История применения и развития металлоконструкций в строительстве и машиностроении

Глава 1 ИСТОРИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И МАШИНОСТРОЕНИИ Первые металлические орудия изготовлялись из меди. Они стали применяться в строительном деле еще с 3500 г. до н.э. Первая в истории строительства конструкция относится к эпохе металлов 2700 г. до н.э. Железные орудия появились в государстве гетов в 1500 г. до н.э., они заменили медные орудия при обработке камня. Первые железные балки были применены Мнесиклом в 432 г. до н.э. в Афинах при строительстве Пропилей, служивших парадным входом Акрополя. В Риме в 125 г. н.э. сооружен замечательный памятник архитектуры - Пантеон с самым большим куполом - пролетом 43 м, в конструкции которого применили железо. С применением металлических скреп-затяжек в эпоху средневековья строили знаменитые храмы, арочные мосты и другие сооружения. Уже в VII-VIII вв. в России добывали железо и использовали его при изготовлении орудий производства и в строительстве. В XII в. в Италии, Франции, России и других странах находят применение металлические конструкции из кричного железа в виде затяжек, каркасов и различных кованых изделий, соединенных через проушины, например, собор св. Марка в Венеции, Нотр-Дам в Париже, Успенский собор во Владимире и др. В эпоху Возрождения металлические конструкции уже широко применяли при строительстве мостов, виадуков, соборов, шлюзов, анкерных устройств, поддерживающих каркасов, куполов и других конструкций, образованных из кованых брусков и соединенных кузнечной сваркой. Некоторые конструкции 4 сохранились и до наших дней: арочный мост через реку Рону в городе Авиньоне во Франции, построенный в 1457 году; шлюзы канала в Ломбардии в Италии; в 1560 году построен храм Василия Блаженного в Москве, каменный потолок коридора в храме поддерживают металлические конструкции; в 1603 году сооружен металлический купол колокольни Ивана Великого. В XVII в. в России было начато промышленное производство кричного железа, и с этого момента в строительстве стали применять кованые бруски, соединенные кузнечной сваркой. Такие конструкции были использованы в перекрытии старого Кремлевского Дворца (1640 г., Москва) и Троице-Сергиевом монастыре в г. Загорске (1698 г.). Конструкции такого типа применялись до XVIII века. Начало XVIII в. связано с развитием процесса литья, позволившего производить литые стержни, трубчатые элементы. В области конструкций - это период чугуна и чугунных изделий. Первая в мире чугунная конструкция появилась в России в 1725 г. в виде перекрытия крыльца Невьянской башни на Урале. В XVIII в. начинают развиваться методики расчета конструкций. В 20-х годах Вариньон формулирует теорию моментов, а в 1749 г. Эйлер создает теорию продольного изгиба стержней. Складывается математическая теория арок, изгиба подпорных стенок; устанавливается понятие пары сил; формулируется начало теории кручения и механики сооружений (1779 г.). В эпоху господства чугуна появляются многие значительные сооружения. Первый арочный мост из чугуна пролетом 30,6 м через реку Северн построили в Англии в 1777 году. В России первый чугунный мост возведен через Неву в 1784 году. В 1780 г. создан метод получения пудлингового железа путем расплавления чугуна в пламенных (пудлинговых) печах и 5 перемешивания его с железистыми шлаками. К концу XVIII в. появились первые железные профили и металлоконструкции. В 1796 г. в Джекобе Крик (США) строится из железа первый цепной мост пролетом в 29 м. В начале XIX в. наряду с чугуном начинают широко использовать железные металлоконструкции. Из пудлингового железа начали изготовлять прокатные профили. Угловые и зетовые профили стали прокатывать в Англии с 1819-1830 гг., а в 1848 г. во Франции был освоен прокат двутавровых профилей. В России в 40х годах XIX в. освоен прокат профильного и листового металла. В 1830 г. появились заклепочные соединения. 1856 г. ознаменован открытием бессемеровского способа получения стали, 1864 г. - мартеновского, а 1878 г. томасовского. Во второй половине  в. началось промышленное производство стали, развитие и улучшение ее механических и физических характеристик расширило дальнейшее применение металлических конструкций. Обладая прочностью, гибкостью и твердостью, сталь прекрасно работает на растяжение, изгиб, сжатие и сдвиг, позволяет создавать разнообразные профили для любых конструкций. Это и привело к тому, что сталь постепенно вытеснила чугун как конструкторский материал. Переход к новому материалу становится переломным моментом в развитии конструктивных форм. Во второй половине XIX в. сталь становится основным материалом строительной индустрии, что способствовало бурному развитию металлических конструкций значительных размеров – мостов, зданий, промышленных сооружений. Развитие производительных сил и экономических связей создало потребность в интенсивном строительстве дорог. Рост промышленного производства и железнодорожного транспорта явился мощным стимулом технической эволюции металлических 6 конструкций. Разнообразные конструкции зданий, сооружений и мостов воплощали в себе огромные достижения научной и технической мысли. Необходимость разработки широкой номенклатуры металлических конструкций стимулировала развитие методики их расчета. Во второй половине XIX в. начинают совершенствоваться методы расчета конструкций. Труды Л. Навье, Б. Клайперона, Г. Ламе, Э. Винклера, О. Мора, Д.И. Журавского, Ф.С. Ясинского, Н.А. Белелюбского, В.Г. Шухова и многих других позволили создать методики расчетов металлических конструкций. Новые материалы и новые возможности в области расчета способствовали росту сложности сооружений. Намного увеличились пролеты и усовершенствовались конструктивные формы висячих и арочных систем, стали применять решетчатые арки больших пролетов. Значительное развитие получили висячие системы. В 1907 г. в США начинается производство сборных металлических конструкций, что можно считать началом их индустриализации. В 1916 г. появилась разновидность металлических конструкций из гибкой арки и жесткой балки, такая конструкция подчеркивала возможности стали. В годы первой мировой войны в России начали применять сварку для соединения элементов металлоконструкций. В 30-х годах ХХ столетия металлостроительство вступает в период интенсивного развития. Новые технологии позволили создавать конструкции на основе прогрессивных тенденций: снижения массы, уменьшения трудоемкости изготовления, повышения надежности. Достижением того времени являются мосты Вашингтона через реку Гудзон (США) пролетом 1000 м и через пролив Золотые ворота у Сан-Франциско. 7 Внедрение электросварки дало новый толчок в развитии металлоемких отраслей. В период 1930-1950 гг. масса создаваемых конструкции снижается в два раза, а трудоемкость изготовления – в три раза. В 50-х годах появляются высокопрочные болты, что дает новый стимул в развитии решетчатых систем. В это же время появляются вантовые конструкции. В настоящее время наука о металлоконструкциях развивается по следующим направлениям: теория о формообразовании и методах расчета металлических конструкций; новые технологии изготовления конструкций; разработка методов монтажа в направлении повышения уровня механизации сборки металлоконструкций. Металлоконструкции занимают существенную долю от общей массы машин, например, в 1958 г. доля сварных конструкций в общем машиностроении составляла 26,5 %, а в 1962 г. она составляла уже 36,2 %. В горном и строительно-дорожном машиностроении доля сварных металлоконструкций достигает 45 % от общей массы машин, а для некоторых видов машин - и того более. Например, масса экскаватора ЭШ 25/100 составляет 2700 т, а масса металлоконструкций - около 1500 т, масса ЭШ 100/100 11000 т, а металлоконструкций - 7000 т. Научно-технический прогресс в области проектирования и изготовления несущих металлоконструкций будет определять и общий прогресс в горном машиностроении. 