Текст
                    ВЫСШЕЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
•г
Г. А. НИКОЛАЕВ
С. А. КУРКИН
В. А. ВИНОКУРОВ
СВАРНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
АВТОМАТИЗАЦИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
•Z’*	* - . • «к


Г. А. НИКОЛАЕВ, С. А. КУРКИН, В. А. ВИНОКУРОВ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Технология сварочного производства» МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1983

ББК 30.616 Н63 УДК 624.014.25 Рецензенты: кафедра сварочного производства Киевского политехнического института (зав. кафедрой д-р техн, наук, проф. И. Р. Пацкевич) и д-р техн, наук, проф. В. С. Игнатьева Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Н63 Сварные конструкции. Технология изготовления. Авто- матизация производства и проектирование сварных кон- струкций: Учеб, пособие. — М.: Высш, школа, 1983.— 344 с., ил. В пер.: 1 р. 20 к. Во второй книге рассмотрены конструктивные особенности различных ти- пов сварных изделий, вопросы технологии изготовления, расчеты и проектиро- вание, а также вопросы автоматизации производства и проектирования. Вопросы прочности конструкций освещены в первой книге. Предназначается для студентов сварочных специальностей вузов. 3202000000—072 ББК 30.61В Н 001 (01)—83 76—82 6П4.3 Георгий Александрович Николаев, Сергей Александрович Куркин, Виталий Александрович Винокуров СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Зав. редакцией К- И. Аношина. Редактор А. В. Дубровский. Мл. редактор Н. М. Иванова. Художественный редактор В. П. Спирова. Технический редактор Е. И. Герасимова. Корректоры Г. А. Чечеткина, Г. И. Ксстриксва ИБ № 3385 Изд. № От-324. Сдано в набор 17.05.82. Подписано в печать 04.01.83. Т-01201, Формат 60X90'/»». Бумага тип. № 2. Грпиитура литературная. Печать высокая. Объем 21,5 усл. печ. л. 21,5 уел. кр.-отт. 23,85 уч.-изд. л. Тираж 30 000 экз. Зак. 201 Цена 1р. 20 к. Издательство «Высшая школа». Москва, К-51, Неглвпная ул., д. 29/14. Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, М-54, Валовая, 28 © Издательство «Высшая школа», 1983
ГЛАВА 1 2 КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ОСОБЕННОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ТИПОВ § 1. Принципы классификации Исключительное разнообразие сварных конструкций затрудня- ет их единую классификацию. Их можно классифицировать по методу получения заготовок (листовые, литосварные, ковано- сварные, штампосварпые конструкции), по целевому назначению (вагонные, судовые, авиационные и т. д.), в зависимости от тол- щины свариваемых элементов (тонкостенные и толстостенные) или по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, ти- тановые и т. д.). При рассмотрении вопросов проектирования и изготовления сварных конструкций более целесообразной явля- ется классификация в зависимости от характерных особенностей их работы. В этом случае можно выделить следующие типы сварных элементов и конструкций и дать им соответствующие определения. Балки — конструктивные элементы, работающие в основном на поперечный изгиб. Жестко соединенные между собой балки образуют рамные конструкции. Колоннами называют элементы, работающие преимущест- венно на сжатие или на сжатие с продольным изгибом. Решетчатые конструкции представляют собой систе- му стержней, соединенных в узлах таким образом, что стержни испытывают плавным образом растяжение или сжатие. К ним от- носятся фермы, мачты, арматурные сетки и каркасы. Оболочковые конструкции, как правило, испытыва- ют избыточное давление — к ним предъявляют требование герме- тичности соединений. К этому типу относят различные емкости, сосуды и трубопроводы. Корпусные транспортные конструкции подвер- гаются динамическим нагрузкам. К ним предъявляют требования высокой жесткости при минимальной массе. Основные конструк- ции данного типа — корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей. Детали машин и приборов работают преимуществен- но при переменных, многократно повторяющихся нагрузках. Ха- рактерным для них является требование точных размеров, обес- печиваемое главным образом механической обработкой заготовок или готовых деталей. Примерами таких изделий являются стани- ны, валы, колеса. В соответствии с такой классификацией рассмотрим конструк- тивные особенности каждого типа более подробно. 3
§ 2. Балки и колонны Типы поперечных сечений и размеры сварных балок весьма разнообразны. Если нагрузка приложена в вертикальной плоско- сти, чаще всего используют балки двутаврового сечения. При приложении нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоско- стях, а также при действии крутящего момента более целесооб- разно использование балок коробчатого сечения. Рис. 12.2. Конструктивное оформле- ние двутавровых балок больших размеров: а»—с составной стенкой; б —с полкой переменного сечения Рис. 12.1. Конструктивное оформление ребер жесткости двутавровых балок: а — пересечение вертикальных и горизонталь- ных ребер жесткости; б — крепление вертикальных ребер жесткости к верхнему поясу; в — крепление вертикальных ребер жесткости к нижнему поясу Обычно сварной двутавр состоит из трех основных листовых элементов: стенки и двух полок (поясов), но может иметь верти- кальные и горизонтальные ребра жесткости (рис. 12.1). При боль- ших размерах двутавровой балки ее стенка (рис. 12.2,а) и пояса Рис. 12.3. Составные подкра- новые балки с использовани- ем широкополочных двутав- ров (рис. 12.2,6) могут быть составными. Такие балки нашли применение при сооружении пролетных строений авто- дорожных мостов. Устойчивость верти- кальной стенки обеспечивается верти- кальными и горизонтальными ребра- ми жесткости, сечение изменяется за счет изменения ширины и толщины поясов. Пуск в 1978 г. первого в стране цеха прокатных широкополочных дву- тавров расширяет возможности рацио- нального проектирования сварных ба- лочных и решетчатых конструкций. Ти- повые конструкции подкрановых ба- лок с тонкой стенкой и поясами 4
из тавров, полученных роспуском широкополочных двутавров, показаны на рис. 12.3. Сварные балки пролетом 6 м и высотой 800—1300 мм предполагается изготовлять с уширенными верхни- ми поясами под краны грузоподъемностью 10—20 т без ребер жесткости и под краны 30—50 т с ребрами жесткости. Балки пролетом 12 м и высотой 1100—1600 мм предусматриваются с поясами одинаковой ширины и с ребрами жесткости. Рис. 12.4. Примеры колонн постоянного (а) и переменного (б, в) сечений: а. б — сплошные; в — сквозная Балки коробчатого сечения широко используют в конструк- циях мостовых кранов. Обычно вдоль балки располагают попе* речные диафрагмы, которые приваривают к сжатому верхнему поясу и к боковым стенкам. Сварные элементы коробчатого се- чения используют также в качестве стержней ферм крупных мо- стовых пролетных строений. В конструкциях ферм авто- и же- лезнодорожных мостов применяют унифицированные сварные коробчатые элементы шириной 526 и высотой 450, 600 и 800 мм, Длиной до 17 м. В отличие от балок эти элементы диафрагм не имеют. 5
Колонны могут быть сплошные (рис. 12.4,а,б) и сквозные (рис. 12.4,в). Колонны цехов воспринимают нагрузку от кровли и от крано- вого моста в местах расположения опор подкрановых балок. Резкое увеличение нормальной силы и изгибающего момента в этом сечении нередко приводит к необходимости использования ступенчатых колонн (рис. 12.4,б,в). Нижняя часть колонн имеет опорную плиту, передающую нагрузку на бетонный фундамент. § 3. Балочные и решетчатые конструкции Рамы представляют собой объемную пространственную кон- струкцию, предназначенную для объединения отдельных деталей и механизмов в единый агрегат. Одно из главных требований, предъявляемых к рамам, — жесткость конструкции. Поэтому вхо- дящие в состав сварной рамы балочные заготовки соединяют друг с другом либо непосредственно, либо с помощью вспомога- тельных элементов жесткости. Размеры рам и их конструктивное оформление весьма разнообразны, различны и методы получения балочных заготовок. Так, рамы клетей мощных прокатных ста- нов собирают и сваривают из балочных заготовок в виде мас- сивных стальных отливок (рис. 12.5). В рамах тележек желез- нодорожного подвижного состава нередко также наиболее слож- ные элементы выполняют в виде стальной отливки с относительно тонкими стенками. Примером этому может служить рама тележ- ки электровоза ВЛ-80 (рис. 12.6), состоящая из боковин 7, ли- 6
того шкворневого бруса 2 и двух концевых брусьев 3, где боко- вины и концевые брусья представляют собой сварные балки коробчатого сечения. Более крупные рамы обычно собирают из профильных и листовых элементов, подкрепляя их во многих ме- стах ребрами жесткости. Общим для решетчатых конструкций является наличие в уз- лах соединений нескольких отдельных стержней того или иного сечения. Рис. 12.6. Рама двухосной тележки электровоза Фермы, как и балки, работают на поперечный изгиб. Конст- руктивные формы балок проще, однако при достаточно больших пролетах применение ферм оказывается более экономичным. Характерные схемы решеток ферм показаны на рис. 12.7. Тре- угольная (а) и раскосная (б) схемы являются основными. Фер- мы, воспринимающие нагрузки по верхнему или нижнему поясу, с целью уменьшения длины панели изготовляют по схемам, изо- браженным на рис. 12.7,в,г. Иногда применяют безраскосные фермы с жесткими узлами (рис. 12.7,6). По очертанию поясов фермы могут быть с параллельными поясами или с поясами, об- разованными ломаной линией (рис. 12.7,е). По назначению фер- мы разделяют на стропильные и мостовые. Стропильные фермы работают при статической нагрузке. В качестве стержней используют главным образом прокатные И значительно реже гнутые замкнутые сварные профили и трубы. 7
В общем объеме производства фермы из парных прокатных уголков составляют около 90%. Стержни в узлах соединяют ли- бо непосредственно, либо с помощью вспомогательных элемен- тов главным образом дуговой сваркой. Перспективно применение точечной контактной сварки. Из-за статического характера на- гружения стропильных ферм чувствительность к концентрации напряжений в точечных соединениях мала; в то же время кон- тактная сварка обеспечивает значительное повышение произво- дительности сборочно-сварочных работ. Рис. 12.7. Схемы решеток ферм Мостовые фермы работают при переменных нагрузках и не- редко при низких климатических температурах, что определяет высокую чувствительность их сварных соединений к концентра- ции напряжений. Поэтому в процессе проектирования и изготов- ления сварных мостовых пролетных строений особое внимание уделяют предотвращению и устранению концентрации напряже- ний в сварных соединениях и узлах. Решетчатые пролетные строения с ездой понизу применяют главным образом для железнодорожных мостов. Для автодорож- ных мостов более характерно использование стальных и стале- железобетонных сплошностенчатых пролетных строений с ездой поверху. Пространственные решетчатые конструкции башенного типа (радиомачты, радиобашни, буровые вышки и т. д.) вследствие большой высоты подвергаются значительным ветровым нагруз- кам, поэтому их изготовляют преимущественно из трубчатых эле- ментов. Поскольку размеры этих конструкций превышают габа- рит железнодорожного подвижного состава, их монтируют из сва- ренных на заводе секций. Основные стойки башни располагаются по углам граней секций и являются поясами плоских ферм. Стой- ки составляются из отдельных труб стандартной длины и через приваренные к их торцам фланцы соединяются между собой болтами. 8
В особенно трудных условиях работают буровые вышки для добычи нефти и газа в открытом море на глубинах порядка 150— 200 м. Помимо ветровой они испытывают значительные нагруз- ки от ударов волн. Поэтому в этих конструкциях используют 51 Рис. 12.8. Виды сварных сеток трубы больших диаметров. Так, опоры буровых вышек для добы- чи нефти в Северном море на глубинах более 150 м сооружают из труб диаметром до 4270 мм при толщине стенок до 64 мм. Мачты линий электропередачи также являются пространст- венными решетчатыми конструкциями, но для их изготовления используют прокат в виде уголков. К решетчатым конструкци- ям следует отнести и сварные элементы арматуры железобе- тона: сетки, плоские и про- странственные каркасы. Сетки из взаимно перпендикулярных стержней круглого или перио- дического профиля, соединяе- мых контактной сваркой, мо- гут быть рулонные (рис. 12.8,а) и плоские (рис. 12.8,6). Их назначение — армирование плит перекрытий, перегородок, покрытия дорог, аэродромов, каналов и других элементов конструкций и сооружений. Типы сварных каркасов раз- нообразны. Плоские каркасы Рис. 12.9. Армирование балок плос- кими сварными каркасами 9
используют в балочных перекрытиях (рис. 12.9), они состоят из продольной арматуры (поясов) и соединительной решет- ки в виде отдельных стержней или непрерывной змейки. Пло- ские каркасы, как и сетки, сваривают на точечных контактных Рис. 12.10. Негабаритные емкости: а — вертикальный цилиндрический резервуар; б — мокрый газгольдер; в — сухой газгольдер; г — сферический резервуар; 10
машинах. Пространственные каркасы обычно имеют пояс- ные продольные стержни и соединительную решетку либо в виде отдельных стержней, располагаемых по каждой из граней, либо в виде непрерывной проволоки, навиваемой по спирали. § 4. Оболочковые конструкции Конструкции оболочкового типа собирают из листовых за- готовок и сваривают герметичными швами. В зависимости от габаритных размеров, конструктивного оформления и характер- ных особенностей изготовления и эксплуатации оболочковые кон- струкции можно разделить на негабаритные емкости и сооруже- ния, сосуды, работающие под давлением, трубы и трубопроводы. Емкости и сооружения нередко имеют размеры, намного пре- вышающие габарит подвижного железнодорожного состава. Та- кие изделия приходится изготовлять на заводе по частям и от- правлять на место монтажа отдельными секциями. Характерные примеры негабаритных емкостей приведены на рис. 12.10. Вертикальные цилиндрические резервуары (рис. 12.10,а) чаще всего используют для хранения нефтепродук- тов. Высота резервуара обычно не превышает 12—18 м. В нашей стране сооружают такие резервуары вместимостью до 50 000 м3, Рис. 12.10. Продолжение д — каплевидный резервуар; е — газгольдер постоянного объема 1!
за рубежом — до 200 000 м3. В географических зонах, где отсут- ствует снеговая нагрузка, сооружают резервуары с плавающей крышей. Мокрый газгольдер (рис. 12.10,6) для хранения взры- воопасных или ядовитых газов состоит из резервуара 1 и коло- Рис. 12.11. Характерные приме- ры негабаритных сооружений оболочковатого типа: а — конструкции доменного комплек- са; б —корпус цементной печи; в — спиральная камера гидротурбины кола 3 с телескопом 2 или без него. Перемещение колокола и телескопа происходит в направляющих 4, по которым перекаты- ваются ролики 5. Уплотнение в сочленениях достигается водяны- ми затворами. 12
Сухой газгольдер имеет неподвижный корпус 3 с дни- щем 1 и крышей 4 и подвижный поршень 2 (рис. 12.10,в). Объем мокрых газгольдеров достигает 50 000 м3, а сухих еще больше. Сферические газгольдеры (рис. 12.10,г) предназначе- ны для хранения газов под давлением до 1,8 МПа. Их соби- рают из листовых заготовок пространственной кривизны и сва- ривают стыковыми соединениями. В нашей стране типовыми являются газгольдеры вместимостью 600 и 2000 м3. Термообра- ботка всей конструкции после сварки не производится, поэтому толщина стенок не превышает 36 мм. Каплевидные резервуары (рис. 12.10,3) предназначе- ны для хранения нефтепродуктов под давлением 0,04—0,06 МПа с целью избежать потерь из-за циркуляции паров в результате суточных изменений температуры. Однако вследствие сложности получения листовых заготовок переменной кривизны и трудоем- кости их сборки и сварки каплевидные резервуары не нашли широкого применения. Для хранения газа под давлением иногда используют цилин- дрические газгольдеры постоянного объема диаметром 3,25 м и более со сферическими днищами (рис. 12.10,3). Длина газгольдера может быть значительной, толщина стенок, как и у сферических резервуаров, не более 40 мм. К негабаритным сооружениям относят, например, сооружения доменных комплексов (рис. 12.11,а), имеющие высоту 40 м и бо- лее. К ним предъявляют требования герметичности и прочности. Кожух доменной печи — несущая конструкция; его собирают из листовых элементов толщиной до 60 мм и сваривают стыковыми соединениями. Диаметр кожуха может превышать 15 м. Возду- хонагреватели, пылеуловители и скрубберы представляют собой цилиндрические сосуды диаметром 7—11 м со сферическими или коническими куполами. Их собирают и сваривают стыковыми соединениями из листовых элементов толщиной 10—20 мм. Корпус цементной печи (рис. 12.11,6) представляет собой ци- линдрическую трубу диаметром 4,5—7 м и длиной 170—230 м. На корпус насаживают бандажные кольца, которыми он опира- ется па роликовые опоры. Спиральная камера мощной гидротурбины является сложной сварной конструкцией больших размеров (рис. 12.11,в). Листовые заготовки, имеющие переменную пространственную кривизну, сваривают стыковыми швами. Необходимость ограничения откло- нений от проектных размеров и формы готовой камеры застав- ляет предъявлять жесткие требования к точности раскроя и мон- тажа с помощью сварки. Сосуды, работающие под давлением, целесообразно разделить на следующие группы: тонколистовые, со стенками средней тол- щины, толстостенные и многослойные. При расчете на прочность сосуд считают тонкостенным, если толщина его стенки значитель- но меньше прочих размеров (в 20 раз и более). С позиций кон- структивного оформления сварных соединений и технологии из- 13
готовления сосуд считают тонкостенным, если толщина стенки не превышает 7—10 мм. Тонкостенным сосудам обычно придают форму цилиндра, сфе- ры или тора (рис. 12.12). Выбор формы может определяться раз- личными соображениями. Сферический сосуд при заданной емко- сти имеет минимальную массу, торовый можно компактно разместить, например, вокруг камеры сгорания ЖРД, цилиндри- Рис. 12.12. Характерные типы сосудов: а — сферический; б — цилиндрический; в — то- ровый ческая форма сосуда обес- печивает наиболее техноло- гичное конструктивное оформление. Соединения осуществляют продольны- ми, кольцевыми и круговы- ми швами. Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными элемента- ми различных транспорт- ных установок. В тех слу- чаях, когда не требуется экономия массы, использу- ют хорошо сваривающиеся материалы невысокой проч- ности. В зависимости от сва- риваемости металла и его чувствительности к концен- трации напряжений пред- ставления о технологично- сти одного и того же конструктивного оформления могут ока- заться различными. Характерная для низкоуглеродистых ста- лей хорошая свариваемость и малая чувствительность к концен- трации напряжений позволяют использовать любые типы свар- ных соединений. Поэтому при использовании таких материалов главной задачей ставится снижение трудоемкости изготовления изделия. Примером этого служат конструкции тормозных воздуш- ных баллонов грузовых автомобилей, изготовляемых в условиях крупносерийного и массового производства, когда технологич- ность изделия особенно важна. Такой баллон (рис. 12.13,а) имеет обечайку из горячекатаной стали 20кп и два штампованных дни- ща из стали 08кп толщиной 2,5 мм. К днищу дуговой или рель- ефной сваркой приварены бобышки. Соединение днища с обечай- кой нахлесточное. Такое решение облегчает механизацию сборки путем одновременной запрессовки обоих днищ в обечайку. Для этого отбортованной части днищ придают коническую форму, обеспечивающую центровку их относительно обечайки при сбор- ке. Ацетиленовый баллон (рис. 12.13,6) выполнен из более проч- ной низколегированной стали 15ХСНД, и нахлесточные соедине- ния при его изготовлении недопустимы. Все рабочие соединения — стыковые, причем кольцевые швы допускается выполнять на под- кладках. При использовании высокопрочной стали 25ХСНВФА 14
(ов=1400 МПа) подкладные кольца у стыковых соединений уже применять нельзя (рис. 12.13,в). Иногда для понижения рабочих напряжений в зоне сварного соединения увеличивают толщину металла в местах расположе- ния швов (рис. 12.13,г). Рис. 12.13. Тонкостенные сосуды: а — тормозной резервуар грузового автомобиля; б — ацетиленовый баллон; в — сосуд высокого давления; г — шар-баллон из титанового сплава Сосуды со стенками средней толщины (до 40 мм) широко ис- пользуются в химическом аппаратостроении, а также как емкости Для хранения и транспортирования жидкостей и сжиженных га- зов. Нередко требуется защита рабочей поверхности аппарата от коррозионного воздействия среды и сохранение вязкости и пластичности материала несущих конструктивных элементов при низкой температуре. Поэтому используемые материалы весьма разнообразны: углеродистые и высоколегированные стали, медь, алюминий, титан и их сплавы. Так как для обеспечения необхо- димого срока службы аппарата достаточно иметь слой коррози- онно-стойкого материала толщиной всего несколько миллиметров, то нередко используют двухслойный прокат. 15
Аппаратуру емкостного типа обычно выполняют в виде ци- линдрических сосудов. При избыточном давлении 0,4—1,6 МПа и выше, а также в емкостях, используемых для транспортировки жидкостей, соединения листовых элементов обечаек и днищ вы- полняют только стыковыми (рис. 12.14). Примером таких сосудов служат железнодорожные цистерны различного назначения. Для перевозки нефтепродуктов выпускают цистерны вместимостью 60 Рис. 12.14. Конструкция резервуара с эллиптическими отбортованными дни- щами и 120 т диаметром до 3 м со сферическими или эллипсоидными днищами; их изготовляют из стали ВСтЗсп или 09Г2С. При изго- товлении цистерн для перевозки кислот применяют двухслойную сталь, алюминиевые сплавы, различные защитные покрытия. Сосуды для хранения и транспортирования жидких газов вы- полняют двухстенными. Внутренний сосуд цистерны для жидкого азота (рис. 12.15) выполняют из сплава АМц, он крепится цепями к наружному, выполненному из стали 20. Межстенное пространст- во заполняют аэрогелем и выкачивают воздух. Рис. 12.15. Цистерна для жидкого азота 16
Характерным примером химического аппарата может служить, теплообменник кожухотрубчатого типа (рис. 12.16). Можно ви- деть, что его конструктивное оформление сводится к комбинации пластин, оболочек и труб разнообразных сечений и очертаний. Толстостенные сосуды (s>40 мм) обычно собирают из вальцо- ванных или штампованных листовых заготовок, свариваемых про- дольными и кольцевыми стыковыми швами. На рис. 12.17 изображена кон- струкция гидравлического баллона из стали 22 К с толщиной стенок 150 мм, соединения выполнены электрошлако- вой сваркой. Угловые швы использо- ваны только для крепления основания к нижнему днищу. Для котельных со- судов характерно большое число шту- церов, к которым стыковыми швами приваривают трубы. Как правило, днища делают выпуклыми с отбортов- кой, обеспечивающей вывод сварных соединений из зоны действия значи- тельных напряжений изгиба. Сосуды с внутренним диаметром менее 500 мм, например камеры котлов, допускается изготовлять с плоскими днищами. Особо ответственные сосуды, как, на- пример, корпуса атомных реакторов с толщиной стенки до 200 мм и выше, изготовляют из цельнокованых обе- чаек, свариваемых между собой коль- цевыми швами. У крупных сосудов высокого дав- ления, применяющихся в химиче- ской промышленности, толщина стен- ки достигает 200—400 мм. Наряду с технологическими трудностями изготовления толстостенных моно- литных обечаек возрастает опас- ность их хрупкого разрушения. По- этому все чаще применяют много- слойные сосуды, диаметр которых может превышать 5 м (рис. 12.18,а, б). Днища и фланцы та- ких сосудов делают сплошными и приваривают к торцам мно- гослойной обечайки стыковыми швами. В зависимости от ра- бочей среды внутренняя обечайка может быть двухслойной или из коррозионно-стойкой стали, а наружные части корпуса — из низколегированной стали. В зависимости от метода получения многослойной обечайки отдельные слои либо плотно прилегают друг к другу, либо между слоями возможны зазоры. В последнем случае вваривать штуцера в стенку обечайки пгп,г так как это нарушает основное условие надежной работы такой стен- 2—201 17 Рис. 12.16. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающим компенсатором
ки — свободное перемещение слоев друг относительно друга в процессе нагружения. Штуцера стремятся размещать в сплошных днищах или в сплошном кольце, вваренном между многослойными обечайками. Это ограничивает использование многослойности при- менительно к конструкциям барабанов котлов. Ф78О Рис. 12.17. Баллон гидравлический вместимостью 10 м3 18
На изготовление труб расходуют около 10% всего мирового производства стали, причем доля выпуска сварных труб растет и уже превышает половину. В условиях крупносерийного производ- ства, используя различные методы сварки, выпускают сварные трубы с внешним диаметром от 6 до 1420 мм. Трубы диаметром от 6 до 529 мм изготовляют из рулонного материала с прямым швом» а) б) Рис. 12.18. Конструктивное оформление многослойного сосуда: а — общнв вид; б «— вварка штуцера а трубы больших диаметров — из рулонного материала со спи- ральным швом или из отдельных листов с прямыми швами. Так как рулонный материал имеет ограниченную толщину (до 14 мм), то при выпуске труб большого диаметра (до 2520 мм) для работы под высоким давлением их приходится выполнять либо из непрерывной ленты, по- лученной наращиванием листов требуемой толщины, либо в два слоя. Использо- вание многослойных труб при строительстве магист- ральных трубопроводов по- зволит существенно повы- сить их стойкость против протяженного разрушения. В связи с этим уже начат выпуск двухслойных спи- ральношовных труб боль- шого диаметра В дальней- шем должно быть органи- зовано производство труб, получаемых свертыванием относительно тонкого листа (порядка 4 мм) в несколько слоев с расположением продольных нахлесточ- ных швов начала и конца листа соответственно внутри и снаружи трубы вдоль образующей. Полученные таким образом короткие трубы предполагается укрупнять в длинномерные (12 м) с по- мощью многослойных кольцевых швов. При монтаже заводских трубопроводов кроме стыков труб при- ходится сваривать главным образом отводы, компенсаторы, флан- 2* 19
цы, развилки, патрубки, штуцера и другие фасонные детали (рис. 12.19). Сварочные работы в котлостроении и аппаратострое- нии включают стыковку труб экранов и змеевиков, соединения труб с трубными досками в теплообменниках, приварку к трубам продольных или спиральных ребер, изготовление газоплотных па- нелей из труб, свариваемых одна с другой непрерывными швами через проставки. § 5. Корпусные транспортные конструкции К таким конструкциям относят кузова цельнометаллических вагонов и автомобилей и корпуса судов. Общим для них является использование плоских или изогнутых листовых элементов и по- лотнищ с последующим объединением их в жесткую пространст- венную конструкцию, способную воспринимать вибрационные и динамические нагрузки. Кузов пассажирского вагона имеет решетку-основу 2 из гнутых Z-образных профилей, полностью закрытую наружной тонколисто- вой (s== 1,5-s—4 мм) обшивкой 1 (рис. 12.20,а). Местная жесткость Рис. 12.20. Кузов цельнометаллического пассажирского вагона: а — общий вид; б — поперечное сечение 20
листовой обшивки увеличивается за счет создания гофров. При этом повышается устойчивость тонколистовых элементов под на- грузкой и снижается их коробление от сварки (рис. 12.20,6). Ку- зов вагона собирают и сваривают из предварительно изготовлен- ных крупногабаритных узлов; крыши, боковых стен, настила по- ла, концевых и тамбурных стен. Соединения обшивки с элемента- ми жесткости выполняют точечной контактной сваркой. У грузового полувагона (вагон без крыши) боковые стены, жестко соединенные с рамой полувагона, образуют несущую кон- струкцию. Торцовые стены и крышки люков пола выполнены по- воротными для облегчения погрузочно-разгрузочных работ. Боко- Рис. 12.21. Боковая стена грузового полувагона Рис. 12.22. Конструкция корпуса корабля вая стенка такого четырехосного вагона представляет собой плос- кую конструкцию (рис. 12.21), состоящую из полотнища /, верх- ней 2 и нижней 3 обвязок, угловых 5, шкворневых и промежуточ- ных 4 стоек. Полотнище состоит из 14 корытооб- разных штампованных из листа деталей толщиной 5 мм, сваренных стыко- выми швами. Верхняя об- вязка сварена из двух профилей, усиленных ребрами жесткости, ниж- няя обвязка имеет скобы 6 для подтягивания лю- ков. Угловые стойки со- стоят из Z-образных про- филей с приваренными к ним жесткостями и петлями, промежуточные и шкворневые стойки вы- полнены из Q-образных профилей. Верхняя и нижняя обвязки вместе 21
с угловыми, шворневыми и промежуточными стойками составля- ют каркас боковой стенки, который приваривают к полотнищу контактной точечной сваркой. Кузова легковых и кабины грузовых автомобилей выпускают в условиях крупносерийного производства. Поэтому к требованиям минимальной массы и необходимой жесткости кузова как конст- рукции транспортного типа добавляются требования высокой точ- ности заготовок и технологичности сварных соединений и узлов. Кузова автомобилей собирают из заготовок, штампованных из тонкого листа, и сваривают контактной точечной сваркой. В настоящее время все типы судов, в том числе и крупней- шие танкеры водоизмещением 200 000 т и выше, выпускаются ис- ключительно со сварными корпусами. На рис. 12.22 дана схема конструкции корпуса корабля. Корпус имеет наружную обшивку/, верхнюю 7 и нижнюю 8 палубы, продольные 10 и поперечные 9 перегородки, выполненные из листовых элементов и соединенные герметичными швами. Общая и местная жесткость корпуса обес- печивается приваркой различных прокатных и сварных балочных элементов: флор 3, шпангоутов 4, бортовых стрингеров 5, бимсов 6, вертикального киля 2. Большое число пересекающихся элементов, в особенности в сочетании с требованием герметичности соедине- ний. усложняет конструкцию узлов и технологию их выполнения. Огромные размеры цельносварной конструкции и невозмож- ность снятия остаточных сварочных напряжений предопределяют большой запас упругой энергии, накопленный в корпусе корабля. В этих условиях не исключена возможность самопроизвольного развития трещины на большом протяжении, приводящей к разру- шению корпуса. При проектировании сварных соединений и узлов используют металл с высоким сопротивлением развитию трещин и предусматривают устранение концентрации напряжений, а в процессе изготовления принимают меры по предотвращению и устранению дефектов сварки. § 6. Детали машин и приборов В машиностроении с помощью сварки изготовляют корпуса и станины, валы и колеса. При изготовлении их в сварном исполне- нии требуемую точность размеров и формы обеспечивают, как правило, механической обработкой. Изделия тяжелого и энерге- тического машиностроения выпускают мелкими сериями (станины прессов, валы и колеса мощных турбин и т. д.); сварные узлы имеют обычно весьма большие размеры и толщину элементов до 100 мм (в некоторых случаях и значительно выше). Части уни- кальных машин могут иметь толщину, превышающую 1 м, и их изготовление в виде поковки или отливки либо невозможно, либо нецелесообразно. Расчленение таких деталей на более мелкие отливки или поковки значительно облегчает производство, тогда как сварка любых самых больших сечений электрошлаковым ме- тодом обычно особых затруднений нс вызывает. Готовые детали перед окончательной механической обработкой, как правило, про- 22
ходят термообработку. Характерным примером может служить станина пресса усилием 40 000 кН (рис. 12.23). В этой конструк- ции основные элементы 1 и 2—из толстолистового проката, за исключением массивной траверсы 3 и трубы 4, выполненных в виде стальной отливки и поковки соответственно. Детали больших размеров иногда не удается целиком изгото- вить в условиях завода из-за трудности доставки. Из-за отсутст- вия специального оборудования сварные соединения на монтаже приходится выполнять так, чтобы размеры и форма сварного узла Рис. 12.23. Сварная станина пресса удовлетворяли требованиям точ- ности без дополнительной меха- нической обработки. Сварные детали общего маши- ностроения весьма разнообразны по конструкции, размерам и ис- пользуемым материалам. Требо- Рис. 12.24. Разрез сварной станины шлифовального станка вания к конструктивному оформлению и технологии изготовления этих деталей во многом определяются серийностью производства и условиями эксплуатации. Так, на рис. 12.24 показан разрез свар- ной станины шлифовального станка. Особо жесткие требования предъявляются к прямолинейности направляющих / и 2 в процес- се эксплуатации. Высокая продольная и крутильная жесткость до- стигается за счет замкнутого коробчатого сечения станины. Для обеспечения прямолинейности направляющих при их механиче- ской обработке и в процессе последующей эксплуатации станину после сварки подвергают термообработке для снятия остаточных напряжений. При сварке валов из нескольких заготовок необходимо предот- вратить искривление оси сваренной конструкции. В особенности 23
это важно при крупносерийном производстве для уменьшения при- пуска на последующую механическую обработку. На рис. 12.25 показаны два варианта сварки карданного вала грузовой автома- шины ЗИЛ из двух концевых частей 1 и 2, полученных горячей штамповкой, и обрезка трубы 3. Одновременная сварка трением двух стыков (рис. 12.25,6) обеспечивает высокую производитель- ность и сопровождается меньшими деформациями по сравнению с электродуговой сваркой в среде СО2 (рис. 12.25,а). Кроме того, использование сварки трением облегчает автоматизацию сбороч- но-сварочных работ, что очень важно при крупносерийном произ- водстве. Еще лучшие результаты получены при сварке валов лазером. Рис. 12.25. Карданный вал: а — сварные соединения выполнены сваркой в COs: б —сварные соединения выполнены сваркой трением В сварных деталях приборов используют самые разнообразные материалы и их сочетания при толщине элементов от нескольких нанометров до нескольких миллиметров. Это корпуса приборов, чувствительные упругие элементы, детали радиоламп, транзисто- ров и т. д. Производство таких деталей обычно имеет массовый характер (миллионы штук в год). Ввиду малых размеров сечений свариваемых элементов широкое применение находит контактная, конденсаторная, микроплазменная, электроннолучевая, лазерная и другие сварки, характеризуемые крайне локальным подведением теплоты.
ГЛАВА 1 3 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА § 1. Рациональное проектирование и технологичность сварных конструкций Задача создания оригинальных машин или механизмов, пред- назначенных для выполнения каких-либо новых функций или из- вестных функций, но новым способом, в практике проектирова- ния встречается довольно редко. В большинстве случаев создавае- мая конструкция представляет собой итог работы проектировщи- ков нескольких поколений. Тем не менее всякое вновь проектируе- мое изделие имеет элемент оригинальности. Разнообразие назна- чений, форм и размеров сварных конструкций, а также прогресс техники и технологии не позволяют конструктору просто повто- рять готовые решения. Поэтому проектирование — творческая за- дача, не исключающая разумной конструктивной преемственности. Оптимальными являются такие конструктивные формы, которые отвечают служебному назначению изделия, обеспечивают надеж- ную работу в пределах заданного ресурса, позволяют изготовить изделие при минимальных затратах материалов, труда и времени. Эти признаки определяют понятие технологичности конструкции. Кроме того, необходимо, чтобы конструкция отвечала требовани- ям технической эстетики. Эти требования должны соблюдаться на всех стадиях проектирования конструкции и в процессе ее изготов- ления. На этапе эскизного проектирования выявляют принципиаль- ную возможность обеспечения заданных служебных свойств изде- лия при различных вариантах конструктивного оформления и оце- нивают их технологическую целесообразность. Генеральное конструктивное оформление обычно предопреде- ляется предшествующим опытом создания изделий данного типа. Напротив, выбор формы и размеров отдельных элементов конст- рукции определяется параметрами и особенностями данной проек- тируемой машины. При проектировании этих элементов одновре- менно с выбором материала и метода получения заготовок конст- руктор назначает расположение сварных соединений, их тип и способ сварки. Таким образом, основные вопросы технологичности сварных конструкций решаются уже на первом этапе проектиро- вания путем умелого использования богатых возможностей компо- новки из отдельных заготовок и применения наиболее прогрессив- ных приемов изготовления с помощью сварки. Технолог не в состоянии эффективно использовать передовую технологию там, где конструкция разработана без учета техноло- гичности. Поэтому на всех стадиях проектирования сварной конст- рукции при отработке технологичности конструктивных решений 25
обязательно участие технологов-сварщиков, которое обеспечивает- ся как через технологические отделы конструкторских бюро, так и путем согласования с отделом главного сварщика. На стадии технического проекта конструкции всех основных узлов и наиболее трудоемких деталей обычно разрабатывают в нескольких вариантах, которые затем сравнивают по их техноло- гичности и надежности в эксплуатации. В случае необходимости при этом производят расчеты трудоемкости изготовления, метал- лоемкости и других показателей. Не всегда удается изыскать ва- риант, существенно превосходящий все другие. Тогда выбор про- изводят на основании того показателя, который в данном случае является решающим. На этапе рабочего проектирования производят детальную тех- нологическую проработку принятого варианта конструкции. В пер- вую очередь прорабатывают чертежи и технические условия на крупные заготовки, в особенности поставляемые извне, затем чер- тежи всех основных узлов и деталей и технические условия на их изготовление, сборку, монтаж и испытания. Рабочие чертежи направляют в отдел главного сварщика. Здесь при разработке рабо- чей технологии спроектированной конструкции выявляют недо- статки, связанные в основном с выбором материалов (по их свари- ваемости), видов заготовок, размеров швов и характера подготов- ки кромок, припусков на механическую обработку, допусков фор- мы и размеров, методов контрольных операций. Необходимые изменения по согласованию с конструктором вносят в чертежи и технологическую документацию до запуска изделия в производст- во. В ряде случаев при создании принципиально новых типов сварных конструкций, а также при освоении новых материалов или сварочных процессов к решению наиболее сложных вопросов привлекают научно-исследовательские организации. На стадии проектирования работа по улучшению технологич- ности обычно проводится в основном по трем направлениям. 1. Экономия металла. Поиск наилучших конструктивных форм, возможно более точный учет характера и значений действующих нагрузок, применение уточненных методов расчета позволяют конструктору экономить металл, устраняя излишний запас проч- ности, уменьшая массу металла, слабо участвующего в работе. Целесообразно вместо пространственных решетчатых конструкций использовать оболочковые; требования высокой жесткости удовлет- ворять, применяя гнутые или гофрированные тонколистовые, а также сотовые элементы; при работе на продольную устойчивость использовать трубчатые элементы. рВыбор металла открывает большие возможности снижения массы изделия. Наибольшая эко- номия металла может быть получена при использовании прочных и высокопрочных сталей и сплавов с высокой удельной прочностью (алюминиевых, титановых). Снижению массы изделия способству- ет также применение более прочных холоднокатаных элементов вместо горячекатаных. Повышение прочности, а следовательно, и снижение массы изделия достигается термообработкой. Однако повышение прочности металла нередко сопровождается ухудшени- 26
ем его свариваемости или снижением сопротивления разрушению. Поэтому экономия металла за счет повышения его прочности це- лесообразна только при учете этих факторов. Большие перспекти- вы имеет применение композиционных материалов, например двухслойных сталей. 2. Снижение трудоемкости изготовления. В этом плане важ- ным является выбор размеров и метода получения заготовок, а также приемов их сварки. При проработке конструктивной схемы и ориентировочном подсчете размеров сечений еще нс имеет суще- ственного значения,будет ли конструкция монолитной или сварной. Вопросы, непосредственно связанные со сваркой, возникают при членении изделия на отдельные заготовки. Намечая расположение сварных соединений, проектировщик не только задает форму и размеры отдельных заготовок, айв значительной степени пред- определяет решение ряда конструктивных и технологических во- просов, таких, как методы получения заготовок, типы соединений, приемы сварки и т. д. Поэтому выбор варианта расчленения весь- ма важен с точки зрения его влияния на технологичность конст- рукции. При проектировании уникальных изделий большого размера и массы членение нередко является единственно возможным реше- нием задачи, так как изготовить их целиком нс позволяет недоста- точная мощность существующего оборудования. При членении сложных деталей желательно сочетать простоту форм отдельных заготовок с рациональным расположением сварных соединений. Так, например, цельнолитую сложную стальную отливку большого размера приходится формовать в полу цеха с большими затратами ручного труда. Переход к сварному варианту из небольших про- стых литых заготовок позволяет применить машинную формовку и значительно сократить трудоемкость. Нередко условия нагружения различных частей сварной конст- рукции различаются весьма заметно. В этом случае целесообраз- но выбирать материалы и методы получения заготовок с учетом различия требований к механическим свойствам отдельных частей. При выборе метода сварки конструктор должен учесть свари- ваемость металла заготовок, назначить тип соединения и обеспе- чить удобство выполнения сборочно-сварочных операций. Достав- ка крупных сварных изделий к месту эксплуатации целиком не- редко оказывается невозможной или нецелесообразной. В этом случае часть сварочных операций выполняют при монтаже. Под- ход к выбору метода сварки и конструктивному оформлению сое- динений для заводской и монтажной сварки может быть различ- ным. Поэтому размеры элементов и места расположения монтаж- ных швов назначают одновременно с выбором метода сварки. Вы- бор метода сварки обычно включает назначение типа сварного соединения, приемов его выполнения и применяемого присадочно- го металла, а также термообработки, если это необходимо. Эти данные предопределяют механические свойства сварного соедине- ния и значения допускаемого напряжения, что необходимо для выполнения расчетов на прочность. 27
На стадии рабочего проектирования конструктивное оформле- ние сварных соединений прорабатывается более детально. На чер- тежах указываются характер обработки кромок, допуски на раз- мер с учетом припусков на последующую механическую обработку узла или изделия. Вопросы точности и стабильности размеров конструкции, ко- нечно, нс исчерпываются выбором метода сварки. Существенным является учет сварочных деформаций и напряжений, назначение технологических мероприятий по их предотвращению и устране- нию. Этот круг вопросов решают на стадии рабочего проектирова- ния как с целью обоснования значений допусков и припусков, так и с точки зрения целесообразности проведения термообработки. Многие весьма ответственные изделия вполне надежно работают после сварки без какой-либо термической обработки. С другой стороны, применение термообработки нередко заметно улучшает механические свойства и структуру сварных соединений, способст- вуя повышению их работоспособности. Неоправданное назначение операции термообработки может существенно увеличить трудоем- кость изготовления изделия, в особенности в условиях серийного Рис. 13.1. Типовая стропильная ферма (а); возможные способы ее компоновки (б) производства. Проводить послесварочную термо- обработку или отказать- ся от нее — решают, при- нимая во внимание хими- ческий состав металла, метод сварки и присадоч- ный металл, конструктив- ное оформление соедине- ний и узлов, требования к механическим свойст- вам, условия эксплуата- ции и т. д. 3. Экономия времени. Наибольшая экономия времени достигается в ус- ловиях непрерывная по- ного производства при крупносерийном точного автоматизирован- и массовом выпуске продук- ции, когда все операции согласованы во времени и выполняются ме- ханизмами. Следовательно, при проектировании сварных изделий конструктор должен обеспечить эффективность их изготовления с помощью высокопроизводительных механизмов и автоматиче- ских устройств. Однако доля сварных конструкций, изготовляемых в условиях серийного и массового производства, относительно не- велика. В мелкосерийном производстве эффективно использовать поточные методы изготовления позволяют типизация и нормализа- ция. Важно осуществить рациональный выбор системы конструк- ции и размерных ее параметров. Изыскание прогрессивных конст- руктивных форм и технологий позволяет проектировщику ограни- чить количество типоразмеров и тем самым увеличить серийность 28
выпускаемых изделий. Рассмотрим решение этих вопросов на при- мере стропильных ферм, серийному производству которых препят- ствует большое число типоразмеров и множество коротких раз- лично ориентированных швов, а также необходимость кантовки под сварку уже собранной фермы. В настоящее время разработа- на типовая конструкция стропильной фермы из минимального чис- ла деталей (рис. 13,1,а). Типоразмеры различаются по размерам сечений элементов при сохранении неизменными длины фермы /= 12 м и высоты й=1,5 м. Компоновки из таких ферм позволяют сооружать перекрытия пролетом более 12 м (рис. 13,1,6). Это по- зволяет увеличить выпуск таких типовых ферм до 400 000 шт. в год, что обеспечивает возможность перехода к их крупносерийно- му производству. Кроме того, ограниченное число деталей, их легкая сборка, возможность использования точечной контактной сварки, не требующей кантогки фермы, — все это позволяет орга- низовать производство ферм в условиях автоматической поточной линии. В случае, когда увеличить серийность выпуска изделия не уда- ется и изготовление конструкции предполагается в условиях мел- косерийного производства, конструктору следует так подбирать типоразмеры узлов и элементов, чтобы они соответствовали фор- мам и размерам нормализованной технологической оснастки. § 2. Технология изготовления и автоматизация производства сварных конструкций Исходными данными для проектирования технологическо- го процесса изготовления сварной конструкции являются чер- тежи изделия, технические условия и планируемая программа вы- пуска. Чертежи содержат данные о материале заготовок, их конфигу- рации, размерах, типах сварных соединений — решения, которые были приняты конструктором в процессе проектирования изделия и должны быть приняты к исполнению технологом. Технолог не имеет права вносить изменения в чертежи. Поэтому любому от- клонению от чертежа должно предшествовать его исправление конструктором. Технические условия (ТУ) на изготовление определенного типа конструкций содержат перечень требований, которые предъявля- ются к материалам, оборудованию и выполнению технологических и контрольных операций. ТУ кратко излагают опыт проектирова- ния, изготовления и эксплуатации, накопленный в данной отрасли производства. Поэтому при проектировании технологических про- цессов обязательно соблюдение требований ТУ. Отклонение от них в каждом отдельном случае должно быть достаточно обос- новано. Программа выпуска содержит сведения о числе изделий, кото- рые надо изготовить в течение конкретного срока (например, за год). Эти цифры служат основанием для выбора оборудования, технологической оснастки и средств механизации и автоматизации. 29
Кроме того, по программе выпуска производят оценку экономиче- ской эффективности этого выбора. Производственный процесс из- готовления изделий включает различные технологические, конт- рольные и транспортные операции. Главное требование, определя- ющее последовательность выполнения этих операций, их содержа- ние и обеспечение оснасткой, — выполнение заданной программы выпуска изделий высокого качества в кратчайшие сроки при мини- мальной стоимости. Последовательность выполнения основных сборочно-сварочных операций определяется выбором варианта членения конструкции на технологические узлы, подузлы и отдельные детали. Оптималь- ность такого членения определяется следующими соображениями. 1. На монтажной площадке условия труда, возможности при- менения высокопроизводительной оснастки и средств контроля качества менее благоприятны, чем на заводе. Поэтому изделия большого габарита целесообразно расчленять на такие транспор- табельные узлы, которые позволят свести к минимуму работы на монтаже. 2. С позиции доступности сварных соединений, удобства их вы- полнения и последующего послеоперационного контроля сборочно- сварочные работы целесообразно выполнять путем последователь- ного укрупнения отдельных элементов в подузлы и узлы с после- дующей сборкой всего изделия. Такое чередование сборочных и сварочных операций облегчает использование высокопроизводи- тельной сварочной оснастки, но при малой жесткости отдельных узлов может приводить к росту деформаций от сварки. 3. Для оценки ожидаемых сварочных деформаций и выбора рациональной последовательности сборочно-сварочных операций следует пользоваться расчетными методами. 4. Требуемую точность размеров и формы сварного изделия следует обеспечивать рациональным построением технологическо- го процесса и применением правочных работ на стадии заготовки элементов и сборки и сварки отдельных узлов. Правка готового изделия является, как правило, крайне трудоемкой. 5. Термообработка всей конструкции может существенно усложнить процесс изготовления, особенно в условиях серийного и массового производства. Поэтому в случае необходимости улучше- ния механических свойств, снятия остаточных напряжений или стабилизации размеров в какой-либо зоне конструкции выгоден такой выбор последовательности сборки и сварки, который позво- ляет производить местную или предварительную термообработку отдельных подузлов или деталей. Разработка технологии имеет целью обеспечить оптимальные условия выполнения каждой отдельной операции и всего процесса в целом. Так как для разных типов сварных конструкций пред- ставления об оптимальности технологического процесса могут сильно отличаться, то соображения о рациональном построении процесса изготовления будут подробно рассматриваться в главах, посвященных типовым сварным конструкциям. Однако требование экономии ручного труда является общим и с годами приобретает 30
все большую остроту. В Конституции СССР говорится о необхо- димости сокращения, а в дальнейшем и полного вытеснения тяже- лого физического ,руда на основе комплексной механизации и ав- томатизации производства. Под механизацией производственного процесса понимают замену ручного труда работой машин. При автоматизиро- ванном процессе обслуживающий персонал выполняет лишь функции наладки и наблюдения за работой приборов и систем управления. Систему управления составляют механизмы и средства связи, обеспечивающие точное и согласованное во време- ни взаимодействие рабочих и вспомогательных агрегатов и уст- ройств. В области сварочного производства трудовые затраты на соб- ственно сварочные работы обычно не превышают 30%• Большой объем занимают заготовительные, сборочные и вспомогательные, особенно транспортные, операции. Следовательно, повышение про- изводительности только сварочных работ не может дать сущест- венного эффекта. Отсюда — необходимость комплексной механиза- ции и автоматизации, охватывающей весь процесс производства, включая не только основные (заготовительные, сборочные, свароч- ные, отделочные), но и вспомогательные (транспортные, контроль- ные) операции. Совершенствование производства сварных конструк- ций требует не только наличия механизмов, способных осуществлять все необходимые операции технологического процесса, но и рацио- нальной их компоновки. При этом требования как к механизмам, так и к их компоновке определяются характером производства. Так, для единичного и мелкосерийного производства требуются универсальные устройства, пригодные для работы в широком диа- пазоне типоразмеров заготовок и изделий, тогда как для крупно- серийного и массового производства необходимо специализирован- ное оборудование, на основе которого создаются поточные и авто- матические линии целевого назначения. С учетом целесообраз- ности увеличения серийности выпускаемых изделий за счет типи- зации и унификации (см. § 1) можно выделить основные направ- ления совершенствования производства сварных конструкций. 1. Увеличение серийности выпускаемых изделий путем изыска- ния прогрессивных конструктивных форм и технологий, отвечаю- щих условиям непрерывного и синхронного цикла производства. 2. Создание и централизованное изготовление специальной тех- нологической оснастки, способной обеспечить эффективность тако- го производства. 3. Создание универсальных устройств для комплексной меха- низации процессов в индивидуальном и мелкосерийном производ- стве. Подавляющее большинство оборудования для поточных и ав- томатических линий сварочного производства в СССР изготовля- ется отраслевыми министерствами в условиях неспециализирован- ного производства. Это ограничивает возможности отечественных организаций, и при необходимости создания новых поточных и ав- томатических линий сварочного производства, например в автомо- 31!
