Разработка конструкции сварной подкрановой балки

Содержание

1. Введение

2. Расчет конструкции

2.1 Построение линий влияния и определение величины изгибающего момента для различных сечений балки от веса тяжести

2.2 Определение изгибающих моментов в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

2.3 Определение суммарных изгибающих моментов

2.4 Построение линий влияния поперечной силы в сечениях балки от сосредоточенной нагрузки

2.5 Определение поперечных сил в сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

2.6 Определение суммарных поперечных сил

2.7 Расчет номинальной высоты балки из условия норм жесткости

2.8 Расчет высоты балки из условия ее наименьшего сечения

2.9 Расчет ширины горизонтального пояса балки

2.10 Проверочный расчет подобранного сечения балки

2.11 Расчет балки на местную устойчивость

2.12 Расчёт поясных швов

3. Конструирование опорных узлов балки

4. Краткая технология изготовления балки

1. Введение

Балка представляет собой конструктивный элемент сплошного сечения, предназначенный для работы на поперечный изгиб. Балки применяют в различных перекрытиях, рабочих площадках, эстакадах, мостах, подкрановых балках и других конструкциях.

Сплошностенчатые балки находят наиболее широкое применение для небольших пролётах при больших нагрузках.

В случаях больших пролётов и малых нагрузках рациональнее использовать сквозные балки или фермы, так как получаемая в данном случае экономия метала более существенна, чем увеличение трудоёмкости.

Сварные балки обычно строят из трёх элементов: вертикального - стенки, и двух горизонтальных поясков, присоединяемых к стенке при помощи сварки, как правило автоматической (Рисунок 1). Возможны и другие конструктивные решения составных балок (Рисунок 2).

В настоящее время широко применяют сквозные (перфорированные) двутавровые балки.

Балки разделяют по способу соединения элементов на сварные и клёпаные. Наибольшее распространение получили сварные балки, так как они более экономичны по расходу металла и менее трудоёмкие при изготовлении.

Клепаные балки применяют редко, как правило, для конструкций работающих в условиях тяжёлых динамических нагрузок.

Составные балки могут изготавливаться из элементов с разными марками стали. Наибольший эффект достигается при использовании в растянутых элементах высокопрочной стали.

Система несущих балок, образующих конструкцию перекрытий, рабочих площадок, проезжей части мостов и других конструкций, называется - балочной клеткой.

Балочные клетки могут быть трех типов: упрощенные, нормальные и усложнённые.

В упрощенной балочной клетке нагрузка на покрытие или площадку передается через настил на балки настила и с балок настила - на стены или другие несущие конструкции, ограничивающие площадку.

В нормальной балочной клетке нагрузка с балок настила передается через главные балки на опоры.

В усложненной балочной клетке нагрузка передается многоступенчато настил определяется на балки настила, балки настила на вспомогательные балки и вспомогательные балки на главные.

Сопряжение балок в клетке может быть этажным, в одном уровне и пониженным.

Самое простое это этажное соединение. Его применяют пи достаточной строительной высоте.

Сопряжение в одном уровне и пониженное используются в случае необходимости получения меньшей строительной высоты.

Строительные балки должны удовлетворять требованиям прочности, жесткости, общей и местной устойчивости. Вместе с тем они должны быть экономичными по затратам металла.

конструкция балка опорный узел

Важнейшая задача при подборе сечения составной балки - установление рациональной высоты балки h, главного размера сечения.

Высота балки зависит от предъявляемых к ней требований жесткости и наибольшего расчетного изгибающего момента М.

Данные для расчёта:

Разработать конструкцию сварной подкрановой балки пролетом L со свободно опертыми концами. Балка нагружена равномерной нагрузкой от собственного веса q и вторая сосредоточенными грузами F (от веса тяжести тележки груза), которые могут перемещаться по рельсам сечением 50x50 мм. Расстояние между осями тележки d. Наибольший прогиб балки f от сосредоточенных грузов не должен превышать 1/500 от L. Допускаемое напряжение в подкрановых балках [] _р с учетом марки стали и коэффициентом усилия работы m и перегрузки n.