8 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ГОРНЫХ МАШИН 2. МЕТАЛЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ МАШИН Материалы, используемые при изготовлении конструкций, могут быть весьма разнообразными: различные металлы и их сплавы, дерево, полимеры и пр. В металлоконструкциях предпочтение отдается сталям и алюминиевым сплавам. В конструкциях горных машин широко применяются углеродистые стали. По содержанию углерода они подразделяются: на низкоуглеродистые (0,09...0,25 %), среднеуглеродистые (0,25…0,46 %) и высокоуглеродистые (0,46…0,75 %). Для усиления различных свойств в состав сталей вводят легирующие примеси, такие стали называют легированными. Их делят на группы по количеству легирующих примесей на низколегированные (1,8…2,5 %), среднелегированные (2,5…8 %) и высоколегированные (свыше 8 %). Каждый материал определяется рядом характеристик. Механические характеристики: предел текучести, предел прочности (временное сопротивление), предел выносливости, относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость, модуль упругости. Технологические характеристики: загиб в холодном состоянии, свариваемость, осадка, расплющивание и выдавливание. Характеристики химического состава: предельное содержание углерода, кремния, серы, фосфора и других элементов. Эти характеристики устанавливаются соответствующими испытаниями, пробами и анализами образцов стали и регламентируются действующими стандартами и техническими условиями. 2.1. Механические характеристики Механические характеристики устанавливаются испытанием нормальных образцов на растяжение и иллюстрируются диаграммой деформации (рис. 2.1), на которой можно выделить следующие характерные точки: предел пропорциональности (п), предел текучести (т), и предел прочности (в). Предел пропорциональности (п) - максимальное напряжение, до которого имеют место только упругие деформации. Зависимости между напряжениями на участке 0 - п прямо пропорциональны и выражаются законом Гука. Предел текучести (т) – напряжение, при достижения которого можно считать металл работающим упруго и пользоваться методами расчета по упругой стадии материала. Он является началом границы пластической стадии работы металла, его текучести, т.е. началом возрастания деформаций при неизменной нагрузке. Для сталей, не имеющих площадки  текучести, за условный предел текучести обычно принимают 2 в напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % его расчетной длины. 1 В пределах площадки текучести имеют место т пластические деформации в объеме всего образца при п постоянном или почти постоянном напряжении, равном пределу текучести испытываемой стали. За площадкой текучести происходит самоупрочнение металла, т.е. он снова приобретает способность сопротивляться растяжению. Однако прямая пропорциональность между напряжением и деформацией нарушается.   Предел прочности (в) (временное сопротивление) р условное напряжение разрыва растянутого образца, равное Рис. 2.1. Диаграммы напряжений: отношению наибольшей нагрузки, предшествовавшей 1 - условная; 2 - действительная разрушению образца, к начальной площади поперечного сечения образца. Временное сопротивление характеризует прочность материала. Пластичность - способность материала к большим остаточным деформациям перед разрушением. Пластические свойства характеризуются длиной площадки текучести, относительным удлинением при разрыве, относительным сужением шейки образца в месте разрыва и величиной осадки (расплющиванием) при сжатии. Относительное удлинение при разрыве (р) - отношение остающегося после разрыва приращения длины образца к его первоначальной длине. Величина относительного удлинения зависит от отношения расчетной длины к площади сечения образца. Поэтому для сопоставления сталей по относительному удлинению всегда используют данные испытаний образцов с одинаковым отношением длины к диаметру 1 (отношения равны 10 или 5, обозначаются 10 или 5). Относительное сужение "шейки" ( ) отношение разности первоначальной площади поперечного сечения и минимальной площади сечения шейки после разрыва к первоначальной площади сечения. Чем больше  , тем более выражены пластические свойства материала. Удельная ударная вязкость ( a ) - отношение работы, затраченной на разрушение образца к единице площади поперечного сечения в ослабленном надрезом месте (МДж/м 2). Она характеризует способность стали противостоять динамическим нагрузкам и выявляет склонность ее к хрупкому разрушению. Чем больше а, тем лучше материал сопротивляется удару, тем более он вязок. Опыты показывают, что с изменением размеров образцов, форм и размеров надрезов удельная ударная вязкость также меняется. Поэтому следует пользоваться данными по испытанию стандартных образцов квадратного сечения 10 х 10 мм, длиной 55 мм, с надрезом U-образной или V-образной формы, глубиной 2 мм. Расстояние между опорами при ударе равно 40 мм. Ударная вязкость регламентируется при температурах +20 С, -20 С, -40 С, -50 С, -60 С, -70 С, а также после механического старения при +20 С. Исследование механизма разрушения при переменных напряжениях показывает, что разрушение начинается с образования в наиболее напряженном месте элемента микротрещин, которые, постепенно развиваясь, все более и более ослабляют элемент и, наконец, приводят к его разрушению. Явление разрушения материалов при переменных напряжениях за счет прогрессивно развивающихся микротрещин называют усталостью металла. Металлы и сплавы состоят из отдельных зерен, имеющих кристаллическую структуру. Зерна представляют собой кристаллы с неправильной огранкой, называемые кристаллитами. Кристаллиты обладают различными упругими свойствами и различной прочностью в зависимости от ориентировки кристаллографических осей. Поэтому при деформировании элемента напряженности отдельных кристаллов существенно отличаются друг от друга. В отдельных кристаллитах на определенной стадии деформирования возникают линии скольжения. Опыты при переменных напряжениях показывают, что сначала происходит образование сдвигов и постепенное упрочнение кристалла; когда упрочнение исчерпано, возникают трещины по одной из плоскостей скольжения. Наряду с процессами упрочнения протекает процесс разрыхления, снижающий сопротивление кристаллов к образованию трещин. Образовавшиеся трещины прогрессивно развиваются, и перед самым разрушением процесс идет почти так же быстро, как и при статическом разрушении хрупких материалов. Количественные зависимости между пределом выносливости, характером переменных напряжений и их величинами будут рассмотрены ниже. 2.2. Технологические характеристики Загиб в холодном состоянии - показывает способность металла или сварного соединения принимать заданный по размерам и форме изгиб. Образец изгибается в холодном состоянии на 180 до соприкосновения сторон или вокруг оправки диаметром, равным толщине или двойной толщине листа (для менее пластичных сталей). "Проба на свариваемость" - проверка чувствительности стали к термическому воздействию процесса сварки на появление трещин и снижению свойств стали в наиболее опасных околошовных зонах. Осадка - способность металла принимать заданную по размерам и форме деформацию сжатия. Этот вид технологических проб применяется для испытания круглого болто-заклепочного материала. Если при осадке до заданной высоты в образце не появились трещины, надрывы или излом, то проба считается удачной. Проба на выдавливание - определяет способность к холодной штамповке или вытяжке листового металла. 