бильной промышленности, приходится прибегать к закупкам обо- рудования за рубежом. В других странах созданию такого обору- дования уделяют больше внимания. Это проявляется в слиянии сварочных фирм с фирмами, производящими станки с програм- мным управлением. Опыт станкостроителей в этой области способ- ствует совершенствованию сварочного оборудования и позволяет находить новые решения. Примером этого может служить созда- ние промышленных роботов. Для сварочного производства приме- нение роботов, по-видимому, послужит основным средством реше- ния проблемы экономии трудовых ресурсов. Универсальность ро- ботов позволяет организовывать проектирование и изготовление их в специализированных организациях крупными сериями. При- менение роботов при производстве сварных изделий может изба- вить от необходимости для каждой автоматической линии проек- тирования и изготовления сложного специализированного обору- дования. В серийном, а тем более мелкосерийном производстве универсальность роботов оказывается особенно полезной благода- ря относительной простоте перехода от производства одного типо- размера изделия к другому. Эффективность технологической линии, обслуживаемой устрой- ствами, автоматически выполняющими отдельные операции, мо- жет быть существенно повышена с помощью ЭВМ. На их основе создают системы группового управления большим чис- лом механизмов для автоматизации не только основных, но и вспомогательных операций. Путем введения обратных связей си- стема группового управления с центральной ЭВМ позволяет орга- низовать контроль качества выполнения технологических операций с компенсацией возникающих искажений технологиче- ских режимов. Возможна также организация оперативного контроля состояния оборудования с целью повышения надежно- сти работы линии. Например, перераспределение функций вышед- шего из строя робота между остальными роботами позволяет про- водить его ремонт без остановки линии, лишь несколько снизив ее производительность. Применение группового управления агрегата- ми с помощью ЭВМ отражает один из основных принципов исполь- зования автоматических систем управления (АСУ) — обеспечение полной и эффективной автоматизации процессов про- изводства. § 3. Транспортные операции и транспортирующие механизмы Комплексная механизация и автоматизация производства не- мыслима без наличия системы транспортирующих устройств, ис- ключающей или сводящей до минимума использование живого труда. В производстве сварных конструкций рациональное выполне- ние транспортных операций приобретает все большее значение, поскольку при недостаточном внимании к их механизации затраты труда могут оказаться даже больше, чем на операции сварки. Кроме того, погрузочно-разгрузочные работы относятся к катего- 32
рии тяжелых, в особенности если масса груза превышает 20— 25 кг. Эффективное использование транспортирующих устройств до- стигается, когда они соответствуют характеру производства, типу выпускаемых изделий, их размерам, массе и т. д. В мелкосерийном производстве транспортирование заготовок, деталей, узлов и готовых изделий осуществляют главным образом с помощью мостовых кранов, автопогрузчиков и самоходных теле- жек. Длительность закрепления и освобождения листовых эле- ментов при использовании кранов сокращают применением спе- циализированных захватов. Листовые элементы большой длины приходится зачаливать в нескольких точках. Для этого использу- ют жесткую траверсу с несколькими захватами, подвешенными на тросе с уравнительными блоками. Рис. 13.2. Схемы самоходных пор- талов Для плоских деталей эффективно использование вакуумных захватов, длительность захватывания измеряется секундами. Ва- куум (обычно не более 10—50 кПа) создают с помощью инжек- тора от сети сжатого воздуха или вакуумным насосом. Вакуумные захваты непригодны при отсутствии сплошности захватываемой поверхности, но зато имеют меньшую массу, могут захватывать один (верхний) лист, поворачивать лист из горизонтального поло- жения в вертикальное, безопасны в работе. Двукратный запас их грузоподъемности обеспечивает удержание груза после выключе- ния насоса в течение нескольких минут. Это выгодно отличает их от электромагнитных захватов. Самоходные порталы дополняют крановое оборудование, они удобны для подачи листовых заготовок и деталей с промежуточ- ного склада к рабочему месту, а иногда и для манипулирования деталью. Конструктивная схема такого портала показана на рис. 13.2,а. Контейнеры с заготовками подают мостовым краном и устанавливают между рельсами портала. Захватывание листов, 3—201 33
расположенных в пределах определенной площади, производится посредством траверсы 2 с захватами /, закрепленной на тележке 4. Та, в свою очередь, перемещается по верху портала поперек на- правления его движения. Обычно траверсу устанавливают на по- воротной колонне 3. Иногда листоукладчик перемещают по эста- каде (рис. 13.2,6). Рис. 13.3. Кантовка изделий с помощью четырехкрюкового мос- тового крана: а — г — последовательность положений при кантовке Для кантовки крупных изделий или узлов используют четырех- крюковой мостовой кран (рис. 13.3). После подъема узла (рис. 13.3,6) поворот осуществляют, опуская одну пару крюков при одновременном подъеме второй пары (рис. 13.3,в). Рис. 13.4. Опоры для перемещения листов В серийном производстве для транспортирования широко ис- пользуют различные конвей- еры. Универсальные типы кон- вейеров находят применение и в мелкосерийном производстве. Роликовые конвейеры могут быть приводные и неприводные. Н е п р и в о д н ы е роликовые кон- вейеры нередко устанавливают с небольшим (1,5—3°) наклоном. В этом случае грузы движутся под действием составляющей си- лы тяжести. Для перемещения листов и полотнищ используют подъемные ролики, приподнима- ющие полотнище 1 над поверх- ностью сборочного или сварочно- го стенда 2 (рис. 13.4,а). Заготов- ку перемещают с помощью тяго- вого элемента. Для разворота лис- та, например для подачи его под углом к гильотинным ножницам, используют дисковые ролики на поворотных опорах (рис. 13.4,6) или шаровые опоры (рис. 13.4,в). 34
Приводные роликовые конвейеры с групповым или индиви- дуальным приводом перемещают изделия по горизонтали. Усилие для преодоления сопротивления движению, например при продви- жении листа через строгальный станок или введении плоского элемента в сворачивающее устройство, создают парными принуди- тельно прижатыми вращающимися валками (рис. 13.5,а) или за- талкивающим устройством (рис. 13.5,6). Рис. 13.5. Схемы устройств для принудительной пода- чи листов Рис. 13.6. Схемы роликовых конвейеров для цилиндрических заготовок Для транспортирования изделий или заготовок цилиндриче- ской формы применяют фасонные криволинейные (рис. 13.6,а) и двухконнческие (рис. 13.6,6) или расположенные под углом пар- ные ролики (рис. 13.6,в). Для поворота изделия на отдельных рабочих местах предусматривают подъемные ролики (рис. 13.6,г). В поточных линиях изготовления труб большого диаметра для перегрузки с одного роликового конвейера на другой, параллель- ный первому, применяют передвижные конвейеры. Их располага- ют на тележке, которая перемещается по рельсовому пути перпен- дикулярно оси конвейера. Совмещение осей передвижного и ста- ционарного конвейеров и последовательное включение привода 3* 35
роликов легко автоматизировать. Так, информация о наличии за- готовок труб на рольгангах заготовительного участка, а также об освобождении входных рольгангов сварочного стана накапливает- ся в запоминающем устройстве, а на основе этой информации управляющая ЭВМ вырабатывает команды механизмам тележки передвижного конвейера. Рис. 13.8. Схемы механизмов загрузки роликовых конвейеров Перегрузку листовых элементов на параллельный конвейер с одновременной кантовкой на 90° осуществляют, как показано на рис. 13.7,а, а на 180° — как на рис. 13.7,6. Нередко возникает необходимость подавать на роликовый кон- вейер длинномерные заготовки (трубы, профильный прокат) по 1 шт. После того как труба 3 (рис. 13,8,а) передана на следующую позицию, на ролики 4 требуется подать следующую трубу 2. Пово- рот системы рычагов с помощью пневмоцилиндра 5 обеспечивает прием очередной трубы 2 и смещение труб на стеллаже на полша- га. Обратный ход поршня пневмоцилиндра 5 обеспечивает опуска- ние трубы 2 на ролики 4 конвейера, отделение трубы 1 и фикси- рование ее. Другим примером может служить подача на ролики конвейера профильного проката, например Z-образного сечения, в строго ориентированном положении. Магазин 1 представляет со- бой рамку с гнездами, куда укладываются профили 2 (рис. 13,8,6). Механизм подачи имеет такую же рамку 3, которая при подъеме принимает профили в свои гнезда, перемещает их на один шаг и опускает, причем крайний профиль оказывается на роликах кон- 36
вейера 4, а рамка 3 в опущенном положении возвращается в ис- ходное положение. Пластинчатый конвейер также является универсальным. На рис. 13.9,а представлена схема пластинчатого конвейера. Две па- раллельные тяговые втулочно-роликовые цепи 1 приводятся от двух звездочек, сидящих на общем валу. Опорные катки 2 цепей перемещаются по элементам поддерживающей конструкции 3. От- дельные пластины 4, прикрепленные к звеньям тяговых цепей /, образуют настил, позволяющий транспортировать изделия любой Рис. 13.9. Пластинчатый конвейер формы. Иногда детали укладывают непосредственно на звенья цепи без настила (рис. 13.9,6). Оси шарниров цепей для этого располагают в пластинах несимметрично. Тележечные конвейеры с непрерывным движением используют в поточных линиях очистки, сушки, окраски и т. д. В сборочно- сварочных линиях тележечные конвейеры периодически останав- ливаются. Тележки нередко оснащают зажимными или кантующи- ми устройствами, чтобы сократить время на закрепление и установ- ку детали в нужное положение на каждой позиции. Подвесные конвейеры получили широкое распространение как основное транспортирующее устройство современных предприятий серийного и массового производства. Размеры транспортируемых грузов колеблются от нескольких миллиметров до 12 м, масса — от долей килограмма до 8 т. Достоинствами подвесных конвейеров являются пространственность трассы, доступность изделия со всех сторон, экономия производственной площади. Нередко одновремен- но с транспортированием изделия могут проходить различные тех- нологические операции: мойку, очистку, сушку, окраску, термо- обработку. В зависимости от характера крепления несущей подвески к тя- говому элементу различают конвейеры грузонесущие и толкаю- щие. Грузонесущие подвесные конвейеры имеют направляю- щий путь 1, по которому движутся каретки 2, поддерживающие 37
тяговую цепь 3 и несущие подвески 4 с грузами (рис. 13.10). Тя- говая цепь имеет гибкость в вертикальном и горизонтальном на- правлениях. Повороты цепи в горизонтальной плоскости осущест- вляются с помощью поворотных шкивов или роликовых батарей, а в вертикальной плоскости — с помощью перегибов направляю- щего пути. Трасса такого конвейера стрелок не имеет. Подвески конвейера можно загружать и разгружать вручную, полуавтома- тически и автоматически. Полуавтоматическую загрузку осущест- Рнс. 13.10. Повесной грузонесущий кон- вейер вляют на участках спуска и подъема пути конвейера (рис. 13.И,а). Крюк, стропы, ры- чажный захват или обойму подвески рабочий вручную зацепляет за груз, лежащий на ро- ликовом столе. Конвейер отрывает груз от стола на подъеме пути. Подобным же обра- зом конвейер разгружают. Перегибы пути в вертикальной плоскости используют и для автоматической загрузки, применяя подвески с вилкообразным основанием, наклоненным на 2—3° в сторону задней стенки (рис. 13.11,6). По наклонному роликовому конвей- еру 1 грузы самоходом подаются на гребен- чатый роликовый стол 2. На участке подъема пути подвеска 3 лапами вилочного основания заходит между роликами загрузочного стола и, поднимаясь, захватывает лежащий на нем груз. Для загрузки на горизонтальном участке пути роликовый гребенчатый стол де- лают подъемным с автоматическим включением при подходе под- вески к столу. Подвесной то л ка ю ш и й конвейер (рис. 13.12) имеет тяговый путь 1, по которому движутся каретки 2, поддерживающие тяговую цепь 3, и грузовой путь 6, по которому перемещаются тележки с подвесками грузов 7. Грузовые пути могут ответвляться от при- водного контура трассы в любую сторону в горизонтальной пло- скости для перевода тележек на приводной контур другого кон- вейера. Нажатие толкателя 9 тяговой цепи 3 на передний упор 4 задает движение тележки, снабженной катками 5, а зазор между толкателем и задним упором 8 обеспечивает выход толкателя из промежутка между упорами при выводе тележки по стрелке на отводной путь. Современные толкающие конвейеры транспорти- руют груз на траверсах, оснащенных самоотцепом-автостопом, автостоп работает с помощью управляемого толкателя 9 цепи или управляемого упора 4 тележки. Перевод снабженных автостопом тележек с одной трассы кон- вейера на другую позволяет выполнять различные по ритму тех- нологические операции в одной транспортной системе: разделять и комплектовать грузы в технологическом порядке сборочно-сва- рочных операций, организовывать одно- и многоярусные подвиж- ные склады на подвесках, изменять шаг и скорость движения подвесок при сохранении единого ритма выпуска продукции. Под- 38
весные толкающие конвейеры высокопроизводительны и являются основным внутрицеховым транспортным средством при разветвлен- ной и устойчивой схеме перевозок с большим числом мест раз- грузки и загрузки и интенсивностью свыше 30 подач в час. Тол- кающие конвейеры позволяют применять автоматическое адресование грузов. Ось конвейера. Рис. 13.11. Загрузка подвесок роликового конвейера на участке вертикального перегиба пути: а — полуавтоматическая; б — автоматическая При автоматическом адресовании применяют либо децентрали- зованный способ, когда адресоносителем является сам груз, либо централизованный способ, когда маршрут следования, управляе- мый переводом стрелок, задается пультом управления (рис. 3.13). Наибольшее распространение получила система децентрализован- ного адресования (рис. 13.14). Адресоноситель (АН) (рис. 13.14,6) 39
устанавливают на каждой тележке. Информация адреса заключе- на в комбинации дисков, штырей, клавиш, магнитов, отверстий. Считыватели (С) располагают перед исполнительными механизма- Рис. 13.13. Схема централизованного уп- равления адресования грузов: / — пульт управления; 2— кодирующая схема; 3 — запоминающее устройство: 4 —орган сравне- ния; 5 — дешифратор; 6 — датчики положения груза; 7 — исполнительные механизмы ми (ИМ) (рис. 13.14,а). При прохождении подвески через считы- ватель последний в случае совпадения адреса дает команду в блок управления БУ на включение исполнительного механизма. Сбра- сыватель адреса СА разме- щают после пунктов раз- грузки перед началом ново- го маршрута. Адрес груза задает оператор, который либо сам настраивает на адресоносителе требуемые комбинации, либо нажимает соответствующий набор кнопок на пульте настрой- ки, если адрес устанавлива- ется автоматическим адре- сователем А. Способы счи- тывания адреса бывают контактные (электрический, 40
механический, электромеханический, пневмомеханический) и бес- контактные (фотоэлектрический, индукционный, радиоактивный). Исполнительные механизмы переводят стрелки, а также загружают и разгружают подвески, подъемные столы, поворотные захваты. Например, автоматическая навеска или съем платформы кузова Рис. 13.14. Децентрализованное управление адресованием: а —схема расстановки аппаратов; б — контактное считывание адреса грузового автомобиля (рис. 13.15) осуществляется следующим об- разом. При движении конвейера подвеска нажимает на концевой выключатель /, останавливающий подвеску и включающий меха- низм поворота 4 рамы кантователя с грузовой платформой. Окон- чание поворота фиксируется концевым выключателем 2 с одно- временным включением механизма, который поднимает 3 выступ платформы выше уровня упора подвески. Затем подвеску отклоня- ют 5 так, чтобы ее упор оказался под выступом платформы, после чего все действия производят в об- ратном порядке. Для обеспечения нормальной работы поточных и автоматических линий и равномерной их загрузки подвесные толкающие конвейеры работают непрерывно. Несущие подвески, проходя мимо рабочего места и не получая сигнала об остановке, отправляются на склад, где автоматически останавливают- ся при упоре друг в друга. Как только путь окажется свободным, происходит захватывание очередно- го упора непрерывно движущегося тягового элемента и подвеска снова отправляется в путь. В том месте, где изделие надо опустить к рабоче- му месту 5, грузовой путь делают Рис. 13.15. Схема автоматиче- ской: навески и съема платфор- мы грузового автомобиля 41
разъемным (рис. 13.16,6) и отрезок пути 2 (опускную секцию) вместе с тележками 1 и траверсой 3 с подвешенным изделием опу- скают, а после проведения работ поднимают в вертикальных на- правляющих с помощью подъемного механизма. Как показано на рис. 13.16,а, опускную секцию 2 располагают вне магистраль- ной линии 4, с тем чтобы непрерывность работы конвейера не на- рушалась. в) б) Рис. 13.16. Опускная секция подвесного толкающего конвейера: а — план расположения рабочего места; б —схема опускной секции Для передачи деталей или узлов с одной позиции на другую в поточной, а еще чаще в автоматической линии широко исполь- зуют шаговые конвейеры. В конвейерах этого типа детали или узлы на размер шага перемещают устройства, совершающие воз- вратно-поступательное движение (сцеп тележек, штанга или рам- ка). Движение задается либо гибким тяговым элементом с прн- Рис. 13.17. Схема тележечного шагового конвейера с домкратами водом от электромотора, либо силовым цилиндром (гидравличе- ским или пневматическим), либо от электромотора через передачу шестерня —рейка. При использовании сцепа тележек тележки ча- сто снабжают подъемными устройствами, причем возвратный ход совершается, когда они опущены. На рис. 13.17 показана схема такого конвейера в линии сборки и сварки тепловозных рам. Все тележки связаны с канатом, задающим возвратно-поступательное движение. На первое рабочее место линии раму 1 подают мосто- вым краном. После завершения работ на всех рабочих местах 42
линии домкраты 2 каждой пары тележек 3 приподнимают раму над опорами 4 и тяговым канатом 5 передвигают на соседнее ра- бочее место. Рамы опускают на опоры, а тележки возвращают в „сходное положение. Иногда используют тележки-спутники, как на двухъярусном конвейере автоматической линии сборки и сварки пола кабины автомобиля ЗИЛ (рис. 13.18). Тележки движутся в одном направ- лении и передаются с одно- го яруса на другой гидро- подъемниками. Каждая те- лежка-спутник является кондуктором, фиксирующим укладываемые на нее дета- ли, и имеет медные шины для точечной сварки с од- носторонним подводом то- ка. Т-образные сцепки теле- Рис. 13.18. Схема двухъярусного шагово- го конвейера с тележками-спутниками жек расцепляются при подъеме их к электродам машин и сцеп- ляются при опускании после сварки. То же происходит при пере- даче тележек с одного яруса на другой. Направляющие катки с шевронным профилем, двигаясь по трехгранному рельсу, обеспе- чивают точное положение спутников относительно продольной оси сварочных машин. Необходимая точность положения спутников от- носительно поперечной оси сварочных машин и гидроподъемников достигается с помощью специальных пневматических конусных фиксаторов. На раме каждой тележки закреплена рейка в виде отрезка втулочно-роликовой цепи. Когда тележки сцеплены, их рейки соединены в одну и на каждом ярусе имеют привод от об- щего вала. При перемещении всего поезда верхней рабочей ветви обе платформы гидроподъемников находятся в верхнем положе- нии. Тележки передвигаются на один шаг, платформа левого ги- дроподъемника освобождается, платформа правого получает те- лежку. В шаговых конвейерах штангового типа (рис. 13,19) блок- штанги имеют подпружиненные упоры и опорные катки. Такая схема применена в линии сварки колес Горьковского автозавода. Колеса 1 располагаются на направляющих 2. Составная штанга 3 совершает возвратно-поступательное движение. Шарнирные кулач- ки 5 упираются в кромки изделий и во время рабочего хода штан- ги продвигают их на размер шага по направляющим, преодолевая трение скольжения. При холостом ходе пружины 4 под действием веса колес сжимаются и кулачки проскальзывают под ними. Такие конвейеры просты, но их скорость ограничена погрешностью поло- жения детали при остановке. Если автоматы выполняют опера- цию в течение рабочего хода конвейера, больших скоростей пере- мещения не требуется. В том случае, когда рабочий ход происхо- дит в промежутках между рабочими операциями, время рабочего хода конвейера необходимо по возможности сокращать, т. е. ско- рость движения должна быть высокой. Этому требованию отве- 43
чают конвейеры с движущейся рамкой (рис. 13.20). Детали 1 и 2 рамкой 4 приподнимаются над поверхностью стеллажа 3, перемещаются на шаг и опускаются, а рамка возвращается в ис- ходное положение. Передачу деталей с одного такого конвейера на другой можно осуществлять непосредственно (рис. 13.21,а) или с помощью автоматически действующего накопителя. Во втором случае каждый из участков линии продолжает работать при оста- Рабочий ход Рис. 13.19. Схема шагового конвейера штангового типа новке соседнего. Накопитель действует следующим образом (рис. 13.21,6). Деталь 2 с шагового конвейера 1 подается в нако- питель, выполненный в виде двух движущихся транспортерных лент 3. Детали накапливаются, упираясь друг в друга, и удерживаются на месте отсекателем 4. Рамка конвейера 5 приподнимает очсред- Рис. 13.20. Схема шагового конвейера с движущейся рамкой ную деталь и подаст ее на выполнение очередной техно- 1Т логической операции. Осталь- ные детали в накопителе сме- щаются на один шаг. В некото- рых типах шаговых конвейе- ров (рис. 13.22) на каждой по- зиции устанавливают подъ- емные столы /. После пере- мещения деталей 3 на шаг посредством подвижных направляющих 2 (рис. 13.22,6). столы 1 с деталями 3 поднимаются и направляющие 2 возвращаются в ис- ходное положение. Движение направляющих 2 с зубчатыми рей- ками 4 по опорным роликам 6 задается вращением шестерен 5, приводимых от общего вала. Своеобразным шаговым конвейером для передачи с одной по- зиции на другую являются поворотные столы или барабаны. Для Рис. 13.21. Схемы перегрузки с одного шагового конвейера на другой 44
шагового поворота на заданный угол обычно используют мальтий- ский механизм. Схема механизма показана на рис. 13.23. Шестерня 5 враща- ется непрерывно, шестерня 3 сцеплена с ней и свободно сидит на Рис. 13.22. Шаговый конвейер с подъемными столами: а — столы опущены; б — столы подняты валу 4 кривошипа 6 мальтийского креста. Включение кулачковой муфты 2 осуществляется кратковременным перемещением упора 1 вправо. При этом вал 4 совершает только один оборот, так как выступ муфты 2 набегает на скос возвратившегося в исход- ное положение упора 1 и муфта включается. В ре- зультате поворота вала 4 на один оборот планшай- ба с пазами мальтийско- го креста 11 поворачива- ется на шаг вместе со столом 10. Освобожде- ние от фиксатора 9 перед поворотом и закрепление после поворота осущест- вляется кулачком 7 по- средством рычага 8. Для подачи деталей Рис. 13.23. Схема привода поворотного стола на шаговый конвейер по 1 шт. в ориентиро- 45
ванном положении используют загрузочные устройства. Загру- зочное устройство должно иметь накопитель для хранения запаса заготовок и механизм для отделения от всей массы одной заготов- ки для подачи ее в рабочую зону. Накопители бывают магазинные и бункерные. В магазинных накопителях (рис. 13.24) заготов- ки ориентируются и укладываются заранее. Магазинные устройст- ва, изображенные на рис. 13.24,а—д, относят к гравитационному типу, так как перемещение заготовок в магазине происходит под Рис. 13.24. Схемы магазинных накопителей с отсекателями: о. б — вертикальные гравитационные; в — наклонный; г, д — барабанные; е — вертикаль- ный с ходовым винтом: / — ходовой винт; 2 — заготовки; 3 —толкатель; 4 — концевой вы- ключатель ходового вннта действием силы тяжести. На рис. 13.24,е показана схема магазин- ного устройства, где плоские листовые заготовки 2 подаются вверх механизмом ходового винта 1. Шаговое перемещение стопы заго- товок задается датчиком 4, фиксирующим заданное положение верхней заготовки путем включения и выключения механизма хо- дового винта 1. Такая схема магазинного устройства облегчает вы- дачу очередной заготовки возвратно-поступательным ходом толка- теля 3 по сравнению с устройством, показанным ранее на рис. 13.24,а. Недостатком магазинных устройств является необхо- димость укладки заготовок с требуемой их ориентацией, выпол- няемой обычно вручную. При последовательной обработке загото- вок на нескольких рабочих местах время на укладку снижают использованием кассет, в которые в ориентированном положении 46
Рис. 13.25. Схема бункерного устройства с захватным механиз- мом собирают детали после очередной операции. На последующих опе- рациях эти кассеты используют в качестве магазина. Б бункерные накопители заготовки загружают навалом. Автоматическая их ориентация исключает ручную операцию уклад- ки заготовок в определенном положении, в несколько раз умень- шая время на загрузку заготовок по сравнению с магазинными устройствами. Бункерные устрой- ства способны обеспечить питание самого производительного оборудо- вания. Различают бункерные устройства с захватными механиз- мами и без них. В устройствах пер- вой группы захват заготовок осу- ществляется с помощью механиче- ских перемещений штырей, крюков, шиберов. Так, на рис. 13.25 из бун- кера 1 заготовки сферической фор- мы подаются толкателем 2 на ло- ток 3, где они задерживаются упо- ром 5 и располагаются в один ряд. Отсюда питатель 7 выдает заготовки поштучно. В этом устройстве лоток 3 с лига гелем 4 работают как самостоятельное загрузочное устройство магазин- ного типа. В бункерных устройствах второй группы подача заготовок осу- ществляется за счет сил инерции и трения, создаваемых при ви- брации. Большое распространение получили вибрационные загру- зочные устройства с круговыми бункерами, на стенках которых устроен спиральный лоток. Двигаясь по этому лотку, заготовки ориентируются и располагаются в один слой. Способы ориентации определяются формой заготовок. Для заготовок типа дисков, ко- лец и пластинок используют спиральный лоток, имеющий наклон к центру бункера, и буртик, не превышающий высоты заготовки (рис. 13.26,а). При перемещении по лотку заготовки из второго слоя будут соскальзывать обратно в бункер. Ориентация колпач- ков, высота которых равна или меньше диаметра, достигается с помощью плоского лотка с язычком (рис. 13.26,6). Заготовки, оказавшиеся донышком вниз, проходят над язычком, а остальные выпадают в вырез лотка. Заготовки роликов или трубочек (рис. 13.26,в), перемещающиеся вертикально, сбрасываются ко- зырьком обратно в чашу бункера. С помощью козырька можно ориентировать и двухступенчатые заготовки (рис. 13.26,г). Заго- товки в виде болтов, винтов и т. д., а также длинные колпачки ориентируются на прямолинейном участке по выходе со спираль- ного лотка (рис. 13.26,6, е). Подача заготовок на рабочую пози- цию осуществляется по лотку, являющемуся продолжением спира- ли; скорость подачи может достигать 40 м/мин. Если лоток запол- нен полностью, то заготовки останавливаются, упираясь друг в друга. 47
Если признаки деталей скрыты или слабо выражены, то ориен- тировка их обычными механическими методами затруднена или невозможна. В этом случае иногда используют обычные бункер- ные загрузочно-ориентирующие устройства, снабжая их системой электромагнитов. Детали, предварительно ориентированные в чаше бункера вдоль продольной оси, поступают в межполюсное прост- ранство электромагнита, где деталь поворачивается во вполне определенное устойчивое положение, а лоток обеспечивает сохра- нение ориентации и перемещение детали в рабочую зону. Рис. 13,26. Приемы ориента- ции в вибрационных загрузоч- ных устройствах уХвтоматическую шаговую подачу непрерывных заготовок в ви- де лент, полос, стержней осуществляют с помощью валиковых, клещевых и крючковых устройств. Валиковую подачу целесообразно использовать при привар- ке каких-либо элементов к полосе или ленте, а также при выпол- нении прессовых или гибочных операций. Привод валиковой пода- чи можно осуществлять кинематической связью от механизма пу- ансона 1 пресса или хобота точечной контактной машины (рис. 13.27,а). При подъеме пуансона валики перемещают полосу или ленту 2 на заданный шаг. Для предотвращения излишнего перемещения под действием инерции в конструкцию устройства вводят обгонную муфту или постоянно замкнутые тормоза. Шаг подачи не превышает 200 мм, а число ходов в минуту не более 250. У клещевой подачи захваты кинематически также связаны с рабочим органом машииы. При движении его вниз подающая каретка 3 (рис. 13.27,6) перемещается слева направо. При этом ролики 4 свободно скользят по ленте 2. Тормозные ролики 5 48
заклинены и препятствуют перемещению ленты 2 под влиянием силы трения о ролики 4. При ходе пуансона 1 вверх каретка 3 движется справа налево, лента заклинивается между роликами подающей каретки и перемещается на длину хода каретки. Ско- рость клещевой подачи достигает 600 двойных ходов в минуту; наибольший шаг составляет 100 мм. S) Рис. 13.27. Схемы устройств для шаговой подачи непрерывных заготовок: а — валиковая подача; б — клещевая подача; в — крючковая подача Схема работы подающего устройства крючкового типа пока- зана на рис. 13.27,в. Полоса или лента захватывается крюком за кромку пробитого отверстия или за выступ в рамке, куда уклады- вается лист. Производительность крючковой подачи примерно та- кая же, как и валиковой; наибольший шаг не превышает 50 мм. Достоинством крючковой подачи является простота конструкции.. Она может использоваться в сочетании с машиной для точечной контактной сварки с задан- ным шагом. При шаговой подаче производственный процесс имеет прерывистый харак- тер— рабочая операция сменяется транспортной. В условиях современного производства нередко тре- буется осуществление не- прерывного процесса, т. е. выполнение рабочих опера ций в процессе транспорти- рования. Для длинномер- ных листовых заготовок это 4—201 Рис. 13.28. Схема автоматической ротор- ной линии: ап — сектор питания, ар — рабочий сектор, ас— сектор съема 40'
обычно достигается непрерывной подачей рулонного материа- ла. Для заготовок и деталей небольших размеров применя- ют роторные автоматические линии и установки (рис. 13.28), где технологические операции выполняются в процессе транспортиро- вания. Привод линии прост, поскольку все технологические и транспортные роторы находятся в жестком зацеплении. Передача штучных деталей с одного ротора на другой осуществляется кле- щевыми захватами или специальными переталкивателями без по- тери ориентации деталей. В роторных автоматических линиях обычно отсутствуют межоперационпые накопители, сборники и бункера; загрузочное устройство устанавливается только в начале линии. Такие линии сложны, так как каждая позиция технологи- ческого ротора должна иметь всю оснастку, необходимую для выполнения данной операции. § 4. Заготовительные операции Литые, кованые и штампованные заготовки обычно поступают на сварку в виде, не требующем дополнительных операций. По- другому обстоит дело с деталями из проката. После подбора ме- талла по размерам и маркам стали необходимо выполнить следую- щие операции: правку, разметку, резку, обработку кромок, гибку и очистку под сварку. Рис. 13.29. Виды деформации листовой стали: / — волнистость; 2 — серповидность в плоскости; 3 — местные выпучи- ны; 4 — заломленные кромки; 5 — местная погнутость; б — волнистость поперек части листа Листовой прокат требует правки в том случае, если его постав- ляют в неправленом виде, а также если деформации возникли при транспортировании. Наиболее часто встречающиеся виды деформи- рования изображены на рис. 13.29. Правка осуществляется созданием местной пластической де- формации и обычно производится в холодном состоянии. Для устранения волнистости листов и полос толщиной от 0,5 до 50 мм широко используют многовалковые машины (число валков больше пяти). Исправление достигается многократным изгибом при пропускании листов между верхним и нижним рядами вал- ков, расположенных в шахматном порядке (рис. 13.30,а). Листы толщиной менее 0,5 мм правят растяжением с помощью приспо- соблений на прессах или на специальных растяжных, машинах. 50
Серповидность листовой и широкополосной стали подда- ется правке в ограниченной степени. Ее выполняют на многовал- ковых листоправильных вальцах с применением прокладок, выкла- дываемых у вогнутой кромки. Правку мелко- и среднесортового, а также профильного про- ката производят на роликовых машинах (рис. 13.30,6), работаю- щих по той же схеме, что и листоправильные. Для двутавров и швеллеров такой способ ис- пользуется только для исправ- ления в плоскости меньшего момента сопротивления. Ис- правление в другой плоскости осуществляют изгибом на пра- вильно-гибочных прессах ку- лачкового типа (рис. 13.30,в). При постоянном ходе толка- теля 3 задаваемая деформа- ция профиля 2 регулируется изменением расстояния меж- ду опорами /. На прессах пра- вят и толстолистовой прокат с толщиной более 50 мм. Холодная деформация со- провождается уменьшением пластичности металла. Поэто- Рис. 13.30. Схемы правки листовых и профильных элементов: а — на лнетоправйльных вальцах; б — в уг- лоправйльных вальцах; в — на прессе му относительное остаточное удлинение б наиболее деформированных волокон необходимо огра- ничивать. Например согласно СНиП 18—75 при холодной правке ds-^1%: при холодной гибке 6^2%, что соответствует радиусу изги- ба не менее 50 толщин листа приправке и не менее 25 толщин листа при гибке. Исходя из этого, устанавливают предельные значения искривлений, исправление которых еще допускается в холодном состоянии. Так, холодная правка серповидности широкополосной и универсальной стали на вальцах, а полос шириной до 200 мм на кулачковом прессе разрешается только при стреле серповидности f^/2/(800b), где I — длина полосы; Ъ — ширина полосы. В случае необходимости создания более значительных дефор- маций правка и гибка стали должны производиться в горячем со- стоянии после нагрева до 900—1000°С для стали классов до С 46/33 включительно и до 900—950°С для стали классов С 52/40 и С 60/46. Деформирование при высокой температуре сопровожда- ется процессом рекристаллизации, и пластические свойства метал- ла не снижаются. Нередко правке в вальцах подвергают сварные заготовки из двух или нескольких листов, сваренных стыковыми швами. Для ограничения пластической деформации зоны сварного соединения усиление сварного шва должно быть минимальным. В ряде случа- ев усиление рекомендуется удалять. Разметка. Индивидуальная разметка трудоемка. Наметка бо- 4* 51
лее производительна, однако изготовление специальных наметоч- ных шаблонов не всегда экономически целесообразно. Оптический метод позволяет вести разметку без шаблона — по чертежу, проек- тируемому на размечаемую поверхность. Разметочно-маркировоч- ные машины с пневмокернером производят разметку со скоростью до 8—10 м/мин при погрешности ±1 мм. В этих машинах приме- няют программное управление. Использование приспособлений для мерной резки проката, а также машин для тепловой резки с мас- штабной фотокопировальной или программной системой управле- ния позволяет обходиться без разметки. Рис. 13.31. Схема резки металла на ножницах различных типов Резка и обработка кромок. Резка деталей с прямолинейными кромками из листов толщиной до 40 мм, как правило, производит- ся на гильотинных ножницах (рис. 13.31,а). Разрезаемый лист 2 заводится между нижним 1 и верхним 4 ножами до упора 5 и зажимается прижимом 3. Верхний нож, нажимая на лист, про- изводит скалывание. Погрешность размера обычно составляет ±(2,0—3,0) мм при резке по разметке и ±(1,5—2,5) мм при резке по упору. Прямой рез со скосом кромки под сварку можно полу- чить, используя специальные ножницы (рис. 13.31,6). При включе- нии гидроцилиндра 1 качающийся ножедержатель 3 поворачива- ется сначала вокруг оси А, производя прямой рез с помощью но- жа 7. Когда упор 2 ножедержателя 3 дойдет до выступа детали 4, они поворачиваются совместно вокруг оси Б, отводя прижим 5 от регулируемого упора 6. Нож 8 совершает рез на скос. Дисковые ножницы (рис. 13.31,в) позволяют осуществлять вы- резку листовых деталей с непрямолинейными кромками толщиной ^=20-5-25 мм. Для получения листовой заготовки заданной шири- ны с параллельными кромками дисковые ножи целесообразно рас- полагать попарно на заданном расстоянии друг от друга (рис. 13.31,в, г). 52
При резке на ножницах металл подвергается значительной пластической деформации. Если кромка реза в дальнейшем попа- дает в зону сварки и полностью переплавляется, то дополнитель- ной обработки не требуется. Если же эта кромка остается свобод- ной, а конструкция работает при переменных нагрузках, то слой пластически деформированного металла целесообразно удалить последующей механической обработкой. Для поперечной резки фасонного проката применяют пресс- ножницы с фасонными ножами или дисковые пилы. В некоторых случаях применяют резку гладким диском либо с помощью тре- ния, либо к о н т а к тн о - д у го в ы м оплавлением. Производительным является процесс вырубки в штампах. При номинальных размерах деталей 1—4 м погрешности могут составлять ±(1,0—2,5) мм. Разделительная термическая резка менее произво- дительна, чем резка на ножницах, но более универсальна и приме- няется для получения стальных заготовок разных толщин как прямолинейного, так и криволинейного очертания. Наряду с газо- пламенной кислородной резкой все шире применяют плазменно- дуговую резку, позволяющую обрабатывать практически лю- бые металлы и сплавы. Использование в качестве плазмообразую- щего газа сжатого воздуха дает не только экономические, но и технические преимущества: высокое качество реза сочетается с боль- шой скоростью резки, особенно сталей малой и средней толщины (до G0 мм). Недостатком воздушно-плазменной резки является насыщение поверхностного слоя кромок азотом, что способствует образованию пор при сварке. Поэтому кромки в большинстве слу- чаев зачищают стальной щеткой или подвергают дополнительной механической обработке. Предотвращение пор в швах при сварке по кромкам, подготовленным воздушно-плазменной резкой, воз- можно и без зачистки кромок, однако в этом случае требуется четкое соблюдение технических рекомендаций. После кислородной резки зачистки кромок под сварку, как правило, не требуется. Ручную и полуавтоматическую резку листов производят обычно по разметке, автоматическую — с помощью копирных устройств, по масштабному чертежу или на машинах с программным управ- лением. Масштабные чертежи содержат информацию только о тра- ектории, поэтому переход от одного реза к другому при раскрое целого листа приходится осуществлять вручную. Использование машин с цифровым программным управлением позволяет автома- тизировать процесс резки в пределах всего листа при одновремен- ном повышении точности реза. При вырезке заготовок небольшой толщины в ряде случаев эффективно использование резки листов пакетом толщиной порядка 100 мм. Термическую резку применяют и при создании скоса кромок. Если эта операция совмещается с разделительной резкой, то одно- сторонний скос с притуплением получают, используя одновремен- но два резака, а двусторонний скос —три резака. После вырезки детали иногда приходится править. 53
Начинают применять лазерную резку. Ее преимущества— чрезвычайно малая ширина реза (доли миллиметра) и возмож- ность резки материала малой толщины (от 0,05 мм). Механическую обработку кромок на станках производят: а) для обеспечения требуемой точности сборки; б) для обработки фасок сложного очертания; в) для удаления металла кромок, обрезанных ножницами или с помощью термической резки, когда это считает- ся необходимым. При обработке длинных кромок применяют кром- кострогальные станки, более коротких — торцефрезерные. Рис. 13.32. Схемы вальцовки обечаек: а — обечайка с иеобвальцованнымн кромками; б, в — установ- ка листа в трех- и четырехвалковых вальцах; г — положение листа в начале гибки в вальцах; д — гибка листа в двухвалко- вых вальцах Гибка. Холодную гибку листовых элементов толщиной до 60 мм для получения деталей цилиндрической и конической формы осу- ществляют на листогибочных вальцах с валками длиной до 13 м. При вальцовке в холодном состоянии отношение радиуса изгиба к толщине листа ограничивают допустимым значением создавае- мой пластической деформации. При гибке в вальцах концевой участок листа размером а (рис. 13.32,а) остается почти плоским. Ширина этого участка при использовании трехвалковых вальцов определяется расстояниями между осями валков а (рис. 13.32,6). В четырехвалковых вальцах несвальцованным остается только участок шириной (l-*-2)s, где s — толщина листа (рис. 13.32,в). Более правильное очертание концевого участка листа может быть получено либо калибровкой уже сваренной обечайки, либо предва- рительной подгибкой кромок под прессом или на листогибочных вальцах с толстым подкладным листом, согнутым по заданному радиусу. После подгибки кромок лист устанавливают в гибочные вальцы, выверяют параллельность оси вала и кромки листа и на- чинают гибку со средней части листа (рис. 13.32,а). Использова- 54
