Для растяжек крепления нестандартного груза

при пе­ревозке в грузовом вагоне

Обычно расчёт сварных соединений выполняется на стадии проектиро­вания машины, когда известен общий вид конструкции, примерное располо­жение и длина швов, по справочным данным назначена марка электрода, оп­ределены допускаемые напряжения и толщина (катет) шва [1, 9, 29]. В результате оце­нивается прочность назначенных сварных швов, т.е. расчёт, в сущности, яв­ляется проверочным.

Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей (по ГОСТ 9467-75) изготавливают следующих типов (табл. 11.1).

В любом случае для расчёта самых сложных сварных швов сначала не­обходимо привести силу и момент к шву и распределить их пропорцио­нально несущей способности (длине) всех простых участков. Таким образом, любой сложный шов сводится к комбинации простейших расчётных схем: лобовых, фланговых, косых, тавровых и угловых.

Рассмотрим методику прочностного расчёта сварных швов на примере конструкции уголкового кронштейна (рис. 11.1) для растяжек крепления нестандартного груза при пе­ревозке в грузовом вагоне. Особенностью применения сварных соединений на железнодорожном транспорте является низкая возможность автоматизации технологического процесса и, соответственно, преимущественное применение ручных режимов сварки.

Из конструктивных соображений нижнее ребро уголка подкошено (α=75°) и таким образом имеется три участка сварного шва: лобовой (рис. 11.2), флан­говый (рис. 11.3) и косой (рис. 11.4). Уголки приварены к силовому ребру с двух сторон. Кон­сольный вынос кронштейна L = 100 мм. Рассчитаем конструкцию на случай действия нагрузки Q =10200 кГ (100 КН).

Рис. 11.1. Кронштейн для крепления растяжек

Здесь, как и в любой другой задаче, в первую очередь распределяем и приводим нагрузку к каждому из участков сварного шва.

Нагрузка распределяется по участкам шва пропорционально их длинам:

Q_i = QL_i/(L₁+L₂+L₃), однако такое уравнение с тремя неизвестными требует задать, по крайней мере предварительно, длины участков шва.

Примем L₁ = 100 мм, L₃= L₁/sin α = 100/sin75° = 103,5 мм. Назначим по ГОСТ 8509-93 для кронштейна уголок № 10 (ребро 100 мм), т.е. длина фланго­вого шва L₂ = 100 мм.

Тогда мы можем распределить нагрузку Q по участкам шва:

(1) лобовой Q₁ = QL₁/(L₁+L₂+L₃) = 100∙100/(100+100+103,5) = 32,95 КН;

(2) фланговый Q₂ = QL₂/(L₁+L₂+L₃) = 100∙100/303,5 = 32,95 КН;

(3) косой Q₃ = QL₂/(L₁+L₂+L₃) = 100∙103,5/303,5 = 34,10 КН.

Перенесём каждую из составляющих силы к середине соответствую­щего участка, при этом добавятся и соответствующие моменты:

M₁ = Q₁ (L+L₁/2) = 32,95(100 + 100/2) = 4942,5 КНмм;

M₂ = Q₂ (L + L₁) = 32,95(100 + 100 + 8/2) = 6721,8 КНмм;

M₃ = Q₃ (L+L₁/2) = 34,10(100 +100/2) = 5115,0 КНмм.

Таким образом, наша задача разделяется на три подзадачи.

Рис. 11.2. Лобовой шов и его нагрузки	Лобовой шов: L1=100мм, Q1 =32,95 КН, M1 =4942,5 КНмм. Здесь сила Q1 вызывает нормальные напряже­ния, а момент M1 – ка­сательные напряжения.
Рис. 11.3. Фланговый шов и его нагрузки	Фланговый шов: L2 = 100 мм, Q2 = 32,95 КН; M2 = 6721,8 КНмм. Здесь и сила Q2 и момент M2 вызывают касательные напряжения.
Рис. 11.4. Косой шов и его нагрузки	Косой шов: L3= 103,5 мм; Q3 = 34,10 КН; M3 = 5115,0 КНмм. Здесь силу Q3 разложим на составляю­щие касательную и нормальную ко шву: Q3t = Q3 ∙ cosα = 34,1∙ cos75° = 8,825 КН; Q3n = Q3 ∙ sinα = 34,1∙ sin75° = 32,94 КН. Эти проекции вызывают, соответственно, касательные и нормальные напряжения. Момент в плоскости шва вызывает касательные напряжения.

Далее для расчётов напряжений в участках шва необходимо задаться размерами его сечения. Длины участков известны, а катет шва обусловлен применяемым сварочным электродом (табл. 11.1).

