Проектирование и расчет сварных соединений в конструкциях вагонов

Опубликовано: 01.10.2018

Требования к проектированию и изготовлению сварных конструкций вагонов установлены ОСТ 24.050.34—75 (Сварка в вагоностроении. Технические условия). Проектируемые сварные конструкции вагонов должны быть удобны для сварки, окраски, осмотра и очистки. Следует избегать в конструкциях щелей и зазоров, способствующих образованию коррозии. Сечения сварных элементов должны быть по возможности симметричными и составленными из минимального числа деталей, чтобы количество соединительных швов было наименьшим. При этом количество стыков в растянутых элементах должно быть минимальным, а сами стыки по возможности располагаться в зонах с наименьшими напряжениями. Форма и взаимное расположение деталей должны обеспечивать видимость сварочной ванны и угол наклона электрода не менее 30°.

При проектировании необходимо стремиться к такому расположению швов, которое позволяло бы осуществлять сварку в нижнем положении, так как сварка вертикальных и особенно потолочных швов ухудшает их качество. Соотношение толщин свариваемых деталей не должно превышать 2 : 1 (как исключение, допускают соотношение 3 : 1). В сварных элементах не рекомендовано применять пакеты, состоящие из нескольких сваренных листов. При стыковании элементов разной толщины обеспечивают плавность перехода сечений, для чего у более толстых элементов делают дополнительный скос (с уклоном 1 : 5) с одной или с двух сторон. Скосы можно не делать, если разность толщин элементов Ах составляет:

при У-образной разделке

Ах = (6шах вшщ) < (бпцп/4),

при Х-образной разделке и симметричном стыковании Ах = (бшах - 8Ш1П) < (8т1а/4);

при Х-образной разделке и несимметричном стыковании Ах ~ Фтах 8т1п)

В случае соединения элементов неодинаковой толщины расчетную толщину шва принимают равной толщине более тонкого листа, а при выполнении стыкового шва на элементах одинаковой толщины —¦ равной толщине одного из свариваемых элементов.

При проектировании сварных соединений в ответственных узлах следует избегать сосредоточения нескольких швов в ограниченной зоне; соединения трех отдельных элементов одним швом; размещения двух швов, нормальных к силовому потоку, на расстоянии менее 50 мм. При использовании гнутых профилей и штампованных элементов, выполненных в холодном состоянии, необходимо учитывать понижение пластических свойств металла в местах резких перегибов и избегать наложения сварных швов в этих зонах. Не допускается применять прерывистые швы при сварке основных несущих элементов и приварке дополнительных деталей к основным элементам.

В конструкциях рам вагонов и тележек стыковые швы следует выполнять двусторонней сваркой, независимо от формы подготовки кромок. Одностороннюю сварку можно применять лишь в том случае, когда выполнить двустороннюю невозможно. Одно сторонняя сварка допустима лишь при условии обеспечения полного провара (например, при использовании остающейся подкладки).

I Ребра жесткости,'диафрагмы и другие дополнительные детали необходимо стазить с учетом действующих в основном сечении напряжений, размещая детали по возможности в менее напряженных местах. Приваривать ребра жесткости и диафрагмы непосредственно к растянутым поясам не следует. В одностенчатых балках во избежание коробления ребра жесткости необходимо ставить симметрично с обеих сторон стенки и приваривать сплошными двусторонними швами. Ребра жесткости, параллельные стыковым швам стенки, должны быть удалены от стыков на расстояние не менее 10 толщин стенки. Сварные угловые швы, расположенные нормально к силовому потоку, применять не рекомендовано, по возможности следует также заменять поперечные угловые швы косыми швами.

В ответственных элементах рабочие угловые швы необходимо проектировать с вогнутым очертанием их поверхности, а также с плавным переходом к основному металлу. Фланговые швы соединений, воспринимающих осевую силу, можно выполнять как вогнутой, так и выпуклой формы. При проектировании соединений внахлест рекомендуется не ограничиваться только фланговыми швами, а добавлять лобовые швы, в которых отношение большего катета к меньшему должно составлять 2,0—2,5. При этом больший катет следует направлять вдоль усилия, воспринимаемого лобовым швом. В напряженных элементах сварных конструкций свободные кромки деталей после резки газом, на штампах и т. д. рекомендуется подвергать механической зачистке.