ние двухвалковых гибочных вальцсв с эластичным полиуретано- вым покрытием нижнего валка (рис. 13.32,д) устраняет необходи- мость дополнительной подгибки кромок при вальцовке обечаек из листов толщиной до 6 мм. Упругое покрытие обжимает листовую заготовку вокруг жесткого верхнего валка и обеспечивает равно- мерный изгиб по всей длине. Листовые элементы с поверхностью пространственной кривизны получают на специальных вальцах с валками переменного диамет- ра. Для формообразования элементов оболочек больших размеров применяют штамповку взрывом. При серийном и массовом производстве для получения элементов с поверхностью сложного очертания широко используют холодную штамповку из ли- стового материала толщиной до 10 мм. Высокая производитель- ность, точность размеров и формы получаемых заготовок, их низ- кая себестоимость обеспечивают создание весьма технологичных штампосварных изделий. При холодной гибке профильного проката и труб используют /юликогибочные машины и трубогибочные станки. Когда возника- ют трудности, связанные с нарушением формы поперечного сече- ния, целесообразно использовать специальные гибочные станки с индукционным нагревом непрерывно перемещаемой и изгибаемой заготовки. Деформируемый участок, нагретый до температуры 950—1000°С, имеет небольшую протяженность, обладает малым со- противлением пластической деформации и повышенной устойчи- востью, что предотвращает образование гофров в зоне сжатия. Для получения деталей из толстого листового металла применя- ют горячую гибку. Ее осуществляют на гибочных вальцах и на прессах. В сварных конструкциях зачастую используют гнутые профиль- ные элементы, поперечные сечения которых не входят в сортамент, выпускаемый металлургическими заводами. Небольшие партии та- ких деталей можно изготовлять на кромкогибочных станках и прессах. Гофрирование (рис. 13.33) повышает жесткость листов. Его предпочтительно производить штамповкой, а не гибкой, чтобы поперечные кромки листов остава- лись плоскими. Очистка. Для очистки прока- та, деталей и сварных узлов при- меняют механические и химические методы. Удаление загрязнения. [333 Гоф „,ые л„сты ржавчины и окалины производят Y F с помощью дробеструйных и дро- беметных аппаратов, а также используют зачистные станки, рабо- чим органом которых являются металлические щетки, иглофрезы, шлифовальные круги и ленты. При дробеструйной и дробеметной очистке применяют чугунную или стальную дробь размером от 0,7 до 4 мм в зависимости от толщины металла. В дробеструйных ап- паратах дробь выбрасывается на очищаемую поверхность через 55
сопло сжатым воздухом. В дробеметных аппаратах дробь выбра- сывается лопатками ротора (производительность выше и очистка обходится дешевле), однако происходит быстрый износ лопаток. Дробеструйную и дробеметную очистку обычно осуществляют в камерах. Беспыльные дробеструйные аппараты позволяют обхо- диться без камер, но они менее производительны — их применяю! в мелкосерийном производстве, а также для очистки крупногаба- ритных сварных узлов, которые не помещаются в камере. Химическими методами проводят обезжиривание и травление поверхности. Различают ванный и струйный методы. В первом слу- чае детали последовательно опускают в ванны с различными рас- творами и выдерживают в каждом из них определенное время. Во втором случае последовательная подача растворов различного со- става на поверхность деталей производится струйным методом,, что позволяет осуществлять непрерывный процесс очистки. Хими- ческий способ очистки эффективен, однако в производстве свар- ных конструкций его применение ограничено высокой стоимостью оборудования для очистки сточных вод. Для предохранения метал- ла от коррозии кроме очистки обычно проводят п а с с и в и р о в а- ни е или грунтовку поверхности, позволяющие осуществлять сварку без удаления защитного покрытия. Несмотря на широкое использование машин и механизмов, эф- фективность их использования в условиях индивидуального и мел- косерийного производства на заготовительном участке нередко ока- зывается низкой. Это объясняется большими затратами ручного' труда при выполнении транспортных и установочных операций. Поэтому весьма важно обеспечить здесь комплексное исполь- зование механизмов, позволяющее снизить затраты ручного труда; до минимума. Пример рациональной организации приемки и складирования листового металла в условиях мелкосерийного производства пока- зан на рис. 13.34. Горизонтальное складирование в пачки выпол- няют по габаритам и маркам металла. Краны оснащают травер- сами с электромагнитными или вакуумными захватами. Пакеты листов с сортировочных площадок 1 подают мостовым краном 2 на стеллажи к листоправильным вальцам 3. Комплексная механи- зация участка правки обеспечивается приводным рольгангом 4 и перегрузочными мостами 5. Листы правят при поступлении на склад и хранят в выправленном состоянии. Это повышает произ- водительность труда за счет увеличения партии листов одинаковой толщины. В серийном производстве, в частности на судостроительных предприятиях, операции очистки металла, грунтовки, сушки, мар- кировки, разметки и резки выполняют на автоматизированных по- точных линиях. Со входного рольганга листы автоматически снимаются канто- вателем и в вертикальном положении транспортируются через по- следовательно расположенные камеры подогрева, дробеметную» грунтовки листов в электростатическом поле, терморадиационной 56
Рис. 13.34. Участок приемки и правки лис- тового металла сушки и затем выдаются в накопитель. Все операции выполняются в автоматическом режиме. Один рабочий наблюдает за ходом про- цесса у пульта управления и регулирует режим работы агрегатов в зависимости от толщины и ширины листов и марки материала. Очистка и грунтовка профильного материала производятся на аналогичной линии. Комплексная механизация участка тепловой резки для выпол- нения работ по маркировке и вырезке деталей с криволинейными кромками из листовой ста- ли толщиной свыше 2 мм организуется следующим образом. По предварительно со- ставленной программе с по- мощью чертежного устрой- ства в масштабе 1:10 вы- черчиваются чертежи ос- новных деталей. Они снаб- жаются маркировкой и ис- пользуются для составле- ния карт раскроя листового материала. Масштабные ко- пии деталей вручную раз- мещают в предела?: мас- штабных контуров листа проката с учетом техноло- гических требований и эко- номного использования ма- териала. Компоновку про- водят на специальных сто- лах, оборудованных систе- мой присоса и коордпнато- метрами для снятия коор- динат характерных точек, необходимых для програм- мирования резки. Описа- ние карты раскроя в ви- де таблицы включает в се- бя кодовые номера деталей, ки, координаты двух точек каждой детали в системе координат листа, направление обхода каждой детали. Кроме того, для каж- дой детали имеется запись маршрута, т. е. координаты опорных точек и параметры участков контура, полученные еще до вычерчи- вания. Эти данные вводятся в ЭВМ, и па перфоленте выдается рабочая программа вырезки всего листа. Затем производится кон- трольное вычерчивание карты раскроя на чертежном устройстве, подключенном к ЭВМ. При применении разметочно-маркировочных машин по чертежу раскроя измеряются координаты границ участков линий разметки, 57 записываемые в порядке вырез-
начальных точек расположения марок и углы поворота этих марок. Все данные заносят в таблицу и затем набивают перфоленту. Подача листов осуществляется по рольгангам на раскроечных платформах (рис. 13.35,6), у которых на основании 3 установлены ребра 2, служащие опорой листа 1. На этих же платформах про- изводится маркировка и тепловая резка листов, а также уборка вырезанных деталей и отходов. После линии очистки и грунтовки из накопителя 1 (рис. 13.35,а) лист подается гидротолкателсм 2 в двусторонний кантователь 3, укладывающий его на раскроечную платформу 5. Рис. 13.35. Участок разметки-маркировки и тепловой резки листов: а — схема участка; б — раскроечная платформа Участок оборудован приемным рольгангом 4, двумя подающи- ми рольгангами 6, рольгангом съема разрезанного листа 11 и воз- вратным рольгангом 13. Передача с рольганга одного направления на другой, расположенный перпендикулярно, производится подъе- мом секции роликов. Подача листов и их транспортирование к ме- ханизмам линий тепловой резки, снятие деталей и их передача для дальнейшей обработки осуществляются в полуавтоматическом цикле. На линиях резки используют маркировочные машины и реза- тельные машины типа «Кристалл» с цифровым программным управлением. 58
Резке предшествуют разметка линий последующей гибки ли- стовых деталей и их маркировка. При этом необходимо, чтобы положение листа в системах координат разметочно-маркировочной машины и машины тепловой резки было одинаковым. Разметка осуществляется пневмокернером. Исполнительная часть машины 7 представляет собой портал продольного хода, на котором смонти- рована тележка поперечного перемещения. На ней находится по- строитель знаков с рабочим инструментом. Кернение линий раз- метки и холостые переходы осуществляются при движении порта- ла и тележки, а кернение марок — только при движении кареток построителя знаков, повернутого на заданный угол. Рис. 13.36. Механизация подачи листа к гильотинным ножницам После разметки и маркировки листы на тех же раскроечных платформах 5 подаются к машинам тепловой резки 8, а по окон- чании резки выдаются в зону действия перегружателя-кантовате- ля Р. Траверса с большим числом магнитов (до 800 шт.) снимает все детали, а если необходимо, то кантует их для зачистки грата на 180°, а затем возвращает в исходное положение и укладывает на ленточный транспортер 10. Механизированная сортировка выре- занных деталей обеспечивается сортировщиком с вакуумными или магнитными присосками на траверсе. Этот управляемый операто- ром сортировщик раскладывает все крупные детали (более 0,7X Х0,7 м) в пачки в зависимости от маршрута их дальнейшей обра- ботки. Детали меньшего размера отсортировываются в процессе перехода с транспортерной ленты на рольганг. Они комплектуются в контейнеры на шаговом транспортере-комплектаторе, работаю- щем в полуавтоматическом цикле. Поскольку раскроечная плат- форма 5 выполняет функции газорезательного стола, с ее помощью осуществляется уборка шлака из зоны резки. Для этого платфор- ма после снятия с нее деталей на позиции 12 наклоняется для сброса отходов в бункер, а затем возвращается рольгангом 13 на приемный рольганг 4. 59
При резке листов на механических ножницах большие трудо- вые затраты обычно связаны с подачей листа к ножам и с уборкой отходов. Оснащение ножниц комплексом механизмов, управляе- мых одним оператором, позволяет исключить тяжелый ручной труд (рис. 13.36). Захват листа, его разворот и укладку на подающую тележку 5 осуществляют с помощью универсального портального манипулятора 8, имеющего колонну 7 с траверсой 6, снабженной вакуумными захватами. Уложенный на холостой рольганг 2 лист Рис. 13.37. Схема расположения оборудования заготовитель- ного участка производства труб большого диаметра: о —схема линии; б —схема строгального станка; « — схема предва- рительной формовки; г — схема окончательной формовки корыта с помощью прижимов 4 крепится к механизму подачи 3. Самоход- ная тележка 5 по рельсам 9 подает лист к ножам 1, после чего механизмом 3 производится точная установка листа. При резке по разметке или с помощью указателя, скользящего по масштабной линейке, управление ножницами и механизмом подачи осущест- вляется оператором с пульта управления. При резке по упору партии одинаковых деталей процесс может быть полностью автоматизирован. Подача листа отключается ко- нечными выключателями. Отрезанные детали собирают в тележку, подкатываемую под ножницы. Перед обрезкой кромок тележку откатывают и обрезки падают в приямок, откуда механизм сталки- вает их в бункер. 60
Рис. 13.38. Схема автоматизиро- ванного склада комплектации Примером комплексной механизации заготовительных операций в серийном производстве может служить поточная линия заготовок труб большого диаметра на Челябинском трубопрокатном заводе. Последовательность расположения ее агрегатов показана на схеме рис. 13.37,а. С железнодорожной платформы 2 листоукладчиком 1 листы по одному подаются на приемный рольганг 3 и направля- ются в кромкострогальный станок 4 двусторонней строжки кромок и снятие фасок под сварку. Рабочее движение осуществляют клети» с рабочими валками 1 (рис. 13.37,6), припуск снимается резцами2. Формовка листа в трубную за- готовку выполняется на кромкоги- бочном стане 5 и прессах 7 и 8 (рис. 13.37,а). Управление станом 5 и прессом 7 осуществляет один оператор. На выходе из стана под- гибки кромок лист захватывается упором цепного транспортера 6 и подается под пресс 7, одновремен- но выталкивая ранее сформованную заготовку. Предварительная фор- мовка под прессом (рис. 13.37,в) производится ходом пуансона 1 до упора в постель 4 с помощью ку- лис 3 с роликами 2. Потом заго- товка поднимается вверх и вытал- кивается на промежуточный роль- ганг, откуда цепным транспорте- ром подается на окончательную формовку. В условиях индивидуального и мелкосерийного производства при большей номенклатуре выпускае- мых изделий особое значение при- обретает организация промежуточ- ного склада полуфабрикатов. Для механизации и автматизации опера- ций на таких складах целесообраз- но использовать специализирован- ное оборудование, управляемое с по- мощью устройств вычислительной техники. Такого рода проект реали- зуется в производственном объеди- нении «Уралмаш». Склад комплектации должен производить прием, хранение, учет, комплектацию и своевременную выдачу на сбороч- ные участки всех необходимых для выполнения конкретного заказа заготовок и комплектующих изделий. Хранение грузов производит- ся в высотных консольных стеллажах. Длинномерные грузы (за- готовки профильного проката, трубы) размещаются в специальных кассетах, мелкие детали — в контейнерах. Краны-штабелеры под- 61
нимают и устанавливают кассеты и контейнеры в ячейки стелла- жей. Стеллажный кран-штабелер представляет собой плоскую раму 2 (рис. 13.38), перемещающуюся по напольному подкрановому пу- ти 7 и удерживаемую от опрокидывания верхним рельсом 1. Рама имеет две колонны, по которым перемещается грузоподъемник 5 с телескопическим захватом 6 и кабиной 4. Управление работой кранов-штабелеров производится с центрального пульта. Кабина предназначена для управления краном в процессе наладки или при выходе из строя системы автоматического управления. На уровне нижних ячеек стеллажей перемещаются стеллажные передаточные тележки 3. Груз, частично скомплектованный в заготовительном цехе на платформе-накопителе 8, на тележке 3 подается в зону хранения. Данные о принятом грузе оператор вводит в память ЭВМ и, получив адреса, где будет храниться груз, включает систе- му управления. Выдача грузов со склада осуществляется после того, как ЭВМ сигнализирует о завершении комплектации загото- вок конкретного заказа. По командам оператора в соответствии с заготовительной ведомостью стеллажные тележки выносят все указанные грузы в зону комплектации. Здесь их укладывают на платформу-накопитель и на транспортной тележке доставляют в сборочный цех. § 5. Сборочно-сварочные операции и проектирование приспособлений Сборочная операция при изготовлении сварных конструкций имеет целью обеспечение правильного взаимного распо- ложения и закрепления деталей собираемого изделия. Сборку можно производить на плите, стеллаже, стенде или в спе- циальном приспособлении. В условиях индивидуального производ- ства расположение деталей в узле нередко задается разметкой; для их фиксации используют струбцины, планки, скобы с клиньями и другие простейшие универсальные приспособления. Использование специальных сборочных приспособлений позво- ляет повысить производительность труда и улучшить качество сборки. Основой сборочного приспособления является жесткий кар- кас с упорами, фиксаторами и прижимами (рис. 13.39). При сбор- ке детали заводят в приспособление, укладывают по упорам или фиксаторам и закрепляют прижимами. Винтовые, рычажные или эксцентриковые прижимы (рис. 13.40) просты, но они приводятся в действие вручную. Использование пневматических, гидравличе- ских, пневмогидравлических, магнитных или вакуумных (рис. 13.41) прижимов значительно сокращает вспомогательное время, особенно если требуется зажать изделие одновременно в не- скольких местах. Широкое применение получили пневматические прижимы, приводимые в действие сжатым воздухом малого давле- ния (в среднем 0,4 МПа). Однако при таком давлении размеры цилиндров, необходимые для обеспечения заданного усилия зажа- 62
тия, могут оказаться значительными. Поэтому часто прибегают к использованию дополнительной рычажной или клиновой системы прижатия. Иногда рациональным оказывается использование ги- дравлических или пневмогидравлических устройств. Рис. 13.39. Элементы сборочных приспособлений: а —карман; б — упор; в —палец; г —зажим; д — палец откидной; е — упор откидной Рис. 13.40. Схемы механических устройств: а — г — винтовые: д, е — эксцентриковые; ж — и — рычажные 63
Фиксация собранных деталей чаще всего осуществляется на прихватках. В таком виде собранный узел должен обладать такой жесткостью и прочностью, какая необходима при извлечении его из сборочного приспособления и транспортировке к месту сварки, а также для уменьшения сварочных деформаций. При назначении размеров и расположения прихваток учитывают еще и необходи- мость предотвращения их вредного влияния на качество выпол- нения сварных соединений и работоспособность конструкции. По- Рис. 13.41. Схемы вакуумных зажимов этому прихватки должны иметь небольшие размеры поперечного сечения и располагаться в местах, где они полностью будут пере- варены при укладке основных швов. Если же прихватки наклады- вают в местах, где швы проектом не предусмотрены, то после сварки такие прихватки следует удалить, а поверхности — тща- тельно зачистить. При использовании сборочно-сварочных приспособлений сварку выполняют после сборки, не вынимая из- делия из приспособления, поэтому в ряде случаев можно обходить- ся без прихваток. Последовательность выполнения сборочных и сварочных опера- ций может быть различной: 1) сварку производят после полного завершения сборки; 2) сборку и сварку выполняют попеременно, например при изготовлении конструкции путем наращивания от- дельных элементов; 3) общей сборке и сварке конструкции пред- шествует сборка и сварка подузлов и узлов. Последовательность операций устанавливают в зависимости от характера производства, типа конструкции, ее габаритов и требуемой точности размеров и формы. При выполнении тех или иных швов положение изделия в про- цессе сварки приходится изменять. Это осуществляется с помощью приспособлений: позиционеров, вращателей, кантователей, ролико- вых стендов, манипуляторов. Приспособления могут быть как установочные, переводящие изделие в положение, удобное для сварки, так и сварочные, обеспечивающие кроме установки изделия его перемещение со скоростью, равной скорости сварки, или включают элементы, направляющие движение сварочной го- ловки. Использование того или иного типа сборочно-сварочной оснастки определяется конструкцией изделия, принятой технологи- ей изготовления и программой выпуска. 64
Универсальные приспособления общего назначения ис- пользуются для сборки и сварки изделий широкой номенклатуры в условиях единичного и мелкосерийного производства. Такие приспособления изготовляются централизованно и могут быть при- обретены в готовом виде. Для изготовления изделий при крупносерийном и массовом их производстве разрабатывают специальные приспособления, предназначенные для использования на отдельных операциях. Рис. 13.42. Элементы УСП: а — универсальная плита; б — упор; в —карман; г, д — упор с фиксатором; е — поворот- ный прижим Помимо универсальных и специальных приспособлений в мелко- серийном и единичном производстве используют также универсаль- но-сборные приспособления (УСП). Оснастка такого типа пред- ставляет собой набор различных элементов: универсальных плит с продольными и поперечными пазами, типовых сменных упоров, фиксаторов, штырей, прихватов, планок, крепежных деталей и т. п. (рис. 13.42). Для каждой собираемой конструкции разрабатывает- ся своя схема настройки сборного приспособления. Сборщик от- бирает необходимые элементы оснастки и по схеме устанавливает и закрепляет их на плите. После окончания сборки требуемого числа изделий приспособление разбирают, а его элементы отправ- ляют на склад. Перечень необходимых сборочно-сварочных приспособлений со- ставляется в процессе проектирования технологии изготовления сварной конструкции. При этом решается вопрос, какие из приспо- соблений могут использоваться в готовом виде, а какие необходи- мо дополнительно разработать и изготовить. Так как обычно при- менение приспособлений имеет целью не только улучшить качест- во выпускаемых изделий и повысить производительность труда, но 5—201 65
и снизить себестоимость продукции, то целесообразность проекти- рования и изготовления приспособления должна быть экономиче- ски обоснована. Исходными данными для проектирования сборочно-сварочных приспособлений служат чертежи деталей и изделия в целом, тех- нические условия на изготовление и приемку изделия и программа намечаемого выпуска. На основе этих данных составляется зада- ние на проектирование, содержащее перечень основных принципи- альных положений, которым должно удовлетворять приспособле- ние: а) назначение приспособления т. е. должно ли оно быть сборочным, сварочным или сборочно-сварочным; б) тип приспособ- ления— универсальное, переналаживаемое или специальное; в) тре- бования к приспособлению с конструктивных и технологических позиций; г) требуемое повышение производительности труда и снижение себестоимости. Наиболее заметно производительность труда повышается при применении специальных приспособлений. Однако необходимо со- относить экономию, получаемую от использования приспособления (с учетом программы выпуска), и стоимость проектирования и изготовления приспособлений. При этом использование универ- сальной оснастки может оказаться более эффективным, особенно при малых программах выпуска. При выборе конструктивной схемы приспособления необходимо обеспечить возможность механизации транспортных операций, бы- строту и надежность базирования и закрепления деталей в при- способлении, удобство выполнения сборочных и сварочных опера- ций. Б зависимости от назначения приспособления основные во- просы, требующие проработки на этом этапе проектирования, мо- гут несколько отличаться. В сборочном приспособлении надо решить вопросы: а) по- дачи элементов в приспособление и придания им проектного по- ложения; б) расположения опорных баз и прижимов; в) обеспече- ния удобства постановки сборочных прихваток; г) освобождения от закрепления и съем узла. Для сварочного приспособления основными задачами явля- ются: а) подача узла в приспособление; б) базирование узла в приспособлении и его закрепление; в) перемещение узла или сва- рочной головки в процессе сварки или при переходе от одного шв.1 к другому; г) освобождение от закрепления и съем узла. В случае проектирования сборочно-сварочного приспо- собления первые два пункта будут такими же, как для сборочно- го приспособления, а последние два — как для сварочного. Конструктивная разработка приспособления включает необхо- димые расчеты на прочность и жесткость и завершается созданием рабочих чертежей. В расчетах на прочность и жесткость учитыва- ют следующие соображения. 1. Для сборочного приспособления необходимо учитывать вес приспособления и изделия, а также усилия прижимов. Должна быть обеспечена прочность конструкции приспособления, а иска- 66
жения базовых размеров ограничены в пределах заданных допус- ков. Если в процессе сборки изделие подвергается кантовке, то расчет следует производить для наиболее неблагоприятного поло- жения с учетом усилий от механизма вращения. В сборочном при- способлении усадочные силы от прихваток малы и в расчетах на прочность ими можно пренебречь. Перемещения от прихваток так- же невелики, но они могут вызвать заклинивание собранного узла в приспособлении. Поэтому следует исключить возможность закли- нивания. 2. Многие сборочно-сварочные или сварочные приспособления не предназначены для уменьшения деформаций от сварки и не испытывают каких-либо сущест- венных воздействий со стороны деталей в процессе и после свар- ки. Для них необходимо лишь предусмотреть возможность вы- нуть изделие из приспособления, если после сварки деталь утра- тила первоначальную форму. 3. Часть приспособлений нс предназначена для борьбы с де- формациями, но в силу своих конструктивных особенностей испытывает силовые воздействия со стороны свариваемого изде- лия. В этом случае необходимо, чтобы совместная деформация изделия с приспособлением не вызывала в последнем пласти- ческих деформаций. Такая си- туация возникает редко и рас- чет в таком случае выполняется следующим образом. Вначале определяют перемещения (вре- менные или остаточные) изделия Рис. 13.43. Схема сил, действующих в приспособлении от сварки в предположении его свободного деформирования. Затем в местах тех контактов изде- лия с приспособлением, которые препятствуют перемещениям, не- обходимо приложить к изделию и к приспособлению равные по значению и противоположно направленные силы и (или) момен- ты. Найти силы и моменты в местах контактов из условия, что сумма абсолютных величин перемещений приспособления и изде- лия от этих сил и моментов равна перемещениям изделия от свар- ки в свободном состоянии. Найденные силы и моменты являются расчетными для приспособления. На рис. 13.43,а для примера по- казана алюминиевая полоса 1 (балка), на верхней кромке которой уложен шов, вызывающий усадочную силу Рус и прогиб балки в свободном состоянии f на длине /. Если балка 1 закреплена в стальном приспособлении 2 (рис. 13.43,6), в средней части воз- 5* 67
никнет сила Р, а по концам — Р/2 (рис. 13.43,в). Перемещение средней точки приспособления составит fav=Pl3/ (ЕСт/пр), а в балке — /б = Р/3/(Еал/б). Из условия /=^4-^ можно определить Р, если известны модули упругости стали Ест и алюминия Еап, а также моменты инерции поперечных сечений приспособления /1ф и балки /о- 4. Некоторые приспособления предназначены для уменьшения сварочных деформаций изделия. Следует, однако, иметь в виду, что предотвратить продольное или поперечное сокращение зоны сварного соединения обычно не удается из-за огромных сил, возни- кающих в приспособлении в этом случае. Соответственно расчет- ная масса приспособления оказывается неразумно большой. Мож- но предотвратить изгиб, выход из плоскости. Здесь могут быть следующие расчетные варианты: а) приспособление предназначено для жесткой фиксации дета- лей при сварке; предварительная деформация изделия перед свар- кой не предусматривается. Если приспособление предназначено для уменьшения временных перемещений, но не исключена воз- можность остывания изделия в приспособлении, то его следует рассчитывать как рассмотрено выше; б) приспособление предназначено для предварительного упру- гого изгиба изделия с целью некоторой или полной компенсации последующих сварочных деформаций. Возникающие в приспособ- лении силы и моменты складываются из: — силовых воздействий на изделие при его предварительном деформировании; они определяются обычным путем по значению предварительного изгиба изделия и его жесткости; — силовых факторов, которые появляются дополнительно вследствие усадки; так как точное определение их крайне сложно, то, с некоторым запасом их можно находить по описанной в п. 3 методике, исходя из значений перемещений изделия от сварки; в) приспособление предназначено для предварительного плас- тического изгиба изделия с целью компенсации последующих сва- рочных деформаций. Расчетными для приспособления являются силы и моменты, за счет которых достигается пластический изгиб изделия. Если пластически деформируются отдельные маложест- кие части изделия и силы, необходимые для пластической дефор- мации этих деталей, сравнительно невелики, то ими можно прене- бречь и в качестве расчетных принимать силы и моменты, вызы- ваемые перемещениями изделия при сварке, как рассмотрено в п .3. 5. Если изделие, закрепленное в жестком приспособлении, под- вергается вместе с приспособлением последующей термической обработке для снятия остаточных напряжений и устранения сва- рочных деформаций, то расчетными силами для приспособления являются те, которые необходимо приложить к невыправленному изделию, чтобы придать ему нужную форму. Их находят обычным путем по значению изгиба изделия при закреплении и его жестко- сти. Последующий нагрев и пребывание в печи не вызовут значи- тельных изменений формы и размеров, которые были у изделия. 68
§ 6. Применение роботов Промышленным роботом называют автоматический манипуля- тор с программным управлением. Несмотря на сложное устройство, робот достаточно прост в управлении. Дело в том, что программирование робота осуще- ствляют «обучением» на основе приемов ручного труда. Благодаря универсальности и высокой производительности про- мышленные роботы по эффективности нередко не уступают специа- лизированным автоматам, но в отличие от них могут переходить от одной работы к другой простой сменой программ. Применение роботов может быть выгодно и в крупносерийном производстве и в условиях частой смены вида выпускаемой продукции, т. е. в се- рийном и мелкосерийном производстве. Робот может заменить рабочего, особенно на однообразных операциях. В отличие от че- ловека он не утомляется, не и способен развивать большие усилия. В итоге повышается однород- ность качества изделий, возможно ускорение про- цесса производства пере- ходом на непрерывную круглосуточную работу. В сварочном произ- водстве за рубежом наи- большее применение по- лучили роботы, переме- щающие клещи контакт- совершает субъективных ошибок Рис. 13.44. Промышленный робот типа «Unimate» «Рупа» V/nax I втягивание- бытягибанис 625мм/с П подъем - опускание 50°/с ж Поборот 100 °! с ‘Запястье» Утах И Изгиб П0°/с 7 Вращение НО0/ с ной сварки. Для выпол- нения таких операций нс- пользуют механизмы с пятью (и более) степенями подвижности и относительно простую по- зиционную систему управления, задающую только координаты то- чек, где требуется осуществить сварку. Характерным примером оборудования такого назначения является робот типа «Unimate», выпускаемый в США и в других странах. Внешний вид робота с таблицей степеней подвижности, направлений отдельных переме- щений и скоростей движения показан на рис. 13.44, а схема основ- ных исполнительных механизмов — на рис. 13.45. Вал 3 вращает поперечину 1 вокруг вертикальной оси с помощью гидроцилинд- ров 6 и пары рейка — шестерня 2, 4. Поворот поперечины вокруг горизонтальной оси задается гидроцилиндром 5, закрепленным на валу 3. Поступательное перемещение «руки» осуществляет гидро- цилиндр 8. Наклон «кисти» 7 относительно оси 10 и вращение площадки 11 для крепления инструмента вокруг оси 12 обеспечи- ваются системой гидроцилипдров и зубчатых колес, расположен- ных в «кисти» и в цилиндрических штоках 9. Работе предшествует «обучение» робота. Для этого опытный 69
рабочий на первом узле последовательно перемещает инструмент от одного рабочего положения к другому, вводя координаты каж- дой из этих точек в запоминающее устройство нажатием кнопки «Память». Если на пути между соседними свариваемыми точками оказывается препятствие, например элементы зажимного приспо- Рис. 13.45. Кинематическая схема привода робота типа «Unimate» собления, то в память робота вводят кородинаты дополнительных точек, определяющих траекторию движения инструмента в обход препятствия. Выполнение программы начинается после того, как собираемый или свариваемый узел займет требуемое исходное положение и сигнал об этом поступит в запоминающее устройство. По каждой степени подвижности перемещение задается гидроци- линдром с управляющим сервоклапаном. Каждый гидроцнлиидр имеет детектор положения, связанный с запоминающим устройст- вом. Орган сравнения, в который поступают сигналы команд и сигналы детекторов положения, по значению их разности управля- ет перемещением штоков гидроцилиндров, пока рабочий орган не займет положения, заданного программой. Затем дается сигнал на 70
включение инструмента. Окончание сварочной операции служит, в свою очередь, сигналом для дальнейшего движения инструмента к месту выполнения следующей операции. Существенным достоин- ством робота является возможность быстрой смены программ, хра- нящихся в памяти машины. В зависимости от характера выполняе- мой операции на руке робота могут быть закреплены клещи для контактной сварки, сварочная головка для дуговой сварки, захват- ное устройство. При контактной точечной сварке робот быстро перемещает значительную массу сварочных клещей от одной точки к другой; при этом возникают большие инерционные нагрузки. На- против, условия работы промышленного робота при дуговой свар- Рис. 13.46. Компоновка робота для дуговой сварки ASEA с двухпозиционным поворотным столом ке облегчаются сравнительно малой массой сварочной головки (3—5 кг) и плавным режимом движения со скоростью 3—50 мм/с. С другой стороны, используемая при контактной сварке относи- тельно простая позиционная система управления не может обес- печить перемещение инструмента по непрерывной траектории с за- данной скоростью движения, т. е. оказывается непригодной для выполнения таких технологических операций, как тепловая резка, дуговая сварка и т. д. Несмотря на кажущуюся простоту, движе- ния сварщика представляют собой сложный комплекс пространст- венных перемещений, зависящих как от конфигурации сваривае- мых деталей, так и от технологических особенностей процесса сварки. Операции такого рода требуют использования более слож- ной многопозиционной или контурной системы управления, позво- ляющей непрерывно управлять как перемещением, так и его про- изводными по времени. Примером робота такого типа может служить робот ASEA (рис. 13.46). Использование электропривода в сочетании с жесткой 71
механической конструкцией обеспечивает малую погрешность по- зиционирования (±0,2 мм). Система управления позволяет про- граммировать кривые траектории движения при различных скоро- стях. При этом кривая разбивается на ряд прямолинейных участ- ков, число которых выбирают, исходя из требуемой точности. В процессе программирования исполнительный орган вручную по- следовательно устанавливают в требуемые положения и нажатием кнопки на панели управления координаты фиксируются в памяти машины. Затем в промежутках между зарегистрированными по- зициями вводят такие параметры, как скорость движения, уско- рение, продолжительность остановки, а также параметры свароч- ного процесса. При использовании таких роботов в серийном и мелкосерийном производстве для позиционирования деталей целе- сообразно использовать два манипулятора или поворотный стол 2 с двумя приспособлениями для сборки. В то время как робот 1 занят сваркой изделия на одной позиции, оператор имеет возмож- ность подготовить к сварке узел на другой позиции. При дуговой сварке в ряде случаев целесообразно разделять функции между механизмами перемещения сварочной головки и манипулятором, служащим для перемещения свариваемого изде- лия. При этом оба устройства работают совместно по единой про- грамме. Такой прием позволяет не только упростить кинематику и уменьшить число степеней подвижности самого робота, но и сни- зить требования к системе управления. Схема подобного устройст- ва показана на рис. 13.47. Простая схема робота портального типа обеспечивает программируемое перемещение сварочной головки 1 по трем взаимно перпендикулярным направлениям х—х, у—у, z—z и установочное вращение и наклон ее относительно верти- кальной оси. Манипулятор 2, на столике которого закрепляется деталь, позволяет устанавливать ее или вращать по программе относительно осей а—а и b—Ь. Надо иметь в виду, что робот может обеспечить стабильно вы- сокое качество выполнения соединений только при отсутствии существенных отклонений размеров и формы свариваемых эле- ментов. Поскольку такие отклонения все же неизбежны, то нали- чие жесткой программы является существенным недостатком ро- ботов первого поколения. Предполагается, что роботы второго по- коления будут оборудованы системами обратной связи, с помощью которых рабочая программа будет автоматически корректировать- ся при изменении положения изделия или его отдельных элемен- тов. Кроме того, широкому внедрению роботов в сварочное произ- водство будет способствовать решение ряда специфических сва- рочных задач. Однако создание роботов второго поколения вряд ли вытеснит роботов первого поколения, более дешевых и простых. Возможности использования промышленных роботов в свароч- ном производстве не исчерпываются операциями контактной и ду- говой сварки. Не менее важно использовать их для загрузки и разгрузки автоматически действующих установок, а также при сборке. В этом случае на «руке» робота устанавливают захватное 72
2430
устройство. С помощью этого устройства робот захватывает детали из положения, заданного при базировании, исключая смещение их в процессе транспортирования, ориентирует и подает детали на сборку, освобождая их после установки в требуемое положение. ГЛАВА 14 ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БАЛОК И СТЕРЖНЕЙ § 1. Изготовление сварных балок Наиболее широкое применение имеют двутавровые балки с поясными швами, содиняющими стенку с полками. Обычно такие балки собирают из трех листовых элементов. При сборке нужно обеспечить симметрию и взаимную перпендикулярность полок и стенки (рис. 14.1), прижатие их друг к другу и последующее за- крепление прихватками. Для этой цели используют сборочные кондукторы (рис. 14.2) с соответствующим расположением баз и прижимов по всей длине балки. На установках с са- моходным порталом (рис. 14.3) зажатие и прихватку осуществи я- Ось симметрии полки ..Ось симметрии стенки ют последовательно от сечения к сече- нию. Для этого портал 1 подводят к ме- сту начала сборки (обычно это середина балки) и включают вертикальные 2 и горизонтальные 3 пневмоприжимы. Они Не более 1мм на каждые ЮОмм ширина! полки Рис. 14.2. Схема кондуктора для сборки двутавровых балок Рис. 14.1. Допуски на сборку Н-образного се- чения прижимают стенку балки 4 к стеллажу, а пояса 5 — к стен- ке. В собранном сечении ставят прихватки. Затем прижимы вы- ключают, портал перемещают вдоль балки на шаг прихватки и операция повторяется. Вертикальные прижимы 2 позволяют со- бирать балки значительной высоты Н, не опасаясь потери устой- чивости стенки от усилий горизонтальных прижимов. Если балка имеет весьма большую высоту, например элементы мостовых про- летных строений, ее стенку изготовляют из нескольких продоль- ных листов. Для сборки таких балок также может использовать- ся установка со сборочным порталом, но с большим числом верти- кальных прижимов. 74
При изготовлении двутавровых балок поясные швы обычно сваривают автоматами под слоем флюса. Приемы и последова- тельность наложения швов могут быть различными. Наклоненным электродом (рис. 14.4,а, б) одновременно сваривают два шва, од- нако может возникнуть подрез стенки или полки. Выполнение швов «в лодочку» (рис. 14.4,в) обеспечивает более благоприятные условия их формирования и проплавления, зато приходится пово- рачивать изделие после сварки каждого шва. Для поворота ис- пользуют позиционеры-кантователи. В центровом кантователе (рис. 14.5,а) предварительно собранная на прихватках балка 2 закрепляется за- жимами в задней 1 и пе- редней 3 бабках и с по- мощью червячной переда- чи 4 устанавливается в требуемое положение. Подвижная задняя опо- ра позволяет сваривать в таком кантователе балки различной длины. Цепной кантователь Рис. 14.4. Способы укладки швов при сварке балок (рис. 14.5,6) состоит из нескольких фасонных рам 5, на которых смонтировано по две звездочки (холостая 1 и ведущая 4) и бло- ку 6. Свариваемую балку 3 кладут на провисающую цепь 2. Вра- щением ведущих звездочек балка поворачивается в требуемое по- ложение. Следует иметь в виду, что такой кантователь не обес- печивает жесткого положения свариваемой конструкции, поэтому сварку целесообразно производить сварочной головкой, переме- щающейся непосредственно по балке. В некоторых случаях при- меняют кантователи на кольцах (рис. 14.5,в). Собранная бал- ка укладывается на нижнюю часть кольца 1, откидная часть 2 75
замыкается с помощью болтов 3, и балка закрепляется системой зажимов 4. При раздельной сборке и сварке двутавра в универсальных приспособлениях доля ручного труда па вспомогательных и транс- портных операциях (установка элементов, их закрепление, при- хватка, освобождение от закрепления, извлечение из сборочного приспособления, перенос в сварочное приспособление, закрепле- ние и поворот в удобное для сварки положение, снятие готового Рис. 14.5. Схемы позиционеров-кантователей для сварки балок: а — в центрах; б — цепной; в — с кольцами изделия оказывается значительной. Использование поточных ли- ний, оснащенных специализированным оборудованием и транспор- тирующими устройствами, существенно сокращает эти потери. Поточные линии сварки балок таврового или двутаврового сече- ния могут оснащаться либо рядом специализированных приспо- соблений и установок, последовательно выполняющих отдельные операции при условии комплексной механизации всего технологи- ческого процесса, либо автоматизированными установками непре- рывного действия. Примером пото-чной линии первого типа может служить линия по производ- ству сварных двутавровых балок на заводе им. Бабушкина в Днепропетровске. На рис. 14.6 показано расположение участков обработки стенок и полок, где римскими цифрами обозначены позиции выполнения отдельных операций. На рольганг участка заготовки стенок листы подают мостовым краном. Если стенку двутавра приходится собирать из двух листов по длине, то на позиции I стыкуемые кромки проходят обрезку. Для этого оператор, управляя приводом рольганга, располагает листы 1 и 2 по обе стороны от упора 3, вы- двигаемого над поверхностью рольганга снизу пневмоцилиндром (рис. 14.7,а). Затем шлеперное устройство 4 сдвигает оба листа до упоров 5; упор 3 убирает- ся ниже поверхности рольганга и самоходная тележка с двумя резаками, пе- ремещаясь по направляющим 6, одновременно обрезает кромки листов / и 2. На позиции II (см. рис. 14.6) рольгангом листы устанавливают стыкуемыми кром- 76
ками по оси флюсовой подушки, зажимают и сваривают автоматом под флю- сом. На позицию III сваренную заготовку 1 подают рольгангом до упора 2 (рис. 14.7,6) и резаком по направляющей 3 обрезают по размеру L. На пози- ции IV (см. рис. 14.6) заготовку стенки кантователем передают на параллель- ный рольганг с поворотом на 180°, где на позиции V укладывают стыковой шов с другой стороны, а на позиции VI осуществляют правку волнистости Рис. 14.6. Схема заготовительных участков линий изготовления дву- тавровых балок Рис. 14.7. Операции на участке за- готовки стенок в многовалковой правильной машине. На т.озицик VII ножницы с двумя пара- ми дисковых ножей обрезают продольные кромки по размеру высоты стенки. Подъемные столы 5 (рис. 14.7,в) с поперечным перемещением от ходовых вин- тов 6 приподнимают заготовку стенки над роликами рольганга 1, ориентируют ее и устанавливают по оси симметрии ножниц. Прямолинейность обрезаемых кромок обеспечивается тем, что зад- ний конец заготовки захватывается пневмозажимом 2, скользящим по направляющей 3. Такой же пневмо- зажим 4 захватывает передний конец стенки на выходе из ножниц. Затем на позиции VIII (см. рис. 14.6) обре- занные кромки проходят очистку под сварку вращающимися щетками и готовая стенка рольгангом подает- ся на позицию XII в питатель сбо- рочного участка. Для полок используют стальные полосы, продольные кромки которых обработки не требуют. Полосы, имеющие длину, равную длине сва- риваемой балки, укладывают краном на рольганг IX и подают в много* валковую правильную машину X для правки волнистости и саблевидности. Затем на рольганге XI средняя часть полосы защищается под сварку и готовые полки в горизонтальном по- ложении с помощью магнитных за- хватов. подвешенных к траверсе кра- на, подают в питатель сборочного ста На сборочном участке последовательно расположены питатель и сборочный стан. Питатель принимает элементы в горизонтальном положении (рис. 14.8,а), поворачивает полки на 90° и подает все три элемента в сборочный стан. Опор- ными базами питателя служат ролики. Поворотом роликов 2 (рис. 14.8,6) пол- 77
