые швы.
Условное изображение и обозначение швов сварных соединений выполняют по ГОСТ 2.312 — 72. Сварной шов независимо от способа сварки изображают на чертеже соединения: видимый — сплошной
8
основной линией, невидимый — штриховой. От изображения шва проводят линию-выноску, заканчивающуюся односторонней стрелкой. На полке линии-выноски приводят следующие условные обозначения.
Рис 1.1. Нахлесточное сварное соединение
1.Обозначение стандарта на типы и конструктивные элементы сварных соединений. Ручную дуговую сварку регламентирует ГОСТ 5264—80. Стандарты на другие виды сварки — в справочниках [1, 2].
2.Буквенно-цифровое обозначение шва по стандарту на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений (табл. П. 2).
3.Знак 
и размер катета (для угловых швов).
4.Вспомогательный знак О — шов по замкнутой линии. Диаметр знака 3...5 мм.
Пример условных обозначений приведен на рис. 1.1, в.
В лобовом сварном шве (рис. 1.1, а)при действии комбинации нагрузок касательные напряжения от каждой нагрузки определяются по формулам
(1.6)
(1.7)
9
(1.8)
Следует обратить внимание на то, что в формулах (1.6)...(1.8) левые части содержат только касательные напряжения, а правые — формулы сопротивления материалов, соответствующие действующим нагрузкам. Результирующее напряжение определяется как геометрическая сумма касательных напряжений от различных нагрузок:
. (1.9)
Для рассматриваемой схемы (рис 1.1, а) модуль результирующего напряжения в опасной точке А:
|
|
` |
|
` |
( F M )2 Q2 |
(1.10) |
Формула (1.10) реализует основную методику расчета сварных соединений: задаются размеры сварного шва, принимается катет шва, а расчет ведется как проверочный.
Если действует одна нагрузка, то расчетные формулы принимают вид:
(1.11)
и расчет можно вести как проектный с определением допускаемой нагрузки или одного из размеров шва.
В комбинированном сварном шве (рис. 1.1, б), выполненном по замкнутому контуру, касательные напряжения от сил Fи Q равны:
|
, |
(1.12) |
где |
и - суммарные длины соответственно |
лобовых и |
фланговых швов; в частных случаях 
= 0 или 
= 0.
Напряжения от момента М рассчитываются двумя способами: уточненный способ (по полярному моменту инерции) и приближенный способ (для коротких фланговых швов).
В комбинированном шве с длинными фланговыми швами момент М, являющийся изгибающим для основного материала, будет крутящим для сварного шва, опасное сечение которого представляет собой прямоугольную замкнутую ленточку шириной 0,7k со
сторонами bи 
.
10
Под действием крутящего момента М ленточное сечение будет стремиться повернуться относительно центра тяжести опасного сечения С (находится на пересечении диагоналей). Напряжения направлены перпендикулярно радиус-векторам, проведенным из центра тяжести в любую точку опасного сечения в сторону, противоположную направлению внешнего момента М.
Величина напряжения 
пропорциональна длине радиусавектора ρ. Максимальные напряжения возникают в угловых точках прямоугольника (например, в точке А), удаленных от центра тяжести на расстояние ρmах. Величина максимального напряжения
, (1.13)
где 
- полярный момент инерции опасного сечения сварного
шва,
, |
(1.14) |
где 
и
— моменты инерции опасного сечения относительно координатных осей с началом координат в точке С.
Моменты инерции удобно рассчитывать для составного сечения с размерами наружного контура (b + 0,7k)(
+2
0.7k) и внутреннего контура b
l. Отсюда моменты инерции:
|
|
|
|
|
|
; |
(1.15) |
|
I |
|
|
(b 1,4k)3 |
(l 1,4k) |
|
b3l |
(1.16) |
|
y |
12 |
12 |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Максимальный радиус-вектор |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.17) |
Результирующее напряжение |
определяется по |
формуле (1.9), |
||||||
которую трудно реализовать одним действием. Рекомендуется геометрическое сложение выполнять последовательно: вначале суммировать напряжения от сил, затем к суммарному вектору добавить напряжение от момента (рис. 1.2).
11
Рис. 1.2 Схема расчета результирующего напряжения
.
|
|
|
Q |
|
. 1 |
|
|
|
|
|
|
|||
arctg |
|
|
; (1.19) |
|
|
|
F |
||
b
1arctg ;
l
' 
2 M2 max 2 M max cos ' .
(1.18)
(1.20)
(1.21)
Короткие фланговые швы характеризуются длиной l<0,5b и катетомk
b. Предполагается, что напряжения от момента направлены
вдоль швов и по их длине распределены равномерно. При наличии фланговых швов напряжение от момента
ф' M (0,7kbl) (1.22)
Вкомбинированном шве (рис. 1.3)
(1.23)
12
Рис. 1.3 Нахлесточное сварное соединение с короткими фланговыми швами
Рис. 1.4 Приварка уголка к косынке
Результирующее напряжение определяется по формуле (1.10). |
|
При действии растягивающей нагрузки на уголок (рис. 1.4): |
|
, |
(1.24) |
где 
- общая длина фланговых швов;
(1.25)
Так как сила Fприкладывается асимметрично по ширине полки (по линии, проходящей через центр тяжести С сечения уголка), то
длины 
и 
фланговых швов должны быть обратно пропорциональны длинам плеч. При отношении
(1.26)
выполняется условие равнопрочности шва.
В проектном расчете длины фланговых швов 
и 
определяются решением системы уравнений (1.25) и (1.26). Размеры сечений уголков приведены в табл. П.3 и П.4.
13