2.3. Характеристики химического состава Свойства стали в значительной степени зависят от ее химического состава и, в первую очередь, от количества углерода (У). Углерод снижает пластичность и свариваемость, а также ударную вязкость стали. Однако увеличение содержания углерода в стали увеличивает ее твердость и повышает пределы текучести и прочности. Для металлоконструкций горных машин обычно применяются стали, содержание углерода в которых доходит до 0,22 % (реже до 0,3 %). Повышение прочностных характеристик сталей достигается введением легирующих добавок, таких, как: марганец (Г), кремний (С), никель (Н), хром (Х), молибден (М), ванадий (Ф), алюминий (Ю), медь (Д), титан (Т), азот (А), бор (Р) и др. Заглавная буква в скобах соответствует обозначению добавки в марке стали, например, 10ХСНД, 30ХГС, 10Г2С1, 16Г2АФ. 2 Существенно повышает прочность и предел текучести сталей, без большого снижения ее пластичности, марганец. Его содержание обычно колеблется в пределах 0,3-0,65 %, достигая значения 0,8 %. При дальнейшем увеличении содержания марганца снижается ударная вязкость. Однако содержание марганца в сочетании с другими легирующими добавками (например, в низколегированных сталях) может достигать значения 1,8 %. Кремний раскисляет сталь, повышает пределы прочности и текучести стали, но при этом снижает пластичность и ударную вязкость, а также ухудшает свариваемость и коррозийную стойкость стали. Содержание кремния в малоуглеродистых сталях мало и не превышает 0,32 %; в низколегированных сталях содержание кремния достигает 1,1 %. Медь повышает прочность (меньше, чем марганец и кремний) и значительно увеличивает стойкость стали против атмосферной коррозии, но избыточное содержание способствует старению стали. Содержание меди в низколегированной стали доходит до 0,65 %. Хром и никель повышают прочность и твердость стали, но несколько снижают ее пластичность. Содержание их в низколегированных сталях достигает соответственно 0,9 и 0,8 %. Алюминий хорошо раскисляет сталь и нейтрализует вредное влияние фосфора, тем самым повышая ударную вязкость. Легирование сталей молибденом и бором позволяет значительно увеличить пределы текучести и прочности, сохранить высокую ударную вязкость и хорошую свариваемость. Легирующие элементы неоднозначно влияют на механические характеристики сталей. Характер влияния связан с их количественным содержанием и термической обработкой стали (табл. 2.1, 2.2). Таблица 2.1 Нормируемый химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-88 Содержание элементов, % Марка стали Ст0 Ст2пс Ст2сп Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс Ст4кп Ст4пс Ст4сп Ст5пс Ст5сп Ст5Гпс C Mn Si углерод марганец кремний 0,23 - 0,09÷0,15 0,25÷0,5 0,14÷0,22 0,3÷0,6 0,4÷0,65 0,4÷0,65 0,8÷1,1 0,18÷0,27 0,4÷0,7 0,28÷0,37 0,5÷0,8 0,22÷0,3 0,8÷1,2 0,05÷0,17 0,12÷0,3 0,07 0,05÷0,17 0,12÷0,3 0,015 0,07 0,05÷0,17 0,12÷0,3 0,05÷0,17 0,15÷0,35 0,15 P фосфор S сера не более 0,07 0,06 0,04 0,05 0,04 0,05 0,04 0,05 0,04 0,05 0,04 0,05 Наряду с указанными полезными примесями в сталях содержатся и вредные. Такими, в первую очередь, являются фосфор и сера. Фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, делает ее хрупкой при низких температурах (хладноломкой), а поэтому содержание его в обычной стали ограничивается 0,045-0,08 %. Сера снижает прочность стали и делает ее красноломкой, т.е. хрупкой при температуре 800 – 1000 С, и поэтому непригодной для горячей обработки. Содержание серы в сталях для машиностроительных конструкций не должно превышать 0,06 %. Вредное влияние серы в некоторой степени ослабляется наличием марганца, который образует в соединении с ней тугоплавкий сернистый марганец. К числу вредных примесей относятся содержащиеся в стали растворенные газы (азот, кислород и др.), которые могут попасть из атмосферы в металл, находящийся в расплавленном состоянии, при выплавке стали или во время сварки. Азот и кислород повышают хрупкость стали. 3 Таблица 2.2 Химический состав низколегированных сталей Марка стали C Содержание элементов, % Si Mn углерод кремний марганец 09Г2 14Г2 16ГС 09Г2С 10Г2С1 0,12 0,12÷0,18 0,12÷0,18 0,12 0,12 0,17÷0,37 0,17÷0,37 0,4÷0,7 0,5÷0,8 0,9÷1,2 1,4÷1,8 1,2÷1,6 0,9÷1,2 1,3÷1,7 1,3÷1,65 15ГФ 0,12÷0,18 0,17÷0,37 0,9÷1,2 15ХСНД 0,12÷0,18 0,4÷0,7 0,4÷0,7 10ХСНД 0,12 0,8÷011 0,5÷0,8 16Г2АФ 0,14÷0,12 0,3÷0,6 1,3÷1,7 прочие Cr, Ni, Cu0,3 Cr, Ni, Cu0,3 V=0,05÷0,12 Cr=0,6÷0,9 Ni=0,3÷0,6 Cu=0,2÷0,4 Cr=0,6÷0,9 Ni=0,5÷0,8 Cu=0,4÷0,6 V=0,08÷0,14 Cr, Ni, Cu0,3 N=0,015÷0,025 2.4. Конструкционные стали Вырабатываемая металлургической промышленностью сталь подразделяется по качеству и назначению на стандартные сорта, называемые марками. Марки сталей должны отвечать требованиям стандартов и предусмотренным в них дополнительным требованиям заказчика. Требованиями определяются основные и дополнительные характеристики механических и технологических свойств стали, а также ее химического состава. Для производства металлоконструкций горных машин широко используются углеродистые стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-88. В зависимости от назначения сталь подразделяется на три группы: I – для применения без обработки поверхности; II – для холодной механической обработки резанием; III –для горячей обработки давлением. В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Для обозначения степени раскисления к марке стали добавляются индексы: сп - спокойная, пс – полуспокойная, кп - кипящая. Спокойные стали при плавке раскисляют добавлением кремния и алюминия, что обеспечивает стабильные механические свойства стали, поэтому их применяют в ответственных конструкциях. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение и по механическим свойствам ближе к спокойным сталям. Кипящие стали имеют неоднородный состав, т.к. плавка осуществляется без достаточного количества раскислителей и сопровождается выделением газов. Они склонны к хрупким разрушениям, поэтому применяются только для изготовления вспомогательных конструкций. Низколегированная сталь выпускается по ГОСТ 19281-89 или специальным техническим условиям (табл.2.3). Стали легируют так, чтобы повышение предела прочности и текучести сопровождалось сохранением пластичности, ударной вязкости, технологической обрабатываемости, свариваемости. Они изготовляются только спокойными. Низколегированные стали общего назначения часто поставляются в термически обработанном состоянии. Закалка – быстрое охлаждение после нагрева до 910 С – способствует получению мартенситной структуры высокой твердости и малой вязкости. Повышение вязкости достигается последующим отпуском. Нормализация – охлаждение с той же температуры на воздухе – позволяет получить ферритно-перлитную устойчивую структуру. 4 В обозначениях марок стали двузначные цифры слева указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; буквы и последующие цифры обозначают легирующие добавки и их количество в целых процентах (цифра 1 обычно не проставляется). Если количество какого-либо компонента составляет менее 0,3 %, то его не вводят в обозначение марки. Все низколегированные стали, рекомендуемые для металлоконструкций, имеют низкое содержание углерода (менее 0,18 %), а их повышенные механические свойства достигаются легирующими присадками. По требованию заказчика определяется ударная вязкость стали при  70 С. Ударная вязкость при 70 С для сталей марок 10ХСНД и 15ХСНД всех толщин, а для марок 10Г2С1 и 16ГС при толщине проката 4-10 мм не должна быть менее 0,3 МДж/м2, а для стали марки 09Г2С - 0,35 МДж/м2 при толщине 4-10 мм и 0,3 МДж/м2 при толщине более 10 мм. Все конструкционные стали, применяемые в металлоконструкциях, подразделяются на условные классы прочности в зависимости от механических свойств при растяжении (по СНиП). Таблица 2.3 Нормы механических свойств углеродистых сталей по ГОСТ 380-88 и низколегированных конструкционных сталей по ГОСТ 19281-89 Марка стали Ст.0 Ст.2пс Ст.2сп Ст.3кп Ст.3пс Ст.3сп Ст.4пс Ст.4сп Ст.5пс Ст.5сп 09Г2 14Г2 09Г2С 14ХГС 15ХСНД 10ХСНД 10Г2С1 Толщина проката, мм 21÷40 41÷100 100 21÷40 41÷100 100 21÷40 41÷100 100 21÷40 41÷100 100 21÷40 41÷100 100 4÷20 21÷32 4÷10 11÷32 4÷10 11÷20 21÷32 33÷66 4÷10 11÷32 4÷32 4÷32 33÷40 4÷10 11÷20 21÷32 Механические свойства при растяжении, не менее предел прочности предел текучести относительное в, МПа т, МПа удлинение , % 320 340÷440 340÷440 340÷440 380÷400 410÷430 440÷470 380÷400 410÷430 440÷470 420÷440 410÷430 490÷520 500÷530 540÷570 580÷620 450 450 470 470 500 480 470 460 500 500 