ки переводятся в проектное положение с опорой их кромок на ролики 3. Вы- дача всех трех элементов из питателя осуществляется приводом опорных роли- ков 1 и 3. Общая компоновка узлов питателя показана на рис. 14,9. Два жестких суппорта 4 несут правую и левую группы опорных и приводных роликов. Их перемещением по направляющим 2 станины 1 (сближение или раздвижка) осу- ществляют наладку питателя по высоте собираемой балки. Перемещение суппор- тов производится оператором с пульта управления включением электродвига- теля 5, который приводит в движение ходовые винты 3. Схема привода опор- ных роликов предусматривает возможность настройки питателя на заданную ширину полки. В ' ложеиных, как в питателе первой пары прижимных роликов 2. Положение элементов при сборке задается системой опорных баз и прижимов. При опускании роликов / (рис. 14.10,6) стенка балки 6 ло- сборочном стане элементы балки принимаются системой (рис. 14.10,а). Движение роликов, распо- осуществляется вращением Рис. 14.8. Схема опорных баз пита- теля Рис. 14.9. Схема расположения ос- новных узлов питателя жится на магнитный стол 4, притяжение которого фиксирует ее положе- ние и устраняет волнистость. Подъемники 5 приподнимают полки над роликами 3, располагая их симметрично относительно стенки. Сборка завер- шается зажатием элементов по всей длине гидроцилиндрами прижимных ро- ликов 2 и постановкой прихваток. После выключения магнитного стола и отхо- да прижимных роликов 2 ролики 1 приподнимают балку и она выдается из стана включением нажатия и вращения крайней пары роликов 2 (рис. 14.10,в). Из сборочного стана двутавр поступает на рольганг сварочного участка, где к нему приваривают выводные планки в виде тавриков. Так как в этой поточной линии поясные швы выполняют в положении «в лодочку» и первый из них укладывают со стороны, где нет прихваток, то на сварочном участке балку приходится последовательно устанавливать в положения, показанные рим- скими цифрами на рис. 14.11. Кантователь 11 (рис. 14.12) перекладывает балку с рольганга 10 на рольганг 2 с поворотом на 180°, подавая ее к сварочной установке 1, а затем к сварочной установке 9 до упора 8. Затем шлеперным устройством 3 без кантовки балку передают на рольганг 4, откуда кантовате- лем 5 с поворотом на 180° возвращают на рольганг 2 к сварочной установке 7 с последующей подачей к установке 6. После сварочного участка балка попадает на участок отделки, где последо- вательно проходит через две машины для правки грибовндности полок (рис. 14.13) и через два торцефрезервых станка. В рассмотренной поточной линии во время транспортирования заготовок технологические операции не производятся. Примером установки, где транспортирование осуществляется непрерывно и совмещается во времени с выполнением сборочно-сварочной опе- рации, может служить станок СТС-138 для сборки и сварки тав- 78
Рис. 14.10. Схемы расположения опорных баз и прижимов сборочного стана: а — при приеме элементов; б — при сбор- ке; в — при выдаче собранной балки ровых балок (рис. 14.14). Взаимное центрирование заготовок, их перемещение и автоматическая сварка под флюсом обоих швов осуществляются одновременно. Устройство для прижатия стенки тавра к поясу состоит из пневматического цилиндра и нажимного ролика 3. Центрирование эле- ментов тавра производится че- тырьмя парами роликов; из них две пары 1 направляют пояс вдоль оси станины, а две другие пары 2 удерживают с гонку вер- тикально и обеспечивают ее уста- новку на средину пояса. Движе- ние свариваемого элемента осу- ществляется приводным опорным роликом 4. Для плавного измене- ния скорости применен вариатор. Концы балки поддерживаются роликами опорных тележек 5. Для высокопроизводительно- го изготовления сварных балок в непрерывных автоматических ли- ниях большое значение приобре- тает применение сварки токами высокой частоты, обеспечиваю- щей скорость сварки 10— 60 м/мин, т. е. на порядок вы- ше, чем при сварке под слоем флюса. Американской фирмой «АМФ — Термантул» выпущены агрега- ты для производства сварных двутавров из рулонного проката Рис. 14.11. Положения балки на сварочном участке или обычных полос и листов. Заготовки для стенки и полос дву- тавра из рулонной стали подают к сварочному агрегату из трех разматывателей. Гибочное устройство обеспечивает подачу полок в зону сварки под углом 4—7° к кромкам стенки (рис. 14.15). Скользящие контакты 1 и 2 подводят ток к одной из полок и 79
отводят от другой — сварочный ток протекает по поверхности стыкуемых элементов и через место их контактов под обжимаемы- ми роликами. При приварке полки к кромке стенки (рис. 14.16,а) сварное соединение приобретает неблагоприятную форму. Холод- ная деформация кромки стенки для увеличения ее толщины с зачисткой соединения после сварки в горячем состоянии позволя- ет обеспечить плавный переход от стенки к полке (рис. 14.16,6). В соответствии с этим в рассматриваемом агрегате кромки перед сваркой с полками проходят предварительную осадку. Жест- кие заготовки полок значительной толщи- ны подают не из рулонов, а поштучно из питателей. Эти заготовки проходят свароч- ную установку, плотно прижатые торцами Рис. 14.13. Схема прав- друг к другу. Разрезку непрерывной стенки ки грибовидное™ полок выполняют в местах расположения непро- варенных стыков полок. Принципиальным отличием отечественной технологии произ- водства сварных двутавров является применение высокочастотно- Рис. 14.14. Схема станка СТС для сварки балок таврового профиля 80
го индукционного нагрева свариваемых кромок без скользящих контактов. Полки фиксируют относительно стенки за выступ тав- ра (рис. 14.16,в), а не за наружные кромки. Такая технология отработана на опытно-промышленной установке ВНИИМетмаша Рис. 14.15. Схема подвода тока в зону сварки и ИЭС им. Е. О. Патона, и для ее реализации строится цех про- изводства сварных двутавров.4- Балки коробчатого се- чения сложнее в изготовлении,, чем двутавровые. Однако они имеют большую жесткость на кру- а) с) в) „ в a _L Рис. 14.16. Варианты соединения стенки балки с полкой чение и поэтому находят широкое применение в конструкциях крановых мостов. При большой длине таких балок полки и стен- ки сваривают стыковыми соединениями из нескольких листовых элементов. Сначала на стеллаж укладывают верхний пояс (полку), рас- ставляют и приваривают к нему диафрагмы. Такая последова- Рис. 14.17. Изготовление бал- ки коробчатого сечения: а — установка боковых стенок; б — сварка внутренних швов тельность определяется необходи- мостью создания жесткой основы для дальнейшей установки и обеспечения прямолинейности боковых стенок, а также их симметрии относительно верхнего пояса. После приварки диа- фрагм устанавливают, прижимают (рис. 14.17,а) и прихватывают боко- вые стенки. Затем собранный П-образ- ный профиль кантуют и внутренними угловыми швами приваривают стенки к диафрагмам (рис. 14.17,6). Сборку заканчивают установкой нижнего пояса. Сварку поясных швов осу- ществляют после завершения сборки и ведут наклоненным электро- дом без поворота в положение «в лодочку». Это объясняется тем, что для балки коробчатого сечения подрез у поясного шва менее опасен, чем для двутавра, поскольку в балках коробчатого сечения сосредоточенные силы передаются с пояса на стенку не непосредственно, а главным образом через поперечные диа- фрагмы. При изготовлении полноразмерных балок моста крана все ос- новные операции по заготовке листовых элементов и последую- 6—201 81
щей общей сборки и сварки выполняют в механизированных по- точных линиях с использованием автоматической сварки под сло- ем флюса. Узким местом производства таких балок коробчатого сечения является выполнение таврового соединения диафрагм и стенок угловыми швами. Небольшое расстояние между стенками затрудняет автоматическую сварку в горизонтальном положении (рис. 14.17,6), а вручную сварщику приходится выполнять эти швы в крайне неудобном положении. Целесообразно выполнять тавровое соединение в вертикальном положении сраз}' после сбор- ки (рис. 14.18,а). Это исключает операцию кантовки балки и поз- воляет выполнять одновременно два угловых шва наклоненным электродом или автоматической сваркой в среде СО2. Предложе- ние заменить угловые швы (рис. 14.18,а) пробочными проплав- (рис. 14.18,а) пробочными проплав- ными соединениями (рис. 14.18,6) с отбортовкой кромок диафрагм не нашло применения в производстве. Особенности производства балок ко- робчатого сечения рассмотрим на при- мере поточной линии Узловского машино- строительного завода (рис. 14.19). Все заготовительные операции выполняются вне линии, и на склад 11 поступают пол- ностью обработанные заготовки. Пор- тальный кран 10 с электромагнитными Б Рис. 14.18. Соединение диафрагм с боковыми стенками aj Рис. 14.19. Схема поточной линии изготовления балок коробчатого сечения 62
краном на стенд 3, зачаливая ее в нескольких местах с помощью Рис. 14.20. Схема кондуктора для сборки стержней коробчатого сечения захватами подает поочередно на рольганг 9 заготовки полок и стенок. В сва- рочном стенде <8 собирают поперечные стыки элементов балки и приводят автоматическую сварку под флюсом за один проход с обратным формирова- нием шва на медной охлаждаемой подкладке. По мере сварки поперечных стыков элемент балки продвигается по рольгангу’ на участок рентгеновского контроля 7. Обычно рентгенографическому контролю подвергают все попереч- ные швы нижнего пояса, испытывающего напряжения растяжения, а швы остальных элементов контролируют выборочно. Готовые элементы мостовым краном с помощью жесткой траверсы снимают со стенда и в вертикальном по- ложении устанавливают в накопители 6. Таким же образом эти элементы подают из накопителей к сборочным стендам. Стенды 1, 2, 3, 5 представляют собой систему козелков, размещенных параллельно друг другу на расстоянии 1,5—2 м. На стенде 5 собирают и сваривают верхний пояс с диафрагмами — «гребенку». «Гребенку» переносят мо эксцентриковыми захватами за диа4 жесткой траверсы. Центральные ко- зелки стенда 3 имеют регулировку по высоте. Это позволяет задавать верхнему поясу прогиб, равный строи- тельному подъему, если он необхо- дим для компенсации прогиба балки при работе конструкции под нагруз- кой. При сборке этот предваритель- ный прогиб пояса закрепляется бо- ковыми стенками, что необходимо иметь в виду при проектировании их раскроя. Сборка осуществляется с помощью портальной самоходной установки 4. Для сварки диафрагмы со стенками используют портальную установку 12, несущую четыре го- ловки для одновременного выполне- ния четырех вертикальных угловых швов в среде СОг. Сборка балки завершается на стенде 2, куда без кантовки передается мостовый краном со- бранная на стенде 3 балка от- крытого сечения. Перед поста- новкой нижнего пояса выправляют искривления верхних кромок боковых сте- нок, полученные во время приварки диафрагм. Для этого расположенные на тележках 14 гидродомкраты подводят к концам балки и, нажимая на верхний пояс, выгибают балку до полной выборки строительного подъема. Кромки вер- тикальных стенок оказываются растянутыми в упругой области. Затем мостовым краном укладывают нижний пояс. С помощью самоходного портала 13, имею- щего вертикальные пневмоцилиндры, пояс прижимают к балке и закрепляют прихватками. После освобождения балки строительный подъем восстанавлива- ется. Далее балку передают на стенд 1 для сварки поясных швов наклоненным электродом. Вдоль стенда / по рельсам перемещаются два сварочных автома- та 15, выполняющие под флюсом одновременно два поясных шва. Автоматы снабжены выносными сварочными головками, закрепленными шарнирно. В про- цессе сварки пружины постоянно поджимают. головку к балке, а копирующий ролик направляет электрод для укладки поясного шва. После кантовки балки таким же образом выполняют вторую пару швов. Сварные элементы коробчатого сечения нашли применение в качестве стержней ферм железнодорожных мостов. В отличие от балок у них нет диафрагм, поэтому в серийном производстве ис- пользуют специальные сборочные кондукторы, фиксирующие де- тали по наружному контуру. Кроме того, для предотвращения винтообразного искривления этих элементов сварку осуществля- G* 83
ют наложением одновременно двух симметрично расположенных в одной плоскости угловых швов наклоненными электродами. Для этого используют двухдуговые тракторы типа ТС-2ДУ. Схема сборочного кондуктора показана на рис. 14.20. На ра- ме 1 с помощью ходовых винтов 2 передвигаются упоры 3 с пнев- моприжимами 4. Ход прижима 4 обеспечивает закрепление стен- ки 5 высотой 450—800 мм. Нижний лист 6 коробчатого элемента имеет равномерно расположенные вдоль продольной оси оваль- ные отверстия, позволяющие производить окраску внутренней по- верхности, использовать подставку 7 для фиксации листов. Последовательность операций показана на рис. 14.21. После установки нижнего (рис. 14.21,а) и двух боковых листов через от- Рис. 14.21. Последовательность сборочно-с? 1- рочных операций при изготовлении стержней коробчатого сечения первую швов, движс- хбиоа- верстие в нижнем листе выдвигают подставку и поворачивают ее на 90° (рис. 14.21,6). Подставка имеет разжимные кулач- ки, с помощью которых боковые листы прижима- ют к опорным стойкам, фиксируя заданный габа- ритный размер. Лапы кондуктора прижимают боковые листы к основа- нию. Затем трактором на- клоненными электрода- ми выполняют пару внутренних причем по мере ния гоакгора выдвижные подставки автоматически ются в корпус приспособления (рис. 14.21,в). После этого упо- ры с прижимами раздвигают, подставки поднимают на уро- вень нижней кромки второго горизонтального листа, раздви- гая для удобства сборки верхние кромки вертикальных листов (рис. 14.21,г). Устанавливают верхний лист (рис. 14.21,6), возвра- щают упорные стойки с прижимами и двухдуговым трактором заваривают наружную пару швов (рис. 14.21,е). Сварку осталь- ных швов выполняют вне кондуктора двухдуговым трактором (рис. 14.21,ж, з). § 2. Выполнение стыков балок и стержней При монтаже конструкций нередко возникает необходимость стыковки балок. Типы стыков балок двутаврового сечения пока- заны на рис. 14.22. Раздвинутый стык (рис. 14.22,6) применяют как технологический. При монтаже обычно используют совмещен- ный стык (рис. 14.22,а), выполняя его ручной сваркой или полу- автоматом в СОг. Назначая последовательность выполнения швов поясов и стенки, необходимо иметь в виду следующее. Если в первую очередь сварить стыки поясов, то стык стенки придется 84
выполнять в условиях жесткого закрепления, что может способст- вовать образованию трещин в процессе сварки. Когда вначале сваривают стык стенки, в стыках поясов возникает высокий уро- вень остаточных напряжений растяжения, что может снизить ус- талостную прочность при работе на изгиб. Для облегчения усло- вий сварки стыка участки поясных швов балки длиной L (рис. 14.22,а) иногда не дова- ривают, а выполняют их пос- ле сварки стыковых швов. Так как поперечная усадка свари- ваемого последним шва буде! восприниматься элементом длиной L, то значение оста- точных напряжений окажется меньше, чем при жестком за- креплении. Однако в элемен- тах, свариваемых в первую очередь, появление свободного участка L может вызвать ко- робление из-за потери устой- чивости под напряжением сжатия. Для каждого конкрет- ного случая в зависимости от перечисленных факторов (опасности возникновения трс- Рис. 14.22. Типы стыков двутавровых щин при сварке, условий ра- балок боты стыка балки в конструк- ции, размеров поперечных сечений элементов) оптимальная тех- нология выполнения стыка может быть различной. Стык, показанный на рис. 14.22,в, применяется сравнительно редко, когда нужно исключить ручную сварку. Вставки верти- кальной стенки и верхнего пояса позволяют выполнять швы ав- томатами, причем пояса сваривают многопроходной сваркой, а стыки стенки — однопроходной с принудительным формированием. Последовательность выполнения швов показана на рис. 14.22,в цифрами. Непосредственная сварка стыковых соединений с полным про- плавлением всего сечения профильных элементов требует высокой квалификации сварщика и тщательного контроля. При изготов- лении конструкций, работающих под статической нагрузкой, часто применяют соединения с накладками, приваренными к соединяе- мым элементам угловыми швами. Такие соединения технологиче- ски проще, хотя и требуют дополнительного расхода металла. Для конструкций, работающих в условиях вибраций, соединения с накладками непригодны. Частным случаем стыков балок является стык рельсов. Сварку рельсов выполняют преимущественно на контактных сты- ковых машинах мощностью 300—600 кВ-А методом оплавления с подогревом. Весь цикл подготовки рельсов, сварки и последую- 85
Рис. 14.23. Сварные соединения арма- туры, выполняемые ванным способом щей обработки стыков производят в поточных механизированных линиях специальных рельсосварочных предприятий и рельсосва- рочных поездов. На этих линиях сваривают плети бесстыкового пути длиной до 800 м, а также звенья длиной 25, 37 и 50 м из но- вых и старых годных рельсов, снятых с пути. Получила также развитие контактная сварка в пути с помощью передвижных ма- шин ПРСМ. Такая передвижная машина представляет собой же- лезнодорожную платформу, на которой располагаются аппарату- ра и источник электроэнергии, а также смонтированы конструк- ции для перемещения двух сварочных головок в процессе работы. При изготовлении арма- туры железобетона стыки стержней в условиях за- вода сваривают оплавлением на контактных стыковых ма- шинах. В условиях монтажа широко используют ванную и электрошлаковую сварки, ко- гда между торцами сваривае- мых стержней ванна расплав- ленного металла сохраняет жидкое состояние на протяже- нии всей сварочной операции. Сварка может производиться при расположении стержней под любым углом друг к дру- гу. Чтобы предотвратить рас- текание жидкого металла и обеспечить формирование шва, применяют съемные инвентар- ные формы, а при ванной свар- ке также стальные остающие- ся формы-подкладки. На рис. 14.23 показаны примеры под- готовки соединений для ван- ной сварки с остающимися стальными формами. При сбор- ке встык (рис. 14.23,а), под углом (рис. 14.23,6, в) и с пере- сечением (рис. 14.23,г) стержней, расположенных в гори- зонтальной плоскости, разделка торцов не производится, сварка выполняется одиночным покрытым электродом. Вертикальные стыки обычно выполняют также одноэлектродной сваркой с при- менением чашеобразных стальных форм, торец верхнего стержня имеет скос (рис. 14.23,6). Сборка под сварку пересекающихся стержней показана на рис. 14.23,е, ж. Следует иметь в виду, что сварные соединения с остающейся формой не поддаются визуальному контролю и плохо поддаются контролю просвечиванием. Кроме того, производительность ван- ной сварки с остающейся формой существенно ниже ванной и элсктрошлаковой сварки в инвентарных формах (медных, двух- 86
слойных, керамических, графитовых). При выполнении монтажных стыков сборных железобетонных элементов ванную сварку с ос- тающимися стальными формами применяют в случае коротких выпусков стержней арматуры, когда нет возможности производить Рис. 14.24. Инвентарные составные медные формы с канавками для сварки стыковых соединений горизонтальных стержней: а — в — однорядных: г — многорядных сварку в инвентарных формах. При достаточной длине выпусков использование инвентарных форм более целесообразно, но для этого требуется высокая точность сборки концов стержней, осу- ществляемая с помощью комплекса кондукторов и шаблонов. В конструкции медных форм обычно имеется канавка по пе- риметру шва. Такое усиление требуется для сварных соединений, выполняемых многоэлектродной ванной или электрошлаковой сваркой и предназначенных для эксплуатации только под дейст- вием статической нагрузки. Для сварки соединении, работающих при переменных нагрузках, применяют медные формы без кана- вок и сварку осуществляют одиночными электродами. Для стыков горизонтальных стержней применяют формы с разъемом как в горизонтальной (рис. 14.24,а, в), так и в верти- кальной плоскости (рис. 14.24,6, г). Закрепление их на стержнях производят накидной скобой, шарнирно соединенной с одной из половин (рис. 14.24,а, б). Для стыков вертикальных стержней применяют формы из двух половин с разъемом в вертикальной плоскости. Характерные размеры таких форм для сварки стерж- ней диаметром 20—36 мм показаны на рис. 14.25. 87
D А Н h 6, 62 23'41 80-110 90-120 55-15 15-20 10-15 мм Рис. 14.25. Инвентарные медные формы для сварки стыковых соединений вертикальных стержней диамет- ром 20—36 мм § 3. Изготовление конструктивных элементов из заготовок балочного типа Подкрановые балки обычно выполняют в виде сварного дву- тавра с ребрами жесткости. Условия их работы предъявляют вполне определенные требования к конструктивному оформлению и технологии выполнения сварных соединений. При нагружении сварного двутавра только изгибающим моментом такие концент- раторы, как подрез стенки или непровар корня поясного шва, особой опасности не представляют, так как располагаются парал- лельно нормальным и касательным напряжениям. Однако сечения подкрановой балки дополнительно испытывают периодическое нагружение сосредоточенной силой от колеса кра- на, передаваемое с рельса на верхний пояс и через поясные швы на стенку балки. Кроме того, при нарушениях симметрии рельса относительно оси балки возникает дополнительный момент в по- перечном направлении, воспринимаемый поясными швами и стен- кой. В этом случае непровар корня поясного шва или подрез стен- ки оказываются расположенными поперек силового потока и мо- гут служить причиной возникновения усталостных трещин. Кон- структивные элементы подобного типа целесообразно выполнять с полным проплавлением стенки и сварку поясных швов произ- водить в положении «в лодочку» для предотвращения подрезов. Установку и приварку ребер жесткости производят после выпол- нения поясных швов наклоненным электродом. Сварной двутавровый профиль широко используют при изго- товлении колонн. В этом случае проплавление стенки двутавра не является обязательным. Существенные требования к изготов- лению конструкций предъявляют условия монтажа: перпендику- лярность оси колонны к опорной плоскости плиты башмака, па- раллельность плоскостей опорных плиток подкрановых консолей 68
и опорной плиты башмака и соблюдение проектного расстояния между ними, правильность расположения монтажных отверстий относительно опорных столиков ферм и т. д. Рис. 14.26. Чертеж колонны Проследим, как выполняются эти требования на примере ко- лонны, показанной на рис. 14.26. После сварки основного двутав- рового сечения колонны ее нижний торец отрезают дисковой пи- лой или обрабатывают на торцефрезерном станке перпендикуляр- но ее оси. Затем с помощью накладных кондукторов, устанавли- ваемых в упор к торцу, сверлят все монтажные отверстия. Общую сборку колонны начинают с базы 4, опорная плита которой уста- навливается в упор к обработанному торцу колонны. Установку подкрановых консолей 3, столиков 2, ребер / и других деталей производят с использованием фиксаторов и ранее просверленных монтажных отверстий, с которыми фиксаторы совмещаются с по- мощью пробок. В условиях крупносерийного производства сборочно-свароч- ные операции выполняют на поточных линиях. Примером может служить полуавтоматическая линия (рис. 14.27) сборки и сварки поперечных балок (рис. 14.28) плат формы ЗИЛ-130. На каждом из пяти рабочих мест, обозначенных по порядку римскими циф- рами (см. рис. 14.27), имеются захватывающие и кантующие устройства 4; в начале и конце линии расположены магазины-накопители 1 и 3, автоматиче- 89
Рис. 14.27. Транспортирующие и кантующие устройства поточной линии из- готовления поперечной балки грузовой платформы автомобиля ЗИЛ Рис. 14.28. Поперечная балка Рис. 14.29. Угловая стойка грузового полувагона
ски подающие заготовки и снимающие готовые балки. Все позиции линии свя- заны шаговым конвейером 2, представляющим собой сцеп тележек 5 с подъем- ными столиками 6, имеющими выступы 7 для фиксации принимаемой заготов- ки. Гнутые швеллеры укладывают в магазин-накопитель 1. Очередная заготов- ка, поданная штанговым устройством с собачками 8, автоматически приподни- мается подъемным столиком тележки, после отхода штангового устройства опускается в нижнее положение, перемещается на следующее рабочее место, где снова поднимается и захватывается пневматическими зажимами кантователя 4. При опускании подъемников конвейер возвращается в исходное положение. Балка в кантователе поворачивается так, чтобы обеспечить наиболее удобное положение для оборки и сварки. После окончания операций на всех рабочих местах подъемные столики поднимаются, балки в кантователях освобождаются от закрепления и опускаются на тележки конвейера, с помощью которых и пе- ремещаются на один шаг. На первых двух рабочих местах операторы устанавливают узлы и отдель- Рис. 14.30. Загрузочное устройство линии изготовления угловых стоек грузово го полувагона 91
ные детали кронштейнов и прихватывают их точечной сваркой подвесными кле- щами. На последующих рабочих местах операторы выполняют угловые швы полуавтоматами, устанавливают и приваривают петли. Другим примером крупносерийного производства, где автома- тизированы не только кантовка и транспортирование, но и сборка заготовок, является полуавтоматическая линия изготовления угло- вой стойки грузового полувагона. Конструкция стойки показана на рис. 14.29. Холодногнутые заготовки 1 и 2 толщиной 5 мм сваривают между собой контактной точечной сваркой, детали 3, 4, 5 и 6 приваривают дуговой сваркой в среде СОгЧ-Ог- Замена ранее при- менявшейся сварки под флюсом на сварку в смеси углекислого газа с кислородом повышает скорость сварки, 'исключает подачу и уборку флюса, удаление шлако- вой корки, оборудование линии не засоряется флюсом и корками. При этом способе сварки меньше разбрызгивание металла и очистка балок от брызг не требуется. В начале линии, имеющей две нитки оборудования, расположены загрузоч- ные устройства (рис. 14.30). Пакет заготовок 3 краном укладывают на тележ- ку 2, которая пневмоцилиндром 1 перемещается в зону оператора 4. Поворот рычага вокруг оси 15 от пневмоцилиндра 5 обеспечивает съем пакета заготовок с тележки 2, после чего тележка и рычаг оператора возвращаются в исходное положение и начинает работать автооператор. Его траверса 7 с электромагни- тами 6 и пневмоцилиндром 8 опускается вниз до соприкосновения с верхней заготовкой пакета, захватывает заготовку и поднимает ее вверх до упора. Надежность захвата обеспечивается шарнирным закреплением магнитов 6 на качающихся рамках 12 с регулируемыми упорами 1j. Из верхнего положения поворотом рычага 9 вокруг оси 11 от пневмоцилиндра 10 траверса переносит заготовку к рольгангу до упора вертикальной стенки в ограничительные боко- вые ролики 14. После отключения электромагнитов заготовка ложится на роль- ганг и транспортируется к рабочим позициям, где устанавливают и привари- вают внутренние ребра, производят окраску и грунтовку. Сборка внутренней и наружной стоек осуществляется на специальной авто- матизированной установке (рис. 14.31). Стойки 3 и 13 с приваренными ребрами 4 и 12 подаются рольгангом 5 стендов /5 и / до упоров, включающих боковую фиксацию стоек прижимом 6 до упора в ролики 2 и прижимом от пневмоци- линдров 17 до упора в ролики 16. Затем прижим 6 освобождает стойку 3, включая электромагниты 11 и привод кантователя укладчика 7. Рычаг канто- вателя 8 захватывает магнитами стойку 3 и с поворотом на 180° укладывает и прижимает ее к стойке 13 за счет сжатия пружины в корпусе 10. Затем стой- Рис. 14.31. Автоматизированная установка для сборки угловой стойки грузово- го полувагона 92
ки фиксируются пневмоприжимами 9 и 14 и прихватываются. После завершения сборки прижимы 9 и 14 отходят, рычаг кантователя возвращается в исходное положение, а собранная стойка включением привода рольганга подается в авто- матический накопитель, откуда поступает к двум контактным машинам. Здесь один рабочий с помощью транспортной тележки, обеспечивающей шаговую по- дачу, сваривает два ряда точек. На завершающем участке линии устанавливают и приваривают наружные планки, петли и торцовую накладку. § 4. Изготовление рамных конструкций Если рама выполняется из изготовленных ранее балочных эле- ментов, то сборка рамы заключается в придании этим элементам проектного взаимного расположения, а сварка — в выполнении сопряжений между ними. Рамы тяжелых машин обычно изготовляют в условиях единич- ного или мелкосерийного производства. Так, например, ранее на рис. 12.5 была показана рама вертикальной клети прокатного стана, составленная из четырех литых заготовок. Места стыков выбраны из условий симметрии сварочных деформаций и относи- тельной простоты формы каждого элемента. Сложное очертание двутаврового сечения в месте стыка заменено сплошным (разре- зы А—А, Б—Б) в целях удобства выполнения его электрошлако- вой сваркой пластинчатыми электродами. Несмотря на заметное увеличение массы наплавленного металла, такое конструктивное оформление стыка оказывается более технологичным, чем выпол- нение номинального сечения многослойной сваркой. После элек- трошлаковой сварки рама проходит термообработку для улучше- ния механических свойств сварных соединений и снятия остаточ- ных напряжений. Необходимая точность размеров готовой рамы достигается последующей механической обработкой. При серийном производстве рамных конструкций в зависимо- сти от числа изделий одного типоразмера сборочная и сварочная оснастка может быть либо переналаживаемой, либо специализи- рованной. Серийное производство мостовых кранов предусматри- вает широкую номенклатуру типоразмеров при небольшом числе изделий каждого из них. Установка для общей сборки крановых мостов, показанная на рис. 14.32, может переналаживаться. Она состоит из двух поперечных опор — неподвижной 11 и передвижной 7, перемещающейся по рельсовому пути 8 с помощью тяго- вой электролебедки 10 и блока 1, установленных между рельсами в углублении. Точная установка передвижной опоры обеспечивается закрепленным на ней ба- рабаном 5 с несколькими витками тягового троса. При работе лебедки барабан не вращается, а после ее выключения поворачивается вручную. При этом про- исходит медленное перемещение опоры до совпадения фиксаторов 2 с отвер- стиями в рельсах, соответствующими пролету собираемого крана. Опоры имеют по два суппорта 4 с ложементами для колес крана. Перемещение суппортов посредством ходовых винтов позволяет настраивать опору на требуемый размер концевой балки. При сборке крана концевые балки кранового моста опускают на суппорты опор и их ходовые колеса закрепляют в ложементах по упорам винтовыми при- жимами 3 строго в вертикальной плоскости. Кроме того, концевые балки за- крепляют накидными зажимами 6 и винтовыми прижимами 9. Затем по раз- метке на концевые балки кладут пролетные балки, собранные с площадками обслуживания, и сваривают с концевыми. 93
Серийное производство рам с большим объемом выпуска из- делий определенного тлпоразмера имеет место при изготовлении транспортных конструкций (локомотивы, вагоны, автомобили). Наиболее целесообразной формой организации производства в этом случае является механизированная поточная линия, осна- щенная специализированной оснасткой. 13000 Рис. 14.33. Кондуктор-кантователь с гидродомкратами Примером такой оснастки может служить кондуктор-кантователь для сбор- ки и сварки каркаса рамы тепловоза, показанный на рис. 14.33. Поворотная рама / представляет собой сборочный кондуктор с пневмоприжимами, упорами и фиксаторами. Поворот кондуктора осуществляется двумя гидродомкрата.мн 3, шарнирно закрепленными на основании 2. Оси поворота 4 выполнены вы- движными и приводятся четырьмя гидроцилиндрами. Расположение пневмо-- цилиндров для зажатия деталей показано на рис. 14.34. Продольные балки /, состоящие из двутавра с двумя накладными поясами, прижимаются в горизон- тальном направлении к упорам 7 четырьмя прижимами 6, а в вертикальном направлении — к раме кантователя тремя парными прижимами 3. Тремя тор- цовыми прижимами 5 закрепляются буферные брусья 4 и лобовые листы. Диа- фрагмы 2 и другие дополнительные детали устанавливаются по гнездам и за- крепляются винтовыми зажимами. Боковые швеллеры 3 прижимаются в верти- кальном и горизонтальном направлениях откидными пневмозажимами 9. 95
Рис. 14.34. Эскиз рамы и схемы расположения прижимов
После сборки и прихватки производится сварка. При этом кондуктор с за- крепленной на нем рамой поворачивается кантователем в удобное для сварки положение, а вдоль стенда перемещаются тележки для сварщиков. После сварки каркаса рама обычно проходит еще ряд сбороч- ных и сварочных операций, выполняемых на различных рабочих местах поточной линии. Для транспортирования подобных круп- ногабаритных изделий используют тележечный конвейер (см. рис. 13.17). При последовательном прохождении рабочих мест на каркас рамы устанавливают и приваривают верхние и нижние настиль- ные листы, шкворни, обносные швеллеры и другие детали. Пово- рот рамы на рабочих местах осуществляется подъемно-поворот- ными кантующими устройствами, сварка выполняется автоматами под слоем флюса и полуавтоматами в среде СОг. Рис. 14.35. Кинематическая схема накопителя рам грузовых полувагонов Рамы вагонов выпускают более крупными сериями, соответст- венно выше и требования к механизации и автоматизации их про- изводства. Так, рама грузового полувагона изготовляется на по- точной линии, где производятся не только сборочно-сварочные работы, но и механическая обработка и клепка. Для этого в ли- нию включены многошпиндельные станки для сверления отверстий в местах установки упоров автосцепки, оборудование для клепки этих упоров и станки для фрезерования надпятниковых коробок. Не останавливаясь на технологии изготовления таких рам, рас- смотрим устройство для транспортирования и межоперационного хранения столь громоздких конструкций. 7—201 97
От мотора 1 (рис. 14.35) через редуктор 2 и систему валов и конических шестерен приводятся горизонтальные валы 3 четырех вертикальных конвейеров- элеваторов 4, имеющих внизу приводные, вверху — натяжные звездочки, соеди- ненные втулочно-роликовыми цепями. Эти цепи перемещают каретки, снабжен- ные захватами 5, которые подхватывают края шкворневых балок рамы. Нако- питель может работать в автоматическом режиме. При подаче рамы конвейером на позицию накопителя включается его привод и все захваты одновременно соприкасаются с концами шкворневых балок и приподнимают раму. После за- полнения накопителя его работа прекращается до тех пор, пока верхняя рама не будет снята мостовым краном. Для сокращения габаритных размеров нако- пителя по ширине захваты 5 закреплены на каретках шарнирно и на нерабочей ветви вертикального элеватора откидываются из горизонтального положения в вертикальное. Рамы транспортных конструкций испытывают многократное воздействие динамических нагрузок. Конструктивное оформление и технология сборки и сварки должны обеспечивать в этих усло- Рис. 14.36. Сборочно-сварочные операции при изготовлении рамы тележки виях минимальную концентрацию напряжений. Возможности совер- шенствования конструкции и техно- логии изготовления таких рам мож- но видеть на следующем примере. При изготовлении рамы тележки электровоза, ранее показанной на рис. 12.6, балочные элементы ко- робчатого сечения подают на сбор- ку в готовом виде. Плавный пере- ход от боковин к понцевым брусь- ям осуществляют с помощью угло- вых вставок, свариваемых с основ- ными элементами стыковыми соеди- нениями односторонней сваркой на остающейся подкладке. Однако та- кие соединения обладают сравни- тельно высокой концентрацией на- пряжений и могут оказаться причи- ной появления усталостных трещин. Изменение конструкции рамы и последовательности сборочно-сва- рочных операций (рис. 14.36) по- зволяет избежать стыков с односто- ронней сваркой. В этом случае листы боковин и концевых брусь- ев образуют наружный и внутренние стеновые блоки (рис- 14.36,6, в), сваренные двусторонними стыковыми швами. Аналогично из листов можно собрать и сварить двусторонними швами верхний и нижний поясные блоки (рис. 14.36,а, г). Общая сварка всех бло- ков (рис. 14.36,6) завершается выполнением угловых швов. § 5. Изготовление решетчатых конструкций Решетчатые конструкции — фермы, мачты, башни — изготовля- ют преимущественно из прокатных элементов; гнутые и сварные 98
профили используют в меньшей степени. К решетчатым конструк- циям относят также арматуру железобетона — сетки, плоские и пространственные каркасы. При сборке ферм особое внимание уделяют правильному цен- трированию стержней в узлах во избежание появления изгибаю- щих моментов, не учтенных расчетом. Разнообразие типов и раз- меров ферм иногда не позволяет использовать преимущества их Рис. 14.37. Схема сборки фермы по копиру сборки в инвентарных кондукторах. В этих случаях нередко при- меняют метод копирования. Первую собранную из уголков по раз- метке ферму (рис. 14.37,а) закрепляют на стеллаже — она служит копиром. При сборке детали каждой очередной фермы 2 раскла- дывают и совмещают с деталями 1 копирной фермы (рис. 14.37,6). После скрепления деталей 2 прихватками собранную ферму (пока с односторонними уголками) снимают с копира, укладывают на стеллаже отдельно и ставят на нее недостающие парные уголки 3 (рис. 14.37,я). Когда сборка требуемого количества ферм закон- чена, копириую ферму также дособирают и отправляют на сварку. Такой способ прост и эффективен, но он не обеспечивает необ- ходимой точности размеров ферм и правильного расположения монтажных отверстий, например для крепления ферм к колоннам. Рис. 14.38. Копир с фиксатором для сборки стропильных ферм: / — основание фиксатора; // — крепление фиксатора к копиру; /// — копир; IV — стойка фиксатора 7* 99
Для увеличения точности сборки на концах копира укрепляют спе- циальные съемные фиксаторы (рис. 14.38), которые определяют положение деталей с монтажными отверстиями и ограничивают геометрические размеры конструкции в пределах заданных допу- сков. Сборка ферм по копиру с фиксаторами производится в сле- дующем порядке. Сначала устанавливают концевые планки 2, предварительно сваренные с фасонками /. Их правильное поло- жение обеспечивают совмещением монтажных отверстий концевых планок с отверстиями в стойке фиксатора IV. Затем на копире раскладывают все остальные элементы, производят прихватку, ферму снимают с копира, кантуют и дособирают, как описано выше. При достаточно большом количестве выпускаемых ферм одного типоразмера становится экономически целесообразным использо- вание более сложной и производительной оснастки, например при- способления, изображенного на рис. 14.39. Сборку выполняют на стенде 1, снабженном пневмоприжимами. Элементы фермы рас- кладывают по упорам и фиксаторам, одновременно зажимают пневмоцилиндрами и жестко соеди- Рис. 14.39. Схема устройства для сборки и сварки ферм няют швами, оказавшимися в ниж- нем положении. С помощью рамки 2 собранную ферму сначала ставят в вертикальное положение, а затем передают на стенд 3, причем в каж- дом из этих положений выполняют соответствующие швы. В эго время на стенде 1 производят сборку сле- дующей фермы. Использованию механизирован- ных поточных методов при из- готовлении ферм препятствует не только разнообразие типоразме- ров и небольшое число изделий в серии, но и низкая технологич- ность типовых конструктивных решений. Большое количество де- талей, составляющих ферму, усложняет сборочную операцию, при- водит к необходимости выполнения множества швов, различным образом ориентированных в пространстве, и требует кантовки со- бранного изделия при сварке. Качество получаемых соединений ь значительной мере зависит от квалификации сварщиков и ряда других факторов, характерных для ручного производства. Совер- шенствование производства стропильных ферм требует создания поточных линий с установками контактной сваркиУЭто можно ви- деть на примере типовой стропильной фермы, разработанной в ЦНИИПСКе, показанной на рис. 14.40. В зависимости от на- грузки предусмотрены четыре типоразмера, отличающихся сечени- ем используемых профилей, тогда как размеры /=12 м и Л=1,5 м остаются неизменными. Верхний пояс 1 состоит из двух горяче- катаных швеллеров, нижние пояса 2 и раскосы 3 — из одиночных гнутых швеллеров. Короткие отрезки таких швеллеров использо- 100
ваны как диафрагмы верхнего пояса 4, нижний узел объединен косынками 5. Рациональная схема фермы из ограниченного числа элементов позволяет механизировать сборку и выполнять соедине- ния дуговой или контактной точечной сваркой непосредственно в сборочном кондукторе без кантовки фермы. Проект поточной линии по изготовлению форм предусматривает три нако- пителя элементов ферм с механизмами поштучной выдачи, три рольганга, авто- матический сборочный кондуктор и две машины для контактной точечной свар- ки. Швеллер / (рис. 14.41), входящий в состав верхнего пояса фермы, подается по рольгангу с приводными роликами до упора (рис. 14.41,а, б). Элемент ниж- Рис. 14.40. Схема типовой стропильной фермы, свариваемой точечной контакт- ной сваркой него пояса 3 и раскос 4 подаются аналогично в соответствующие приемные секции сборочного кондуктора, расположенные ниже уровня плоскости фермы. Секции вместе с раскосом или элементом нижнего пояса автоматически при- поднимаются и каждая из них поворачивается вокруг соответствующей оси О таким образом, чтобы концы повернутых элементов оказались над стенкой швеллера I и косынкой 2. При опускании секций кондуктора происходит при- жатие сопрягаемых поверхностей. Таким же образом устанавливаются элементы левой части фермы, а затем сверху подаются и прижимаются парные детали пояса 5 и косынки 6. Завершение сборочной операции служит сигналом начала сварки. Точечные контактные машины специальной конструкции по заданной программе перемещаются вдоль кондукторов и сваривают узлы парными точ- ками (рис. 14.41,в). Вместе со сварочной машиной перемещается механизм автоматической подачи диафрагм в виде коротких отрезков гнутого швеллера, Рис. 14.41. Схема изготовления типовых стропильных ферм 101