Рисунок 1.1 - Расчетная схема балки

Таблица 1.1 - Данные для расчета балки

Основной металл данной конструкции - сталь.

Таблица 1.2 - Химический состав стали

Свариваемость стали по величине эквивалента углерода определяют по формуле

Cэ = С+ (1.1)

где C - углерод, %, Mn - марганец, %, Si - кремний, %, Ni - никель, %

Cr - хром, %

Сэ = 0,22+0,12/20+0,4/15+0,03/15+0,03/10=0,26

Стали у которых Сэ = 0,2-0,35%, хорошо сваривается.

При расчете величина эквивалентного углерода Сэ = 0,26% следовательно сталь хорошо сваривается.

Допустимое напряжение определяют по формуле

[σ] _р= (1.2)

где σ_{т -} предел текучести, МПа = 290МПа

m - коэффициент угловой работы, m = 0.9

n - коэффициент запаса прочности, n = 1.4

[σ] _р=250*0,9/1,4=161МПа

2. Расчет конструкции

2.1 Построение линий влияния и определение величины изгибающего момента для различных сечений балки от веса тяжести

Максимальные ординаты y_i max линий влияния для различных сечений x_i определяется по формуле:

y_i max= x_{i (}2.1)

где x_{i -} координата рассматриваемых сечений, м

L - Длина пролета балки, м

а - координата перемещения груза, м. а = x_i

X₁ = 0,1L y_{1 =}

X₂ = 0,2L y_{2 =}

X₃ = 0,3L y_{3 =}

X₄ = 0,4L y_{4 =}

X₅ = 0,5L y_{5 =}

По полученным данным строим линии влияния моментов изгиба.

Изгибающие моменты для указанных сечений от сосредоточенных сил - M_f, кНм, определяют по формуле

Mif = y_i max (2.2)

где

F - величина сосредоточенного груза, кН

d - расстояние между осями тележки, м

M_1F = 0,9_2F = 0,16_3F = 0,21_4F = 0,24_5F = 0,25

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов, M_F.

2.2 Определение изгибающих моментов в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

Изгибающие моменты в указанных сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки M_q, кНм, определяют по формуле:

M_{iq =  (}2.3)

X₁ = 0,1L M_1q =

X₂ = 0,2L M_2q =

X₃ = 0,3L M_3q =

X₄ = 0,4L M_4q =

X₅ = 0,5L M_5q =

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов, M_q

2.3 Определение суммарных изгибающих моментов

Суммарные величины изгибающих моментов в сечениях балки от сосредоточенных сил и равномерно распределенной нагрузки M_Σ, кНм, определяют по формуле:

Mi_Σ = M_if + M_{iq (}2.4)

M_1Σ = M_1f + M_1q = 153 + 9 = 162 кНм

M_2Σ = M_2f + M_2q = 270+ 16 = 289 кНм

M_3Σ = M_3f + M_3q = 351 + 21 = 372кНм

M_4Σ = M_4f + M_4q = 396 + 24 = 420 кНм

M_5Σ = M_5f + M_5q = 405 + 25 = 430 кНм

По полученным данным строим эпюру изгибающих моментов

2.4 Построение линий влияния поперечной силы в сечениях балки от сосредоточенной нагрузки

;  (2.5), X₀=0; ;

X₁=0.1L; ;  

X₂=0.2L; ;  

X₃=0.3L; ;  

X₄=0.4L; ;  

X₅=0.5L; ;

По полученным данным строят линии влияния поперечной силы

Поперечные силы в указанных сечениях от сосредоточенной нагрузки Q_f, кН, определяют по формуле:

Q_if = y_i` (2.6)<sub>0</sub> = 0 Q<sub>0f</sub> = y<sub>0</sub>`=₁ = 0,1L Q_1f = y₁` =<sub>2</sub> = 0,2L Q<sub>2f</sub> = y<sub>2</sub>` =₃ = 0,3L Q_3f = y₃` =<sub>4</sub> = 0,4L Q<sub>4f</sub> = y<sub>4</sub>` =₅ = 0,5L Q_5f = y₅` =

По полученным данным строят эпюру поперечных сил.