500 540 520 520 510 500 220 210 200 240 220 210 240 230 220 260 250 240 280 270 260 310 300 340 330 350 330 310 290 350 350 350 400 400 380 360 350 22 31 29 29 27 26 25 27 26 25 25 24 23 21 20 19 21 21 21 21 21 21 21 21 22 21 21 19 19 21 21 21 2.5. Легкие сплавы В металлоконструкциях горных машин цветные металлы и их сплавы играют второстепенную роль. Чаще всего применяют алюминиевые (табл.2.4) и титановые сплавы, а также медь. 5 Сплавы на основе алюминия и титана обладают значительно меньшей плотностью, чем стали, хорошо сохраняют свои свойства при низких температурах. Они обладают более высокой коррозионной стойкостью и обеспечивают экономию массы. Однако цветные сплавы имеют в несколько раз меньший, чем сталь, модуль упругости, что снижает устойчивость элементов конструкций и увеличивает их деформируемость. Недостатком этих сплавов является и их повышенная чувствительность к концентраторам напряжений, что значительно повышает требования к качеству изделий. Таблица 2.4 Механические свойства алюминиевых сплавов Марки сплавов Амг6-М Амг61-М Д16А-М Д16А-Т Д16-Т В95Т1 Механические свойства Виды профиля и толщина, мм Лист, <10 Профили Лист, <10 Лист, <10 Профили, 10 5,1÷10 10,1÷20 20,1÷40 40 Трубы Трубы 10 10÷20 20÷40 >40 предел прочности в, МПа предел текучести т, МПа относительное удлинение  , % 315 345 235 440 390 410 420 440 420 420 500 530 560 570 160 205 290 295 295 305 315 355 275 430 440 460 490 15 11 12 13 10 10 10 10 10 6 6 6 6 Плотность, кг/м3 2590 2600 2730 2730 2730 2750 2.6. Сортамент профилей проката Сортамент - совокупность типоразмеров прокатных профилей, выпускаемых металлургической промышленностью: двутавров по ГОСТ 8239-89, швеллеров по ГОСТ 8240-89, стали угловой равнополочной по ГОСТ 8509-86 и неравнополочной по ГОСТ 8510-86, стальных труб, листовой и широкополосной стали. Эти прокатные профили применяются самостоятельно или в составе сечений более сложной конфигурации. На рис. 2.2 представлены основные виды горячекатаных профилей. а а б в б в г д г Рис. 2.2. Сортамент горячекатаных профилей: а - сталь прокатная угловая равнополочная по ГОСТ 8509-86; б - сталь прокатная угловая неравнополочная по ГОСТ 8510-86; в - балки двутавровые по ГОСТ 8239-89; г - швеллеры по ГОСТ 8240-89 е ж Рис. 2.3. Гнутые профили: а – угловой равнополочный по ГОСТ 19771-74; б – угловой неравнополочный по ГОСТ 19772-74; в швеллер равнополочный по ГОСТ 8278-83; г замкнутые квадратный и д - прямоугольный по ТУ 362287-80; е - С-образный равнополочный по ГОСТ 8282-83; ж - варианты стандартных профилей 6 В последнее время в металлоконструкциях машин все большее распространение получают гнутые профили, основные виды которых приведены на рис. 2.3. Гнутые профили изготовляются из горячекатаной и холоднокатаной отожженой листовой ленточной и полосовой углеродистой и низколегированной стали. Применяемые в металлоконструкциях гнутые профили имеют замкнутый и открытый профили. Стандартные профили типа двутавров и швеллеров были созданы для изготовления несущих конструкций зданий и сооружений. Профили имеют массивные полки и тонкие стенки, в результате чего обладают большим моментом инерции сечений в вертикальной плоскости. Такое решение обеспечивает большое сопротивление изгибу балок, воспринимающих силы тяжести и другие нагрузки, действующие перпендикулярно полкам. Этот случай нагружения характерен для строительных конструкций и нетипичен для несущих конструкций машин. Металлоконструкции горных машин подвержены действию нагрузок в различных плоскостях. Более того, в процессе работы машин нагрузки изменяются как по величине, так и по направлению, например, металлоконструкции рабочего оборудования экскаваторов. Поэтому в горных машинах используют сварные металлоконструкции, в которые стандартные профили входят как элементы. 2.7. Рекомендации по выбору материала конструкции При создании конструкции одним из определяющих факторов, влияющих на ее успешную работу, является правильный выбор материала. При выборе материала конструкции необходимо учитывать следующее: - стоимость материала; - механические характеристики материала; - усталостные характеристики материала, определяемые скоростью появления усталостных трещин; - возможность использования материала в технологических процессах, необходимых для изготовления детали или металлоконструкции; - разнообразие и степень доступности технологических процессов обработки материала; - совпадение эксплуатационных возможностей материала и проектируемой конструкции. 7 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ Надежность работы современных мощных горных машин во многом определяется надежностью и работоспособностью несущих конструкций. В свою очередь, обеспечить надежность и работоспособность металлоконструкций невозможно без глубоких знаний о нагрузках, воспринимаемых ими в процессе работы. 3.1. Нагрузки, действующие на металлоконструкции горных машин Нагрузки, действующие на металлоконструкции горных машин, по частоте появления и продолжительности своего действия подразделяют на три вида: основные, дополнительные и аварийные. К основным нагрузкам относятся постоянно действующие статические нагрузки (собственный вес, предварительное напряжение), а также нагрузки, характерные для нормального рабочего процесса машины (номинальный вес поднимаемого груза, сопротивление на исполнительном органе машины), для восприятия которых и предназначена та или иная конструкция или деталь. Дополнительными, или случайными, нагрузками считаются нагрузки, возникающие нерегулярно, при неблагоприятном сочетании определенных факторов во время эксплуатации (например, динамическая нагрузка при стопорении ковша экскаватора или при внезапном прихвате бурового става бурильного станка, либо неблагоприятное сочетание нескольких одновременно действующих нагрузок на один и тот же узел). При расчетах на прочность допускаемые напряжения принимаются несколько выше, чем при расчетах от действия основных нагрузок. К аварийным нагрузкам относятся такие, вероятность возникновения которых мала и, как правило, не превышает 0,3 %. Поэтому такие нагрузки за все время работы машины могут возникать незначительное число раз и являются отклонением от нормального режима работы машины (например, режим растяжки ковша драглайна). Воспринимаются аварийные нагрузки, также, как и случайные, не специальными сооружениями или деталями, а конструкциями, предназначенными для других целей, но способными воспринимать дополнительно и эти особо редкие нагрузки. В этих случаях рекомендуется принимать допускаемые напряжения на уровне 90 % от предела текучести. Нагрузки, действующие на стационарные конструкции. При проектировании стационарных конструкций, таких, как каркасы зданий, несущие конструкции обогатительных фабрик, буровые вышки и т.п., необходимо выполнять требования СНиП (Строительные нормы и правила) "Нагрузки и воздействия". Согласно этим нормам все нагрузки разделяют на постоянные и временные. К постоянным относятся силы тяжести сооружений, а к временным - длительные (вес стационарного оборудования; давление жидкостей, газов и сыпучих тел в емкостях; температурные воздействия; нагрузки от мостовых кранов и др.); кратковременные (вес людей, нагрузки от подъемно-транспортного оборудования, снеговые и ветровые нагрузки, монтажные нагрузки) и особые нагрузки (сейсмические, взрывные и т.д.). Нагрузки разделяют на нормативные и расчетные. Нормативные нагрузки и их сочетания устанавливаются нормами на проектирование в виде численных значений или расчетных формул. Расчетные нагрузки принимаются равными соответствующим нормативным нагрузкам, умноженным на коэффициент перегрузки n, учитывающий возможность превышения нормативной нагрузки. При расчетах на усталостную долговечность принимают n=1, а при расчетах на прочность - n>1. Нагрузки, действующие на несущие конструкции машин. При выполнении проектных расчетов принципиальное значение имеет правильный выбор расчетных сочетаний действующих нагрузок. В тех случаях, когда работают в относительно стабильных условиях эксплуатации и имеется статистический материал о значениях действующих нагрузок, их расчетные сочетания регламентированы нормами или методиками расчета. Примером являются нормы расчета башенных кранов (ГОСТ 13994-81). Для большинства горных машин таких норм не существует и конструкторы вынуждены самостоятельно определять расчетные комбинации нагрузок. Отсюда возникает обязательное условие: хорошие знания разработчиков об условиях эксплуатации машины, технологическом и рабочем процессах проектируемой машины. 