вставляемых между стенками верхнего пояса. По окончании сварки специальны- ми выталкивателями ферма извлекается из кондуктора, приемные секции кон- дуктора возвращаются в исходное положение. Фермы крупных мостовых пролетных строений являются нега- баритными конструкциями. Это не позволяет изготовлять их цели- ком в условиях завода, а сварка на монтаже обычно не может обеспечить те высокие требования к качеству сварных соединений, Рис. 14.42. Соединение концов труб в пространственный узел ванной сваркой которые для мостовых конструк- ций являются обязательными. Поэтому стержневые элементы мостовых ферм обычно изготов- ляют сварными в условиях заво- да, тогда как соединения стерж- ней в узлах на монтаже собира- ют на высокопрочных болтах. При изготовлении решетчатых конструкций все шире использу- ют трубы. Подготовка их к сбор- ке и сварке требует фигурной об- резки концов на специальных ма- шинах термической резки. Иногда концы труб относительно неболь- ших диаметров сплющивают, что упрощает их соединение в узлах дуговой сваркой. Сплющенные по концам трубы можно соеди- нять в пространственный узел ван- ной сваркой, как показано на рис. 14.42. Торцы сплющенных час- тей образуют ограниченное по периметру пространство, куда в про- цессе сварки вводят электрод или гребенку электродов. Такие узлы применяются в пространственно-стержневых несущих конст- рукциях большепролетных покрытий спортивных сооружений и рынков. Изготовление решетчатых конструктивных элементов типа на- стилов для покрытия площадок и лестничных ступенек, а также сеток и каркасов арматуры железобетона осуществляют главным образом на автоматических установках и линиях. Так, в установке, изображенной на рис. 14.43, из намотанных на барабаны 1 продольных проволок и выправленных и нарезанных поперечных проволок 9 контактной точечной сваркой изготовляется непрерывная сетка, разрезаемая на отрезки 8 заданной длины с помощью гильотинных ножниц 7. Продольные про- волоки проходят через пятироликовые правильные устройства 2 и направляю- щие втулки 3. Поперечные проволоки (стержни) по одной захватываются спе- циальным автоматическим механизмом из бункера-питателя и укладываются сверху на продольные проволоки перпендикулярно им. Штоки пневмоцилиндров 5 опускают верхние сварочные электроды, которые зажимают поперечную про- волоку во всех ее пересечениях с продольными проволоками. Подвод сварочного тока односторонний к нижним неподвижным электродам. Поперечная проволока после сварки с продольными проволоками захватывается крюками каретки 6, которая посредством двух пневмоцилиндров 4 перемещает всю сваренную часть сетки на заданный шаг. При этом тяговое усилие цилиндров 4 обеспечивает 102
протаскивание всех продольных проволок через правильные устройства 2 и разматывание катушек 1, Решетчатый настил отличается от сетки тем, что имеет боль- шую жесткость, определяемую набором вертикально расположен- ных полос, соединенных поперечными стержнями (рис. 14.44). Схема автоматической линии для изготовления настилов показана на рис. 14.45,а. Рис. 14.43. Схема автоматической установки для изготовления арма- турных сеток Лента сечением 1250X2 мм из рулона / в агрегате 2 распускается диско- выми ножницами (рис. 14.45,6) на полосы шириной 25 мм, которые в периоди- чески действующем устройстве 6 (рис. 14.45,в) поворачиваются на 90° и по- даются в машину для контактной сварки 7 по каналам, фиксирующим шаг между ними. Поперечные стержни из питателя 8 подаются под электроды машины по- парно (рис. 14.45,г) с шагом 50 мм. Электроды прижимают стержни к торцам полос и осуществляют рельефную сварку при прохождении тока от одного электрода к другому через стер- жень, полосу, медную подкладку, вторую полосу и второй стержень. После сварки решетка перемеща- ется шаговым механизмом 9. Ножницы 10 (рис. 14.45,0) разре- зают готовую решетку на отрез- ки заданной длины, которые по- ступают в штабелер 11, а затем на промежуточное складочное ме- сто 12. Штабелер (рис. 14.45,е) имеет две направляющие 1 со звездочками 4, перемещающими по рольгангу 7, решетка заходит цепи 6 с траками 5. Перемещаясь в направляющие штабелера, кон- цы поперечных стержней попада- ют в промежутки 2 между трака- ми цепи и движутся вместе с цепью, пока решетка полностью Рис. 14.44. Элемент решетчатого настила 103
не выйдет за пределы рольганга 7. Тогда включается поворот направляющих штабелера в направлении, показанном стрелками, и решетка под собствен- ным весом падает на рольганг 8. После накопления штабеля заданной вы- соты включается рольганг <8 и собранные в штабель решетки перемещаются на место промежуточного складирования. В процессе работы ширину настила регулируют ограничением числа по- лос—лишние полосы наматывают на барабаны 3 и 4 (рис. 14.45,а), причем крайние идут в отход, а средние используются позднее для изготовления на- стилов. Подача ленты из рулона осуществляется периодическим включением агрегата 2, синхронизация этой подачи с работой сварочной машины 7 дости- гается поддержанием запаса ленты в виде петли в накопителе 5. Рис. 14.45. Автоматическая линия изготовления решетчатых настилов: а —схема линии; б —дисковые ножницы; в — поворот полосы; г — укладка поперечных стержней; д — резка решетки; е — механизм штабелера Объемные арматурные каркасы чаще всего представляют со- бой ряд продольных стержней, соединенных навитой по спирали проволокой, обычно меньшего диаметра, чем продольные стержни. На рис. 14.46 показана схема автоматической установки для изго- товления таких каркасов. 104
Проволоки для продольных стержней 1 поступают из катушек 7 с помощью правйльно-подающего устройства 6 в направляющие кронштейны 5, расположен- ные в пазах неподвижной планшайбы 4. Кронштейны 5 могут перемещаться Рис. 14.46. Схема автоматической установки для изготовления объемных арма- турных каркасов вдоль пазов в радиальном направлении с помощью ходового винта 10. Вокруг планшайбы по специальной кольцевой натравляющей перемещается машина 9 для контактной сварки, имеющая сварочный трансформатор 3, ро- ликовые электроды 2 и бухту 8 с проволокой для скрепляющей спирали. Один из роликов 2 име- ет желоб, корректирующий поло- жение очередного витка спирали, а второй ролик контактирует только с продольным стержнем арматуры. Установка имеет уни- версальный характер; все три движения — подача продольных стержней, их перемещение в ра- диальном направлении и навивка спирали — управляются программ- ным устройством, позволяющим изменять размеры и форму кар- каса в широких пределах непо- средственно в процессе изготов- ления. В строительстве в на- стоящее время основными элементами являются сбор- ные железобетонные кон- струкции, изготовляемые и н ду стр и а л ь ным г» м е го да ми на заводах. Монолитные же- Рис. 14.47. Монтажные соединения сбор- ных железобетонных элементов 105
лезобстонные сооружения строятся значительно реже. Методы, тех- ника и технология сварки арматурных элементов в значительной сте- пени определяются местом производства работ (завод, полигон, мон- тажная площадка). Контактная сварка наиболее производительна, но ее применение обычно ограничивается заводами и полигонами сборного железобетона. При изготовлении каркасов для монолит- ных железобетонных сооружений и выполнении монтажных соеди- нений сборного железобетона применяют главным образом элек- тродуговую, ванную и электрошлаковую сварку. Сборные железо- бетонные элементы обычно имеют закладные детали, расположен- ные в местах примыкания одного элемента к другому. При монта- же жилых зданий эти закладные детали сваривают ручной дуго- вой сваркой друг с другом либо непосредственно (рис. 14.47,а—в), либо с помощью дополнительных связующих элементов: пластин, уголков, швеллеров или арматурных прутков (рис. 14.47,г). В про- мышленности и при строительстве энергетических сооружений сты- ковку сборных железобетонных элементов нередко осуществляют сваркой арматурных стержней, выступающих из каждого сборного элемента. ГЛАВА 1 5 ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ОБОЛОЧКОВОГО ТИПА § 1. Негабаритные емкости и сооружения При изготовлении емкостей и сооружений большого размера из листового проката целесообразно основной объем работ выпол- нять на заводе-изготовителе. Для этого каждую конструкцию рас- членяют так, чтобы отправочные элементы имели возможно боль- шие размеры, но в пределах габарита железнодорожного подвиж- ного состава. С целью увеличения размеров отправочных элемен- тов толщиной до 16—18 мм в 1948 г. в СССР был разработан метод рулонирования, получивший весьма широкое приме- нение. Узлы конструкции в виде полотнищ большого размера соби- Рис. 15.1. Схема двухъярусного стенда: а — схема стенда; б — схема движения полотнища рают, сваривают и сворачивают в рулон на специальных установ- ках. Схема такой установки пока- зана на рис. 15.1. Необходимость сварки с двух сторон предопреде- ляет наличие двух ярусов 1 и 2, а также поворотного кружала 3 для передачи полотнища с одного яруса на другой с поворотом на 180°. Перемещение полотнища и его сворачивание обеспечиваются рабочим кружалом 4. На ярусах 1 и 2 располагают четыре рабо- чих участка: сборки, сварки сод- 106
ной стороны, сварки с другой стороны, контроля и исправления дефектов. Сворачивание рулона производят после завершения ра- бот на каждом из участков. При этом полотнище наворачивают на вспомогательный элемент, закрепляемый в рабочем кружале. Раз- меры полотнища определяют из условия рационального членения конструкции. Например, боковые стенки вертикальных цилиндри- ческих резервуаров выполняют из одного, двух или более полот- нищ в зависимости от размеров емкости, с тем чтобы масса рулона не превышала 40—65 т. Ширина полотнища соответствует высоте Рис. 15.2. Схемы расположения листов корпуса резервуара вместимостью 5000 м3: а —с совмещенными стыками нижних поясов; б—с раздвинутыми стыками нижних поясов боковой стенки резервуара, т. е. составляет 12—18 м. Такова и ширина двухъярусной установки для сборки, сварки и сворачива- ния полотнищ. Днища резервуаров и газгольдеров, диаметр кото- рых превышает 12 м, приходится выполнять из нескольких полот- нищ. Если масса каждого из этих полотнищ невелика, то они сво- рачиваются в один рулон. Боковые стенки листовых конструкций башенного типа также выполняют из нескольких полотнищ, каж- дое из которых имеет длину, равную периметру боковой стенки. Ширина рулона в этом случае соответствует высоте монтажного блока и выбирается по грузоподъемности кранового оборудования на монтаже. Расположение листов в полотнище, их толщина и типы соеди- нений определяются как конструктивными, так и технологическими соображениями. Листы толщиной 7—8 мм и более собирают и сваривают стыковыми соединениями, а более тонкие — нахлес- точными. Это объясняется тем, что тонкие листы проще собирать и сваривать, причем сворачивание такой нахлестки затруднений не вызывает. При толщине листов более 7—8 мм нахлестка при- обретает заметную жесткость и неудобна для сворачивания. На- против, стыковое соединение листов такой толщины оказывается приемлемым как с позиции сборки и сварки под флюсом, так и с позиции последующего сворачивания в рулон. Из этих же сооб- ражений все соединения листов полотнищ днища нахлесточные, а листов полотнищ конструкций башенного типа — стыковые. 107
Последовательность сбооки, сварки и сворачивания полотнища рассмотрим на примере изютовления рулона боковой стенки ре- зервуара вместимостью 5000 м3. Два варианта расположения листов в таком полотнище показаны на рис. 15.2. Подготовка лис- тов начинается с правки на многовалковых правильных вальцах. Для сварки стыковых соединений продольные кромки листов под- вергаются обработке на кромкострогальном станке пакетом. Тор- цовые кромки как для стыковых, так и нахлесточных соединений обрезают на гильотинных ножницах. На сборочном участке двухъ- ярусной установки одновременно собирают две картины (рис. Начало нового полотна Очередной этап сборки Рис. 15.3. Схема сборки первой и второй картин полотнища: /, 2, 3,... — последовательность сборки листов 15.3). Листы раскладывают в определенной последовательности. Пояс / кромкой прижимается к упорным роликам стенда, // — вплотную к нему, затем ///. Плотная сборка закрепляется при- хватками. Листы, собираемые нахлесточными соединениями, име- ют риски, совмещаемые с рисками продольных осей поясов на на- стиле стенда. Сборка второго и последующего полотнищ произво- дится непрерывной лентой, для чего между последней картиной предыдущего полотнища и первой картиной последующего уста- навливаются соединительные планки а. Сварка под флюсом осуществляется сварочными тракторами. Целесообразно использование расщепленного электрода, позволя- ющего производить сварку с местным зазором до 2—3 мм. По- перечные швы начинаются и заканчиваются на основном металле примыкающих листов. У крайних поясов конец этих швов делают на выводных планках. Наворачивание полотнища производят на каркас, используе- мый в дальнейшем в качестве конструктивного элемента, напри- мер на шахтную лестницу, опорную стойку, монтажную мачту. Из- готовление специальных каркасов, не используемых при монтаже, 108
нежелательно, так как их трудно возвращать на завод-изготови- тель. Применение метода рулонирования при изготовлении полотнищ большого размера потребовало усовершенствования двухъярус- ных стендов в направлении более полной механизации сборки и сварки и соответствующего более технологичного расположения сварных соединений полотнища. Все соединения таких полотнищ— стыковые, их расположение и последовательность сварки показаны на рис. 15.4. В каждом цикле свариваются поперечное (вертикаль- ное) и все продольные соединения одной секции. При этом по- Рис. 15.4. Последовательность сварки швов: 1 — ранее сваренные соединения; 2 — свариваемые соединения перечный шов закрепляет в нужном положении листы секции ///, собранной без прихваток. Продольные соединения сваривают от середины секции И до середины секции /. Кромки листов подвер- гают механической обработке с допуском на длину и ширину ±1,5 мм. Листы в контейнерах / подают на верхний ярус стенда, схема работы которого показана на рис. 15.5. На место сборки их необ- ходимо подавать сразу для всех поясов за один ход транспорти- рующей самоходной кран-балки 3, несущей траверсы с магнит- ными или вакуумными захватами. Для этого контейнеры / с ли- стами разных поясов располагают возможно ближе друг к другу, с тем чтобы сократить последующее поперечное перемещение лис- тов при сборке. Шаговое перемещение ранее собранной части по- лотнища механизм сворачивания задает достаточно грубо. Для того чтобы кромка полотнища 5 оказалась над медной подклад- кой 8, всю систему верхних ферм 7 с клавишными зажимами 6 и нижней фермой, несущей медную подкладку 8, приходится переме- щать до совмещения оси прокладки с положением кромки полот- нища. IC9
Поданные на место сборки листы с помощью толкателя 9 надо сдвинуть в продольном направлении до упора в кромку ранее со- бранного полотнища 5, прижатую клавишными прижимами 6 к медной подкладке 8. Продольная подача листов должна предшествовать поперечной для предотвращения образования нахлестки. Когда короткие кром- ки листов окажутся под улавливателями 2 и 4, ограничивающими их поднятие над настилом, можно совершать подачу и в попереч- ном направлении. Последовательность перемещений листов пока- Рис. 15.5. Схема расположения механизмов, обеспечивающих сборку секции и сварку поперечного шва зана на рис. 15.6. Боковые толкатели 4 и 7 сдвигают листы в попе- речном направлении до упора друг в друга (рис. 15.6,6). Один из толкателей имеет ограниченный ход до упора, что необходимо для фиксации положения нижней кромки листов, второй переставляет- ся по количеству собираемых листов, т. е. в зависимости от шири- ны полотнища. При дальнейшем продольном продвижении листов (рис. 15.6,в) подвижная балка заднего толкателя 2 обеспечивает перемещение секции к ранее сваренному участку полотнища. По- сле зажатия второй кромки поперечного стыка его сваривают под флюсом, используя двухдуговой аппарат А-943, позволяющий сва- ривать полотнища из листов переменной толщины. Первая дуга образуется одним электродом, совершающим колебания поперек стыка, вторая дуга — двумя расщепленными электродами. Сварку ведут в направлении от более толстых листов к тонким, изменяя режим отключением одной из дуг при непрерывном движении ап- парата по всей длине стыка. За время сборки и сварки попереч- ного стыка одновременно сваривают все продольные швы. Для этого подвижную балку, несущую направляющие двух сварочных гсловок и зажимные устройства, последовательно устанавливают над каждой парой продольных швов, прижимают кромки к мед- ной подкладке и осуществляют сварку. На нижнем ярусе сварка 110
стыков с обратной стороны выполняется в той же последователь- ности, но без прижимных устройств. Монтаж вертикальных цилиндрических резервуаров из рулони- рованных элементов выполняют следующим образом. Рулон эле- ментов днища укладывают на подготовленное основание резервуа- ра и раскатывают в последовательности, определяемой расположе- Рис. 15.6 Схема механизированной сборки крупногабаритных полотнищ без при- хваток: а —листы секции перед сборкой: б — сборка секции; в —сборка секции с полотнищем; / — контейнеры с листами; 2— продольный толкатель; 3 — листы; 4, 7 —поперечные толкатели; 5 —верхняя часть продольной тележки; 6 — полотнище; 3 — ограничители вертикального пе- ремещения листов. Стрелками показано направление перемещения полотнища нием элементов в рулоне. Выполняют односторонние нахлесточные соединения полотнищ между собой сварочным трактором под сло- ем флюса. Затем у края днища на подкладной лист (для лучшего скольжения рулона по днищу при разворачивании) ставят рулон боковой стенки резервуара. Рулон разворачивают лебедкой или трактором с помощью троса. По мере разворота нижняя кромка рулона прижимается к упорам 4 (рис. 15.7) и прихватывается, крепление троса (детали /, 2, 3) переставляется. Верх- нюю кромку развернутой части боковой стенки за- крепляют установкой эле- ментов щитовой кровли или (в резервуарах с плаваю- щей крышей) расчалками с последующим монтажом кольцевой площадки. После этого заваривают монтаж- ный стык боковой стенки. Так как кольцевой шов. со- единяющий боковую стенку Рис. 15.7. Крепление троса на рулоне при его разворачивании с днищем, выполняется при полностью заваренном дни- ще, то возможно вспучива- 111
ние днища вследствие потери устойчивости. При изготовлении ре- зервуаров большой вместимости (10 000 м3 и более) для предот- вращения таких деформаций в виде рулона можно изготовлять только центральную часть днища /, 2, 3, а окрайки 4 сваривать между собой при монтаже из отдельных листов, присоединяя их к днищу на прихватках (рис. 15.8,а). После завершения установ- ки, разворачивания и приварки боковой стенки к окрайкам эти прихватки удаляют, хлопуны выправляют путем сдвига листов Рис. 15.8. Схема раскроя днищ резервуара вместимостью 10 000 м3: а —с отдельными сегментами; б — с окрайками, приваренными на заводе в нахлестке и только тогда швы между центральной частью днища и окрайками заваривают окончательно. Недостатком подобного раскроя днищ является большая длина монтажных швов и увели- чение числа монтажных элементов. Лучше применять раскрой днищ, показанный на рис. 15.8,6, где утолщенные окрайки 5 при- вариваются на заводе при изготовлении полотнища. В технологии изготовления цилиндрических резервуаров и мо- крых газгольдеров много общего. Небольшое различие в монтаже заключается в том, что на смонтированное днище устанавливают в вертикальном положении сразу рулоны всех боковых стенок (корпуса резервуара, телескопа, колокола). Использование метода рулонирования при сооружении цилин- дрических частей высоких вертикальных конструкций, например воздухонагревателей, декомпозеров, скрубберов, имеет особенно- сти. Из-за наличия кольцевых стыков между монтажными блока- ми требования к точности изготовления рулонов и приемам их раз- ворачивания оказываются более высокими. Все соединения — сты- ковые; отклонения размеров полотнища не должны превышать ±2 мм по ширине и ±4 мм по длине. Точность сборки листов при изготовлении рулона достигается с помощью направляющих устройств, ограничителей и контрольных рисок двухъярусного стенда. Для предотвращения местных изломов при разворачива- 112
нии рулонов применяют специальную оснастку. Приемы развора- чивания рулонов при монтаже листовых высотных конструкций можно подразделить на две основные категории: разворачивание рулонной заготовки до плоского состояния и последующее ее на- ворачивание на каркас проектного диаметра и разворачивание не- посредственно до проектного диаметра. Для конструкций диаметром до 6 м, а также при сборке в од- ном месте небольшого количества цилиндрических оболочек боль- шого размера целесообразно использовать метод наворачивания. Рулон разворачивают на плоском стенде, а в качестве шаблона- кондуктора используют барабан, состоящий из двух половин, шар- нирно соединенных по образующей. Диаметр барабана соответст- вует диаметру монтажного блока и может изменяться с помощью винтовых стяжек. Барабан устанавливают и прихватывают так, чтобы кромка полотнища расположилась посередине разъема. На- ворачивание осуществляют перекатыванием барабана; кромки за- мыкающего стыка подтягивают с помощью винтовых стяжек. Стык сваривают автоматом под флюсом сначала изнутри, а после поворота барабана на половину окружности—снаружи. Сваренную обечайку ставят в вертикальное положение и извлекают из нее барабан, предварительно уменьшив его диаметр. После досборки монтажный блок устанавливают в проектное положение. Кольце- вой шов сваривают с двух сторон: с наружной стороны обечайки электродами вручную, а внутри обечайки—полуавтоматами в СОа. При наличии в конструкции внутренних жестких колец метод на- ворачивания оказывается особенно эффективным, так как позво- ляет совместить операции формообразования обечайки и ее сбор- ку с элементами жесткости. При изготовлении в одном месте большого числа монтажных блоков диаметром от 6 до 12 м и больше целесообразно обечайку проектного размера получать непосредственно разворачиванием рулона на специальном стенде. При сооружении цилиндрических резервуаров вместимостью свыше 50 000 м3 использовать метод рулонирования для изготов- ления боковой стенки пока не удается из-за значительной (свыше 18 мм) толщины нижних поясов. Применение высокопрочных ста- лей или конструктивных новшеств, возможно, позволит применить этот прогрессивный метод и для более крупных цилиндрических резервуаров. За рубежом цилиндрические резервуары вплоть до 200 000 м3 сооружают полистовым методом. Листы толщиной до 40 мм очи- щают от окалины, обрезают кромки автоматической тепловой рез- кой, вальцуют, окрашивают и маркируют. Листы толщиной до 14 мм имеют V-образную разделку кромок, при большей толщи- не— Х-образную. Большинство швов днища выполняют сваркой под флюсом, горизонтальных швов боковой стенки также под флю- сом с флюсоудерживающим устройством или в СО2, вертикальные швы боковой стенки сваривают дуговой сваркой под флюсом или в СО2 с принудительным формированием шва. 8-201 ИЗ
При изготовлении элементов кровли вертикальных цилиндриче- ских резервуаров метод рулонирования не нашел применения из-за трудностей монтажа тонколистового (2—3 мм) полотнища. Кров- лю собирают из отдельных поставляемых с завода щитов, размер которых определяется габаритом железнодорожного подвижного Рис. 15.9. Типовой щит кровли (а) и монтажные соединения щитов (б, в) состава (рис. 15.9,а). Свес настила со стороны одной из радиаль- ных балок каркаса щита облегчает сборку кровли и позволяет вы- полнять монтажный шов 1 (рис. 15.9,6) на элементе каркаса со- седнего щита, как на подкладке. При установке щитов в проект- ное положение используют монтажные скобы и улавливатели (рис. 15.9,в). Щиты 1 укладывают одним концом на опорную стойку, Рис. 15.10. Схемы раскроя корпусов сферических резервуаров а другим с помощью улавливате- ля 3— на боковую стенку резер- вуара 2 по мере разворачивания рулона без лесов и люлек. Резер- вуары большой вместимости (10 000 м3 и более) имеют покры- тия либо сферические из криво- линейных щитов с опорой только на корпус, либо плоские из щи- тов, опирающихся на корпус и несколько внутренних стоек. 114
При раскрое сферических резервуаров и газголь- деров (рис. 15.10,а, в) сферическую поверхность заготовкам при- дают горячей штамповкой. При раскрое, изображенном на рис. 15.10,6, лепестки получают холодной вальцовкой с помощью спе- циального многовалкового стана. Верхние валки имеют бочкооб- разную форму. Два нижних и один верхний валки являются изги- бающими, остальные — калибрующими. Перед вальцовкой выреза- ют развертку лепестка. Так, для сферического резервуара вмести- мостью 2000 м3 заготовку меридиональных лепестков собирают из трех листов 7000X2100 мм по коротким кромкам и сваривают под флюсом. Вырезку развертки производят по накладному шаблону- копиру. Поскольку полученные лепе- стки превышают габарит подвижного железнодорожного состава, то после вальцовки их разрезают на две части и укладывают выпуклостью вниз в спе- циальные контейнеры для перевозки к месту монтажа. Сферические резервуары и газ- гольдеры вместимостью 600 м3 обыч- но монтируют из двух полушарий, предварительно собираемых йа стен- Ри|, |5 „ Схема сборкн „иж. де-кондукторе. В зависимости от ней полусферы на стенде раскроя приемы сборки полусфер различны. Для варианта на рис 15.10,а полуднища закреп- ляют на центральной стойке стенда (грибок) (рис. 15.11). Лепестки нижней полусферы, попарно сваренные в блоки здесь же на монтаже автоматической сваркой под флюсом на стенде-качалке, устанавливают на сборочном стенде в проектное положение и сваривают однослойным швом вручную. Общую сбор- ку и сварку выполняют следующим образом. Нижнюю полусферу устанавливают на временную опору. Собранную на стенде верх- нюю полусферу поднимают и монтируют на нижнюю. Сборка за- канчивается ручной однослойной сваркой замыкающего шва. При раскрое, как на рис. 15.10,6 лепестки на монтаже предварительно укрупняют. Так, сферические резервуары объемом 2000 м3 мон- тируют из двухлепестковых меридиональных блоков, причем каж- дый лепесток собирают из двух заводских элементов — длинного и короткого. Укрупнение осуществляют на стенде; элементы соби- рают с помощью клиньев и струбцин, прихватывают и сваривают между собой с внутренней стороны однослойным швом вручную. Полюсные блоки — днище и купол — собирают из трех элементов каждый. Для этого типа раскроя получил применение вертикаль- ный способ сборки сферы. Предварительно к трубчатой стойке приваривают полюсные блоки, усиливая их элементами жесткости. Затем стойку 4 (рис. 15.12) с блоками 2 и 6 и монтажной люлькой 7 устанавливают вертикально на временную опору /, располагае- мую центрально относительно подготовленного фундамента резер- вуара 9, и раскрепляют растяжками. Блоки лепестков 3 с рас- 8* 115
крепления сферы к временной 1 Рис. 15.12. СхеМа сборки сфериче- ского резервуара в проектном поло- жении порками жесткости 5 поднимают в вертикальное положение и кре- пят с помощью сборочных планок и клиньев к днищам и друг к другу, а также временными прихватками к опорам 8, устанавли- ваемым па фундаменте 9. Затем блоки соединяют между собой ручным прихваточным швом, а перед установкой последнего бло- ка удаляют элементы жесткости 5, монтажную стойку 4 и люльку 7. После завершения сборки под временной опорой 1 располагают специальный манипулятор вращения сферы, чтобы придать гори- зонтальное положение свариваемому участку шва. Прихватки и постоянным опорам 8 удаляют и поднимают ее с помощью дом- кратного устройства манипулято- ра. Автоматическая сварка под флюсом по ручной подварке вы- полняется сварочным трактором, который при сварке с внешней стороны располагается вверху на сфере, а при сварке внутри — внизу. Чтобы выполнять мери- диональные, экваториальные и полюсные швы резервуара раз- личного раскроя и переходить с одного шва на другой, манипуля- тор должен обеспечивать враще- ние в любой плоскости. Все сварные соединения сфе- рических резервуаров—стыковые; при толщине элементов 16 мм раз- делки кромок обычно не делают. При толщине 25 мм используют V-образную разделку, при тол- щине 34—38 мм — Х-образную. Последовательность выполнения швов такова. Сначала выполняют меридиональные швы в несколь- ко слоев со стороны разделки кромок. С внутренней стороны под- варку корня шва производят за счет глубокого проплавления без вырубки его. Затем сваривают широтные и полюсные соединения. При выполнении сборочных и сварочных работ над резервуаром целесообразно устанавливать общее прозрачное пленочное покры- тие. Это улучшает условия работы и облегчает применение сварки в среде защитного газа. В нашей стране сооружают сферические резервуары объемом дс 2000 м3. Этот объем, по-видимому, является предельным для использования вращения всей сферы в процессе сварки. За рубе- жом при сооружении резервуаров значительно больших размеров монтаж обычно осуществляют методом укрупнительной сборки ле- пестков заводского изготовления в блоки на монтажной площадке и автоматической их сварки под слоем флюса или в среде защит- ного газа. Монтаж блоков в проектное положение ведется после- 116
al I 2 электрошлаковая сворна но монтаже сварка под флюсом на монтаже —X—X—- сварка под флюсом на заводе Рис. 15.13. Схемы раскроя монтажного блока кожуха домны: / — электрошлаковая сварка на монтаже; 2 — свар- ка под флюсом на заводе; 3 — сварка под флюсом на монтаже При расположении длин- довательным наращиванием, швы между блоками выполняют в основном ручной сваркой или автоматами для сварки во всех пространственных положениях проволокой диаметром 1 —1,2 мм в смеси Аг—СО2 со свободным формированием шва. Очередность установки блоков при монтаже сферы определяется расположени- ем опор. Так, при раскрое, показанном на рис. 15.10,в монтаж мож- но начинать с экваториального пояса. К укрупненным блокам ле- пестков этого пояса приваривают опорные стойки, и устанавливая их на фундамент, монтируют весь экваториальный пояс. Затем на временный постамент укладывают нижнее днище и монтируют блоки нижнего пояса. После установки временной стойки монтиру- ют верхнее днище и верхний пояс. При сооружении кожухов домен листы, прошедшие загото- вительные операции, перед отправкой с завода сваривают попарно под флюсом по длинной кромке. Длинная кромка листа располагается по образующей либо в ок- ружном направлении. Это зависит от мощности гибочного оборудования. Расположение по обра- зующей является предпо- чтительным, так как в этом случае (рис. 15.13,а) все швы монтажного бло- ка прямолинейны одно- типны и удобны для сборки и электрошлаковой сварки. ной кромки листа в окружном направлении (рис. 15.13,6) сбор- ке монтажного блока предшествует укрупнение заводских эле- ментов сваркой иод флюсом в условиях монтажа на качающемся стенде. Горизонтальные швы между монтажными блоками обычно выполняют с двусторонней разделкой кромок в несколько слоев полуавтоматической сваркой в среде СО2. На высоте ветер может нарушить защиту шва. В этом случае сварку с внешней стороны кожуха выполняют вручную, а с внутренней — полуавтоматами в среде СО2. При изготовлении корпуса цементной печи (см. рис. 12.11,6) характер членения всей конструкции на отдельные транс- портабельные элементы определяется прежде всего способом их доставки на место монтажа. Ввиду негабаритности печи по диа- метру при перевозке железнодорожным транспортом обечайки корпуса поставляются по частям в виде сваренных из двух сваль- цованных листов «четвертинок». Посредством временного дефор- мирования с доведением не замкнутых по образующей обечаек до диаметра 3700 мм можно перевозить их на обычных платформах пс условиям негабаритности II степени. При использовании колод- певых транспортеров по железной дороге можно перевозить обе- 117
чайки длиной 2000 мм (например, подбандажные обечайки, имею- щие малый допуск на эллиптичность). Перевозка целых обечаек большей длины (4000—8000 мм) возможна только автотрактор- ным или водным транспортом. В условиях монтажа сварку про- дольных швов обечаек корпуса выполняют сварочным трактором с двух сторон. После сборки отдельных обечаек в блоки кольце- вые стыки сваривают на приводном роликовом стенде сварочным трактором по ручной подварке или на флюсовой подушке. Бандажи, представляющие собой массивные кольца массой 60 т и более с поперечным прямоугольным сечением, могут по- ставляться на место монтажа либо целиком, либо в виде двух полуколец. Во втором случае при сборке и сварке обработанных Рис. 15.14. Сборка половин бан- дажа под сварку на заводе полуколец в условиях монтажа необходимо ограничить искажения формы и размеров коль- ца. Так как усадка верхней и ниж- ней частей электрошлакового шва неодинакова, то эллиптичность и конусность бандажа из-за свароч- ных деформаций компенсируют, устанавливая клиновой зазор в сты- ке (рис. 15.14). Для снятия внутренних напря- жений стыки после сварки под- вергают местному отпуску. С по- мощью съемных электрических пе- чей участки бандажей длиной 700 мм в каждую сторону от шва подвергают нагреву до темпера- туры 550—600сС с соответствующей выдержкой и медленным охлаж- дением. По мере сварки бандажей их насаживают на подбандажныс обе- чайки, и укрупненные монтажные элементы краном устанавливают в проектном положение. После вы- верки соосности сварку кольцевых швов выполняют сначала одно- слойным швом вручную, а затем изнутри и снаружи трактором, используя механизм вращения печи, чтобы место сварки все время находилось в нижнем поло- жении. Спиральные к а м е- р ы крупных гидротурбин сложны в изготовлении из-за больших габаритов, высо- ких требований к точности сечений и значительной толщины листовых элемен- тов. Для наиболее напря- 118 Рис. 15.15. Схема сборки спиральной камеры
женных звеньев спиральной камеры Красноярской ГЭС (см. рис. 12,11,в) использовали высокопрочную сталь (по,2^500МПа), менее напряженные звенья изготовляли из сталей 10ХСНД и СтЗ. Разметку элементов осуществляли с помощью шаблонов, изготовленных по размерам, определенным на плазе. После газопламенной резки с одновременным скосом кромок под сварку заготовки подвергали гибке на прессе с помощью универсального гибочного штампа. Для предотвращения изменения формы при сварке элементов в звенья устанавливали временные элементы жесткости. Под- гонку осуществляли при контрольной сборке (рис. 15.15). Половина статора 4 была установлена на плитовой стенд 3 с нанесенной плазовой разметкой сече- ний всех звеньев. Кромкой, сопрягающейся со звеном 1, звено 2 устанавливали 119
на плиту по плазовой разметке и собирали в кольцо с подгонкой к статору 4 и доведением зазоров до допустимого размера подрубкой и наплавкой кромок. После закрепления в кольцо с помощью стяжек на прихватках звено 2 снимали с плаза, а на его место устанавливали и подгоняли по плите и к статору в той же последовательности элементы звена 1. Затем на звено / устанавливали звено 2. Подгонку стыка между ними производили за счет верхней кромки звена 1, не затрагивая базовую кромку звена 2. На этом операция контрольной сборки звена 1 заканчивается. Порядок монтажной сборки показан на рис. 15.16. Спиральная камера со- стоит из 27 конструктивных звеньев, поставляемых в виде 36 монтажных эле- ментов. Звенья XXIII—XXVII и отражательный лист 19 составляют один мон- тажный элемент; звенья XIII—XXII сварены в условиях завода попарно; звенья с VII no XII состоят каждое из двух, а с / по VI — из трех монтажных эле- ментов. После установки и раскрепления статора гидротурбины сборку начинали с зуба спирали. Первыми устанавливали, подгоняли и прихватывали между собой и к статору секции 18 и 2, а также отражательный лист 19. Затем к каждой из секций последовательно устанавливали и подгоняли смежные при- легающие секции 18—13, а с другой стороны — секции 2—11. Выполненную с некоторым припуском замыкающую секцию 12 после подгонки ставили по- следней. Для уменьшения потолочной сварки разделку швов верхней части спирали делали с наружной стороны, а в нижней части—с внутренней. Боковые части спирали имели Х-образную разделку. Сварку продольных и кольцевых швов спирали выполняли способом последовательного обратноступенчатого исполнения швов или способом наварки слоев горкой. § 2. Сосуды, работающие под давлением При изготовлении сосудов приходится выполнять прямолиней- ные, кольцевые и круговые стыковые швы. В зависимости от тол- щины стенок приемы выполнения каждого из них имеют свои осо- бенности; разнообразна и применяемая оснастка. Швы тонкостенных сосудов, как правило, выполняют в среде защитных газов. Сборку рекомендуется производить с по- мощью зажимных приспособлений — надежное прижатие свари- ваемых кромок к подкладке позволяет выполнять одностороннюю сварку в приспособлении без прихватки. При сборке и сварке пря- молинейных швов между листами и продольных швов обечаек рав- номерное и плотное прижатие кромок к подкладке осуществляется зажимными приспособлениями клавишного типа. Усилие прижа- тия обычно составляет 300—700 Н на 1 см длины шва и создается гидравлическим или пневматическим устройством (рис. 15.17). На верхнем основании жесткого каркаса закреплен ложемент 6 с под- кладкой 5. Прижим свариваемых кромок осуществляют раздельно для каждого листа через набор клавиш 3, укрепленных на бал- ках 1. Давление на клавиши передается пневмошлангами 2 и ре- гулируется редуктором. Установка и прижатие листов производят- ся в такой последовательности: поворотом эксцентрикового валика 7 из подкладки выдвигаются фиксаторы 4, после чего до упора в них (справа по рисунку) заводится листовая заготовка и зажи- мается подачей воздуха в шланг. Затем фиксаторы убираются и до упора в кромку заготовки устанавливается другая заготовка и зажимается подачей воздуха в шланг 2. При сборке и сварке продольных стыков обечаек основание приспособления выполняют в виде консоли, прижимные балки 120
с клавишами закрепляют к ним одним концом жестко, а другим концом — посредством откидных болтов. Продольные швы вызывают нарушение прямолинейности обра- зующих тонкостенных обечаек и уменьшение кривизны в зоне шва в поперечном сечении (рис. 15.18). Для исправления таких сва- Рис. 15.17. Приспособление для сборки и сварки прямолинейных стыков тонколистовых элементов рочных деформаций широко используют прокатку роликами. При выполнении кольцевых стыков тонкостенных сосудов из материа- лов, мало чувствительных к концентрации напряжений, использу- ют остающиеся подкладные кольца, которые облегчают центровку кромок и их одностороннюю сварку. Для ряда высоко- прочных материалов такой прием оказывается непри- емлемым. В этом случае кольцевые стыки собнра- Рис. 15.18. Характер деформаций обечайки от продольного шва 121
ют и сваривают на съемных подкладках разжимных колеи. Однако надо учитывать, что из-за подогрева кромок впере- ди сварочной дуги они расширяются и отходят от под- кладного кольца в радиальном направлении, что может приво- дить к смещению кромок или образованию домика. В тонкостен- ных сосудах, работающих под давлением, смещение кромок в сты- ковом шве — опасный концентратор, и при изготовлении необхо- димо принимать меры по их предотвращению или устранению. Для прижатия кромок можно применять наружные стяжные ленты, од- нако их приходится располагать на некотором расстоянии от оси стыка и перемещения предотвращаются лишь частично. Более эф- фективно оказывается прижатие кромок к подкладкам роликом, перекатывающимся по поверхности стыка непосредственно перед сварочной дугой. Прижим не дает возможности кромкам оторваться от поверхности подкладного кольца в месте образования сварного соеди- нения. Приспособление для прижатия кромок обечаек (рис. 15.19) закреплено на консоли сварочной головки. Прижимные ролики опирают- ся на обе свариваемые кром- ки, выравнивая их и прижи- мая к подкладному кольцу с помощью пружины. Для сварки стыка обечаек можно использовать также схему, при которой стык вы- полняется изнутри обечайки. В этом случае зона кольцево- го шва охватывается жестким бандажом, вращающимся при сварке вместе с изделием, Рис. 15.19. Схема приспособления для прижатия кромок к подкладному коль- цу перед сварочной головкой: 1 — прижимные ролики; 2 — присадочная про- волока а сварка первого прохода выполняется изнутри обечайки. Напря- жения сжатия, возникающие в зоне нагрева, стремясь увеличить длину свободной кромки стыка, прижимают ее к наружному коль- цу бандажа. Деформации от кольцевого шва для большинства материалов уменьшают диаметр обечайки. Такое сокращение зоны шва хоро- шо поддается исправлению прокаткой роликами. При сварке алю- миниевых сплавов диаметр обечайки в зоне кольцевого шва, вы- полненного на подкладном кольце, может оказаться не только не меньше, но даже больше первоначального размера. Рассмотрен- ный выше прием прижатия кромок к подкладному кольцу роликом, расположенным перед сварочной головкой (рис. 15.19), позволяет практически полностью предотвратить такое увеличение диаметра при сварке стыков обечаек из алюминиевых сплавов. 122
Особое внимание приходится уделять конструктивному оформ- лению и технологии выполнения замыкающего кольцевого шва со- суда. При наличии лазовых отверстий или патрубков значительно- го размера внутрь сосуда можно ввести разборное разжимное кольцо. В этом случае одностороннюю сварку замыкающего шва выполняют на съемной подкладке по обычной технологии. Задача усложняется, если размеры отверстий патрубков малы. Если оста- ющееся подкладное кольцо является слишком резким концентра- тором и его использовать нель- зя, то приходится осуществлять одностороннюю сварку на весу. Соединение элементов арма- туры (фланцы, штуцера) со стенкой сосуда обычно дела- ют стыковым, допуская соеди- нение угловыми швами или рельефной сваркой только для материалов, мало чувствитель- ных к концентрации напря- Рис. 15.20. Сборка фланца с оболоч- кой при наличии технологического буртика на фланце женнй. Стыковые круговые швы выполняют односторонней сваркой на подкладке с канавкой. Вид сборочно-сварочной оснастки и конструктивное оформление стыка определяются необходимостью плотного прижатия кромок к подкладке, предотвращения их перемещений в процессе сварки и устранения сварочных деформаций, приводящих к местному ис- кажению формы оболочки в зоне шва. В зависимости от формы поверхности стенки сосуда (сферической или цилиндрической), материала и толщины свариваемых элементов конструктивно-тех- нологические решения могут быть различными. Так, например, при вварке фланца в сферический сосуд из алюминиевого сплава АМгб целесообразно использовать соединение с буртиком, показанное на рис. 15.20. Технологический буртик предназначен для передачи усилия прижатия фланца на оболочку, обеспечения их соосности и повышения жесткости кромки фланца. Наличие буртика позво- ляет упростить прижимное приспособление, так как усилие при- жатия прикладывается только к фланцу, и предотвратить смеще- ние кромок в процессе сварки, а также уменьшить местные иска- жения формы оболочки, возникающие в результате усадки круго- вого шва. При небольших размерах сосуда или того элемента, в который вваривается деталь арматуры, сварку кругового шва целесообраз- но осуществлять неподвижной сварочной головкой при вращении приспособления с закрепленным свариваемым стыком. При ввар- ке арматуры в узел значительных размеров круговой шов более удобно выполнять сварочной головкой, перемещающейся по по- верхности элемента оболочки, закрепленного неподвижно. В крупносерийном производстве тонкостенных сосудов (тор- мозные резервуары, пропановые баллоны) для выполнения сбо- рочно-сварочных операций применяют специальные полуавтомати- 123