2.5 Определение поперечных сил в сечениях балки от равномерно распределенной нагрузки

Поперечные силы в указанных сечениях от равномерно распределенной нагрузки Qq, кН, определяют по формуле:

Q_iq= (2.7), X₀ = 0 Q_0q=

X₁ = 0,1L Q_1q=

X₂ = 0,2L Q_2q=

X₃ = 0,3L Q_3q=

X₄ = 0,4L Q_4q=

X₅ = 0,5L Q_5q=

По полученным данным строят эпюру поперечных сил.

2.6 Определение суммарных поперечных сил

Суммарное значение поперечных сил в указанных сечениях от сосредоточенной силы и равномерно распределенной нагрузки Q_{iΣ, к}Н, определяется по формуле:

Q_iΣ = Q_{if +} Q_{iq (}2.8)

Q_0Σ = Q_0f + Q_0q = 171+10=181кН

Q_2Σ = Q_2f + Q_2q = 135+6=141кН

Q_3Σ = Q_3f + Q_3q = 117+4=121 кН

Q_4Σ = Q_4f + Q_4q = 99+2=101кН

Q_5Σ = Q_5f + Q_5q = 81+0=81кН

По полученным данным строят эпюру суммарных поперечных сил

2.7 Расчет номинальной высоты балки из условия норм жесткости

Рисунок 2.1 Определение высоты балки из условия жесткости.

Наименьшую высоту балки из условия норм жесткости h_ж, мм определяют по формуле:

h_ж =  (2.9)

где: а - координата перемещения груза, м.

a=

E - Модуль продольной упругости, МПа.

Е = , МПа

 - уточненное значение допускаемого напряжение, Н/мм²

, где  =  

Уточненное значение допускаемого напряжения , Н/мм², определяют по формуле:

 = ; Мпа,  = =128,8 Мпа

Определяем h_ж, м

0,593 м

Принимаем h_ж=593мм

2.8 Расчет высоты балки из условия ее наименьшего сечения

Требуемую высоту из условия ее наименьшей массы определяют по формуле:

 (2.10)

где  - толщина верхней стенки, см

=  (2.11),

= = 8мм

Принимают =8мм

 мм

Для дальнейшего расчета принимают большее из двух полученных значений h, мм. Принимают высоту h= 904мм

Высоту вертикального листа , мм, определяют по формуле

 (2.12)

где  - толщина горизонтального пояса, мм.

= мм, = мм

Принимают =12мм

 мм

Принимают =880мм

Рисунок 2.2 Предварительно подобранное сечение балки

2.9 Расчет ширины горизонтального пояса балки

Определяем ширину горизонтального пояса балки.

Требуемый момент сопротивления балки W_тр, мм определяют по формуле:

 (2.13),  мм³

Требуемый момент инерции поперечного сечения балки J_тр, мм определяют по формуле:

J_тр= W_тр (2.14)

J_тр= 2,7мм⁴

Осевой момент инерции вертикального листа J_xв, мм относительно оси X определяют по формуле:

J_xв =  (2.15)

J_xв =  454, мм⁴

Осевые моменты инерции горизонтальных листов Jxг, мм определяют по формуле:

J_xг = J_тр - J_xв (2.16)

J_xг = 1220 - 454= 766мм⁴

Требуемую площадь поперечного сечения горизонтального пояса А_г

определяют по формуле:

А_г= (2.17)

где  - расстояние от центра тяжести горизонтального листа до центра тяжести балки, мм

А_{г -} площадь поперечного сечения горизонтального листа, мм²

мм

А_г=мм²

Ширину горизонтального пояса b, мм, определяют по формуле

  мм

Принимают b=160мм

Рисунок 2.3 - Проверочный профиль сечения балки

2.10 Проверочный расчет подобранного сечения балки

2.10.1 Наибольшее нормальное напряжение в волокнах балки наиболее удаленных от центральной оси , МПа определяют по формуле:

 (2.18)

где Y_{max -} расстояние от нейтральной оси до наиболее удаленных волокон балки, мм.