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 прочностных расчетах и расчетах на 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 повреждений действительной нагрузке. Существует три метода расчета металлоконструкций машин: по допускаемым напряжениям, по предельному состоянию и на надежность. 3.2. Расчет по методу допускаемых напряжений В основе расчета по допускаемым напряжениям лежит гипотеза идеально упругого тела, для которого закон Гука о прямой пропорциональности между напряжениями и деформациями считается справедливым до начала текучести материала. Основная формула расчета 8       где п n , (3.1) - напряжения от действия основных и случайных или аварийных нагрузок;   - допускаемое напряжение; n - предельное (опасное) напряжение; для пластичных материалов опасным напряжением считается предел текучести (  Т ), для хрупких материалов это предел прочности (  В ); - коэффициент запаса прочности. п По методу допускаемых напряжений проводят расчет на прочность, устойчивость и выносливость. Расчет на прочность и устойчивость включает в себя проверку напряжений от основных, основных плюс случайных и аварийных нагрузок. Расчет на выносливость производится по основным нагрузкам. При расчете на устойчивость или выносливость формула (3.1) принимает вид (3.2)     , или     , где - коэффициенты, учитывающие соответственно снижение сопротивления  и конструкции потере устойчивости и усталостным разрушениям (об этом см. ниже). Определение коэффициента запаса прочности базируется на статистических исследованиях применительно к определенному типу машин. Он зависит от степени однородности материала, точности методов расчета, требуемой долговечности конструкции и других факторов. Так, например, на Уралмашзаводе для расчета металлоконструкций экскаваторов и другого оборудования рекомендуются следующие запасы прочности (табл. 3.1). Таблица 3.1 Коэффициенты запаса прочности Класс сооружени я А В Применяемые стали Расчет на выносливость Общестроительные Низколегированные Общестроительные Низколегированные 1,7 1,8 1,5 1,6 основные нагрузки 1,7 1,8 1,5 1,6 Расчет на прочность основные аварийные +случайные нагрузки нагрузки 1,4 1,15 1,5 1,2 1,3 1,1 1,4 1,15 К сооружениям класса А относятся конструкции или детали, поломки которых связаны с очень крупными материальными потерями. К сооружениям класса Б относятся все остальные конструкции, не входящие в класс А. При расчетах по методу допускаемых напряжений применяется единый, нерасчлененный коэффициент запаса прочности, который не оценивает изменчивость различных видов нагрузки и степень точности определения каждой действующей нагрузки. Это приводит в ряде случаев к неправильной оценке несущей способности конструкции, вследствие чего одни конструкции могут обладать чрезмерным запасом прочности, а другие - недостаточным. Более точным методом расчета является расчет по предельным состояниям, ведущий к улучшению проектирования, достижению экономии металла, повышению качества конструкций и к снижению общей стоимости изготовления машины. 3.3. Расчет по методу предельных состояний Предельным называется такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям, предъявляемым к ней. Для металлоконструкций машин установлены две группы предельных состояний, определяемые: I - несущей способностью (прочностью, устойчивостью или выносливостью), при достижении которой конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или в ней возникают такие остаточные изменения, при которых она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям; II - развитием недопустимых деформаций (прогибов и перемещений) от действия статических или динамических нагрузок, при достижении которого в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются обратимые деформации или колебания, вследствие чего конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям. Условие прочности по методу предельных состояний выражается формулой 9 N  , где - расчетное усилие (наибольшее) в конструкции; - расчетная несущая способность элемента, конструкции. N  N   ni Ni , где (3.3) (3.4) - усилие в элементе (конструкции) от действия i-й нормативной (расчетной) нагрузки; Ni - соответствующий нагрузке коэффициент перегрузок (1), учитывающий переменчивость эксплуатационных нагрузок по сравнению с нормативными. За величину нормативной нагрузки принимается наибольшая нагрузка, возникающая в узле отрегулированной на паспортные данные машины при работе в условиях, предусмотренных инструкцией по эксплуатации. Коэффициенты возможной перегрузки зависят от типа нагрузки: для веса конструкции n1  1,1; ni снеговой n2  1,4 ; ветровой n3  1,2 ; весов оборудования, расположенного на конструкциях n4  1,0...1,3 ; полезной нагрузки n5  1,05...1,4 ; вертикальных динамических нагрузок n6  1,05...1,4 ; горизонтальных динамических нагрузок n7  1,1 и т.д. Например, при расчете металлоконструкций стрелы драглайна суммарное расчетное усилие будет равно (3.5) N  1,1N k  1,3N q  1,3N ин.в.  1,1N ин.г . Несущая способность элемента (Ф), предельное усилие, воспринимаемое им, зависит от его размеров, материала и условий работы: (3.6) Ф  mk0 т F , где - геометрическая характеристика сечения (площадь, момент сопротивления и т.д.); F - коэффициент однородности материала, отражает нестабильность механических k0 свойств материла, а также влияние отрицательных допусков на размеры. Обычно коэффициент неоднородности принимают равным 0,9...0,85, при этом 0,9 для конструкционных сталей, например, для Ст 3; 0,85 - для низколегированных сталей. m - коэффициент условий работы конструкции, зависит от обстоятельств работы, которые не учитываются расчетом и качеством материала: (3.7) m  m1m2 m3 , где - коэффициент, учитывающий ответственность элемента (т.е. последствия от m1 разрушений), m1  1 - разрушение элемента не вызывает прекращение работы машины; m1  0,9...0,8 - выход из строя элемента вызывает остановку машины без повреждения или с повреждением других элементов; m1  0,75 - повреждение элемента сопряжено с аварией машины; - коэффициент, учитывающий отклонения в геометрических размерах конструкций, качество соединений элементов при заводском изготовлении и на монтаже, m2  0,9...0,8 ; коэффициент, учитывающий несовершенство расчета (неточность определения m3 внешних сил и расчетных схем), m3  0,8...0,95 . После подстановки составляющих в (3.3) получим (3.8)  N i ni  mk0 т F , m2 разделив на где R i F обе части неравенства, получим условие проверки по напряжениям:  i ni  mk0 т  mR , (3.9) - расчетное сопротивление материала; R  k0 т . - напряжение, вызываемое действием одной из расчетных (нормативных) нагрузок. Если для всех расчетных нагрузок принять коэффициенты нагрузок одинаковыми и равными ni , то зависимость (3.6) можно записать в следующем виде: ni  i mk0 т , (3.10) 10    i  Величина  т mk0 ni . (3.11) ni представляет собой общий, одинаковый для всех нагрузок коэффициент запаса - n . mk 0 Частное от деления предела текучести на общий коэффициент запаса является допускаемым напряжением  , следовательно,    т mk0 ni  т n    . (3.12) Таким образом, методика расчета по допускаемым напряжениям является частным случаем расчета по предельным состояниям, когда все коэффициенты перегрузки принимаются одинаковыми. При расчете на прочность расчетные нагрузки определяются для самых неблагоприятных расчетных случаев нагружения. При этом для отдельных элементов металлоконструкций расчетные варианты нагружения могут быть различными. Все внешние нагрузки принимаются с учетом коэффициента динамики. Коэффициент динамики определяется для наиболее неблагоприятных режимов работы. 