ческие установки. В них для сборки и сварки продольного стыка обечайки необходимо выполнять следующие операции: приемку обечайки, ориентирование стыка, прижатие его к подкладке сим- метрично относительно формующей проплав канавки, выполнение шва, освобождение обечайки от зажатия и ее сброс. Наиболее сложной для автоматизации операцией является ори- ентирование. Если эту операцию выполняет рабочий, то установка значительно упрощается и это является причиной отказа от при- менения полностью автоматизированных устройств. Рис. 15.21. Полуавтоматическая установка для сборки и сварки продольного стыка обечайки: а — схема установки; 9 — расположение обечайки на позиции сборки; « — расположение обечайки на позиции сварки На такой установке (рис. 15.21) сборочную и сварочную операции можно выполнять на разных позициях, связанных транспортирующим устройством, на- пример планшайбой 1 с шаговым поворотом, на которой закреплены консоль- ные балки 2, 6, 9, несущие сварочную подкладку. От обечаек, расположенных на наклонном накопителе 5, отсекателем 7 отделяется одна и окатывается на приемное место 10 тележки 8. При движении этой тележки обечайка надви- гается на консоль 6 планшайбы, находящейся в положении приема, опускается на нее, а тележка отходит в исходное положение. Оператор ориентирует одну из кромок вдоль оси канавки 12 подкладки и фиксирует ее вакуумными при- сосками 13, вторую кромку устанавливают впритык к первой. Сборочная опе- рация завершается установкой заходных планок (если это необходимо) и на- жатием кнопки, снимающей ограничение автоматического включения шагового поворота. Точная- установка стыка под сварочную головку обеспечивается ко- нусным фиксатором 4, который одновременно используется для поддержания конца консольной балки 2 при зажатии кромок обечайки клавишными прижи- мами 11 балки портала 3. Операция сварки в этом случае может осуществлять- ся без участия оператора. По ее окончании клавишные прижимы и фиксатор отходят и поворот планшайбы 1 (рис. 15.21,а) переносит сваренную обечайку на позицию съема, где она подхватывается приемным устройством тележки. 124
Другая полуавтоматическая установка, предназначенная для сборки и свар- ки обечайки тормозного баллона с днищами, работает на ЗИЛе. Отбортовка днища имеет конусную поверхность, что облегчает механизацию сборочной опе- рации. На рис. 15.22,а можно ввдеть расположение захватов, закрепленных на валу с шаговым поворотом на 90°. Ориентирование и подача обечайки и двух днищ на позицию / производится оператором, остальные операции выполняют- ся автоматически. Захваты 1 зажимают обечайку, а пневматические цилиндры с магнитными улавливателями 2 обеспечивают запрессовку днищ в обечайку Рис. 15.22. Станок-полуавтомат для сборки и сварки тормозных баллонов: а — расположение захватов; б — схема выполнения сборочной операции; в — схема выпол- нения сварочной операции (рис. 15.22,6). Собранный сосуд подается на сварочную позицию //, где он осво- бождается от зажатия после того, как захватывается с торцов деталями вра- щателя 4 (рис. 15.22,в). Совмещение электродов сварочных головок <3 с плоско- стью вращения каждой ступеньки нахлесточного соединения осуществляется искателем, выключающим движение головки в осевом направлении в момент совпадения ее со ступенькой нахлестки. Сварку осуществляют за один оборот с некоторым заданным перекрытием. Окончание сварки служит сигналом для включения захвата 1, освобождения от вращателя 4 и совершения шагового поворота. Сброс сосуда достигается раскрытием захвата под действием силы тяжести на позиции /// (рис. 15.22,а). Для кольцевого стыкового соединения сборочная операция ус- ложняется. Центровка стыкуемых деталей может быть обеспечена подкладным кольцом, предварительно прихваченным к одной из деталей. В этом случае сборка осуществляется аналогично рас- смотренному предыдущему примеру. Иное решение требуется, когда подкладное кольцо по каким-либо соображениям неприем- лемо. Примером такого устройства может служить станок-автомат для сборки и сварки полых шарообразных поплавков, поддержи- вающих рыболовные сети. Смещение кромок и отсутствие полного проплавления не является браковочным признаком, если соблю- дается условие герметичности сварного шва. Это позволяет ис- пользовать наиболее простой и технологичный вариант соединения без подкладного кольца. 125
Командоаппарат 1 (рис. 15.23) задает программу рабочего цикла. Подача заготовок осуществляется по наклонному лотку, причем заготовки движутся попарно до неподвижного упора 8. Совмещение плоскости стыка с плоскостью расположения электрода, перпендикулярной оси вращения заготовок, осуществ- ляется с помощью шлифовального откидного ножа 7. Во время сборки изделия нож находится в верхнем положении — между центровыми бабками. Поданные в станок полусферы располагаются по обе стороны от ножа и плотно прижи- маются к нему штоками пневмобабок, сначала передней 2, а затем задней 5, и закрепляются пружинящими захватами 3. Шток задней бабки 5 фиксируется Рис. 15.23. Схема автомата для сборки и сварки полых шаров колодочным тормозом 6. После этого передняя бабка смещается назад на 2 мм, освобождая зажатый нож, который отбрасывается в нижнее положение. Затем передняя бабка с защемленной в ней полусферой подается до плотного сопри- косновения со второй полусферой. Благодаря наличию тормоза и откидного ножа торец полусферы, защемленный в задней бабке, располагается точно в плоскости электрода сварочной головки 4 независимо от неточностей разме- ров самого изделия. По окончании сварки шар по наклонному желобу выкаты- вается наружу, по пути включая механизм загрузки. Сосуды со стенками средней толщины (до 40 мм) из низ- коуглеродистых и низколегированных сталей изготовляют преиму- щественно с помощью автоматической сварки под флюсом. Сосу- ды, работающие в агрессивных средах, изготовляют из хромонике- левых и хромистых сталей, цветных металлов и их сплавов авто- матической сваркой под флюсом, а также аргонодуговой сваркой. В целях экономии дорогостоящих и дефицитных материалов часто применяют двухслойные листы. Цилиндрические сосуды обычно собирают из нескольких обе- чаек и двух полусферических или эллиптических днищ. Обечайки вальцуют из одиночного листа или из сварной карты при распо- ложении швов вдоль образующей. Днища либо сваривают из от- дельных штампованных лепестков, либо штампуют целиком из ли- 126
ста или из сварной заготовки. Сборку и сварку цилиндрической! части сосуда производят на роликовом стенде. Продольный стык обечайки собирают на прихватках с помощью простейших стяж- ных приспособлений. Сборка кольцевого стыка между обечайками является более трудоемкой операцией. Для ее механизации роли- ковый стенд можно оборудовать установленной на тележке 5 ско- бой 1 (рис. 15.24). Тележка передвигается вдоль стенда по рель- совому пути 7. Настройка скобы в вертикальной плоскости осуще- ствляется тягой 4. Последовательность операций при сборке в этом Рис. 15.24. Установка для механизированной сборки кольцевых сты- ков цилиндрических сосудов случае такова. На роликовый стенд 6 краном подают две обечай- ки. Скобу продвигают так, чтобы опора 13 гидроцилиндра 10 оказалась в плоскости собираемого стыка, и закрепляют на пер- вой обечайке включением гидроцилиндра 11. После того как тор- цовый гидроцилиндр 2, придвигая вторую обечайку к первой, уста- новит требуемый зазор в стыке, гидроцилиндром 10 выравнивают кромки и ставят прихватку. Поворот собираемых обечаек на не- который угол для постановки других прихваток требует не только отвода прижимов гидроцилиндров 10 и 11, но и опор 12 и 13. По- следнее осуществляется путем небольшого поворота скобы 1 во- круг оси 3 под действием штока поршня гидроцилиндра 10. Шток 9 при движении вниз, встре- тив неподвижную регулируемую опору 8 поднимает цилиндр, пово- рачивая скобу /. Сварка продольных и кольцевых швов сосудов со средней толщиной стенки выполняется, как правило, с двух сторон. Выполнение первого Направление вращения изделия Рис. 15.25. Схема флюсоременной подушки для сварки кольцейых швов слоя на весу требует тщательной сборки и ограничения размера за- зора по всей длине шва. Поэтому 127
роликовые стенды обычно оборудуют флюсовыми подушками, по- зволяющими производить сварку первого слоя шва без жесткого ограничения зазора в стыке. Флюсовая подушка для продольных швов представляет собой жесткий короб, закрепленный на тележке. Пневмоцилиндры поднимают короб до упора в изделие. Плотное прижатие флюса к стыку создается подачей сжатого воздуха в шланг. Поджатие флюса при сварке кольцевых швов может осуще- ствляться с помощью подушки ременного типа (рис. 15.25). Движе- ние ремня и подача флюса к месту горения дуги происходит вследст- вие сил трения. Другая конструкция флюсовой подушки для коль- Рис. 15.26. Флюсовая подушка с эластичным лотком для сварки кольцевых швов цевых швов представлена на рис. 15.26. При подаче воздуха в пневмоцилиндр 4 диск флюсовой подушки 2 поднимается до упо- ра в изделие, а сам цилиндр благодаря пружинной подвеске опу- скается и упирается траверсой 7 в рельсы, фиксируя положение тележки /. При вращении изделие увлекает за собой диск 2 с ло- жементом 5 и, поворачивая его вокруг наклонной оси 3, прижи- мает резиновую камеру 6 с флюсом к стыку. Первый слой выполняют изнутри обечайки, а второй сваривают снаружи по ранее уложенному первому с полным проплавлением всей толщины стенки. При толщине стенки сосуда более 25 мм автоматическая сварка под флюсом обычно выполняется в не- сколько слоев. При серийном изготовлении сосудов днища часто выполняют штамповкой целиком, причем листовая заготовка может быть свар- ной. В мелкосерийном и индивидуальном производстве днища обычно собирают и сваривают из отдельных штампованных эле- ментов. В некоторых случаях емкости имеют эллиптическую или оваль- ную форму поперечного сечения (бензовозы, автоцистерны для пе- ревозки молока и т. п.). При автоматической сварке под флюсом стыков обечаек с днищами вращение сосуда необходимо осуществ- ив
лить так, чтобы скорость сварки была постоянной и в зоне дуги шов располагался горизонтально. Станок, схема которого показана на рис. 15.27, удовлетворяет этим требованиям. Копирный диск 8 имеет две беговые дорожки: наружную, по которой катится веду- щий ролик приводного механизма 4, и внутреннюю — для опорно- го холостого ролика 6. Под действием пружинящего упора 7 ко- пирный диск 8 оказывается зажатым между ведущим и опорным Рис. 15.27. Схема станка для автоматической сварки овальных сосудов роликами, а его крайние положения ограничиваются холостыми роликами 5. Наружная беговая дорожка копирного диска 8 пред- ставляет собой овал, как у изделия. Цистерна, предварительно со- бранная на прихватках, подается на станок тележкой по рельсам 3 и закрепляется в плавающей скобе 9 зажимным центрирующим приспособлением 2, жестко связанным с копирным диском. Вес изделия уравновешивается противовесом 1 с помощью подвижных рычагов 10. Наличие двух сварочных головок позволяет одновре- менно выполнять сварку обоих швов. В серийном производстве сосудов используют поточные методы производства. Примером может служить изготовление железнодо- рожных цистерн на Ждановском заводе тяжелого машинострое- ния. Цилиндрическую часть котла цистерны составляют из нескольких листов длиной 9280 мм. Листы с механически обработанными кромками раскладывают на сборочном стенде, а стыковые швы полотнища собирают на прихватках с постановкой заходных и выходных планок. Собранное полотнище приподни- мают системой роликов, передают на сварочный стенд и собранными стыками укладывают на флюсовые подушки. Кромки прижимают пневмоцилиндрами, рас- положенными на поперечных балках-порталах. Этн же балки служат направ- ляющими для сварочных головок, производящих одновременную сварку всех швов полотнища. После сварки с одной стороны кантователь переворачивает полотнище, а на второй сварочной установке одновременно сваривают все стыки с другой стороны. Далее полотнище рольгангом подают в гибочные вальцы, 9—201 129
где вальцуют вдоль швов в обечайку без предварительной подгибки кромок. После сборки и двусторонней сварки продольного стыка обечайку калибруют в гибочных вальцах, а затем устанавливают на роликовый конвейер, связываю- щий ряд рабочих мест. На каждом рабочем месте обечайка с помощью подъем- ных поперечных роликовых опор поднимается над роликами конвейера и может поворачиваться ими в соответствии с технологическим процессом. По завер- шении операции обечайка опускается на роликовый конвейер и перемещается им на следующее рабочее место. На первой позиции производят подготовку обечайки под сборку с днищем: зачищают места прихватки технологических планок, вырезают и зачищают отверстия люков, сливного прибора и предохранительного клапана. На втором рабочем месте осуществляют сборку обечайки со штампованны- оборудованных 26 радиальными ми днищами с помощью двух центраторов, пневмоцилиндрами (рис. 15.28). Внутрь цен- траторов обечайка заводится рольгангом. Дни- ща поступают на сборку после обрезки кро- мок. С помощью специального захвата днище в вертикальном положении краном подводят к обечайке, расположенной в центраторе, и первоначально закрепляют винтовыми торцо- выми прижимами. Затем посекционным вклю- чением радиальных пневмоцилиндров произ- водят выравнивание кромок кольцевого стыка и его прихватку. Следующее рабочее место — стенд для внутренних коль* флюсоременными цилиндрической стенде для свар- Рис. 15.29. одновременной сварки двух цевых швов, оборудованный подушками. Изготовление части котла завершается на ки наружных швов. При изготовлении Свальцованная обечайка с одним продольным стыком сосудов (свыше При изготовлении толстостенных 40 мм) широко используют электрошлаковую сварку, обеспечива- ющую надежное проплавление всего сечения за один проход. Про- дольные швы толстостенных обечаек, как правило, выполняют электрошлаковой сваркой. В зависимости от размеров сосуда лис- товую заготовку гнут в нагретом состоянии вдоль длинной или вдоль короткой кромки листа. В первом случае обечайка получа- ется длинной и меньше число кольцевых швов в сосуде. Однако для сосудов большого диаметра длина короткой кромки листа мо- жет оказаться недостаточной, тогда обечайку составляют из двух корыт с двумя продольными швами. Во втором случае обечайка получается более короткой, но с одним продольным швом. Второй прием представляется менее целесообразным, так как кольцевые швы более трудоемки по сравнению с продольными. Обечайку с одним продольным швом можно получить вальцовкой. Лист по- сле обрезки нагревают до 1000—1050°С и вальцуют до замыкания стыка, оставляя недовальцованными плоские участки шириной 100—150 мм (рис. 15.29). После остывания обечайки стык закреп- ляют приваркой скоб 1 и тепловой резкой вырезают зазор 2 под электрошлаковую сварку. Методом вальцовки трудно получить обечайки длиной более 3500 мм и толщиной стенок более 100 мм. Гибка на мощном прес- се таких ограничений не имеет, особенно если обечайка образуется из двух корыт. Сборку обечайки под электрошлаковую сварку в этом случае (рис. 15.30) выполняют с помощью скоб, постоянст- 9* 131
ва зазора в стыке достигают постановкой прокладок, удаляемых перед сваркой. После приварки выходных планок и кармана для наведения шлаковой ванны собранную под сварку обечайку уста- навливают вертикально. Если обечайка имеет два продольных Рис. 15.30. Сборка обечайки с двумя продольными стыками шва, их целесообразно выполнять одновременно двумя сварочными ап- паратами. При сварке гнутых под прессом корыт обечайка получается достаточ- но правильной цилиндрической формы и последующая калибровка необяза- тельна. Напротив, обечайки, получае- мые вальцовкой, требуют,, как прави- ло, правки. Калибровку производят при температуре 1000—1050°С, и при охлаждении обечайки на воздухе она одновременно проходит процесс нор- мализации. Кольцевые швы выполняют мно- гослойными сваркой под флюсом или электрошлаковой сваркой в один проход. Полное проплавление при многослойной сварке обеспечивают укладкой в разделку нескольких подварочных сло- ев 1 с внешней стороны (рис. 15.31), зачисткой корня шва с по- мощью пневматического зубила или резака и наложением вну- треннего подварочного шва 2. После этого производят многослой- ное заполнение внешней разделки 3. Сборка кольцевого шва под электрошлаковую сварку должна быть достаточно точной, так как местная депланация криволиней- ных кромок свыше 3 мм мо- жет привести к нарушению уплотнения и вытеканию шлаковой ванны. Поэтому перед сборкой обычно внеш- нюю и внутреннюю поверх- ности каждой из обечаек протачивают на ширину 70—100 мм от торца (рис. 15.32). Так же осуществля- ют подготовку стыка обе- чайки с днищем. Собирают Рис. 15.31. Форма разделки кольцевого стыка под многослойную сварку стыке помощью планок, которые устанавливают «на ребро» поперек кольцевого шва и приваривают к поверхности обечаек. Если в ка- честве внутреннего формирующего устройства используют медные охлаждаемые подкладки, изогнутые по радиусу свариваемого из- делия, то внутри обечайки дополнительно устанавливают скобы временного крепления. Подкладки 1 (рис. 15.33) заводят в отвер- стия скоб 2 и закрепляют клиньями 3 или винтовыми прижимами. Электрошлаковую сварку кольцевого шва начинают иа вспо- могательной пластинке, вваренной в зазоре стыка (рис. 15.34,а). 132
После заварки примерно половины окружности стыка (рис. 15.34,6) сварщик резаком удаляет из зазора начало шва до пол- ного устранения непровара и придает торцу шва наклонный срез, облегчающий выполнение замыкания шва (замка) (рис. 15.34,в). Усадочную раковину либо выводят в специальный прилив в на- ружном ползуне или в медный кокиль, либо выплавляют и зава- ривают вручную. Перспективной является однопроходная сварка толстостенных сосудов электронным лучом в вакууме. Экспериментально показа- но, что при использовании сварки горизонтальным лучом можно Рис. 15.32. Обра- ботка торцов обе- чайки Рис. 15.33. Кольцевой стык, собранный под электрошлаковую сварку выполнить продольные и кольцевые швы металла толщиной 250 мм и более при скорости сварки 2,5—5 м/ч. Однако для производст- венного применения этого перспективного метода еще требуется отработка ряда технологических вопросов, а также создание ва- куумных камер больших размеров. По завершении сварки корпуса сосуда вырезку отверстий для вварных штуцеров производят или механическим путем, или те- пловой резкой. Особенно большой объем таких работ выполняется при изготовлении барабанов котлов и коллекторов. Чтобы сокра- тить подгоночные работы на монтаже при сборке коллекторов и Рис. 15 34. Схема электрошлаковой сварки кольцевых швов 133
барабанов с блоками экранных труб, к точности установки штуце- ров предъявляют жесткие требования. Приварку большого числа штуцеров необходимо автоматизировать. Применяемые для этой цели специализированные автоматы и полуавтоматы обычно цен- трируются по верхней части ввариваемого штуцера. Рис. 15.35. Конструкция штуцерного соединения: а — до снарки; б — после сварки Варианты конструктивного оформления соединений штуце- ров с оболочками большой тол- щины разнообразны. Наиболее целесообразны те, которые позво- ляют получить надежное про- плавление всей стенки штуцера, исключая возможность образо- Рис. 15.36. Соединение штуцера с оболочкой с последующим удалени- ем корня шва высверловкой вання и роста трещины от не- провара. Для этой цели мож- но использовать формующую подкладку, удаляемую после сварки (рис. 15.35). Другой ва- риант соединения показан на рис. 15.36. В оболочке 2 в центре установки трубчатого переходни- ка сверлят центровочное отвер- стие d, в которое вставляют заго- товку 1 переходника с разделкой кромок под сварку. После сварки просверливают отверстия диаме- тром D (рис. 15.36,а).Окончатель- но соединение имеет вид, пока- занный на рис. 15.36,6. В нем присутствует концентрация напря- жений вследствие резких изменений сечения на внешней поверх- ности трубы и оболочки, но качество поверхности металла во внутренней полости хорошее. При изготовлении барабанов котлов, сосудов высокого давле- ния и реакторов большое значение имеет термообработка. Полно- стью сваренный сосуд обычно подвергают высокому отпуску, одна- ко иногда требуется нормализация для улучшения структуры зоны шва. В этом случае возникает опасность, что при нагреве до высо- ких температур (900—1000°С) могут возникнуть деформации от собственного веса, искажающие форму сосуда. Предотвратить эти деформации можно предварительной герметизацией готового со- суда и созданием в нем избыточного внутреннего давления угле- кислого газа 0,2—0,3 МПа. Это не только сохраняет форму сосу- да, по и предотвращает образование окалины на его внутренней поверхности. Для термообработки обычно используют печи боль- шого размера. Если сосуд не может быть подвергнут термообработ- ке целиком из-за отсутствия печи требуемого размера или из-за необходимости выполнения монтажных стыков, то применяют ме- стную или общую термообработку с использованием индукцион- ных или иных нагревателей. 134
С ростом размеров сосудов и внутреннего давления требуемая толщина стенки достигает 200—400 мм. Наряду с технологически- ми трудностями изготовления столь толстостенных монолитных обечаек возрастает опасность их хрупкого разрушения. Поэтому такие сосуды изготовляют многослойными. Имеется три ос- новных метода получения обечаек многослойных сосудов. По пер- вому из них предварительно собирают и сваривают продольными швами обечайки разного диаметра с толщиной стенки 20—50 мм. После зачистки усиления швов и калибровки обечайки последова- тельно надевают одну на другую до получения требуемой суммар- Рис. 15.37. Конструкция многослойного сосуда высокого давления: 1,3 — наплавка на кромку; 3 — многослойный кольцевой шов; 4 — клиновид- ные вставки; 5 — облицовочная обечайка; 6 — спиральные слои; 7 — централь- ная обечайка ной толщины. Для осуществления натяга между слоями насажи- ваемая обечайка перед посадкой нагревается до 600°С, что обес- печивает соприкосновение до 95% сопрягаемой поверхности. Вто- рой способ состоит в том, что на внутреннюю обечайку—трубу тол- щиной 10—40 мм — последовательно накладывают полуобечайки толщиной 5—8 мм, обтягивают с помощью гидравлических устройств и сваривают двумя продольными швами между собой. После зачистки швов последовательно накладывают следующие полуобечайки до нужной толщины. В технологическом отношении наиболее целесообразным является изготовление многослойных 135
обечаек по третьему способу намоткой на основную обечайку тол- щиной 20—40 мм нескольких слоев рулонной стали толщиной 4— 8 мм, как показано на рис. 15.37. В зависимости от рабочей среды центральная обечайка может быть двухслойной или из коррозион- но-стойкой стали, а слои наружной части корпуса — из низколеги- рованной стали. В настоящее время на Уралхиммаше работает технологическая линия для изготовления многослойных рулонированных обечаек диаметром до 5 м. Линия состоит из разматывателя рулона, пода- ющих вальцов правильной машины, машины для обрезки и сварки концов полосы, отклоняющих валков и машины для намотки обе- чаек. Торцы многослойной обечайки протачивают и на них наплав- ляют слой металла толщиной не менее 10 мм, который механиче- ски обрабатывают для получения требуемой формы разделки кро- мок (рис. 15.37). Кольцевые швы между обечайками, а также меж- ду обечайкой и днищем или фланцем выполняют многослойными. Кромки монолитных днищ и фланцев из сталей 22ХЗМ или 20Х2МА также подвергают предварительной наплавке с целью исключения необходимости термической обработки после сварки кольцевых швов. Сварочные напряжения в этих швах в значитель- ной степени снимаются при обязательном приемочном испытании готового сосуда в результате нагружения внутренним давлением, превышающим рабочее. § 3. Изготовление сварных труб На изготовление труб расходуют около 10% всего мирового производства стали, причем доля выпуска сварных труб состав- ляет более половины всего производства и продолжает возрастать. Трубы большого диаметра (более 500 мм) выпускаются только сварными. Серийный характер производства, большая протяжен- ность швов и сравнительно простая форма изделия позволяют эф- фективно использовать прогрессивные методы сварки с весьма вы- сокими скоростями и полностью механизировать весь процесс из- готовления труб. Быстрое развитие трубопроводного транспорта требует резкого увеличения производства труб больших диаметров из низколеги- рованных сталей. В отличие от практики США, где сеть трубопро- водов сооружена в основном из труб небольшого диаметра, в СССР главным направлением является укладка газопроводов диаметром 1420 мм с рабочим давлением 7,5 МПа. Трубы для магистральных трубопроводов выполняют дуговой сваркой под флюсом. Шов располагают либо по образующей, либо по спирали. Из-за ограниченной ширины листов прямошовные трубы диаметром до 820 мм сваривают одним продольным швом, при большем диаметре — двумя. За рубежом используют листы большей ширины, что позволяет выпускать трубы диаметром 1420 мм с одним швом. 136
Челябинский трубопрокатный завод выпускает прямошовные трубы длиной 12 м и диаметром до 1220 мм. Сварку выполняют с двух сторон, причем наружный шов укладывают первым на стане проходного типа. Перед станом подъемными кантующими ролика- ми заготовку 2 устанавливают разъемом вверх, по оси направляю- щего ножа 1 (рис. 15.38). Проходя стан, трубная заготовка 2 на- двигается на оправку 5, подвешенную к направляющему ножу и опирающуюся роликами на внутреннюю поверхность трубы. Дви- жение трубы обеспечивается приводными горизонтальными валка- ми стана, причем щель между кромками по мере продвижения за- Рис. 15.38 Схема сварки наружного шва трубы на стане проходного типа готовки сужается вследствие бокового давления вертикальных не- приводных валков и в зоне сварки 3 зазор отсутствует. Вытекание сварочной ванны предотвращают установленным на раме оправки гусеничным башмаком 4 — замкнутой лентой из шарнирно скреп- ленных пластин с медными накладками. Движение трубы увлекает ленту, и под сварочной ванной всегда находится свежая пластина, охлажденная сжатым воздухом. Сварку под флюсом производят двумя дугами, горящими в одной сварочной ванне, что обеспечи- вает хорошее формирование шва при скорости сварки 170—190 м/ч и толщине стенок 12 мм. Для уменьшения размера кратера конце- вые участки швов длиной 150—220 мм выполняют одной дугой при одновременном снижении скорости сварки. Потери на обрезку кон- цов труб в этом случае невелики. К установке для сварки внутрен- него шва труба поступает по рольгангу и подается внутрь подвиж- ных люлек, поднимающих и поворачивающих трубу швом вниз. Люльки смонтированы на подвижной тележке, с помощью которой труба надвигается на сварочную головку, прикрепленную к штанге длиной 12 м. Трубы с двумя продольными швами собирают из двух предва- рительно отформованных корыт, подаваемых укладчиком на две параллельные нитки входных рольгангов сборочного устройства. Кромки заготовок выравнивающим приспособлением устанавлива- ются в одной горизонтальной плоскости, и в таком положении корыта рольгангами подаются в раскрытое сборочное устройство (рис. 15.39,а). Штоки пневмоцилиндров 1 (рис. 15.39,6), поворачи- вая рычаги 2, устанавливают заготовки в исходное для подачи в сварочный стан положение. Зазор между заготовками задается деталями 3 и 4. Подача собранной трубы в сварочный стан осуще- ствляется упором 6 цепного заталкивателя 5 со скоростью, не- 137
сколько превышающей скорость сварки, чтобы догнать предыду- щую трубу (рис. 15.39,в). При этом направляющий нож стана по- падает в зазор между верхними кромками корыт, направляя стык к сварочной головке. Когда труба захватывается горизонтальными приводными валками сварочного стана, цепной заталкиватель вы- ключается и возвращается в исходное положение. Сваренная пер- вым наружным швом заготовка поворачивается разъемом вверх и по рольгангу поступает на стан для сварки второго наружного шва. Затем последовательно, аналогично одношовным трубам, вы- полняются и оба внутренних шва. После контроля и устранения дефектов трубы с прямым швом подвергают правке для обеспече- Рис. 15.39. Устройство для сборки трубы из двух корыт ния требуемой формы поперечного сечения и допуска на диаметр. Для этого на длине 300 мм снимают внутреннее усиление шва и осуществляют раздачу в пресс-расширителе (эспандере). Для это- го трубу заключают в толстостенную матрицу, в нее вводят конус- ные заглушки, уплотняющие и калибрующие ее концы. Внутренним гидравлическим давлением диаметр трубы увеличивается на 1,0— 1,2%, чем достигается правка трубы по всей длине и калибровка ее по диаметру. Затем давление снижают до испытательного уров- ня и дают выдержку около 30 с с одновременным разовым обсту- киванием трубы молотками, закрепленными на траверсе. Технология изготовления 12-метровых прямошовных труб диаметром 1220— 1620 мм на Харцызском трубном заводе отличается последовательностью вы- полнения швов, приемами формовки и калибровки труб, а также организацией контроля качества. Листы после выборочного ультразвукового контроля и прав- ки подбираются по длине в специальной установке (рис. 15.40). На входном рольганге листы автоматически измеряются по длине, результаты измерений поступают в память ЭВМ, а листы передней тележкой кантуются на ребро и устанавливаются в карманы накопителя. После заполнения накопителя очеред- 138
ной лист проходит по рольгангу без остановки и вслед за ним из накопителя задней тележкой по команде ЭВМ выдается лист, близкий ему по длине. За- тем листы центрируются и проходят через станок для обработки кромок, сня- тия фасок и нанесения риски, используемой при автоматическом направлении электрода по стыку. Формовка полуцилиндрических заготовок происходит в роликах семиклетье- вого стана, откуда они попарно поступают на сборку и прихватку технологиче- скими швами, выполняемыми либо токами высокой частоты, либо в среде СОг в одном из двух агрегатов, установленных параллельно друг другу. Рис. 15.40. Автоматическая установка для подбора парных листов по длине После визуального контроля технологических швов и приварки технологи- ческих планок трубы поступают на сварку внутренних рабочих швов. Сварку осуществляют трехдуговым аппаратом A-I448, слежение за направлением элек- тродов по стыку производится автоматически или визуально путем совмещения вертикальной линии «креста» на экране телевизора с риской на внутренней поверхности трубы. Станы для выполнения наружных рабочих швов отличаются только расположением сварочного аппарата, за положением электродов отно- сительно стыка сварщик следит с помощью светоуказателя. Все предварительно охлажденные водой трубы проходят ультразвуковой контроль наружных и внутренних рабочих швов с отметкой дефектных мест краской. При наличии дефектных отметок труба направляется на рентгенотеле- визионную установку для расшифровки. Калибровку осуществляют гидромеха- ническим эспандером. Для этого трубу шагами надвигают на калибровочную головку эспандера, обеспечивая механическую раздачу каждого участка трубы до заданного диаметра. Откалиброванные трубы проходят гидроислытание вну- тренним давлением, а затем контролируются повторно ультразвуком с целью выявления дефектов, появившихся в процессе калибровки и гидроиспытания. Рис. 15.41. Схема технологического процесса производства спиральношовных труб Сборка и сварка рулонной стали спиральным швом по- зволяют получить любой диаметр трубы независимо от ширины по- лосы. При использовании этого метода процесс изготовления идет непрерывно, обеспечивая требуемую точность размера и формы 139
трубы без последующей калибровки. На рис. 15.41 показана схема стана Ждановского завода им. Ильича. Полоса из рулона 1 прохо- дит правильные вальцы 2 и накапливается в компенсационной пет- ле 5, обеспечивая непрерывность выполнения спирального шва при обрезке концов полос гильотинными ножницами 3 и сборке и свар- ке их стыка на установке 4. После компенсационной петли лента двигается со сварочной скоростью, определяемой вращением тол- кающих валиков 7. С помощью парных дисковых ножей 6 обреза- ют продольные кромки под сварку. Настройку стана на требуемый \/Ц1 1 Рис. 15.42. Схема летучего агрегата для сборки и сварки кон- цов рулонов диаметр трубы производят разворотом формочной машины и вы- ходного моста, перемещая их на катках по криволинейным рельсо- вым путям. Сворачивание в трубу осуществляют заталкиванием полосы в формовочное устройство 9. Спиральный шов выполняется сваркой под флюсом тремя сварочными головками. Две из них крепятся на общей штанге 8, вводимой внутрь трубы, третья го- ловка 10 расположена снаружи. Первый внутренний шов, привари- вающий кромку полосы к сформованной трубе, имеет малую площадь сечения и является технологическим. Его назначение — устранить возможность взаимного перемещения кромок и предот- вратить вытекание сварочной ванны при сварке наружного рабоче- го шва. Внутренний рабочий шов варит двухэлектродпая головка, обеспечивая хорошее формирование и полный переплав технологи- ческого шва. Такая технология позволяет гарантировать отсутст- вие кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей со скоростью до НО м/ч. Выходящая из стана непрерывная труба летучим устройством 11 разрезается на трубы мерной длины. Процесс изготовления спиральношовных труб большого диаме- тра 530—1420 мм на станах Волжского трубного завода является более совершенным. Наличие летучего агрегата, обеспечивающего механизацию обрезки, сборки и сварки концов полос, позволило обойтись без компенсационной петли. 140
Конец полосы 1 и начало полосы 2 последовательно проходят обрезку на ножницах / (рис. 15.42,а) и закрепляются прижимами калибровочных нож- ниц II. После выполнения одновременного калибровочного реза концов обеих полос передвижением суппорта III до упора (рис. 15.42,6) задняя кромка по- лосы 1 устанавливается по оси канавки подкладки сварочной установки. Соот- ветственно перемещением до упора гильотинных ножниц / передняя кромка полосы 2 подается в сварочную установку. При этом обеспечивается требуемый зазор в стыке. Концы полос зажимаются и свариваются. При выполнении всех этих операций агрегат движется вместе с полосой, а затем отпускает ее и воз- вращается в исходное положение. Рис. 15.43. Схема расположения оборудования на участке формовки, сборки и сварки трубы Общая схема расположения оборудования на участке формовки, сборки и сварки трубы показана на рис. 15.43. После обрезки продольных кромок дис- ковыми ножами 1 полоса центрируется роликами 4 и калибруется по ширине под сварку фрезами 2 с удалением стружки обдувкой воздухом из сопла 3. Заталкивающие валки 5 подают полосу в формующее устройство 6 с обоймами роликов, работающих по схеме трехвалковых гибочных вальцов, что обеспечи- вает правильную форму трубы и ее сборку с плоской полосой без смещения кромок. Однако смещение отсутствует только в том случае, если кромки стыка собираются с зазором, обеспечивающим свободу перемещения каждой из них. Для качественного выполнения шва также желателен зазор, но при условии жесткого допуска на его размер, который фиксируется специальным датчиком в виде роликов, перекатывающихся по стыкуемым кромкам. В случае отклоне- ния от заданного допуска автоматически включается механизм перемещения люнета 7, задающего поворот вокруг оси 8 всего устройства, поддерживаю- щего сформованную часть трубы. Датчик положения кромок одновременно используют для направления по шву сварочной головки, накладывающей тех- нологический прихваточный шов. Рабочие швы выполняются при визуальной коррекции направления сварочных головок по стыку. В процессе выполнения спирального шва осуществляется непрерывный ультразвуковой контроль. Места обнаруженных дефектов автоматически маркируются краской. Увеличение диаметра труб, используемых при укладке магист- ральных трубопроводов, требует увеличения толщины стенки. Тол- щина полос рулонной стали обычно не превышает 14 мм. Поэтому спиральношовные трубы диаметром 1420 мм и более изготовляют либо из отдельных листов, либо в два слоя из рулонной стали. 141
Непрерывный процесс изготовления спиральношовных труб диаметром до 2520 мм из отдельных листов осуществляют на спе- циальном стане Волжского трубного завода. Листы по одному по- даются на рольганг листоукладчиком, центрируются и поступают на участок фрезеровки торцов (рис. 15.44), где каждая пара кро- мок, подлежащих стыковке, обрабатывается одновременно. Кромки фиксируются откидными упорами 1 и зажимами 2 и обрабатыва- Рис. 15.44. Схема участка фрезеровки кромок ются фрезами 3. Затем листы подаются к неподвижной сварочной установке (рис. 15.45), где производятся сборка и сварка стыка между ними на медной подкладке под флюсом с постановкой за- ходных технологических планок. После этого карта из двух листов рольгангом подается на летучую сварочную установку (рис. 15.46), Рис. 15.45. Схема сварки двух листов Рис. 15.46. Схема приварки карты к непрерывной ленте предназначенную для сборки и сварки стыков между картой и кон цом непрерывной полосы. В процессе выполнения операции летучая установка движется вместе с концом полосы, причем секции под- держивающего полосу рольганга автоматически опрокидываются, пропуская ее, и поднимаются вновь для поддержания приваривае- мой карты. Затем специальный механизм отламывает технологиче- ские планки и непрерывная полоса проходит тс же операции обра- ботки продольных кромок под сварку, формовки трубы, двусторон- ней сварки спирального шва, его контроля и резки на мерные ча- сти, которые были рассмотрены ранее. 142
Для изготовления спирально- шовных труб в два слоя предназна- чен стан Новомосковского трубного завода, схема которого показана нг рис. 15.47,а. Две последовательно расположенные линии подготовки полосовой рулонной стали отлича- ются только расположением скоса кромок (верхние и нижние) под спиральные швы, а также различи- ем в технологии выполнения попе- речных стыков полос из-за необхо- димости плотного прилегания слоев друг к другу и возможности под- варки стыка наружного слоя для образования трубы. Так, в линии, формирующей наружный слой тру- бы, необходимо удалять усиление шва, тогда как провар всей толщи- ны не обязателен. Напротив, во второй линии проплавление всей толщины необходимо, а удалять усиление шва не требуется. После компенсационной петли обе поло- сы заталкиваются в формующее устройство таким образом, чтобы спиральные стыки наружного и вну- треннего слоев оказались сдвинуты- ми на шаг, равный 100 мм; каж- дый из швов выполняется как бы на подкладке (рис. 15.47,а). Сварка их на стане осуществляется техно- логическими швами в среде СО2. Рабочие швы выполняют после разрезки непрерывной трубы на от- дельном рабочем месте (рис. 15.47,6) под флюсом двумя дугами с полным переплавом технологиче- ских швов. Затем у каждого конца трубы накладывают кольцевой шов, устраняющий зазор между слоями с последующей обработкой торца и снятием фаски кромки трубы (рис. 15.47,в). При изготовлении сварных труб малых и средних диаметров исполь- зуют непрерывные процесы. Из ру- лона лента разматывается, нара- щивается, формуется и, проходя Рис. 15.47. Схема изготовления двухслойных труб со спиральным швом: схема линии стана: б — схема выполнения рабочих швов; в — устранение зазоров между слоями по концам трубы 143
Рис. 15.48. Схема непрерывной печной сварки труб сварочный узел, сваривается тем или иным способом. Наиболее часто применяется сварка печная, токами высокой частоты и арго- нодуговая. Особенно производительно изготовляют из низкоуглеродистой стали водогазопроводные трубы диаметром 6—114 мм печной свар- кой. Заготовкой служит горя- чекатаный штрипс в рулонах. По выходе штрипса из нагре- вательной печи (рис. 15.48) его кромки 1 обдуваются воз- духом из сопл 2 для удаления окалины и повышения темпе- ратуры. В первой паре роли- ков 3 штрипс формуется, а во второй паре 4 — сворачивает- ся и сваривается, причем об- дув из сопла 5 повышает тем- пературу до 1500—1520°С. Скорость сварки достигает 300 м/мин, причем производительность процесса может быть зна- чительно повышена, если в состав агрегата печной сварки входит редукционный стан, работающий с натяжением. В этом случае скорость выхода трубы из стана можно повысить до 420— 1200 м/мин. У В последние годы для изготовления труб диаметром от 8 до стенки 0,3—10 мм все шире исполь- частоты. По сравнению с 529 мм и более с толщиной зуют сварку токами высокой сваркой сопротивлением на токах промышленной часто- ты высокочастотная сварка обеспечивает значительно более высокие скорости сварки (до 120 м/мин),воз- можность изготовления труб из сталей, цветных метал- лов и сплавов, использова- ние горячекатаной нетрав- леной ленты, значительное уменьшение расхода элек- троэнергии на производство 1 т готовых труб. Кроме того, при высокочастотной сварке одно и то же оборудование мож- но использовать для изготовления труб из разных материалов. При контактном подводе тока (рис. 15.49,а) необходимость сме- ны контактов / вследствие их износа заставляет периодически останавливать стан. Более перспективен индукционный подвод энергии кольцевым индуктором 2 (рис. 15.49,6). В этом случае для уменьшения потерь энергии в результате прохождения тока по те- лу заготовки внутрь трубы 1 вводят магнитный сердечник 3, ко- 144 контактной Место Рис. 15.49. Схема контактной сварки труб током высокой частоты: а — при контактном подводе тока; б —при ин- дукционном подводе тока ' Путь тока