J_{max -} уточненное значение осевого момента инерции подобранного сечения балки, мм^4.

Y_max = , Y_max = мм

J_max =  (2.19)

где: y₁ - расстояние от центра тяжести горизонтального пояса до центра тяжести сечения балки

y₁ =  мм_х = 1218мм⁴

.10.2 Определение касательного напряжения на уровне центра тяжести балки.

Касательное напряжения на уровне центра тяжести балки в опорном его сечении, где поперечная сила имеет максимальное значение  н/мм² определяют по формуле.

 (2.20)

где  - суммарная поперечная сила в опорном сечении балки, кН

 - статистический момент половины площади поперечного сечения балки относительно ее центра тяжести, мм³

= 1,4мм³

н/мм²

Принимаем =26 н/мм²

2.10.3 Определение эквивалентного напряжения в сечении балки.

Эквивалентное напряжение определяется на уровне верхней кромки вертикального листа в зоне резкого изменения ширины поперечного сечения.

Нормальное напряжение н/мм² определяют по формуле:

 (2.21)

 н/мм²

Принимают =155 н/мм²

Касательное напряжение в тех же волокнах от поперечной силы определяют по формуле:

 (2.22)

где -Статический момент площади сечения горизонтального пояса относительно центра тяжести сечения балки, мм³.

=0,86мм³

 н/мм²

Эквивалентное напряжение , н/мм² определяют по формуле:

 (2.22)

 н/м

2.11 Расчет балки на местную устойчивость

В сжатых поясах потеря устойчивости может быть связана с нормальными сжимающими напряжениями и комбинациями нормальных и касательных напряжений.

Чтобы обеспечить местную устойчивость сечения балки, приваривают ребра жесткости.

Рисунок 2.5 - Расстановка ребер жесткости

a=1.5h_{в (}2.23)

где: а - расстояние между ребрами жесткости, мм

a=1.5 мм

Ширину ребра жесткости, в_р, мм, определяют по формуле

 ₍2.24)

 мм

По конструктивным соображениям ширину ребра жесткости в_р уменьшают. Принимают в_р=69мм

Толщину ребер жесткости S_р, мм определяют по формуле:

S_р

S_р=4,6 мм

Принимают S_р=4 мм

Нормальное напряжение в верхнем волокне вертикального листа (пояса) определены ранее  н/мм²

Среднее касательное напряжение от поперечной силы в среднем сечении балки , н/мм² определяют по формуле:

 (2.25)

 н/мм²

Рисунок 2.6 Местное влияние сосредоточенных сил.

Местное напряжение σ_т, н/мм² вызванное сосредоточенной нагрузкой F определяют по формуле:

σ_т (2.26)

где: -коэффициент, учитывающий режим работы балки

Принимают = 0,9.

 - условная длина, по которой проходит передача сосредоточенной нагрузки на вертикальный лист, мм:

 (2.27)

где  - осевой момент инерции горизонтального пояса совместно с приваренным к нему рельсом относительно оси, проходящей через их общий центр тяжести, мм

 (2.28)

где:  - площадь сечения горизонтального пояса, мм²

 - площадь сечения рельса, мм²

 - координата центра тяжести горизонтального пояса, мм

 - координата центра тяжести рельса, мм

Рисунок 2,7 - Определение центра тяжести горизонтального пояса и рельса

А_г=b×S_г

А_г=160 ×12=1920 мм²

мм²

мм

мм

мм

Момент сечения горизонтального пояса I_хг, мм⁴ и рельса относительно оси совпадающей с верхней кромкой пояса, Х_г определяют по формуле:

 (2.30)

Осевой момент инерции сечения I_х01, мм, и рельса относительно оси, проходящий через их общий центр тяжести определяют по формуле:

, где А = А_г+А_р

мм²

мм⁴

Условную длину Z₀, мм определяют по формуле (2.27)

мм

Местное напряжение σ_m, н/мм определяют по формуле (2.26)

Мпа

Местная устойчивость сечения балки гарантируется.