3.4. Усталостная долговечность Опыт эксплуатации горных машин показывает, что более 80 % поломок элементов металлоконструкций и деталей машин носит усталостный характер. О причине разрушений лучше всего судить по характеру излома в месте разрушения. Различают три вида излома. Вязкий излом - характерен остаточными деформациями. Часто бывает косым по отношению к поверхности элемента. Поверхность излома волокнистая, при наложении разрушенных частей плоскости излома не совпадают, зона начала излома неизвестна. Происходит при недопустимых нагрузках в аварийных случаях. Хрупкий излом – характерен гладкой поверхностью с равномерным крупным или мелкокристаллическим строением. Пластические деформации отсутствуют. Излом перпендикулярен поверхности элемента. При наложении разрушенных частей плоскости излома плотно складываются. Происходит при склонности материала к хрупкому разрушению в результате многоосного напряженного состояния, низкой температуры окружающей среды, концентрации напряжения. Всегда внезапен, может произойти при напряжениях ниже расчетных. Усталостный излом - отличается от хрупкого развитием усталостных зон от местных концентраторов напряжений. На поверхности излома имеется резкая грань между усталостным и вязким (статическим) изломом. Усталостное разрушение обычно имеет место в решетчатых конструкциях, реже в листовых. Такому разрушению обычно подвержены растянутые элементы у места стыков и узлов, в сжатых элементах такие разрушения почти отсутствуют. Усталостному разрушению обычно подвержены конструкции, испытывающие повторно-переменные и знакопеременные нагрузки. Предел выносливости (усталости) позволяет определить сопротивление металлов повторнопеременным нагрузкам. Исследование механизма разрушения при переменных напряжениях показывает, что разрушение начинается с образования в наиболее напряженном месте элемента микротрещин, которые, постепенно развиваясь, ослабляют элемент и приводят к его разрушению. Сопротивление материала повторно-кратковременным нагрузкам характеризуется пределом выносливости  rβ . Величина  rβ зависит от характера действующей нагрузки и от конструктивной формы элемента. Изменение напряжения во времени характеризуется периодом его колебания T (рис. 3.1). Циклом напряжений называется однократная смена напряжений, соответствующая полному периоду их изменения. Характер цикла определяется тремя величинами: а) коэффициентом асимметрии цикла r   min ;  max (3.13)  max   min   a где  min и  max - наименьшее и наибольшее алгебраические значения переменных напряжений; 11  a  max  а  m а m  max min  max  min а m б Т t  min в t г д е ж Рис. 3.2. Виды циклов переменных напряжений Рис. 3.1. Схема изменения напряжений во времени б) средним напряжением цикла  m   max   min в) амплитудой напряжений цикла.  a  2 ;  max  min 2 (3.14) (3.15) Виды циклов переменных напряжений показаны на рис. 3.2: а) знакопостоянный цикл с напряжениями растяжения 0  r  1,  min  0 ;  m  0 ,присущ растянутым поясам вертикальных балок, ферм и растянутым раскосам этих ферм; б) отнулевой цикл (пульсирующий, с напряжениями растяжения),  min  0 , r  0 , присущ растянутым элементам, напряжения от постоянной нагрузки у которых малы по сравнению с напряжениями от временной нагрузки; в) знакопеременный цикл со средним напряжением растяжения, 0  r  1 ,  m  0 , свойственен раскосам вертикальных ферм, испытывающих циклическое растяжение-сжатие; г) симметричный цикл (знакопеременный со средним напряжением растяжения),  min   max   а , r  1 ,  m  0 , присущ для балок и элементов ферм, воспринимающих нагрузку в различных направлениях; для раскосов вертикальных ферм, напряжения от постоянной нагрузки у которых малы по сравнению со знакопеременными напряжениями от временной нагрузки; д) знакопеременный цикл со средним напряжением сжатия, r  1 ,  m  0 , характерен раскосам вертикальных ферм, испытывающих циклическое растяжение – сжатие; е) отнулевой цикл сжатия,  max  0 , r   ,  m  0 , присущ сжатым элементам, напряжение от постоянной нагрузки у которых мало по сравнению с напряжениями от временных нагрузок; ж) знакопостоянный цикл со средним напряжением сжатия, r  1 ,  max  0 , свойственен сжатым поясам вертикальных балок и ферм и сжатым раскосам этих ферм. В зависимости от величины переменных напряжений процесс усталостного разрушения протекает различными темпами, и число циклов повторения напряжений до разрушения оказывается тем меньше, чем выше напряжения. 3.5. Концентрация напряжений В местах резкого изменения очертаний детали (отверстия, выточки, утолщения и т.д.) создается неравномерное распределение внутреннего силового потока. Напряжения в этих местах будут неравномерны, величина наибольших напряжений будет значительно больше среднего (равномерно распределенного). Факторы, вызывающие повышение напряжений, называются концентраторами напряжений, а явление – концентрацией напряжений. Величина местной концентрации напряжений зависит от характера изменения формы сечения: при круглом отверстии она меньше, чем при продолговатом (рис.3.3), особенно велики местные напряжения при поперечной трещине. Отношение максимального напряжения  max в месте концентрации напряжений к номинальному  н (равномерно распределенному) называется коэффициентом концентрации напряжений. Величину номинального напряжения вычисляют по элементарным формулам сопротивления материалов. С увеличением коэффициента концентрации напряжений резко снижается пластичность материала, появляется опасность хрупкого разрушения. В углеродистых и низколегированных сталях, обладающих достаточной пластичностью, местные перенапряжения по мере увеличения нагрузки выравниваются. Опыт создания и 12 III III II II I  max I I н I III I  max I I н I II I а б Рис. 3.3. Концентрация напряжений в местах резких переходов: а - лист с отверстием; б - лист с поперечной прорезью эксплуатации конструкций показывает, что при статическом нагружении или при сравнительно малом количестве циклов нагружения концентрация напряжений в расчетах может не учитываться. При многократных повторно-переменных нагружениях концентрация напряжений отрицательно сказывается на усталостной прочности. Величина, показывающая, во сколько раз предел выносливости гладкого образца больше предела выносливости образца с концентратором напряжений при полном симметричном цикле, называется эффективным коэффициентом концентрации  :  где r ,  rβ (3.16) r - предел выносливости гладкого образца при коэффициенте асимметрии цикла, равном r; - предел выносливости образца с концентраторами напряжений, при той же асимметрии  rβ цикла r . Значения эффективных концентраторов напряжений для часто встречающихся конструктивных схем соединений приведены в таб. 3.2. Таблица 3.2 Расчетные величины эффективных коэффициентов концентрации напряжений. Коэффициент  № п.