торый изменяет сопротивление так, что почти весь сварочный ток 4 направляется по свариваемым кромкам. Дуговую сварку в инертном газе вольфрамовым электродом применяют для изготовления прямошовных труб диаметром 6— 426 мм с толщиной стенки 0,2—5 мм и специальных труб со спи- ральным швом диаметром до 10 мм. Материалы труб раз- нообразны, однако скорость сварки невелика (до 1,5— 2 м/мин). Своеобразно изготовление плоскосворачиваемых труб, нашедших применение при прокладке промысловых и га- зосборных трубопроводов. Схема изготовления таких труб показана на рис. 15.50,а. Две стальные ленты / накла- 2000 мм и толщиной стенки до дываются одна на другую и свариваются двумя продоль- ными швами на контактной машине 2 для шэвной сварки. По мере сварки трубная заго- товка проходит правильное устройство 3 и свертывается в рулон 4. Контроль плотно- сти швов готовой свернутой в рулон трубы производится присоединением к одному из концов трубы сети сжатого воздуха. Рулон закрепляют в жесткой обойме, Рис. 15.50. Плоскосворачиваемые трубы: а — схема изготовления: б — вид трубы до и после раздутия его разворачивание предотвращающей или раздутие трубы. Показание манометра, присоединяемого к другому, предварительно заглушенному концу трубы, позволяет установить наличие неплотностей. Такие трубы могут иметь тол- щину стенок до 4 мм, диаметр до 300—400 мм и длину до 250— 300 м. На месте укладки трубопровода рулон разматывают и тру- бу раздувают (рис. 15.50,6). Отдельные плети соединяют друг с другом либо сваркой плоских концов труб до их раздутия, либо с помощью фланцевых соединений. § 4. Сварка стыков труб и трубопроводов При строительстве магистральных трубопроводов приходится собирать и сваривать миллионы стыков труб большого диаметра. Укладка трубопроводов может быть либо непрерывной, либо сек- ционной. В первом случае производят последовательное наращива- ние, причем все стыки выполняют без вращения труб. Во втором случае первоначально сваривают секции, вращая при этом трубы, а затем на трассе стыки выполняют без вращения. В СССР на ю—201 И5>
Рис. 15.51. Схема внутреннего центра тора строительстве магистральных трубопроводов применяют главным образом секционный способ укладки труб. Трубы длиной 12 м по- ступают на полевые сварочные базы, где их соединяют в секции длиной 24—36 м. Эти секции на специальных автомашинах транс- портируют на трассу и сваривают в плети. Сборка стыков труб является важнейшей операцией, во многом определяющей качество сварки. При сборке необходимо обеспе- чить соосность труб, достаточ- но точное совпадение свари- ваемых кромок и равномер- ный зазор в стыке, позволяю- щий проварить корень шва по всему периметру. Для этой цели применяют центраторы наружные или внутренние. Применение внутренних цен- траторов позволяет механизи- ровать операцию сборки более полно. Кроме того, собранный стык оказывается целиком до- ступным для сварки и корне- вой шов можно выполнить от начала до конца без остано- вок и прихваток. Для внутрен- него центратора используют механизм типа «зонтик» с радиальным приложением сил к кром- кам труб (рис. 15.51). Два ряда 2, 3 центрирующих элементов могут разжиматься независимо, а сжиматься — одновременно. По- следовательное разжатие заднего и переднего рядов центрирующих элементов 2, 3 достигается подачей масла под давлением в поло- сти 8 и 1. При этом движение каждого из конусов 6 и 7 через ролики 5 и жимки 4 передаются башмакам, которые непосредст- венно соприкасаются с поверхностями собираемых труб и обеспечи- вают их центровку. Для освобождения стыка после сборки и при- хватки масло подается в полость 5, обеспечивая одновременный отвод центрирующих элементов обоих рядов. Центратор внутрь трубы обычно вводят с помощью штанги. При использовании цен- тратора в качестве вращателя штангу закрепляют в подшипниках и сообщают ей вращательное движение. При сборке и сварке секций на полевых базах используют ме- ханизированные трубосварочные линии типа МТ Л (рис. 15.52). Трубы с накопителя 2 поочередно манипулятором укладывают на рольганг 3. Сборку выполняют с помощью гидравлического вну- треннего центратора 1, закрепленного штангой и используемого в качестве вращателя. Первая труба рольгангом 3 надвигается на центратор так, чтобы ее торец располагался на расстоянии 15— 20 мм от ряда жимков центратора, которые при разжатии фикси- руют ее в этом положении. Вторая труба подается рольгангом 3 до соприкосновения с первой и фиксируется разжатием второго 146
ряда жимков центратора, чем достигается центровка стыка. Сцен- трированные трубы приподнимаются над роликами продольного перемещения, и при вращении трубы два сварщика одновременно выполняют корневой шов полуавтоматами в среде СО2 или ручной дуговой сваркой. Сваренная первым слоем двухтрубная секция подастся рольгангом вперед, на ее место на центратор надвигается третья труба, и цикл сборки стыка и сварки первого слоя повторя- ется. После этого собранная трехтрубная секция перегружателем передается на промежуточный стеллаж 4, а затем на второй стенд 5, где стыки окончательно сваривают автоматами под флю- сом с помощью торцового вращателя 6. Поворотные стыки труб диаметром стенки до 17 мм необходимо выполнять Торцы труб проходят механиче- скую обработку с одновременным нанесением риски на внутренней поверхности для автоматическо- го направления внутренней сва- 1420 мм с толщиной двусторонней сваркой. Рис. 15.53. Схемы наложения швов Рис. 15.52. Линия МТЛ для на- ружной сварки поворотных сты- ков рочиой головки по стыку. Сборку выполняют с помощью самоход- ного центратора, вращение обеспечивается поворотными роликами стенда. Сначала сваривают наружные швы / и 2, затем внутрен- ний шов 3 (рис. 15.53). Автоматическую сварку внутреннего шва под флюсом выполняет оператор, который наблюдает за процес- сом по приборам. Выполнение неповоротпых стыков магистральных трубопрово- дов большого диаметра весьма трудоемко. Использование трубо- укладчиков и внутренних гидравлических центраторов обеспечи- вает механизацию процесса сборки, однако сварку по-прежнему выполняют, как правило, вручную. Для ускорения темпа укладки трубопроводов процесс сварки расчленяют на ряд последователь- ных операций. При поточно-расчлененном методе одновременно ра- ботают звено сборщиков и несколько звеньев сварщиков. Впереди движется звено сборщиков, собирая стыки с помощью внутреннего центратора. Двигаясь за ними от стыка к стыку, каждое звено сварщиков выполняет свой слой шва, а каждый сварщик — опре- деленный участок этого слоя. 10* 147
QOSll При укладке трубопроводов диа- метром 114—529 мм используют обо- рудование для контактной сварки сты- ков труб с внешним кольцевым транс- форматором (установки ТКУС и ТКУП). Стационарная установка ТКУС имеет неразъемную сборочно- сварочную головку. Передвижная установка ТКУП, используемая для сварки стыков на трассе, имеет разъ- емную сварочную головку, подвеши- ваемую на стреле специального трак- тора. Для контактной сварки стыков труб большого диаметра (720 — 1420 мм) целесообразным оказалось оборудование с внутренним трансфор- матором. В ИЭС им. Е. О. Патона со- здана внутритрубная машина для сборки и сварки неповоротных стыков непосредственно на трассе (рис. 15.54). Механизм передвижения /, гратосни- матель 2 и электродвигатели 3 с на- сосной установкой 4 смонтированы в заднем блоке, соединенном с перед- ней сварочной частью шарниром, за- крытым кожухом 6. Ходовая часть со- стоит из приводных роликов, располо- женных по окружности и прижимае- мых к внутренней поверхности трубы для создания тягового усилия. Под- держивающие ролики 5 равномерно расположены по длине. Маршевая скорость машины составляет 28 м/мин, установочная—1 м/мин. Внутритруб- ный центратор с двумя распорными патронами 7 и 10 создает суммарное радиальное усилие 10—14 МН, что обеспечивает передачу усилия осадки при сварке до 4 МН. Внутренний кольцевой сварочный трансформатор имеет контактные губки 8, 9, закре- пленные в разных патронах центрато- ра. Контактная сварка оплавлением осуществляется автоматически по за- данной программе. Схема сборки не- поворотных стыков на трассе с ис- пользованием описанной внутритруб- ной машины показана на рис. 15.55. Производительность агрегата состав- 148
ляет шесть стыков в час. Широкое использование таких машин, по-видимому, позволит обеспечить комплексную механизацию все- го цикла сборочно-сварочных работ при укладке магистральных трубопроводов большого диаметра. Очень много стыков труб приходится выполнять при сооруже- нии нефтяных, химических и металлургических заводов. Совре- менный нефтеперерабатывающий завод может иметь 500—600 км обвязочных и 1500—1600 км межцеховых трубопроводов. Эти тру- Рис. 15.55. Схема сборки и сварки магистрального трубопровода с помощью внутритрубной машины: 1 — трактор с подъемной стрелой; 2 — внутритрубная сварочная машина; 3— штанга; 4 — трубоукладчик; 5 — передвижная электростанция; б — трактор с подъемником; 7 подвес- ная машина для зачистки внутренних поверхностей труб под контакты; 8 — кабель-удлини- тель; 9 — кабель; 10 — штепсельный разъем; // — индуктор для термообработки стыков бопроводы имеют большое количество вварных деталей. В среднем на 10 м обвязочного трубопровода приходится устанавливать две задвижки, четыре фланца, два угольника, сваривать до десяти стыков, вваривать два штуцера. Часть вварных деталей также из- готовляется с помощью сварки. Межцеховые трубопроводы отли- чаются от обвязочных большим диаметром труб и меныпнм коли- чеством привариваемых деталей. Сборку и сварку большинства стыков заводских трубопроводов обычно выполняют в трубозаготовительных цехах, а на монтаже сваривают только стыки, соединяющие готовые секции или узлы. В условиях цеха трубы со склада направляют в заготовительное отделение, где их обрезают и скашивают кромки. Затем трубы по- дают на сборку, куда поступают и готовые детали (отводы, трой- ники, фланцы, переходы и т. п.). Сборку узлов производят на сто- лах-стендах, оснащенных приспособлениями, позволяющими соби- рать элементы в определенном диапазоне размеров. Разделение элементов на группы по типоразмерам позволяет выделить из технологического процесса значительную часть опера- ций с большими партиями однотипных деталей и организовать производство узлов в специализированных поточных линиях. В таких линиях собирают и сваривают отдельные подузлы, напри- мер трубу с фланцем или угольником, потом эти подузлы, посту- пают на укрупнительную, а затем окончательную сборку готовых 149
узлов. В крупных трубозаготовительных цехах при выпуске боль- ших партий узлов одинаковых размеров используют специализи- рованные установки дуговой автоматической сварки, а также при- меняют контактную сварку стыковых соединений. Неповоротные монтажные стыки труб сваривают вручную или специальными автоматами в среде защитных газов. Использование автоматических головок, обегающих стык, необходимо для выпол- нения труднодоступных швов. При изготовлении монтажных сты- а) Рис. 15.56. Подготовка стыка со вставкой гри- бовидного сечения Рис. 15.57. Типы соединения труб с трубными досками ков ответственных трубопроводов их сборка под сварку автомати- ческой головкой, обегающей стык, выполняется обычно с помощью специального центратора, исключающего необходимость при- хваток. В нефтяной, химической и атомной промышленности применя- ют трубы из специальных сталей, цветных металлов и их сплавов, предназначенные для работы при высоких давлениях и в агрессив- ных средах. Технология сварки таких труб весьма разнообраз- на, но обязательно надежное про- плавление всего сечения. Высокие требования часто предъявляют к состоянию поверхности и очерта- нию сварного шва внутри трубы. Так, в атомной промышленности Рис. 15.59. Приварка ребер к трубам с помощью контактной сварки ТВЧ: / — труба; 2 — ребро; 3 — токоподводя- щие контакты; 4 — путь тока; 5 — при- жимный ролик Рис. 15.58. Вариант выполнения со- единения труб с трубной доской: а — сверление: б — выштамповка отбор- товки; в — сварка 150
при выполнении стыков трубопроводов контактную сварку не при- меняют из-за необходимости тщательного удаления грата. В этом случае основным методом является аргонодуговая сварка без при- садки, а если трудно собрать стык без зазора, то с присадкой в V-образную разделку. Для обеспечения надежного проплавления и хорошего форми- рования проплава при выполнении первого слоя часто используют специальное расплавляющееся кольцо грибовидного сечения (рис. 15.56). Значительный объем работ по сварке труб выполняют в котлостроении и аппаратостроении. Стыкование труб экранов и змеевиков производится преимущественно контактной сваркой оплавлением с последующим удалением грата. Соединения труб с трубными досками являются основными узлами большинства теплообменников. Соединения бив (рис. 15.57) просты в подго- товке, но сложны для сварки из-за большого различия толщин сопрягаемых элементов. Соединение а воспроизводит соединение с отбортовкой и хотя сказывается сложнее в подготовке, но зато более удобно для сварки. Интересным является технологическое решение образования выступа в месте вварки трубы, показанное на рис. 15.58. Для увеличения теплоотдачи или для других целей часто приваривают к трубам продольные или спиральные ребра. При выполнении таких операций целесообразно использовать кон- тактную сварку токами высокой частоты, как показано на рис. 15.59. § 5. Изготовление штампосварных изделий оболочкового типа Изделия оболочкового типа при относительно небольших раз- мерах целесообразно выполнять в штампосварном исполнении. Технологичность подобных изделий определяется, во-первых, соче- танием высокопроизводительных методов получения заготовок хо- лодной штамповкой и соединения их контактной сваркой герметич- ными швами, а во-вторых, возможностью практически полной авто- матизации изготовления ряда массовом производстве. Рассмотрим характерные примеры автоматических ли- ний, выпускающих изделия та- Рис. 15.60. Топливный бак авто- мобиля ЗИЛ изделий при крупносерийном и Рис. 15.61. Схема автоматической линии изготовления топливных баков 151
кого типа. Автоматическая линия производства топливных баков автомобиля ЗИЛ (рис. 15.60) имеет четыре участка (рис. 15.61,а). Первые два участка расположены параллельно, на них осуще- ставляется приварка деталей соответственно к верхней и нижней частям бака. Агрегаты связаны шаговым конвейером, совершаю- щим возвратно-поступательное движение, при обратном ходе кото- рого на всех позициях изделия поднимаются подъемными столами. На III и IV участках производятся сварка швов по отбортовке, установка, запрессовка и сварка наливной трубы. На позиции 1 оператор укладывает верхнюю половину бака выпуклостью вверх. К нему рельефно-конденсаторной сваркой на позиции 2 приваривается фланец (рис. 15.61,6), на позиции 3— бобышка (рис. 15.61,в) и на позиции 4 — еще один фланец. Затем на позиции 5 половина бака кантуется на 180° и в нее на двух- позиционной многоэлектродной машине ввариваются две перего- родки (рис. 15.61,г) и перемычка под горловину. На втором участ- ке (позиции 6, 7, 8 и 9) содержание операций и оборудование ана- логичны первому. В конце первых двух участков линии осуществляется сборка бака. С позиции 10 верхняя половина бака с кантовкой на 180° переносится на позицию //, Рис. 15.62. Схват робота продвигается под роликами где укладывается на ниж- нюю половину и многоэлек- тродная контактная ма- шина производит прихватку. Собранный бак толкателем по направляющим продви- гается под роликами шов- ной машины 12 для сварки продольных швов. После разворота бака на 90э во- круг вертикальной оси на позиции 13 бак толкателем шовной машины 14, где сва- риваются поперечные швы, пересечение которых с продольными обеспечивает герметичность стыка двух половин. Затем бак перено- сится на позицию 15 и укладывается на стол, наклоняющийся на 45° таким образом, чтобы отверстие горловины оказалось вверху (рис. 15.61,6). В этом положении бак по направляющим сдвигает- ся на позицию, где оператор вставляет наливную трубу в отвер- стие корпуса, а затем под пресс для ее запрессовки. На завершаю- щей позиции 16 бак поворачивается на 90° (рис. 15.61,е). В налив- ную трубу вводится ролик шовной машины и при вращении бака относительно оси трубы выполняется герметичный кольцевой шов между стенкой трубы и отбортовкой корпуса. Для подачи фланцев и бобышек под электроды контактной машины в данной линии использованы роботы с тремя степенями свободы. Рука робота с закрепленным на пей схватом берет верхнюю деталь из магази- на, переносит ее на корпус бака под электроды и возвращается 152
в исходное положение. Конструкция схвата показана на рис. 15.62. При отсосе воздуха из полости 2 мембрана 3 поднимает шток 5 и поворачивает рычаги 4, зажимающие кромки фланца. При подаче воздуха возвратная пружина 1 перемещает шток в другую сторону и фланец освобождается. В схвате устанавливается микропереклю- чатель, срабатывающий в момент прижима схвата к детали. Рис. 15.63. Изготовление отопительного радиатора панельного типа: а — общий вид радиатора; б — формовка ленты; в — приварка штуцера; г— сварка рядов точек; д — сварка продольного шва; е — сварка поперечного шва Рулоны Подающие Гильотин Сбарочн. Формующие Приборка Тянущие Сборка точечных Тянущие св^ Тянущие Сборка поперечных Тянущие Разрезка Транспор-Обрезка Гидро- Транспор- Укладка, шбоб ролики панелей тер кромок пресс тер изделий Рис. 15.64. Автоматическая линия изготовления отопительных радиаторов па- нельного типа Своеобразие линии изготовления отопительных радиаторов за- ключается в использовании в качестве заготовок рулонной стали. Отопительный радиатор панельного типа (рис. 15.63,а) получают сваркой двух плоских заготовок, в которых выштампованы каналы для циркуляции воды. Листы соединены по периметру шовной сваркой, а между каналами — точечной. При этом все операции выполняются на непрерывных полосах и только на последней ста- дии их разрезают на отдельные элементы. Это упрощает передачу заготовок с одного рабочего места на другое и обеспечивает непре- рывность процесса, но требует выполнения формовки панелей ра- диатора, а также сварочных операций на движущейся ленте. 153
Общая компоновка линии показана на рис. 15.64. Из двух ру- лонов подающие ролики направляют полосы к гильотинным нож- ницам для обрезки концов с последующей стыковкой их при заме- не рулонов. Непрерывность полос необходима, так как иначе приш- лось бы осуществлять проводку передней кромки каждого нового рулона через все агрегаты линии. Формовка выполняется с по- мощью парных валков периодического профиля (см. рис. 15.63,6), при этом один из валков выполняет роль матрицы, а другой — пуансона. Два штуцера привариваются к верхней полосе одновре- менно методом оплавления с помощью летучей контактной уста- новки. Патрубок 1 (см. рис. 15.63,в) автоматически подается из пи- тателя и верхним электродом 2 прижимается к месту сварки. Пос- ле окончания сварки через отверстие в нижнем электроде 3 пуансон 4 прошивает отверстие 5 и развальцовывает лишний ме- талл по стенкам патрубка. После приварки патрубков полосы со- вмещаются и устройством валкового типа подаются в неподвиж- ную многоэлектродную машину для сварки точек между каналами. Наличие двух кинематически связанных четырехзвенников (см. рис. 15.63,г) обеспечивает плоскопараллельное перемещение тра- верс, несущих верхние и нижние электроды. Это перемещение в процессе сварки точек осуществляется вследствие сцепления электродов с двужущейся полосой при приложении сварочного давления. Быстрое обратное движение траверс с электродами вы- полняет пневмоцилиндр. Одновременно работают два блока элек- тродов, выполняя два ряда поперечных точек. В это время два других блока электродов подвергаются автоматической зачистке. Сварка продольных герметичных швов осуществляется неподвиж- ной контактной шовной машиной с двумя парами сварочных роли- ков (см. рис. 15.63,6). Сварка поперечных швов выполняется кон- тактной шовной машиной с «летучими» каретками, несущими две пары сварочных роликов (см. рис. 15.63,е), выполняющих одновре- менно два поперечных шва, расположенных на расстоянии 22 мм друг от друга. Между этими швами «летучие» гильотинные ножни- цы на следующей позиции отделяют радиаторы друг от друга. После обрезки продольных кромок под размер готовые радиаторы проходят гидроиспытание и поступают на окраску и сушку. В рассмотренной автоматической линии непрерывность движе- ния полос исключает использование накопителей и поэтому требу- ет от оборудования особенно высокой надежности. Некоторые установки имеют дублирующие узлы. Так, установка для приварки патрубков имеет две сварочные головки. Когда одна находится в работе, другая может проходить ремонт или наладку. ГЛАВА 16 ИЗГОТОВЛЕНИЕ КОРПУСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ конструкций § 1. Изготовление кузовов вагонов При изготовлении кузовов пассажирских вагонов преимущест- венно используют шовную и точечную контактную сварку. Общей 154
сборке предшествуют сборка и сварка крупно- габаритных узлов: кры- ши, боковых стен, насти- ла пола, концевых и там- бурных стен. Производ- ство носит, как правило, мелкосерийный характер. Для него характерно по- точное производство с ло- кальной механизацией отдельных работ и широ- ким использованием це- ховых кранов. Плоские узлы кузова собирают и сваривают на специаль- ных стендах 2 (рис. 16.1), обслуживаемых двумя сборочными порталами 4 и сварочной машиной 1. Когда сварочная машина работает на одном из стендов, на другом стен- де собирают следующий узел. При выполнении сборочной операции об- шивку укладывают на стенд по фиксаторам и с помощью соответствую- щей сборочной скобы производят раскладку, прижим и прихватку элементов жесткости. Для этого сборочный портал 1 (рис. 16.2), несущий ком- плект элементов жесткос- ти на кронштейнах 6, пе- ремещают вдоль стенда по рельсовым направляю- щим, задавая его фикси- рованное положение с по- мощью щупов 7 и призм 8 с последующим закрепле- нием концевыми пневмо- фиксаторами 2. Проект- ное положение очередно- го элемента жесткости за- дают механизмы 3 и 5 от пневмоцилиндров поворо- 'ис. 16.1. Схема участка для сборки и сварки плоских вагонных конструкций 155
том коромысел 11 и 12 и упоров 11 и 13- Прижатие элементов к обшивке с созданием предваритель- ного изгиба под сварку обеспечивают пневмоци- линдры 9 с прижимами 4. После постановки при- хваток пневмоцилиндры выключают и сборочный портал перемещают в но- вое положение. Так как при сварке обшивки с элементами жесткости используют портальную контактную точечную машину с дву- сторонним подводом то- ка, то собранный на при- хватках плоский узел приподнимают под по- верхностью сборочного стенда подъемными опо- рами. При сварке продоль- ных точечных швов трех- точечная контактная ма- шина передвигается вдоль стенда по рельсовым на- правляющим, а при вы- полнении поперечных швов синхронно переме- щают относительно пор- тала верхний и нижний сварочные агрегаты. Верхний сварочный агре- гат имеет три сварочные головки, смонтированные на тележке с общим трансформатором. Ана- логичным образом устро- ены сварочные головки нижнего агрегата. Из трех головок каждого аг- регата одновременно ра- ботают две, проставляя две сварочные точки, при- чем средние головки вы- полняют как продольные, 156 Стенд для сборки
Рис, 16.2. Сборочный портал для фиксации и прижима элементов жесткости к плоской обшивке так и поперечные швы, тогда как две другие головки чередуются в зависимости от направления шва. Свариваемый узел поддержи- вается роликами портала сварочной машины, подъемные опоры <? (см. рис. 16.1) попарно опускаются, пропуская машину, затем под- нимаются вновь. В отличие от плоских узлов вагона (боковые стены, настил по- ла) крыша представляет собой корытообразую конструкцию с эле- ментами жесткости Z-образного сечения. В производстве электро- вагонов крыши моторного, прицепного и головного вагонов монти- руют из секций трех типоразмеров длиной по 4,5 м, изготовляемых в одной поточной линии (рис. 16.3). Обшивку секции собирают на столе стенда 3, где по фиксаторам укладывают средний элемент 2 Рис. 16.2. Продолжение 157
и два элемента округлений /. Нахлесточные соединения этих тон- колистовых элементов сваривают угловым швом дуговой сваркой. Для прижатия кромок нахлестки к медной прокладке и для на- правления сварочной головки вдоль шва используют передвижной портал 4 с пневмоприжимами. Сборку секций выполняют в ста- пеле 5, который рассчитан на сборку и сварку четырех разных по конструкции секций: одной крайней, двух средних и одной голов- ной. Дуги крыши раскладывают по медным шинам дуг стапеля и Рис. 16.3. Схема поточной линии сборки и сварки секций крыши электровагона Рис. 16.4. Схема автоматической линии сборки и сварки обшивки бо- ковой стенки грузового полувагона прижимают пневмоцилиндрами. Сверху накладывают обшивку и приваривают ее к дугам односторонней контактной сваркой пар- ными точками. Портальная машина 6 перемещается от дуги к дуге с точной установкой и фиксацией ее положения на время сварки. Подвижная двухэлектродная головка перемещается вдоль дуги по криволинейным направляющим портала. Секции крыши на стапеле можно собирать и сваривать независимо друг от друга, т. е. в то время, как первую секцию собирают, вторую сваривают, а готовую третью снимают со стапеля. В отличие от пассажирских вагонов магистральные грузовые полувагоны изготовляют в условиях крупносерийного производст- ва. Для него характерно использование линий с комплексной меха- низацией и автоматизацией процессов и применением прогрессив- ных методов сварки. Подобная линия на Уралвагонзаводе выпу- скает боковые стенки грузовых полувагонов, конструкция которых показана на рис. 12.21. Обшивку боковой стенки собирают и сваривают из корытооб- разных штампованных заготовок толщиной 5 мм методом последо- вательного наращивания в трех агрегатах / (рис. 16.4), связанных единой транспортной системой 2. У каждого агрегата имеются склады панелей 3, откуда автооператоры 4 подают их по одной 158

в зону работы задающего механизма соответствующего агрегата. В первом агрегате поданная панель толкателями по рольгангу транспортируется в сварочную установку таким образом, чтобы кромка, в которую упираются толкатели, оказалась расположенной в плоскости движения сварочного электрода. После зажатия пер- вой панели автооператор подает вторую. Толкатели сдвигают ее по рольгангу до упора в первую. Затем вторая панель зажимается, Рис. 16.6. Расположение сварных точек на боковой стенке грузового полувагона к собранному стыку под- жимается флюсовая подуш- ка и включается сварочный аппарат, выполняющий под флюсом однопроходный стыковой шов с обратным формированием. В такой же последовательности присты- ковывается третья панель и т. д. Сваренный из пяти панелей блок передается на второй агрегат для привар- ки еще пяти панелей, а за- тем на третий, где привари- ваются остальные четыре панели. Каркас боковой стенки собирают и сваривают в по- луавтоматической линии. На ее первую позицию ав- тооператор одновременно подает набор балочных эле- ментов, входящих в состав каркаса. Заданную геомет- рию каркаса обеспечивает система упоров, фиксаторов и пневмоприжимов. Сбороч- ные швы выполняют два сборщика, обслуживающих это рабочее место. Перемещение собран- ного каркаса с одной позиции на другую осуществляет система из трех жестко соединенных тележек с пневмоподъемниками, совер- шающих возвратно-поступательное движение. На следующих двух позициях линии производят сварку каркаса полуавтоматами в среде СОг + О2: на второй позиции — в нижнем положении, на третьей — с поворотом на 90° с помощью двухстоечного кантовате- ля. С обеих сторон полуавтоматической линии сборки и сварки каркаса расположены две автоматические липин сборки и сварки обшивки. Полностью сваренный каркас автооператор поочередно переносит на одну из этих параллельных линий и укладывает его поверх готовой обшивки, после чего производят сборку и прихват- ку. Затем также поочередно собранные боковые стенки возвра- щаются на центральную часть линии, где располагается транспор- 160
тирующее устройство комплекса контактных машин. Эта передача с поворотом на 180° осуществляется книжным кантователем (рис. 16.5). Доставленная тележечным транспортером 4 боковая стенка 3 захватывается системой зажимов 2, работающих от пнев- мосети 1. Поворот рычагов 5 осуществляется вращением вала 7 от привода 6. Конструкция захвата исключает его самопроизвольное Рис. 16.7. Схема расположения контактных точечных машин линии сварки каркаса боковой стенки с обшивкой открытие. В исходном положении рычаги кантователя расположе- ны вертикально. При подаче собранной стенки кантователь пово- рачивается, захватывает ее, как показано на рис. 16.5, и уклады- вает на приемный стеллаж центральной линии с поворотом на 180°; после передачи изделия на сварку рычаги кантователя воз- вращаются в исходное положение. Приварку каркаса боковой стенки к обшивке выполняют точеч- ной контактной сваркой, расположение сварных точек показано на рис. 16.6. Для этого используют комплекс двухэлектродных ма- 11—201 161
шин, расположенных в линии, имеющей две позиции (рис. 16.7). На первой позиции выполняют продольные швы, приваривающие обшивку к верхней и нижней обвязкам, а на второй — поперечные ряды точек, соединяющих обшивку с промежуточными и угловыми стойками. На первой позиции боковая стенка 1 продвигается по направ- ляющим гидравлическим приводом. С каждой стороны транспор- тирующего устройства размещено по четыре контактные маши- ны 2, имеющие механизм поперечного возвратно-поступательного перемещения для выдвижения электродов на линию точечного шва и отвода в исходное положение. Продольная подача боковой стен- ки осуществляется по программе, учитывающей расположение точечных машин и топографию размещения точек. Толкатель со скоростью 100 мм/с совершает холостой ход при ручном управле- нии, подавая боковую стенку в зону сварки. После выхода свароч- ных агрегатов на линию точек верхней и нижней обвязок произво- дится сварка с автоматической шаговой подачей на расстояния, кратные шагу точек, а также на расстояния, необходимые для перехода электродов через промежуточные стойки. Суммарный ра- бочий ход на 3140 мм дополняется быстрым перемещением боко- вой стенки со скоростью 300 мм/с на 5340 мм. Затем толкатель со скоростью 600 мм/с возвращается в исходное положение и повтор- ным ходом на 8750 мм продвигает боковую стенку в направляю- щие транспортирующего устройства второй позиции. На второй позиции (рис. 16.7) восемь двухэлектродных кон- тактных машин 3 расположены с трех сторон боковой стенки 4. Транспортирующее устройство имеет три тележки, перемещающие- ся в поперечном направлении. Эти тележки кинематически связаны уравнительным механизмом, исключающим возможность перекоса боковой стенки при ее поперечной подаче. Движение тележек в прямом и обратном направлениях задается гидроцилиндром по программе. Поступившая с первой позиции стенка подается в по- перечном направлении в зону сварки на 1920 мм со скоростью 300 мм/с. В процессе выполнения точечных швов транспортирую- щее устройство обеспечивает автоматическую шаговую подачу на длине 1540 мм в прямом, а затем в обратном направлении. Для исключения смещения точечного шва от номинального положения у точечных машин, приваривающих поперечные стойки, предусмо- трено пневматическое устройство, поворачивающее каждую маши- ну на ее опоре для автоматического направления электродов по ряду точек. После завершения сварки изделие возвращается в исходное положение и передается на поточную линию доделоч- ных операций и технического контроля. § 2. Изготовление корпусов судов Сложность очертания корпуса корабля заставляет уделять большое внимание точности и производительности заготовительных операций. Особенности их выполнения в поточных и автоматиче- ских линиях были рассмотрены в гл. 13. 162
В основе существующих методов постройки судов лежит пред- варительное изготовление частей корпуса судна в виде сборочных элементов, секций и блоков. Каждая отдельная секция должна быть достаточно жесткой. Границы плоских и объемных секций намечают по возможности в районах по- перечных переборок симметрично диа- метральной плоскости судна. Размеры секций выбирают с учетом габаритных ограничений перемещения их к месту сборки на стапеле, а также грузоподъ- емности кранов и транспортных средств. По технологическим соображениям при разбивке каркаса на элементы, секции и блоки необходимо предусмотреть вы- полнение возможно большего объема сборочно-сварочных работ в условиях цеха при их максимальной механизации, а также учесть особенности сборки на стапеле. Так, носовую и кормовую части корпуса обычно выделяют в крупные объемные секции, а при использовании блочного способа сборки корпус расчле- няют поперечными сечениями от палубы до киля. Рис. 16.8. Типы составных сварных балок корпуса Большинство сборочных элементов состоит из простых листовых деталей или из прокатных и состав- ных балок и рамок, имеющих обычно тавровое сечение (рис. 16.8). Для механизированной сборки и автоматической сварки под флюсом прямых и криволинейных балок таврового профиля ис- пользуют станки типа СТС. Работа таких станков была рассмо- трена ранее в гл. 14 и на рис. 14.14. При сборке,и сварке листовых полотнищ используют стенды, имеющие передвижные балки с флюсовыми подушками и электро- магнитами. Балки размещают в соответствии с расположением стыков собираемого полотнища. Флюсовые подушки уплотняют стык, снижая требования к отклонениям ширины зазора по Длине стыка; электромагниты фиксиру- Рис. 16.9. Схема трактора ТС-32 ют положение кромок. Тщатель- ным подбором режима можно по- лучить полное проплавление и хо- рошее формирование шва с обе- их сторон при односторонней сварке на флюсовой подушке стен- да без кантовки. Одностороннюю сварку листов толщиной до 10 мм с принудительным формировани- ем обратной стороны шва иногда выполняют с помощью свароч- 163
Рис. 16.10. Схема раздельной сборки судового набора ных тракторов ТС-30 и ТС-32 (рис. 16.9). В этом случае для сбор- ки полотнища используют стеллаж, обеспечивающий свободный доступ к нижней поверхности стыков. Листы собирают с обяза- тельным зазором 2—3 мм посредством скоб-планок 3. Формирава- ние стыка снизу осуществляется медным охлаждаемым водой пол- зуном 1, установленным на подвеске 2. Подвеска закреплена на проходя- щей через зазор ножевой тяге 4. По мере продви- жения трактора вдоль стыка планки 3 сбивают. Различают секции плоскостные, с про- гибью и объемные. Сборку и сварку плоско- стных секций осущест- вляют на плоских стен- дах. При этом широко применяют способ раз- дельной сборки и сварки продольного и поперечно- го набора, позволяющий увеличить объем сварки, выполняемый автомата- ми. На стенд укладывают полотнище, зачищают ме- ста установки набора, устанавливают набор главного направления (рис. 16.10.а). Затем устанавливают набор другою направленна (рис. 16.10,6) и привари- вают к полотнищу полу- автоматами, а соединения набора разных направ- лений между собой вы- полняют полуавтоматами в последнюю очередь. При этом вертикальные швы пересекающегося набора в поточных линиях сваривают специальными многодуговыми установками в среде СО2 или с использованием сварки наклонными удлинен- ными электродами. Для сборки секций с прогибью используют постели, образуе- мые набором лекал, закрепленных на жестком основании и воспро- изводящих обводы изготовляемой секции (рис. 16.11). Рабочая кромка лекал имеет вид гребенки для облегчения обработки — в местах сварных швов делают вырезы. Так как стоимость спе- 164 Рис. 16.11. Постель для сборки днищевой секции
<3 Рис. 16.12. Универсальная постель
циальных постелей, предназначенных для изготовления только определенного типоразмера секции, велика, широкое распростране- ние получили разборные и универсальные постели. Разборные по- стели собирают из типовых элементов. В зависимости от конструк- ции собираемых секций разборные постели делят на три группы. К первой группе относятся постели для сборки днищевых, палуб- ных и бортовых секций средней части корпуса, имеющих сравни- тельно небольшую прогибь. Ко второй группе относятся постели для объемных секций оконечностей судов, имеющих обводы с боль- шой кривизной. В третью группу входят постели, предназначенные для сборки палубных секций с малой кривизной — все секции па- лубы можно изготовлять на одной постели без смены лекал. На- стройка лекал по высоте производится в этом случае с помощью телескопических регулируемых стоек. Пример универсальной по- стели для сборки и сварки различных по размерам и кривизне днищевых секций показан на рис. 16.12. Постель состоит из рель- совых путей 2, передвижных лекал 1 и системы их перемещения 4 вдоль оси корпуса с приводом 3. Предварительная настройка на требуемую кривизну днища производится перестановкой боковых подлекальников 6 и поворотом секций 7 на необходимый угол. После этого по плазовым таблицам осуществляют настройку опор 5. При изготовлении секций, имеющих кривизну, например объем- ной днищевой секции, сначала листы обшивки собирают с мини- мальными зазорами, прихватывают друг к другу и крепят к лека- лам постели. Затем выполняют сварку стыков на весу автоматами под флюсом. Потом производят сборку и приварку набора, эле- ментов жесткости, устанавливают и приваривают полотнище вто- рого дна, сваренное отдельно. Для удобства выполнения швов автоматической сваркой под слоем флюса постели иногда снаб- жают флюсовыми подушками, а также делают их наклоняющими- ся или поворотными. По завершении сварки обшивка освобожда- ется от закреплений и секция снимается с постели. Если ее сварка производилась без поворота постели, то секцию кантуют, огневой строжкой зачищают корни стыковых швов обшивки и производят их подварку. Для сборки развитых объемных секций, оконечностей корпуса применяют жесткие постели-кондукторы, которые поддерживают собираемую секцию не только снизу, но и с боков по всей высоте. Иногда объемные секции собирают на плоских сборочных стендах на базе одного из плоских элементов секции. Отдельные плоские и объемные секции перед подачей на общую сборку корпуса часто укрупняют в блок-секции. Их изготовляют либо на постелях-кон- дукторах, либо на сборочных тележках, которые одновременно используют и для транспортирования собранного блока на ста- пельное место. В производстве корпусов судов значительный объем работ со- ставляет изготовление полотнищ и плоских секций, причем их число, размеры и масса возрастают по мере увеличения тоннажа 165
выпускаемых судов. В соответствии с этим для изготовления по- лотнищ и плоских секций используют комплексно-механизирован- ные линии с универсальным оборудованием, обеспечивающим вы- пуск широкого диапазона типоразмеров. Рис. 16.13. Комплексно-механизированная линия для изготовления плоских секций 167
Характерный пример такой линии показан на рве. 16.13. Наличие большого числа неприводных роликов, во-первых, создает опорную поверхность для укладки собираемых и свариваемых элементов, а во-вторых, облегчает их пере- дачу с одной позиции на другую. На позиции А листы из пакета по одному краном подают на место сборки /, оборудованное плоской подкладкой и маг- нитами для прижатия кромок в вертикальном направлении. Кроме того, преду- смотрены устройства 2 для выравнивания стыка в продольном направлении и выборки зазора в поперечном направлении. После прихватки очередного стыка полотнище сдвигают на ширину листа и продолжают формировать его методом последовательного наращивания. Затем приводные каретки 3, перемещающиеся по направляющим вдоль одной стороны линии, захватывают кромку собранно- го полотнища и транспортируют его на позицию сварки Б. Самоходный пор- тал 4, перемещаясь по рельсам вдоль линии, выводит сварочную головку 5 на стык и обеспечивает переход ее с одного стыка на другой. Вдоль стыка го- ловка движется по направляющим портала. После односторонней сварки под флюсом полотнище транспортируют на позицию В для поворота на 180°. При кантовке кран 7 поднимает одну кром- ку полотнища, а противоположную кромку передвигают в горизонтальном на- правлении специальные упоры 6, движущиеся по направляющим. Перевернутое полотнище возвращают на позицию Б для сварки с обратной стороны, а затем транспортируют на позицию Д для термической обрезки кромок. Резку осу- ществляют одновременно с двух сторон полотнища в направлении вдоль линии при движении портала 8 по рельсам. В случае необходимости обрезки другой пары кромок полотнище транспортируют в обратном направлении на позицию Г, где его приподнимают и поворачивают на 90° вокруг вертикальной оси, а затем возвращают «а позицию Д. Готовое полотнище поступает на позицию Е для сборки с набором главно- го направления. Для этого на позиции Ж элементы набора краном 14 по одно- му укладывают на цепи транспортирующего устройства 13, используемого в ка- честве магазина. При выходе с транспортирующего устройства ребро элемента пабора поворачивается на 90° вокруг продольной оси с помощью специальной тележки 12 и подается поперек основной линии вдоль направляющих непо- движного сварочного портала 10. Затем элемент набора опускается на поверх- ность ранее поданного полотнища, прижимается к нему во многих местах при- жимами балки портала и сваривается одновременно двумя угловыми швами наклоненными электродами двух пар сварочных головок 9, перемещающихся по направляющим портала. Точное расположение первого элемента набора и шаг между ними задается автоматически соответствующей настройкой устройства, транспортирующего полотнище. Готовая плоская секция выдается на позицию 3, где ее приподнимают над поверхностью опорных роликов гидравлическими подъемниками 11, расположен- ными по обеим сторонам линии, и опускают на многоосную тележку 15 для транспортирования к месту дальнейшей сборки. При серийной постройке малых и средних судов общую сборку корпусов выполняют поточно-позиционным методом. С помощью специальных средств строящиеся суда перемещают с одной пози- ции поточной линии на другую, причем на каждой из них выпол- няют определенные объемы работ за одинаковый промежуток вре- мени с широким применением специальной оснастки. При отсутст- вии поточных линий применяют поточно-бригадный метод построй- ки судов, когда каждое судно остается на месте, а специализиро- ванные бригады последовательно и ритмично переходят с одного судна на другое. Сварочные деформации, возникающие при изготовлении корпу- са, в значительной степени зависят от схемы сборки. Если произ- водить сборку «по горизонталям», т. е. собирать сначала днищевые секции по всей длине, затем устанавливать все секции двойного 168