2.12 Расчёт поясных швов

Поясные швы соединяют горизонтальные листы с вертикальными. Рабочими напряжениями в поясных швах являются касательные напряжения τ, МПа. Принимают катеты верхних и нижних поясов в пределах К

Принимают К=5мм

Касательные напряжения в нижних поясных швах τ_н МПа, определяют по формуле:

 (2.30)

где Q_0Σ - расчётная поперечная сила в опорном сечении балки, кН.

S_н - статистический момент нижнего горизонтального пояса относительно горизонтального пояса в сечении балки.

I_х - уточненное значение осевого момента инерции подобранного сечения, мм⁴

мм³

н/мм²

Принимают =19 н/мм²

Рисунок 2.8 К расчету поясных швов.

Касательные напряжения в верхних поясных швах, при этом учитывают приваренный к данному поясу рельс τ_в, МПа определяют по формуле:

 (2.31)

uде S_В - статистический момент сечения верхнего горизонтального пояса совместно с приваренным к нему рельсом, относительно центра тяжести сечения балки, мм².

мм

мм³

н/мм²

К касательным напряжениям найденным в верхних поясных швах необходимо добавить касательные напряжения вызванные перемещающейся сосредоточенной нагрузкой τ_F МПа, определяют по формуле:

 (2.32)

где n - коэффициент зависящий от характера обработки кромки вертикального листа,

Принимают n = 0,4

н/мм²

Принимают =28н/мм²

Условные результирующие касательные напряжения в верхних поясных швах τ_рез МПа, определяют по формуле:

 (2.33)

н/мм²

Принимают τ_рез= 50н/мм²

 н/мм²

Принимают = 105н/мм²

Вывод: касательные напряжения в верхних и нижних поясных швах меньше допускаемых. Прочность швов гарантирована.

3. Конструирование опорных узлов балки

Опорные части балки конструируют в форме выпуклых плит. На одной из них балка имеет продольную подвижность, на другой она закреплена от продольного смещения болтами или штырями.

Рисунок: 3.1 Конструкция опорной части балки

где: ширина опорной плиты, мм

 мм

Принимают =180мм

мм

Принимают a=240мм

где: -Толщина плиты у концевой части, мм

Принимают =15мм

где: R - радиус цилиндрической поверхности, м

Принимают R=2м =2000 мм

где: d - диаметр отверстий под болты, мм

 (3.1)

где:  - момент изгиба на оси плиты, нм

где: , кН

мм

мм

Принимают S= 32,4мм

4. Краткая технология изготовления балки

Балка состоит из трёх листовых элементов. При сборке нужно обеспечить симметрию и взаимную перпендикулярность полок и стенки, при сжатии их друг к другу и последующее закрепление прихватками. Для этой цели используют самоходный портал.

Рисунок 4.1 Схема самоходного портала для сборки двутавровых балок

На данной установке зажатие и прихватка осуществляется последовательно от сечения к сечению.

Не более 2мм

Рисунок 4.2 - Допуск на сборку Н - Образного сечения

При изготовлении двутавровых балок поясные швы обычно сваривают автоматически под слоем флюса. Приёмы и последовательность наложения швов могут быть различными. Выбираем выполнение шва "в лодочку" так как данное положение шва обеспечивает благоприятные условия их формирования и проплавления, зато приходиться кантовать изделие после сварки каждого шва. Для поворота используют позиционеры - кантователи.

Рисунок 4.3 - Сварка в "лодочку"

Рисунок 4.4 - Цепной кантователь

При сварке двутавровой балки наложение швов осуществляется по диагонали во избежание деформации.

Рисунок 4.5 - Порядок наложения швов.

После сварочного участка балка отправляется на участок отделки, где последовательно проходит сначала через две машины для правки грибовидности полок, а затем два торцефрезерных станка

Рисунок 4.6 Схема правки грибовидности.

Для сварки поясных швов выбирают автомат АДФ - 1002 и комплектующийся к нему источник ТДФЖ - 1002.

Для сварки рёбер жесткости выбирают ТД - 206.

Для сварки рельса пользуются полуавтоматом ПДГ - 508 и источник питания ВДГ - 508.