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).

Таблица 11.1 Типы электродов и их применение
Тип	Свариваемые конструкции	Положение шва
Э38 Э42	Ответственные из низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей (например, 09Г2) с сопротивлением разрыву до 500 МПа	нижнее наклонное
Э46 Э50	Ответственные металлоконструкции и детали машин из низкоуглеродистых сталей, работающих при статических и динамических знакопеременных нагрузках	любое
	Особо ответственные металлоконструкции из низколегированных, низкоуглеродистых сталей, работающих при динамических нагрузках; сосудов под давлением; заварки дефектов отливок
Э42А	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей; заварки дефектов отливок с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости	любое
	Ответственные металлоконструкции и детали машин из низкоуглеродистых сталей, работающих при статических и динамических нагрузках
Э46А	Ответственные металлоконструкции из низколегированных сталей, работающих при статических и динамических нагрузках	любое
Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых сталей с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости
Э50А	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей; заварки дефектов отливок, ремонтной и монтажной сварки с сопротивлением разрыву до 500 МПа, при повышенных требованиях к пластичности и ударной вязкости	Любое
	Ответственные металлоконструкции из низкоуглеродистых сталей, заварки дефектов отливок, ремонтной и монтажной сварки
Продолжение таблицы 11.1
Тип	Свариваемые конструкции	Положение шва
Э55 Э60	Ответственные металлоконструкции из среднеуглеродистых и низколегированных хромистых, хромомолибденовых и хромоникелемарганцовистых сталей, работающих в условиях тяжёлых динамических нагрузок с сопротивлением разрыву 500…600 МПа	любое
Э70	Высоконагруженные ответственные металлоконструкции из конструкционных и низколегированных сталей повышенной прочности, работающих при динамических нагрузках с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа	нижнее
Э85	Ответственные металлоконструкции из низколегированных сталей повышенной прочности	любое
Ответственные конструкции из сталей 40Х и 30ХГСА, подвергающихся термической обработке до высокого предела прочности с временным сопротивлением разрыву свыше 600 МПа
Э100; Э125; Э150	Ответственные конструкции из среднелегированных высокопрочных сталей	нижнее
Э-09М, Э09МХ, Э09Х1М, Э-05Х2М, Э-09Х2М1, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10Х3М1БФ, Э-10Х5МФ	Для сварки легированных и теплоустойчивых сталей	любое

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.

Таблица 11.2 Допускаемые напряжения, МПа для углеродистых горячекатанных сталей
Марка стали	Ст2	Ст3	Ст4	Ст5	Ст6
Нагрузка	Статическая
Пульсирующая
Знакопеременная

 

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

Таблица 11.3 Пределы текучести конструкционных сталей, МПа, (без специальной термообработки)

Сталь

08

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20Г

30Г

40Г

50Г

σТ

Сталь

65Г

10Г2

09Г2С

10ХСНД

20Х

40Х

45Х

50Х

35Г2

40Г2

45Г2

33ХС

38ХС

18ХГТ

σТ

Сталь

30ХГТ

20ХГНР

40ХФА

30ХМ

35ХМ

4-ХН

12ХН2

12ХН3А

20Х2Н4А

20ХГСА

30ХГС

30ХГСА

38Х210

50ХФА

σТ

Сталь

60С2

60С2А

20Л

25Л

30Л

35Л

45Л

50Л

20ГЛ

35ГЛ

30ГСЛ

40ХЛ

35ХГСЛ

35ХМЛ

σТ

−

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

Таблица 11.4 Коэффициент концентрации напряжений Kσ
Элементы:	Малоуглеродистая сталь	Низколегированная сталь
У перехода к стыковому шву с мех. обработкой	1,2	1,4
То же без механической обработки	1,5	1,9
У перехода к лобовому шву с мех. обработкой и отношением катетов 1:1,5		2,5
То же без механической обработки	2,7	3,3
У флангового шва	3,5	4,5
У рёбер жёсткости и диафрагм, приваренных лобовыми швами с плавными переходами	1,5	1,9
У косынок, приваренных встык и втавр	2,7	3,3
То же при плавных формах косынок и механической обработке швов	1,5	1,9
У косынок, приваренных внахлёстку	2,7	3,3
Сварные швы:
стыковые с полным проваром	1,2	1,4
угловые и лобовые		2,5
фланговые	3,5	4,5
Примечание. Kσ = 1 можно принимать для шва и основного металла при автоматической сварке или ручной с рентгенодефектоскопией.

−

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.

11.2. Расчёт резьбовых крепёжных соединений,