Тема 6. МАТЕРИАЛЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ. УСТАЛОСТНАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

2.1.1. Требования к материалам металлических конструкций и их характеристики

Металлы, применяемые в металлоконструкциях СДМ, должны обладать механическими свойствами, обеспечивающими долговечную и надежную работу конструкции. Они должны быть прочными, упругими, сопротивляться циклическим и ударным воздействиям при положительных и отрицательных температурах, обладать коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Указанным требованиям отвечают стали с содержанием углерода не более 0,22…0,25%. При большем содержании углерода, несмотря на более высокую прочность, для несущих конструкций не применяют из-за плохой свариваемости и склонности к хрупкому разрушению.

Алюминиевые и титановые сплавы для несущих конструкций применяют ограниченно. Углеродистые стали обыкновенного качества поставляются заказчику с гарантией

механических свойств и (или) с гарантийным химическим составом. Сталь группы А поставляются с гарантией механических свойств, группы Б – с гарантией механических свойств и химического состава.

Применение низколегированных сталей по сравнению с углеродистыми позволяет снизить массу конструкций на 20…30% и увеличить их срок службы.

Кроме того, рекомендуются термопрочные, углеродистые стали. Их недостаток – разупрочнение из-за нагрева при сварке.

Механические свойства сталей характеризуются временным сопротивлению разрыву В , модулем упругости E 2 10 5 МПа , пределом текучести Т , относительным удлинением , ударной вязкостью а, пределом выносливости 1 и др.

2.1.2. Рекомендации по выбору стали с учетом условий эксплуатации.

При выборе марки стали необходимо учитывать возможность работы СДМ в различных климатических зонах.

Нужно учитывать стоимость материалов, трудоемкость изготовления конструкций из них. Например, прокат из сталей 09Г2, 09Г2Д приблизительно на 30% прочнее и на 17% дороже проката из стали Ст3, а сталь 10ХСНД на 70% прочнее стали Ст3 и на столько же дороже.

При понижении температуры и увеличении скорости деформации предел текучести стали увеличивается и становится больше предельного сопротивления отрыву отр , что соответствует к

переходу от пластического к упругому разрушению. Температура tкр , при которой Т отр

(рис.2.1.1).

При t tкр сталь склонна к хрупкому разрушению. При этом резко снижается долговечность

конструкции и возникает риск внезапной поломки при наличии дефектов сварки, микротрещин и т.п.

Институтом электросварки им. Е.О. Патона разработаны рекомендации по выбору сталей для сварных конструкций. Для основных несущих конструкций, работающих при t = -40…-50 С при толщине проката до 20…40 мм рекомендуются низколегированные стали 09Г2С,09Г2, 10Г2С1, 15ХСНД, 10ХСНД, 14Г2АФ, 15Г2АФДСП.

Рис.2.1.1

2.1.3. Сортамент

Сортамент – совокупность типоразмеров прокатных профилей, выпускаемых металлургической промышленностью: двутавров, швеллеров, стали угловой равнополочной и неравнополочной, стальных труб, листовой и широкополосной стали (по соответствующим ГОСТам).

Профили в виде двутавров и швеллеров первоначально были предусмотрены для строительных конструкций и не рассчитаны для работы под нагрузками, действующих в различных плоскостях. Эти профили могут использоваться как самостоятельно, так и в составе более сложных сечений (рис.2.1.2, а-в).

Рис.2.1.2

Наиболее распространены в металлоконструкциях СДМ гнуто-сварные и сварные профили, изготовляемые из листовой стали(рис.2.1.2, г,д).

Металлургическая промышленность выпускает гнуто-сварные замкнутые профили коробчатого сечения квадратной и прямоугольной форм.

2.2.1. Нагрузки, действующие на металлоконструкции машин

Нагрузки, действующие на металлоконструкции машин делят на постоянные и временные. Постоянные нагрузки – силы тяжести сооружений, временные – длительные (вес

стационарного оборудования; давление жидкости, газа, сыпучих тел; температурные воздействия; нагрузки от мостовых кранов); кратковременные (вес людей нагрузки от ПТО, снеговые, ветровые нагрузки); и особые нагрузки (сейсмические, взрывные и т.п.).

Кроме того, нагрузки различают нормативные и расчетные. Нормативные – устанавливаются нормативами в виде числовых значений и формул для расчета. Расчетные принимаются равными соответствующим нормативным нагрузкам, умноженным на коэффициент перегрузки n, учитывающий возможность повышения нормативной нагрузки. При расчетах на усталостную долговечность принимают n =1, а при расчетах на прочность n >1.

При проектировании несущих конструкций машин нагрузки разделяют на основные

(нормативные), случайные и аварийные.

К основным относят нагрузки, действующие на металлоконструкцию в условиях ее нормальной эксплуатации; к случайным – совокупность одновременно действующих нагрузок в сочетании, наихудшем для прочности рассчитываемого элемента конструкции; к аварийным – нагрузки, вероятность появления которых мала.

При проектировании башенных кранов, например, основными нагрузками являются силы тяжести крана и груза, ветровая и испытательная нагрузка. Случайными являются нагрузки, характеризуемые некоторым статическим распределением (возможное передвижение груза; нагрузка, колебанием крана при пульсации динамического давления ветра; динамические нагрузки, возникающие при подъеме и опускании груза, при повороте, разгоне и торможении крана).

Для выполнения проектных расчетов принципиальное значение имеет правильный выбор расчетных сочетаний действующих нагрузок.

Существуют, например, нормы расчетов башенных кранов.

Для дорожных машин таких норм не существует и разработчики вынуждены самостоятельно определять комбинации расчетных нагрузок.

Общий принцип определения расчетных сочетаний нагрузок состоит в том, что проектируемая конструкция не должна разрушаться от однократного действия случайных нагрузок и длительного действия основных. Поэтому при расчетах на прочность и устойчивость исходят из наиболее неблагоприятного сочетания случайных и основных нагрузок (максимальных нагрузок). При расчетах же на усталость исходят из эквивалентной нагрузки – условной нагрузки с постоянной асимметрией цикла, эквивалентной по интенсивности накопления усталостных накоплений действительной нагрузке.

Определим нагрузки, действующие на зуб рыхлителя (рис.2.2.1,а).

Основными нагрузками, действующими на зуб являются горизонтальная PГ и вертикальная PВ составляющие усилия копания. При повреждении зуба в грунте сила копания и ее

составляющие периодически изменяются во времени t по значению из-за выкалывания перед зубом элементов грунтовой стружки. В момент скола усилие копания снижается на 30…50% по сравнения с максимальным значением. Составляющие PГ и PВ можно определить по формулам (см. литературу по теории резания грунтов).

Рис.2.2.1

Рис.2.2.2