Назначаем электрод Э42, катет шва не должен превышать наименьшей толщины свариваемых деталей, в нашем случае для уголка №10 k = 8 мм.

Площадь расчётного сечения шва равна A_i = β·k·L_i·n, где n – число участков, в нашем случае n = 2, т.к. приварено два уголка, β – коэффициент глубины проплавления материала:

β = 0,7 для ручной сварки и автоматической за много проходов;

β = 0,8 для полуавтоматической сварки в два и три прохода;

β = 0,9 для автоматической сварки в два и три прохода;

β = 1,1 для автоматической сварки в один проход.

Предполагая ручную сварку, принимаем β = 0,7.

Рассчитываем напряжения в участках сварного шва.

Лобовой шов (рис. 11.2):

нормальные напряжения σ_1Q = Q₁/(β·k·L₁·n) = 32,95/(0,7·10·100·2) = 23,54 МПа;

касательные напряжения τ_1М = M₁/(β·k·L₁ ²·n) = 4942,5/(0,7·10·100²·2) = 35,3 МПа.

Фланговый шов (рис. 11.3): касательные напряжения от силы τ_2Q =
= Q₂/(β·k·L₂·n) =32,95/(0,7·10·100·2) = 23,54 МПа; касательные напряжения от момента τ_2М = M₂/(β·k·L₂ ²·n) = 6721,8/(0,7·10·100²·2) = 48,01 МПа; суммарные касательные напряжения τ₂= τ_2Q + τ_2М =23,54 + 48,01= 71,55 МПа.

Косой шов (рис. 11.4): нормальные напряжения от нормальной проекции силы σ_3Qn = Q_3n/(β·k·L₃·n) = 32,94/(0,7·10·103,5²·2) = 21,96 МПа; касательные напряжения от касательной проекции силы τ_3Qt = Q_3t/(β·k·L₃·n) =
= 8,825/(0,7·10·103,5·2) = 12,18 МПа; касательные напряжения от момента τ_3М = M₃/(β·k·L₃ ²·n) = 5115,0/(0,7·10·103,5²·2) = 34,11 МПа.

Назначаем допускаемые напряжения сварного шва. Это является существенным моментом в расчёте сварных соединений. При статической нагрузке они задаются в долях от допускаемых напряжений основного металла соединяемых деталей на растяжение в зависимости от нагрузок, испытываемых швом:
[σ]_шв = [σ]_р при сжатии шва; [σ]_шв = 0,9[σ]_р при растяжении или сдвиге шва; [τ]_шв = 0,6[σ]_р при кручении шва.

Допускаемые напряжения металла деталей [σ_р] могут рассчитываться по пределу текучести.

−

В зависимости от условий работы и возможной перегрузки конструкции

[σ_р] = σ_Т· K_М · K_P / (K_Э · K_σ),

где коэффициент материала K_М = 0,85 для низколегированных сталей, K_М = 0,9 для малоуглеродистых сталей; коэффициент условий работы K_P = 0,8 для транспорта, K_P = 0,9 для стационарных конструкций; коэффициент перегрузки K_Э для обычных режимов эксплуатации K_Э =1,1; для резервуаров с внутренним давлением K_Э =1,2; для строительно-дорожных машин при тяжёлом режиме работы K_Э =1,3…1,5; эффективный коэффициент концентрации напряжений K_σ зависит от конструкции и технологии шва

−

Допускаемые напряжения при переменных нагрузках можно уточнить умножением статических допускаемых напряжений на коэффициент

где r = σ_min/σ_max, a,b – коэффициенты: для углеродистой стали a = 0,9; b = 0,3; для дорожно-строительных машин при тяжёлых условиях работы принимают
a = 0,6; b = 0,2.

В нашем случае применяется уголок горячекатанный, равнопрочный №10, 100×10 ГОСТ 8509-93 из стали Ст3. Нагрузку предполагаем пульсирующей, поскольку растяжки не будут передавать на крепёжные уголки толкающих усилий. Следовательно, по таблице допускаемых напряжений [σ_p] выбираем 90 Мпа. Поскольку швы не испытывают кручения, а только растяжение или сдвиг, допускаемые напряжения рассчитываем, как [σ_шв] = 0,9[σ_р] = 0,9 · 90 =
= 81 Мпа. Это больше, чем напряжения в любом участке шва (в лобовом: 35,30 Мпа; во фланговом: 71,55 Мпа; в косом: 34,11 Мпа).

При заданных нагрузках и конструктивных параметрах крепёжных кронштейнов условие прочности сварных швов выполняется.