Для повышения усталостной прочности и сопротивляемости сварных соединений хрупким разрушениям следует применять поверхностный наклеп многобойковым упрочнителем, аргонно-дуговую обработку швов или термическую обработку в виде высокого отпуска. Поверхностный наклеп многобойковым упрочнителем типовых сварных элементов рам тележек и вагонов может существенно повысить их усталостную прочность. Особенно эффективным является этот способ для сварных элементов с деталями, имеющими близко расположенные поперечные швы. Аргонно-дуговая обработка швов является эффективным средством повышения усталостной прочности сварных конструкций при больших напряжениях (16—18 кгс/мм2) и хорошем качества сварочных швов. Высокий отпуск оказывается эффективным при наличии неблагоприятных внутренних напряжений и большой их концентрации.

Сварные швы стыковых соединений должны быть по возможности равнопрочными с основным металлом элементов. Конструкции с равнопрочными сварными стыковыми швами отвечают требованиям экономичности, так как увеличение прочности сварных швов по сравнению с основным элементом усложняет изготовление конструкции, не улучшая условий ее работы. Более того, концентрация напряжений в сварных швах снижает несущую способность всего элемента конструкции и не позволяет в полной мере использовать его сечение, что приводит к перерасходу материала.

При действии на элемент продольной силы распределение напряжений как в поперечных сечениях самого элемента, так и в поперечном сечении по сварному шву, принимают равномерным; расчетную величину шва принимают равной толщине основного элемента, длину шва — равной ширине основного элемента при условии выполнения шва с применением выводных планок. Если эти планки отсутствуют, то расчетную длину шва уменьшают на 10 мм (этим учитывают возможность некоторого непровара начального и конечного участков шва при ручной сварке). При действии продольной силы на элементы, соединенные стыковым швом, расчетное условие имеет вид

Я = -ГГ- < [сТш1, (23)

Мщ

где Р — продольная сила; а — напряжение в шве; я — расчетная толщина шва; /ш — расчетная длина шва; [сгш] — допускаемое напряжение в шве.

В некоторых случаях, когда по условиям выполнения швов допускаемые напряжения в металле шва не могут быть приняты равными допускаемым напряжениям в основном металле, для обеспечения условной равнопрочности сварного стыкового соединения можно применять косой шов. При расчете угловых швов расчетный профиль шва принимают в виде вписанного равностороннего треугольника. За расчетную толщину шва берут толщину его наименьшего косого сечения, равную 0,7/г, где & — катет шва. Эти швы рассчитывают по допускаемым напряжениям на срез

т = 2-0,7/г/ш< 1Тш^

Толщину расчетного сечения угловых швов при обеспечении полного провара по толщине присоединяемого элемента принимают (как и для стыковых швов) равной толщине основного элемента. Такие угловые швы рассчитывают так же, как и стыковые швы, по допускаемым напряжениям на растяжение (или на сжатие), что соответствует условиям их действительной работы.

При расчете прочности сварных соединений допускаемое напряжение в металле шва в большинстве случаев принимают равным допускаемому напряжению в основном металле. При этом требования прочности для сварных стыковых соединений выполняются безусловно в том случае, если они были удовлетворены при подборе размеров сечения основных соединяемых элементов. То же относится и к воспринимающим осевую силу или изгибающий момент сварным тавровым соединениям, когда они выполнены с обеспечением провара по всей толщине соединяемых элементов.

Условия расчета сварных соединений, воспринимающих изгиб, в основном такие же, как и воспринимающих осевые усилия. Основные расчетные формулы для проверки прочности сварных стыковых соединений при их работе на изгиб и основных элементов конструкции одинаковые, вследствие того, что форма сечения сварного стыкового соединения остается такой же, как и у основного элемента; следовательно, о = -^[аш], (24)

где М — изгибающий момент, действующий в сечении; № — момент сопротивления соединяемого элемента в месте сопряжения.

По этой же формуле рассчитывают соединения впритык в том случае, когда обеспечен полный провар по всей толщине элемента. Соединения впритык, осуществленные угловыми швами (без провара по всей толщине присоединяемого элемента), рассчитывают по допускаемым напряжениям на срез

т = ПГ<[тш], (25)

где Ж — момент сопротивления расчетного сечения по сварным швам.

В случае прикреплений угловыми швами сложных профилей расчет по формулам (24) и (25) допустим только при условии обеспечения пропорциональности между толщинами отдельных частей элементов и размерами прикрепляющих их швов.