п. Схема соединения и расположения расчетного сечения а-а 1 а 1,8 1 1 а 1,2 1,4 а 1,3 1,6 а а а а а Основной металл в месте перехода к необработанному стыковому шву с усилением Основной металл в месте перехода к обработанному стыковому шву: при стыковании листа одинаковой толщины и ширины при стыковании листов разной ширины при стыковании листов разной толщины низкоуглеродистая легированная сталь сталь 1,4 а а 2 Характеристика сечения 13 Основной металл в месте соединения труб с полным проваром шва и прокладкой а 3 1,6 - 3,0 3,5 2,4 3,0 1,5 1,9 3,4 4,4 а 4 а а h а а а b а Основной металл в месте перехода к поперечному угловому шву в соединениях: без механической обработки при отношении катетов 1:1 при отношении катетов 1:2 при механической обработке и отношении катетов 1:1,5 Основной металл в соединениях с фланговыми швами, работающими на срез от осевой силы, независимо от наличия механической обработки 5 а а 9 Основной металл в местах перехода к следующим конструктивным элементам: Фасонки прямоугольной или трапециевидной формы, привариваемые встык или втавр к элементам конструкции (без механической обработки перехода от фасонки к элементу) а а а а а а а 11 а По металлу соединений Стыковые швы (по оси шва) с полным проваром корня шва: а) при автоматической и ручной сварке и просвечивании б) при автоматической сварке без просвечивания в) при ручной сварке без просвечивания 12 а а Угловые швы: а) поперечные а а а_ _а 3,5 1,2 1,4 2,5 3,5 1 1 1,1 1,1 1,2 1,2 Фасонки прямоугольной и трапециевидной формы, привариваемые к поясам балок внахлестку с обваркой по контуру нахлестки, без механической обработки зон концентрации напряжений а 13 2,5 Фасонки, привариваемые встык или втавр к стенкам и поясам балок, а также к элементам ферм, при плавной криволинейной форме и механической обработке перехода от фасонки к элементу конструкции, при полном проваре на всю толщину фасонки а 10 3 14 а швы по расчетному сечению шва: при ручной сварке при автоматической сварке б) продольные швы, работающие на срез от осевой силы в соединении 2,3 1,7 3,2 2,4 3,4 4,4 Плавность изменения сечения позволяет значительно поднять усталостную прочность элементов металлоконструкций. 3.6. Расчет на выносливость В конструкциях под действием многократно повторяющихся переменных, знакопеременных, вибрационных и других нагрузок происходит накапливание необратимых механических изменений. Такое явление называется усталостью, а разрушения в результате постепенного развития трещин – усталостными разрушениями. Процесс усталостного разрушения протекает с разной скоростью, которая зависит от величины напряжений и числа циклов их повторения. Зависимость между этими величинами представлена кривой выносливости (усталости) на рис. 3.4. Кривые усталости строятся по результатам испытаний шести восьми одинаковых образцов в координатах   N или lg   lg N . По оси ординат откладывают наибольшее напряжение цикла, при котором испытывался данный образец, по оси абсцисс - количество циклов перемен напряжений, которое образец выдержал до разрушения. Пределом ограниченной выносливости (усталости) называется максимальное напряжение, которое может выдержать материал, не разрушаясь при достаточно большом (условно заданном) числе циклов нагружений, называемым базой. База ( N б - базовое количество циклов нагружения) – это задаваемая наибольшая продолжительность испытаний, примерно равная сроку службы изделия. Для горных машин: N б  10 6 ...3  10 6 циклов (в среднем N б  2  10 ), N б - принимают равной числу циклов в точке перелома кривой усталости, представляемой в логарифмических координатах. Кривая усталости в логарифмических координатах (см. рис. 3.4,б) аппроксимируется двумя прямыми: наклонной, диапазон циклов 104…3106, и прямой. Для наклонного участка зависимость   f N в 6 пределах   0  Nб m  rN N   rm N б ,  а где б lg 1 2 3 r r N1 N 2 N3 (3.17) Nб N  Nб lg N Рис. 3.4. Кривые выносливости: а - в декартовых координатах; б - в логарифмических координатах m - показатель степени, характеризующий наклон кривой усталости в логарифмических координатах, зависит от физических свойств материала, m  ctg , в приближенных расчетах можно принимать m  0 ,05 1  1,2 , 15 (3.18)  rN - предел ограниченной выносливости – максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение в момент N-го нагружения. Горизонтальный участок кривой выносливости соответствует пределу выносливости, являющемуся максимальным напряжением, которое образец выдерживает в течение сколь угодно большого числа циклов. В расчетах используют пределы выносливости, определяемые для различных асимметрий цикла:  1 0 r - симметричный цикл; - пульсирующий цикл; - асимметричный цикл с коэффициентом асимметрии r. Все испытания на выносливость проводятся обычно при симметричных циклах нагружения. В то же время предел выносливости существенно зависит от коэффициента асимметрии цикла нагружения r . В реальных машинах чаще всего встречаются несимметричные циклы нагружения. Отсюда возникает необходимость определения предела выносливости в функции r . Так как осуществить это экспериментальным путем весьма затруднительно (пришлось бы проводить большой объем экспериментов), необходимо получить аналитическую зависимость  rβ  f ( r ,  ) . Если результаты испытаний по определению пределов выносливости изображаются в виде диаграммы, на которой по оси абсцисс откладывают  m , а на оси ординат -  max и  min , то такая диаграмма может быть образована прямыми линиями, как это показано на рис. 3.5. Следовательно, для построения диаграммы нужны данные по определению предела выносливости каких-нибудь двух циклов нагружений. Обычно берут симметричный и отнулевой циклы или симметричный цикл и постоянную нагрузку. Такая диаграмма называется диаграммой предельных напряжений и строится по данным испытаний при базовом числе циклов нагружений N б . Рассмотрим построение диаграммы по симметричному и отнулевому циклам. Точки А и А соответствуют симметричному циклу, их координаты - соответственно  m  0 ,  m ax   1 и  m  0 ,  min   1 .  т , поэтому ( m   т ;  max   т ), Наибольшее значение предела выносливости не должно превышать предел текучести верхняя и нижняя части диаграммы ограничиваются значением В(  m   т ;  min   т ). т, Предельные растягивающие напряжения изображаются прямой отнулевой цикл, С ( 0 2 В АС, где С ( 0 2 ;  0 ); СС- ;0). Предельные сжимающие напряжения показывают прямой АС. Точка Д образуется пересечением прямой АС и прямой предельных значений  Т , ее проекция на прямую АС дает точку Д. Пересечение с прямой предельных значений  т и АС образует точку Е, которую проецируют на прямую предельных растягивающих напряжений АС, получая точку Е. Таким образом, получается замкнутый контур диаграммы предельных напряжений ДВДЕВЕ. Если напряженное состояние элемента характеризуется значениями  max и  m , лежащими на контуре диаграммы, то оно соответствует пределу выносливости. Если значения напряжений находятся внутри контура, то имеется запас по отношению к пределу выносливости, если вне контура, то напряженное состояние соответствует пределу ограниченной выносливости при числе циклов меньше базового N б . Для определения по диаграмме предела выносливости произвольного цикла с коэффициентом асимметрии r необходимо из начала координат провести луч под углом  , 16 tg   rβ  max 2 max 2 .     m  m  max   min 1  r (3.19) Для точки К (точка пересечения луча и контура диаграммы)  max   rβ   aβ   m  a  m ,   a   m   1   m tg (3.20) , (3.21)  a   1   m 1  tg    1   σ m , σ  где σ 2 1   0 0 (3.22) , (3.23) - коэффициент чувствительности металла к асимметрии цикла, он характеризует наклон линии предельных напряжений. Для углеродистых сталей  σ  0 ,1...0 ,2 , для легированных  σ  0 ,2...0 ,3 . Основываясь на построенной диаграмме, найдем зависимость r  f(r ). Рассмотрим случай,  max Д т С В  К  а А Л Е 1  max  45   Д С m m А К В Е т Рис. 3.5 Схематизированная диаграмма предельных напряжений  min 17 t когда m  0. Поскольку m   max   min  2 1 r 1 r  max   rβ , 2 2 (3.24) можно произвести преобразования для уравнения (3.20), подставив значения уравнения (3.24) и (3.22)):  rβ  a    σ m 1  r   m  1   rβ    2  m ,  а (соответственно 1 r  rβ 1 r 2   rβ .  2  1   σ Раскроем скобки и приведем подобные члены: 2  rβ  2 1  21  r  σ rβ  21  r  rβ . Переведем в левую часть уравнения все слагаемые с сомножителем  rβ и вынесем его за скобки:  rβ 2   1  r  σ  1  r    2 1 ,  rβ  2 1 1  r   1  r  σ Это выражение будет иметь смысл и в случае, когда  tg 1  В области сжимающих напряжений (3.25)  m  0 и  max  0 , так как  max 2 1 r  , т.е.  m   rβ .  m 1 r 2 m  0 tg   m  . и (3.26)  min   max (для точки Л)  rβ  min 2r ,    m  m 1 r 1 r  rβ . 2r (3.27) (3.28) Проведя преобразования, подобные приведенным выше, получим для данного случая  rβ  2 1 1  1    1     1 σ r  r  . (3.29) 3.7. Методы определения эквивалентных напряжений В случае, когда изменение напряжения (нагрузки) имеют нестационарный характер, то оно должно быть приведено к условному стационарному циклу напряжения. Такое напряжение называется эквивалентным. 18 Эквивалентное напряжение - наибольшая величина условного стационарного режима изменения напряжений, который по интенсивности накопления усталостных повреждений эквивалентен действительному процессу изменения напряжений. По эквивалентным напряжениям производят расчет элементов и соединений на выносливость. Сопротивление усталости при меняющейся амплитуде переменных напряжений определяется условиями накопления (суммирования) усталостных повреждений на различных стадиях действия этих напряжений. Каждый цикл нагружения образует некоторую долю повреждений. Для практических расчетов принимается, что приращение повреждения за каждый цикл происходит равномерно. Согласно уравнению кривой усталости напряжения может быть определена из условия  m N   rm N б  const , m m   i N i   экв N б : величина эквивалентного (3.30) m  экв  m   im где wi  экв   Ni  m   im wi   rβ m   i  wi   экв r ,   Nб  rβ  - число повторений нагрузки  i ; - коэффициент режима работы, (3.32) m  экв     rβ m  i  wi    rβ  . При недостаточном количестве данных для определения - (3.31) для тяжелого режима нагрузки  экв  1 ;  экв практически можно использовать:  экв  0 ,8  0 ,7 ; для легкого -  экв  0 ,7  0 ,6 ; большие значения принимают при   2 , меньшие - при   4 . для среднего - 3.8. Действия по снижению концентрации напряжений Концентрация напряжений резко снижает сопротивление усталости конструкции, а следовательно и ее ресурс. Большинство усталостных разрушений имеют свое начало в местах концентрации напряжений. Значительную концентрацию напряжений в сварных конструкциях вызывают ряд причин: - технологические дефекты шва; - нерациональные очертания швов; - нерациональные конструкторские решения соединений. При наличии технологических дефектов: шлаковых включений, пор, трещин, непроваров, окислов и т.п. - резко падает прочность сварных соединений, особенно в режиме знакопеременных нагрузок. Например, пористость в 1 % снижает усталостную прочность на 30 %. 19  r , МПа Незначительный непровар корня шва образует надрез и, как следствие, концентрацию напряжений, что снижает прочность сварных соединений при переменных нагрузках. На рис. 3.6 показано влияние непровара на уровень предела выносливости. Уровень предела выносливости серьезно зависит от очертания поверхности швов. Например, наличие наплыва на стыковом шве снижает усталостную прочность при симметричном цикле на 30 % обычной углеродистой стали и на 45 % низколегированной. Увеличить предел 200 1 150 100 2 3 50 а a70мм r1,25H 4 10 30 40 Глубина непровара, % H б 20 Рис. 3.6. Зависимость глубины непровара в корне шва на предел выносливости стыковых соединений при растяжении Усиливающий элемент (r  0,1...0,3 , N  2  10 6 циклов): - 30ХГСА, Рис.3.7. 1Вставки и 2 - Cт3, 3 12Х18Н10Т, закругления в элементах 4 - Амг6 а – выкружка в приваренном элементе; б – оформление конца усиливающего элемента Зона обработки выносливости можно снятием усилений стыковых швов или механической обработкой швов, обеспечивающей плавный переход от шва к основному металлу. Подварка корня шва увеличивает предел усталости в  2,5 раза. Лучшим стыком является шов с подваркой корня шва и со снятием наплыва механической обработкой. Такой стык по усталостной стойкости равнопрочен основному металлу. Предел выносливости при переменных нагрузках тавровых соединений зависит от подготовки кромок. Без подготовки кромок происходит их непровар, кроме того, невозможно придать шву желаемые очертания, что вызывает увеличение концентраций напряжений. При решении конструкторских задач необходимо стремиться сглаживать различными способами концентрации напряжений. На снижение концентрации напряжений влияет наличие плавного перехода в местах обрыва листов, концов косынок и др. (рис. 3.7). Концентрации напряжений велики на торцах швов (по длине) в местах перехода к основному металлу, поэтому в конструкциях по возможности следует избегать применения прерывистых швов. Продольные и поперечные элементы желательно приваривать с плавным переходом от шва к основному металлу. С этой целью поперечные элементы нужно приваривать вогнутыми швами, и, места перехода швов к основному металлу обрабатывать механически. Неизбежными концентраторами напряжений в конструкциях из трубчатых элементов являются поперечные стыки и места прикрепления элементов. Стыки трубчатых элементов сваривают с помощью кольцевых подкладок (рис.3.8, а). Кольцевая подкладка должна плотно подгоняться к стыкуемым трубам, наличие зазора вызывает дополнительную концентрацию напряжений. 20 Соединение труб можно осуществлять при помощи торцевого листа. Приварку к листу выполняют с полным проваром. Таким же образом присоединяют конец трубы к торцевому листу с проушиной. Для увеличения жесткости лист усиливают ребрами. При сварке узлов из труб для усиления соединения рекомендуется приваривать косынки или воротники. Места переходов дополнительных элементов к трубе должны быть плавными и обрабатываться механически. а I б I в г Рис. 3.7. Соединение трубчатых элементов: а – с использование кольцевой прокладки; б – с применением торцевого листа; в – соединение трубы и листа с проушиной; г - соединение муфтой Следует учитывать, что усложнения конструкций влекут за собой повышение трудоемкости и увеличение стоимости конструкций. Поэтому мероприятия по снижению концентрации напряжений проводят в случаях, когда по расчету работа конструкции на усталость является определяющей. Учитывая вышеизложенное, при проектировании сварных конструкций, во избежание повышенных концентраций напряжений, следует придерживаться следующих рекомендаций: - сварные швы должны быть симметричными; - не следует применять в одном узле различные виды сварки; - не допускать пересечения нескольких сварных швов. - для сохранения равнопрочности необходимо увеличивать сечение в зоне шва (например, с помощью технологических прокладок); - по возможности, не размещать отверстия вблизи шва (расстояние от оси отверстия до шва должно быть не менее диаметра отверстия). В настоящее время разработаны технологии повышения усталостной прочности сварных конструкций. Например, если в зоне растягивающих напряжений создать остаточные сжимающие напряжения, последние способствуют повышению усталостной прочности соединения. Такие остаточные напряжения можно создать местной пластической деформацией. Для этого сварные соединения подвергают поверхностной механической обработке: прокатке роликами, обдувкой дробью, обработке пневмомолотком или пучком проволок ударными методами и т.д. При этом в поверхностных слоях металла происходит пластическая деформация, которая вызывает наклеп металла, сопровождающийся повышением предела текучести, и, кроме того, образуются остаточные напряжения сжатия. Чем выше коэффициент концентрации напряжений в сварном соединении, тем более эффективно применение поверхностной обработки швов. Эффект повышения предела выносливости сварных точечных соединений обеспечивается их обжатием ковочным давлением при остывании. Проковка повышает сопротивляемость усталостным разрушениям в 1,5…2,0 раза. Один из новых способов повышения усталостной прочности сварных соединений – обжатие посредством взрыва. Вдоль швов укладывают трубки с взрывчатым веществом, в результате взрывной волны усталостная прочность повышается. Аналогичный эффект получаем при обработке сварных соединений ультразвуковым инструментом. 21 Вопрос к лекции 1. Назовите типы сталей и их характеристику, применяемых в проектировании металлоконструкций. 2. Назовите основные механические характеристики металлов, применяемых при проектировании металлоконструкций. 3. Назовите основные рекомендации по выбору материала конструкции. 4. Назовите нагрузки, действующие на металлоконструкции горных машин. 5. На каком методе основан расчет металлоконструкций и в чем его суть? 6. Назовите виды изломов. 22