Если, кроме изгибающего момента, на соединение действует и поперечная сила, то необходимо определять касательные напряжения от этой силы и проверять прочность по эквивалентным (суммарным) напряжениям. Напряжение среза в швах от усилий, действующих в плоскости соединения элементов, если жесткость этих элементов больше жесткости швов на срез,

(26)

где <2 — равнодействующая всех сил, действующих в рассматриваемой плоскости; Мх — момент всех сил относительно центра тяжести сечения швов; г — радиус, проведенный из центра тяжести сечения швов к точке шва, в которой определяют напряжения;

в,- — расчетные размеры шва; и — моменты инерции сечения, имеющего конфигурацию, соответствующую расположению швов; я,-— толщина участков этого сечения, равная наименьшим размерам сечений швов.

Напряжения среза в торцовых швах от усилий, действующих в плоскости соединений сваренных впритык тонкостенных элементов, равны:

для швов, присоединяющих замкнутый контур,

здесь <2 — равнодействующая всех сил, действующих в рассматриваемой плоскости; М — момент всех действующих в сечении сил относительно центра изгиба сечения присоединяемого элемента; Т7 — площадь, ограниченная замкнутым контуром швов. 60

Напряжения среза в швах торцовых соединений от усилий, которые действуют в плоскостях, перпендикулярных плоскости соединения элементов,

(28)

где Мг и Му — моменты сил, которые действуют в плоскостях, перпендикулярных плоскости сечения швов; /2 и — моменты инерции сечения, имеющего соответствующую расположению швов конфигурацию (толщина участков этого сечения равна наименьшей толщине сечения рассматриваемого шва); у иг — координаты точки сечения шва, в которой определяют напряжения; Р — продольное усилие, приложенное вдоль оси, проходящей через центр тяжести сечения; в; и /,¦ — расчетные размеры шва.

При определении моментов инерции /2 и в сечении не учитывают швы, присоединяющие одну деталь к стенке другой детали, если эта стенка не подкреплена ребрами или иными элементами.

Напряжения, вычисленные по формулам (26)—(28), суммируют:

ТД = 1/т2 + (т')2 <[тш]. (29)

Точечное и роликовое соединения проектируют только для работы на срез. При проектировании сварных точечных соединений применяют упрощенную методику расчета, где распределение касательных напряжений в рабочем сечении сварной точки принимают равномерным, а действием в нем нормальных напряжений пренебрегают. Допускают также, что в многоточечных соединениях распределение усилий между отдельными сварными точками равномерное. Это позволяет при расчете сварных точечных соединений, воспринимающих осевую растягивающую нагрузку, принимать условие прочности в виде

Р^^-К[\]п, (30)

где Р — усилие, передаваемое на соединение; (1 — диаметр сварной точки (литого ядра точки); К — количество плоскостей среза сварных точек; [тт] — допускаемое напряжение на срез для сварной точки; п — количество точек в соединении.

При расчете точечных соединений следует иметь в виду, что даже при осевой нагрузке сварная точка, кроме среза, испытывает еще и изгиб, который для соединений с двусторонним нахлестом обычно не учитывают. Наличие изгиба приводит к тому, что при выборе соотношений между отдельными размерами соединения учитывают также условия работы сварной точки на отрыв, возможный в результате появления нормальных напряжений от изгиба. Если проверку на отрыв выполняют при толщине свариваемого металла менее 2 мм, то напряжение

т = <31) а если при толщине свариваемого металла 2 мм и более, то

(32)

где (2 — равнодействующая всех сил, действующих в рассматриваемой плоскости; й — проектный диаметр точки; в — толщина металла (в наименьшем сечении); п — количество точек, воспринимающих нагрузку; /г — количество плоскостей среза точки.

Для ответственных узлов, помимо расчетов, позволяющих выбрать основные размеры сварочных швов, выполняют также расчеты на усталостную прочность, при которых учитывают факторы концентрации напряжений, влияние размеров, состояние поверхности и более точные характеристики условий нагружения.

⇐ Требования к прочности и ходовым качествам вагонов | Вагоны | Теплотехнические и санитарно-гигиенические требования ⇒

13.09.2011
Редизайн сайта
В 2011 году был проведен редизайн сайта нашей компании и его запуск в сеть Интернет. Услуги редизайна сайта и его продвижения оказала нам дизайн-студия Web Skill.
все новости
ОДО "Машиностроительный завод "БУРАН"© 2007-2011 | Все права защищены
rss