дна и т. д., то при сварке горизонтов, следующих за днищем, кон- цы нижнего горизонта будут приподниматься, вызывая общее искривление корпуса. Поэтому наиболее перспективным методом общей сборки корпуса судна является блочный (рис. 16.14), когда сборку на стапеле осуществляют из крупных блоков, представляю- щих собой часть корпуса от киля до палубы. (ПI l-ч IJ Рис. 16.14. Блочный способ сборки корпуса судна на стапеле Рис. 16.15. Схема сборки корпуса корабля на стапеле блочным методом; Схема организации работ при использовании такого метода показана на рис. 16.15. Корпус каждого блока формируют на пред- стапельном участке из секций, подаваемых из сборочно-сварочного цеха. Днищевые секции устанавливают на поперечные балки. При этом средняя часть с колеей для транспортных тележек грузо- подъемностью 500 т и монтажных тележек грузоподъемностью* 100 т остается свободной. Центровку и стыковку днищевых секций 16»
производят с помощью монтажных тележек. По окончании форми- рования блоков производят испытания отсеков на непроницае- мость. С горизонтальной предстапельной площадки готовые блоки с помощью двух 500-тонных транспортных тележек перемещают на трансбордер, который перемещается по трансбордерной горке. После совмещения рельсовых путей трансбордера и наклонного стапеля блок на транспортных тележках опускают по наклонному стапелю до места установки. Под концы судоводных балок блока подводят центрирующие устройства, расположенные на спусковых дорожках ста- пеля, блок снимают с транс- портных тележек и возвра- щают их на предстапельную площадку для перевозки очередного блока. Сварку стыка между блоками начинают после окончательной сдачи сбо- рочных работ по всему стыку. Вертикальные и на- клонные монтажные швы при толщине 7—14 мм це- лесообразно выполнять ав- томатической сваркой по- рошковой проволокой, а при толщинах более 14 мм — Рис. 16.16. Схема последовательности свар- ки стыка между блоками Рис. 16.17. Сборка и сварка частей корпуса на плаву электрошлаковой сваркой. При ручной сварке стыка в целях обеспечения равно- мерного поперечного сокра- щения по периметру обычно несколько пар сварщиков /, II, III, IV, V одновремен- но выполняют симметрично расположенные участки швов 1 — I, 2 — I, 1 — II, 2— II и т. д. (рис. 16.16). Последовательность опера- ций обычно такова: а) за- варивают монтажный стык 1 по всему периметру с вну- тренней стороны; б) после зачистки корня шва запол- няют разделку с наружной стороны корпуса; в) сваривают стыки 2 продольного и поперечно- го набора, выполняют приварку набора 3 к обшивке. При изготовлении весьма крупных судов, когда длина корпуса 170
превышает протяженность стапеля, иногда применяют сборку и сварку частей корпуса на плаву. В этом случае блоки /, 2, 3 пер- вой половины корпуса (рис. 16.17,а) собирают и сваривают на ста- пеле, а стык блока 4 только выверяют и подгоняют, оставляя его на стапеле при спуске сваренной части корпуса на воду. Затем этот промежуточный блок 4 на стапеле собирают и сваривают с остальными блоками 5, 6 и 7 второй половины корпуса. После спуска обеих частей на воду точную их стыковку обеспечивают балластировкой, причем сборка замыкающего стыка облегчается подгоночными работами, выполняемыми ранее на стапеле. Вырав- нивание и стяжку частей корпуса (рис. 16, 18,6) завершают уплотнением стыка путем подведения специального кессона 8 с уплотнениями 9, повторяющего обводы судна в зоне стыка. За- тем из пространства, ограниченного кессоном и корпусом, откачи- вают воду и после удаления влаги и очистки кромок производят сварку стыка с последующей его окраской. При производстве судовых корпусных конструкций сварочные деформации.часто оказываются выше допустимых. Для их исправ- ления применяют главным образом правку местным нагревом. На стапеле правка ребристости и волнистости производится после установки и закрепления секции или блока в жестком контуре. Местные угловые деформации полотнищ толщиной от 4 до 10 мм правят нагревом обшивки над каждым ребром жесткости со сторо- ны, противоположной приваренному набору. Правка полотнищ толщиной 3 мм и менее производят нагревом полос между ребра- ми жесткости на расстоянии 100 мм от них. § 3. Изготовление кузовов автомобилей Кузова и кабины автомобилей, как правило, выпускают в ус- ловиях крупносерийного и массового производства. Штампованные тонколистовые детали подаются системой толкающих конвейе- ров к автоматическим линиям сборки—сварки основных узлов ку- зова: пола, боковин и крыши. Эти линии представляют собой сложный комплекс многоточечных сварочных машин и средств механизации, работающих в едином цикле. Многоточечные маши- ны этих линий подразделяются на несколько типов. Машины типа «открытый стол» (рис. 16.18,а) входят в состав многих автоматических линий. В машинах этого типа свариваемые узлы устанавливаются на неподвижный стол /, а сварочные писто- леты и клещи закреплены на откидывающихся кронштейнах 2, ко- торые подводятся к свариваемым узлам с помощью гидравличе- ских цилиндров 4. Для съема узлов со стола и подачи их на кон- вейер линии машины оснащены гидравлическим подъемником 3. Они имеют телескопические цилиндры, так как высота подъема деталей достигает 1,3 м. Машины с подвижным нижним столом используют для сварки крупногабаритных узлов (рис. 16.18,6). Свариваемые узлы укла- дывают на подвижный стол 2 машины, сварочные пистолеты за- 171
креплены неподвижно на верхней плите 1. Подъем и фиксация стола осуществляются с помощью двух гидроцилиндров 3 и одного пневмоцилиндра 5, который управляет движением коленчатых ры- чагов 4. При подъеме стола рычаги устанавливаются в «мертвое» положение и воспринимают усилия как от веса стола, так и от Рис. 16.18. Схемы характерных многоточечных машин: а — открытый стол; б — с подвижным нижним столом давления электродов сварочных пистолетов. Пневмоцилиндр 5 слу- жит как для вывода рычагов из «мертвого» положения, так и для амортизации стола при опускании. В начале автоматической линии входящие в состав собираемо- го узла детали обычно ориентируют и укладывают по фиксаторам вручную. Сохранение первоначальной ориентации и требуемая точность фиксации узла на последующих сборочно-сварочных по- 172
зициях обеспечиваются соответствующим конструктивным оформ- лением транспортирующих устройств. В некоторых случаях для этого используют тележки спутники. Примером автоматической линии с тележками-спутниками мо- жет служить линия сборки и сварки настила пола кабины грузо- вого автомобиля ЗИЛ, обеспечивающая сборку и сварку одного изделия за 55 с (рис. 16.19). Рис. 16.19. Схема автоматической линии сборки и сварки настила пола кабины грузового автомобиля ЗИЛ Работа линии осуществляется следующим образом. Два оператора уклады- вают детали каркаса на приемное устройство многопозиционного пресса рельеф- ной сварки 9. Сваренный каркас выдается шаговым устройством и с помощью механической руки 10 перекладывается на очередную тележку-спутник 8, когда она находится на платформе гидроподъемника 3 в нижнем положении. Другие два оператора снимают панель пола с подвесного конвейера, укладывают ее на приемное устройство многопозиционного клепального станка / и вставляют в отверстия панели 32 резьбовые втулки. Панель с втулками подается в ста- нок, где за один рабочий ход все резьбовые втулки развальцовываются. Затем панель пола шаговым устройством выдается из станка, захватывается механи- ческой рукой 2 и укладывается в то же приспособление-спутник, где ранее был установлен каркас пола. Укладка панели пола механической рукой 2 осуществляется в тот момент, когда тележка-спутник находится на платформе подъемника 3 в верхнем по- ложении. На следующей позиции 4 на этот спутник механической рукой 11 подается подставка сиденья, которая контактной сварочной установкой при- хватывается в двух точках. Затем полностью собранный узел вместе с приспо- соблением-спутником перемещается шаговым конвейером и последовательно про- ходит операции сварки на пяти контактных многоэлектродных машинах 5, где сваривается в 204 точках, и попадает на платформу гидроподъемника 6, нахо- дящуюся в верхнем положении. Здесь сваренный пол кабины снимается с при- способления механической рукой 7 и передается на линию сборки кабины. Многие другие автоматические линии изготовления узлов кузо- вов автомобилей работают без тележек-спутников. Так, на рис. 16.20 схематически показаны линии сборки и сварки боковых стенок кузова автомобиля ВАЗ, где в начале линии оператор укла- дывает элементы каркаса и обшивку на стол многоточечной ма- 173
шины типа «открытый стол» по фиксаторам. Выполненные на этой! машине сварные точки обеспечивают жесткость собранного узла и надежную фиксацию деталей относительно друг друга. После сварки гидроподъемник поднимает узел до уровня расположения транспортирующего устройства, которое захватывает его и переда- ет на следующие позиции, где сварка остальных точек выполняет- ся автоматически. Сваренные боковины поступают в конце линии на механизмы перегрузки /, где они из горизонтального положе- Пробоя 6оковина-\\^1 Лсвся боковина ния переводятся в верти- Рис. 16.20. Схема автоматических линий сборки и сварки боковых стенок автомо- биля ВАЗ кальное и подаются на на- польный конвейер 2. Рядом расположены накопители 3 для хранения готовых бо- ковин. Подача с напольного конвейера в накопители и обратно происходит авто- матически. Общую сборку и сварку кузова автомобиля из гото- вых узлов осуществляют либо на одном рабочем месте в главном кондукторе, либо на нескольких рабочих местах методом последо- вательного укрупнения. На ВАЗе используют первый прием, причем перед подачей готовых узлов в главный кондуктор их комплектуют в одной подвеске толкающего подвесного конвейера. Для этого сва- ренные боковины кузова (правая и левая) подаются к месту комп- лектации 4 напольным конвейером. С противоположной стороны к этому месту поступает и крыша кузова. Комплектация осуществля- ется с помощью опускной секции линии подвесного конвейера 5. На- веску осуществляют опусканием участка несущего пути подвес- ного конвейера 2 вместе с подвеской 1 так, чтобы крюки 5 рыча- Рис. 16.21. Опускная секция с подвеской для комплектации узлов кузова и по- дачи их к главному кондуктору 174
гов 3 оказались на уровне проемов окон боковин, подаваемых на- польным конвейером (рис. 16.21). Крыша подается центрально и подхватывается крюками 4. Скомпонованная таким образом «вино- градная гроздь» поднимается вверх, захватывается выступом тя- говой цепи толкающего конвейера и автоматически адресуется к месту приема последнего узла компоновки — настила пола, рас- полагаемого в подвеске на опорах 6, а затем отправляется на склад. Рис. 16.22. Схема расположения главного кондуктора для сборки кузова автомобиля ВАЗ Рис. 16.23. Схема участка сборки и сварки кабин грузового автомобиля ЗИЛ Со склада подвески «виноградные грозди» системой автомати- ческого адресования подаются к главному сборочному кондуктору (рис. 16.22) челночного типа, включающего многоточечную сва- рочную машину 5, шесть подвесных сварочных машин 3 и две свя- занные между собой кондукторные тележки 1 и 4. Подвеску 2 с компоновкой узлов кузова опускают на приемную тележку, узлы снимают, устанавливают в кондуктор тележки и фиксируют при- жимами. Затем тележку подают в многоточечную машину 5. Здесь узлы окончательно фиксируются зажимными устройстами и свари- ваются снизу в 96 точках. Остальные 182 точки сваривают с по- 175
мощью подвесных сварочных машин. В это время вторая тележка находится на позиции, где ранее собранный кузов захватывается рычагами подвески, опускная секция 2 толкающего конвейера 6 поднимает его и подвеска с кузовом отправляется на линию окон- чательной сварки. Примером другого приема общей сборки — методом последова- тельного наращивания—является участок сборки и сварки кабин гру- зового автомобиля ЗИЛ. Поскольку трудоемкость сборочных опера- ций выше, чем сварочных, то сборку кабин осуществляют в двух па- Рис. 16.24. Сварочный пистолет плавающего типа раллельных механизированных линиях I и II, а сварку — в одной автоматической линии IV (рис. 16.23). В начале каждой сборочной линии два оператора снимают с подвесных конвейеров и устанав- ливают в жесткое приспособление многоэлектродной машины I пол и передок кабины, фиксируя их по технологическим отверстиям и зажимая пневмоприжимами. После выполнения сварочной опера- ции шаговый конвейер последовательно передает собранный узел на сборочные стенды 2, 3, 4 и 5 для установки каркасов боковин, каркаса задка и панели крыши. На каждой из этих позиций подъ- емные столы снимают узел с конвейера, фиксируют по технологи- ческим отверстиям, на него устанавливают соответствующий узел и прихватывают. Поперечный конвейер III связывает параллель- ные линии сборки, и на загрузочную позицию конвейера сварочной линии 6 собранные кабины поступают попеременно либо с линии /, либо с линии II. Поскольку линия сварки кабин имеет четыре контактных многоэлектродных машины 7 и работает автоматиче- ски, то надежность ее работы непосредственно зависит от точно- сти подачи свариваемых кромок под электроды машины на каж- дой позиции. Суммарные отклонения, вызываемые ограниченной точностью позиционирования кабины, погрешностями изготовления ее элементов и их сборки в пространственный узел, оказываются настолько значительными, что требуется их компенсация. В рас- 176
сматриваемой линии такая компенсация достигается использова- нием самоустанавливающихся сварочных пистолетов (рис. 16.24). Корпус 2 сварочного пистолета может поворачиваться вокруг оси/, что позволяет подводить ограничительную планку 4 до упора в свариваемые кромки, если их ния не выходят за пределы сжатия пружины 3. Работа на линии сварки кабин осуществляется следую- щим образом. Собранная на прихватках кабина поступает на первую сварочную машину (рис. 16.25), где фиксируется в рабочем положении с по- мощью подъемного устрой- ства 7. Сварочные пистолеты 4, закрепленные на траверсах /, 6, 8 шарнирами 2 с пружи- нами 3, подводятся к свари- ваемым кромкам до упоров 5. После выполнения сварочной операции кабина опускается на шаговый конвейер и пере- дается на следующую пози- цию. В дополнение к сварочно- му участку IV описанной ли- нии сборки и сварки кабин (см. рис. 16.23) смонтирован у* отклонения от проектного положе- Рис. 16.25. Схема сварки кабины на многоэлектродной машине сток V, оснащенный 14 роботами типа «Uniniate». Эти роботы выполняют контактную сварку ка- бин в автоматическом цикле. Участок V может работать одновре- менно с участком IV. ГЛАВА 17 ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВАРНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ПРИБОРОВ § 1. Мелкосерийное производство деталей тяжелого и энергетического машиностроения При изготовлении станин тяжелых прессов сварные соединения обычно выполняют путем полного проплавления всей толщины присоединяемого элемента (рис. 17.1,а). Это позволяет получать сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений при относительно простой подготовке элементов под сварку, одна- ко требует проведения последующей термической обработки гото- вого узла или изделия. Иногда ограничиваются минимальными 12—201 177
размерами швов (рис. 17.1,6), но в этом случае производят плот- ную подгонку мест сопряжений листов и постановку разгрузочных заплечиков, штифтов, шипов и пазов. Дополнительные затраты на подгоночные работы компенсируются снижением трудоемкости сва- рочных работ. Кроме того, малый объем наплавленного металла позволяет обходиться без по- следующей термообработки конструкций. В гл. 12 на рис. 12.23 была показана сварная станина пресса. Сварные соединения — стыковые, тавровые и угловые; большинство из них выполня- ют электрошлаковой сваркой. Последнее обстоятельство оп- ределяет некоторые особенно- Рис. 17.1. Сварные соединения станин СТИ конструкции и последова- прессов, выполненных из толстолисто- тельность выполнения сбороч- вого проката но-сварочных операций. Угло- вые и тавровые соединения собирают с помощью косынок и диафрагм, стыковые — с по- мощью скоб. В местах, недоступных для постановки формую- щих медных охлаждаемых подкладок, применяют остающие- ся стальные пластины. Последовательность выполнения сбо- рочно-сварочных операций выбирается так, чтобы концы каждого из швов, выполняемых электрошлаковой сваркой, можно было вывести за пределы тела детали. Поэтому общей сборке сложней детали обычно предшествуют сборка и сварка относительно про- стых узлов. При этом для уменьшения угловых сварочных дефор- маций желательно, чтобы каждый собранный под сварку узел имел замкнутое сечение. Применительно к указанной станине последовательность и содержанке основных сборочно-сварочных операций показаны на рис. 17.2. Первым узлом является тумба /. Сначала в замкнутое сечение собирают ее боковые стенки; электрошлаковые швы (/) и (2) выполняют с полным проплавлением прива- риваемого элемента (рис. 17.2,а). Затем устанавливают горизонтальные листы тумбы и выполняют первые пары швов (5) и (4) (рис. 17.2,6). Участки первых пар швов, препятствующие установке карманов и выводу усадочных раковин вторых пар швов, удаляют из зазора огневой резкой. Готовая тумба входит в состав второго, более крупного узла — стойки (рис. 17.2,в). Замкнутое сечение образуют присоединением элементов полу- стоек 2 и 3; швы (5), (6), (7) и (8) выполняют электрошлаковой сваркой. Формирование корпуса станины завершают сборкой стоек с траверсой 4 и свар- кой электрошлаковых швов (9), (10), (11) и (12) (рис. 17.2,г). Затем в полу- стойках 3 огневой резкой вырезают пазы под трубу 5. Образование пазов рез- кой не плоских заготовок, а уже сваренного узла с удалением части шва — прием, характерный для конструкций, выполняемых электрошлаковой сваркой. Целесообразность такого приема объясняется трудоемкостью подготовки и за- чистки стыков в местах начала и конца каждого шва. В этом случае выполнять длинный непрерывный шов с последующим удалением его части резкой выгод- нее, чем два более коротких шва. Завершение сборки и сварки станины требует ряда кантовочных операций. Так, установка трубы 5 и лап 9 и 10 и сварка полуавтоматом под флюсом многослойных швов (14) и (15) производятся 178
в одном положении заготовки (рис. 17.2,д), а установка крышек 6, 7 и 8 и выполнение электрошлаковых швов (16) и многослойных швов (17), (18), (19), (20), (21) и (22) —в другом (рис. 17.2,е). При изготовлении деталей тяжелых машин завершающими опе- рациями является послесварочная термическая и механическая обработка. Рамы и станины с толщиной свариваемых элементов более 100 мм, как правило, подлежат термообработке. При этом для деталей, эксплуатирующихся в условиях нормальных темпера- тур и изготовленных из сталей, сохраняющих высокие пластические свойства в зоне термического влияния, можно ограничиться прове- дением высокого отпуска. При более жестких условиях сварную деталь для улучшения свойств сварных соединений обычно перед высоким отпуском подвергают нормализации. Точность размеров станин и рам в основном обеспечивается последующей механиче- ской обработкой. 179'
Характерными примерами сварных валов большого размера могут служить валы крупных турбин. Конструкция валов гидрав- лических турбин проста — это массивная труба с одним или двумя фланцами. Заготовки обечаек обычно получают ковкой, заготовки фланцев — ковкой или иногда в виде стальных отливок. Так, валы Красноярской ГЭС (рис. 17.3) выполнены из кованых заготовок из стали 25ГС. На сборку среднего стыка обечайки 2 поступают после черновой механической обработки с припуском 20 мм на Рис. 17.3. Схема вала турбины Рис. 17.4. Установка с дублирующими головками для электрошлаковой сварки кольцевых швов: / — тележка; 2 — колонна; 3 — сварочные головки; 4 — механизм переброса головок; 5 — подвеска крепления ползуна 180
последующую механическую обработку по внешнему и внутренне- му диаметрам. При сборке кольцевого стыка длинных валов необ- ходимо предусматривать некоторый излом оси в месте стыка с целью компенсации неравномерной поперечной усадки по пери- метру шва. Поэтому сборка стыка под электрошлаковую сварку выполняют с переменным зазором: 33 мм под карманом для наве- дения сварочной ванны и 38 мм в кармана в направлении вращения стыка сваренные обечайки прохо- дят высокий отпуск и подверга- ются промежуточной механиче- ской обработке. Затем выполня- ют сборку и сварку стыков с фланцами 1 и 3. Чистовую меха- ническую обработку производят после нормализации и высокого отпуска. При выполнении кольцевых стыков с весьма большой пло- щадью сечения трудно обеспе- чить непрерывность процесса сварки от начала до заварки замка. Такая непрерывность не- обходима как из соображений качественного выполнения шва (при нарушении процесса неиз- бежно возникновение песплавле- ния кромок и возможно образо- вание трещин), так и соблюде- ния размера и направления ожи- даемой сварочной деформации излома осей стыкуемых деталей. Так как сварка может длиться десятки часов, то возникает опасность отказа аппаратуры и прежде всего выхода из строя плоскости, повернутой на 90° от . После выполнения среднего мундштуков, направляющих Рис. 17.5. Сварной ротор газо- электродную проволоку в свароч- вой турбины ную ванну. Сменить мундштуки без остановки процесса невозможно, поэтому для сварки кольце- вых швов с большой площадью сечения используют специальную установку (рис. 17.4) с двумя дублирующими сварочными голов- ками. При выходе работающей головки из строя ее место тотчас занимает вторая головка и процесс сварки прерывается лишь на весьма непродолжительное время. Валы газовых и паровых турбин изготовляют из жаропрочных сталей, что затрудняет получение заготовок большого размера с помощью литья и ковки. Поэтому крупные валы сваривают из поковок относительно небольшого размера и простой формы. Так, 181
на рис. 17.5 показан ротор газовой турбины, составленный из от- дельных дисков 4 и концевых частей 3 и 5. При разработке конст- рукции и технологии изготовления подобных изделий основными требованиями являются жесткое ограничение сварочных деформа- ций искривления продольной оси ротора и получение надежного проплавления швов при их односторонней сварке. Необходимость соблюдения жесткого допуска на искривление продольной оси ротора от сварки вызывается наличием внутренних замк- нутых полостей, смещение которых относительно оси вращения вызывает неуравновешенность. При высокой частоте вращения такая неуравновешенность совершенно недопустима, а устранить ее трудно из-за недоступности внутренних полостей для механической обработки. Поэтому необходимы точная сборка и прецизионная технология сварки. Рис. 17.6. Конструкция стыка кольцевого соединения вала ротора турбины Рис. 17.7. Схема сварки рото- ра газовой турбины Кованые заготовки дисков после механической обработки цен- трируются относительно друг друга направляющими поясками, требуемый размер зазора в разделке обеспечивается постановкой проставок. Собранные элементы плотно стягивают тягами 1 с ком- пенсирующими усадку пружинами 2, и в вертикальном положении ротор подают на сварку. Однопроходная сварка не может обеспечить симметрии свароч- ных деформаций из-за неравномерности поперечной усадки по пе- риметру кольцевого шва, поэтому сварку выполняют многослойной. Полный провар в корне шва достигается специальной конструкци- ей разделки или применением остающихся кольцевых подкладок. Оригинальная конструкция стыка показана на рис. 17.6. Посадоч- ная ступенька у собираемых деталей и упорное кольцо из малоуг- леродистой стали толщиной 2 мм обеспечивают высокую точность сборки ротора и необходимую податливость стыка при сварке. Это весьма важно для предупреждения образования трещин в соеди- нении. Притупление разделки шва выбрано из условия получения полного провара корня шва. Специальные наклонные каналы уменьшают жесткость кромок при выполнении корневого слоя и 182 тем самым предотвращают образование в нем трещин, а также обеспечивают лучшие условия для ультразвукового контроля свар- ного соединения. Первые слои швов выполняют при вращении ротора 3 от мото- ра 1 через редуктор 2 (рис. 17.7). Ротор 3 расположен вертикаль- но, чтобы исключить влияние силы тяжести. Обеспечить симмет- рию сварочных деформаций можно, выполняя каждый корневой шов одновременно двумя или тремя симметрично расположенными сварочными головками 4 вольфрамовым электродом в аргоне. За- тем в этом же положении ряд слоев укладывают плавящимся элек- тродом в среде СО2. После заполнения той части разделки, кото- Рис. 17.8. Рабочее колесо турбины Красноярской ГЭС рая необходима для обеспечения определенной жесткости ротора, он переносится в центровой вращатель с горизонтальным располо- жением оси и основную часть разделки заполняют многослойной сваркой под флюсом в нижнем положении. Такая технология поз- воляет предотвратить искривление настолько, что биение сварен- ного вала не превышает 0,5 мм на длине 5 м. 183
Сварные колеса в тяжелом и энергетическом машиностроении достаточно разнообразны. Среди них рабочие колеса мощных гид- ротурбин выделяются как размерами, так и сложностью процесса изготовления. Так, например, рабочее колесо турбины Краснояр- ской ГЭС (рис. 17.8) имеет диаметр свыше 8 м, что намного пре- вышает габарит подвижного состава железных дорог. Поэтому изготовленное целиком в условиях Ленинградского металлического завода колесо от места расположения завода-изготовителя до ме- ста монтажа было доставлено водным путем. Рабочее колесо состоит из верхнего и нижнего ободов и лопастей. После- довательность и содержание основных этапов процесса его изготовления по- казаны на рис. 17.9. Верхний обод выполнен из двух литых заготовок стали 20ГС-Л с максимальной толщиной 500 мм (рис. 17.9,а). Отливки проходят предварительную механ «ческую обработку по всем поверхностям, за исключе- нием поверхности по наружному диаметру. Затем заготовки собирают в кольцо и устанавливают в вертикальное положение под электрошлаковую сварку, при- чем для компенсации неравномерности поперечной усадки по длине шва зазор в нижней части стыка задают в пределах 25—27 мм, а в верхней — 50—54 мм. После сварки верхний обод подвергают высокому отпуску и передают на ме- ханическую обработку, где внутреннюю поверхность обода обрабатывают окон- чательно, а остальные поверхности — с припуском. Лопасти рабочего колеса выполняют кокильной отливкой из стали 20ГС-Л. Требуемую точность формы обеспечивают рубочными и наплавочными работами с проверкой по простран- ственному шаблону и последующей шлифовкой. Для повышения стойкости про- тив кавитационного износа часть выпуклой поверхности лопастей облицовы- вают тонким слоем нержавеющей стали сваркой взрывом. После механической обработки торца, примыкающего к верхнему ободу, лопасти поступают на сборку. Сборка начинается с разметки гладкой внутренней поверхности верхнего обода под установку лопастей по шагу и профилю. Четырнадцать лопастей по- следовательно устанавливают на верхний обот с соблюдением зазора в стыке (снизу 37 и сверху 47 мм) и закрепляют с помощью приварки скоб и техноло- гических жесткостей (рис. 17.9,6). Затем на верхнем ободе закрепляют ось с цапфами и с ее помощью собранный узел устанавливают на стойках спе- циального кантователя (рис. 17.9,в). Этим обеспечивается возможность поворо- та узла в положение, удобное для выполнения каждого стыка электрошлако- вой сваркой плавящимся мундштуком. Плавный переход от тела лопасти к телу верхнего обода задают соответствующей формой медных подкладок, охлаждае- мых водой; их крепление с помощью клиньев показано на рис. 17.9,г. После сварки и высокого отпуска на карусельном станке производят обработку тор- цов лопастей под сопряжение с нижним ободом и подготовку кромок под К-образную разделку. Нижний обод собран из четырех гнутых заготовок из проката стали 22К толщиной 190 мм, как показано на рис. 17.9,6. После попарного выполнения стыков электрошлаковой сваркой и высокого отпуска обод подвергают механи- ческой обработке с припуском 15 мм по внешнему диаметру на чистовую обра- ботку. Общую сборку колёса производят, как доказано на рис. 17.9,е. С по- мощью гидравлических домкратов нижний обод поднимали и вводили в сопря- жение с кромками лопастей. Сварка производится одновременно несколькими сварщиками в среде СОг. Сваренное колесо проходит полный цикл термообра- ботки— нормализацию и высокий отпуск, после чего выполняется окончатель- ная механическая обработка. Применительно к изготовлению радиально-осевых колес круп- ных гидротурбин возможны и другие конструктивно-технологиче- ские решения. Так, рабочее колесо Плявиньской ГЭС выполнено из двух частей исходя из необходимости перевозки по железной дороге, причем заводская сварка выполнялась преимущественно 184

вручную. Так как рабочее колесо изготовлено из двух половин, то две лопасти, попадающие в плоскость разъема, разрезные. Конст- рукцией колеса предусмотрено соединение стыков верхнего обода на болтах, а нижнего — с помощью сварки. Такое решение опре- делялось, с одной стороны, невозможностью осуществить болтовое соединение нижнего обода из-за жесткого ограничения габаритов стыка, а с другой — стремлением избежать искажений оконча- тельно обработанной поверхности верхнего обода, которой он при- соединяется к фланцу вала гидротурбин. Стыки нижнего обода сварены ручной сваркой способом «поперечной горки» одновремен- но четырьмя сварщиками попарно «дуга в дугу». Подогрев до тем- пературы 120—200 °C производили с помощью индукторов. Эти же индукторы использовались для высокого отпуска стыков обода после сварки. Стыки разъемных лопастей сваривали многослойной сваркой вручную без подогрева. § 2. Серийное и крупносерийное производство деталей общего машиностроения Большинство деталей машиностроения можно выполнить свар- ными из отдельных заготовок простой формы. Применительно к ин- дивидуальному производству деталей тяжелых машин такой под- ход, как правило, оправдывается. Однако для деталей, выпускае- мых в условиях серийного, а тем более массового производства, целесообразность изготовления детали составной с помощью свар- ки не является бесспорной. Эта целесообразность существенно зависит от технологичности конструкции, т. е. от характера расчле- нения детали, метода получения заготовок, их обработки, удобства выполнения и трудоемкости сборочно-сварочных операций, воз- можности механизации и автоматизации процесса изготовления, искажения размеров и формы от сварки, необходимости и харак- тера последующей термической и механической обработки. Эти Рис. 17.10. Каргер блока дизеля: а —схема расчленения картера на переднюю 1, промежуточные 2 и заднюю 3 стойки; б —литая промежуточная стойка 18S соображения приобретают тем большее значение, чем выше серий- ность выпуска изделий. Примером серийного производства сварных станин значитель- ных размеров может служить изготовление картеров блоков транс- портных дизелей на Коломенском тепловозостроительном заводе. То обстоятельство, что дизели определенной размерности, но раз- ной мощности отличаются только числом цилиндров (8, 12, 16 и 20), позволило унифицировать заготовки, из которых собирают и сваривают картеры. Как видно из схемы (рис. 17.10,а), картер бло- ка дизеля с V-образным расположением цилиндров составляется из литых стоек трех типов (передней, задней и промежуточной) с одинаковыми стыками между ними. В результате такой унифи- кации количество одинаковых стыков, подлежащих сборке и свар- ке при производстве дизелей данного типа, увеличилось настоль- ко, что стало экономически оправданным создание сложного и до- рогого оборудования. Согласно разработанной ИЭС им. Е. О. Па- тона технологии, стойки, отлитые из стали 20Л (рис. 17.10,6), по- следовательно присоединяют одна к другой контактной сваркой непрерывным оплавлением, причем нижние лапы 1 и 5, боковые стенки 2 и 4 и верхнюю перемычку 3 сваривают одновременно (суммарная площадь сечения 50000 мм2). Стойки поступают на сборку без предварительной механической обработки, суммарный припуск на оплавление одной стойки составляет 40 мм. Специальный сборочно-сварочный комплекс К-579 обеспечива- ет механизацию операций приема стоек, подачи их в зону сварки, совмещения базовых поверхностей, перемещения после сварки на заданный шаг и выдачи изделия после выполнения заданного чис- ла стыков. Термический цикл и деформации всех пяти элементов стыка оказываются настолько близкими, что остаточные напряже- ния в направлении поперек стыка практически отсутствуют. Это позволяет обеспечить максимальную погрешность длины картера ±2,5 мм, расстояния между осями цилиндров ±1 мм, смещения осей стоек в поперечном направлении не более 2 мм и пропеллер- ности основания стоек ±2 мм. Малые отклонения в размерах кар- тера позволили намного уменьшить припуски на механическую обработку, а низкий уровень остаточных напряжений главного на- правления и однородность структуры сварных соединений позво- лили отказаться от отпуска картера после сварки. В условиях серийного производства эти особенности рассмотренной технологии являются весьма важными и обеспечивают значительный экономи- ческий эффект. Кольцевые швы, соединяющие заготовки валов, осей и роликов в условиях серийного производства, выполняют дуговой, контакт- ной стыковой сваркой и сваркой трением, причем область приме- нения сварки трением заметно расширяется. Так, на рис. 12.25 бы- ли приведены два варианта изготовления карданного вала авто- мобиля. Возникающая при дуговой сварке деформация ушков вилки кардана смещает оси отверстий 0 39 мм, что ведет к пере- косу подшипников и снижению долговечности карданной передачи. 187
Рис. 17.11. Полуось трактора изготовляют с помощью дуговой Обеспечение соосности отверстий последующей обработкой значи- тельно удорожает изготовление. В то же время требуемая точность без последующей механической обработки может быть получена при сварке трением. Стабильность размеров и уменьшение оста- точных деформаций в этом случае объясняются более равномер- ным нагревом при сварке и увеличением расстояния от оси шва до оси отверстий в вилке кардана без изменения размера штамповки. Одновременная сварка трением двух стыков легко поддается ав- томатизации, обеспечивая при этом требуемую прямолинейность оси всего карданного вала. Другим примером использования сварки трением для повыше- ния технологичности конструктивного решения может служить по- луось трактора (рис. 17.11). Если полуось расчленить на две части, то внутренние шли- цы можно обработать протяж- кой. Сварка такой составной детали на стыковой машине сопровождается опасностью повреждения шлицев свароч- ным гратом, а использование дуговой сварки — возмож- ностью искажения прямоли- нейности оси от сварочных де- формаций. Поэтому для изго- товления таких осей использу- ют сварку трением па специ- альной машине. Шкивы, барабаны и другие детали подобного типа обычно арки. При серийном производ- стве зубчатых колес сварку используют пока в ограниченной сте- пени. В то же время экономичность выпуска сварных блоков ше- стерен привода автомобилей и тракторов взамен цельных является очевидной. Однако использование готовых термически обработан- ных заготовок предъявляет к сварке высокие требования по каче- ству соединения и точности размеров блока после сварки. Перспек- тивной является электроннолучевая сварка, позволяющая полу- чать швы с глубоким и узким проплавлением при минимальных деформациях. Об этом свидетельствует опыт автомобильной про- мышленности США. Предполагается широкое внедрение поточных и автоматических линий сварки шестерен электронным лучом в низком вакууме. В связи с опасностью образования трещин для шестерен следует использовать хорошо сваривающиеся низколеги- рованные стали, например 15ГН2ТЛ. Для крупносерийного производства сварных деталей относи- тельно простой формы и небольших размеров характерно исполь- зование сварочных и сборочно-сварочных полуавтоматических и автоматических станков. При изготовлении сварных деталей скру- 188
говыми швами малой протяженности производительность станка существенно зависит от затрат времени на вспомогательные и уста- новочные операции. С целью их сокращения стремятся совмещать операции во времени, выполняя однотипные кольцевые швы одно- временно несколькими сварочными головками, используя поворот- ные многопозиционные приспособления барабанного типа. При необходимости вращения детали от- носительно вертикальной оси (круговые, коль- цевые угловые швы) используют поворотный стол для установки и съема деталей и их вра- щения относительно неподвижной сварочной головки. Примером такого станка для сварки круговых швов детали малого размера (рис. 17.12) является полуавтомат, обеспечивающий одновременную сварку двух разных швов на позициях IV и VI поворотного стола (рис. 17.13,а). Периодический поворот план- шайбы стола на 1 /8 оборота осуществляется мальтийским механизмом, привод вращения деталей на сварочных позициях IV и VI до- Рис. 17.12. Сварная деталь с двумя кру- говыми швами стигается прижатием к каждой из них под- пружиненных поверхностей постоянно вращающихся шпинделей (рис. 17.13,6). Частота вращения подбирается с помощью смен- ных шестерен, длительность цикла сварки составляет 14— 17 с. Привод движения всех механизмов станка (рис. 17.14) осуществляется от одного непрерывно работающего электро- двигателя /. Цикл задается включением электромагнита 3, осво- бождающего подпружиненную головку муфты 2. За время одно- го оборота, кулачка 4 узел 6, несущий шпиндельные устройства 7 с их приводом 5, совершает возвратно-поступательное движение Рис. 17.13. Схемы узлов станка-полуавтомата: а — поворотный стол; б — привод вращения детали; в — съем детали 189
в вертикальной плоскости. При этом свариваемые детали освобож- даются от соприкосновения со шпинделями, а стол поворачивается на 1/8 оборота, снова стопорится, шпиндели своими конусами 7 снова прижимаются к деталям 8 и приводят их во вращение. Од- новременно с началом вращения включаются сварочные головки для сварки в среде СО? и механизмы отсчета «1 оборот4-перекры- тие», которые выключают сварку и включают электромагнит муф- ты 5, повторяя цикл. Так как цикл работы составля- ет всего четверть минуты, то для ручной загрузки на планшайбе стола предусмо- трены позиции /, II, III, чтобы оператор мог ставить Рис. 17.14. Кинематическая схема станка- лолуавтомата для сварки деталей с двумя круговыми швами детали сразу на две пози- ции. Съем осуществляется автоматически перемещени- ем штока 9, несущего пру- жинящие захваты 10. При движении вниз эти захваты подхватывают сваренную деталь снизу и при движе- нии вверх поднимают ее, подставляя под удар сбра- сывателя 11. Дополнение установки такого типа питателем по- зволяет автоматизировать сварочную операцию пол- ностью, как, например, в станке-автомате для роли- ковой сварки проушины 1 с цилиндром амортизатора 2 автомобиля (рис. 17.15,а). Собранные узлы цилиндров с запрессованными проуши- нами из магазина 3 (рис. 17.15,6) штоком пневмотол- кателя 4 подаются на одну из оправок 5, закрепленных радиально на валу. При повороте вала очередная оправка с изде- лием располагается между сварочными роликами 11. Усилия на электродах создают пневмоцилиндры 8 головок 9, вращение ро- ликов осуществляется от электродвигателя через редукторы 13, карданные валы 12 и шарошки 10. Пневмоприжим 6 предотвра- щает осевое смещение изделия. Каждый ролик сваривает трубу на длине полупериметра. После сварки ролики автоматически раздвигаются, оправки поворачиваются на угол 30° и одно из сва- ренных изделий сбрасывается съемником 7. 190
Рис. 17.15. Схема станка-автомата для сварки проушин: а — проушина; б —схема станка
В рассмотренных выше устройствах автоматизирована только сварочная операция, тогда как исключение ручного труда при сборке под сварку машиностроительных деталей простой формы и малого размера особенно целесообразно и относительно неслож- но, в особенности если применяют такие методы сварки, как свар- ка трением. Так, при сборке и сварке клапана двигателя на ВАЗе заготовками являются пруток для хвостовика и объемная штам- повка — седло клапана. Заготовки поступают в бункерные устройства, ориентируются там, захватываются транспортирующими устройствами и попарно подаются в станок-авто- мат, осуществляющий их центровку, сварку и выдачу клапана на лен- ту транспортера для дальнейших операций. Применительно к массовому про- изводству однотипных деталей не- большого габарита определенный интерес представляют автоматы ро- торного типа, в которых рабочие инструменты имеются на всех пози- циях ротора и вращаются вместе с ним. Высокая производительность таких автоматов достигается одно- временной обработкой нескольких изделий на позициях, расположен- ных в пределах рабочего сектора ар (рис. 17.16). За время t (мин) обработки однрй детали ротор по- Рис. 17.16. Схема позиций авто- мата роторного типа Рис. 17.17. Сварной каток трак- ворачивается на угол а„. Поэтому Тора число позиции а в пределах рабоче- го угла ротора ар, которое необходи- мо для обеспечения заданной производительности Q (шт/ч) долж- но быть a=Qt/60, а частота вращения (об/мин) ротора л=ар/(360/). По такой схеме работает станок-автомат для сборки трактор- ных катков из двух заготовок и сварки их кольцевым швом (рис. 17.17), созданный в ИЭС им. Е. О. Патона. Станок (рис. 17.18) располагают в линии механической обработки литых или горячештампованных заготовок. Предварительно обработан- ные половинки катков подаются в загрузочное устройство штучной выдачи заготовок. Наличие в заготовках обработанной поверхно- сти отверстия позволяет автоматизировать не только сварочную, но и сборочную операцию без постановки прихваток. Ротор оборудован четырехместной планшайбой со специальны- ми устройствами для сборки, закрепления и вращения катка. Над 192
Рис. 17.18. Станок-автомат роторного типа для сборки и сварки катков трак- тора 13—201
Рис. 17.19. Загрузочное устройство автомата роторного типа каждым таким устройством (гнездом ротора) установлена свароч- ная головка 5 с катушкой электродной проволоки 7 и флюсопо- дающими трубками 8 и 6. Планшайба и кольцевая обойма со сва- рочными головками смонтированы на общем вертикальном валу и вращаются вокруг его оси, обеспечивая производительность 150 шт/ч при скорости сварки 1 м/мин. Автомат работает следующим об- разом. Из загрузочного лотка 1 (рис. 17.19), снаб- женного системой отсека- телей, обе заготовки одно- временно поступают в приемную призму 12 мани- пулятора. Затем под дей- ствием пневмоцилиндра 4 фиксатор 5 входит в за- цепление с ротором 3, после чего весь манипу- лятор 7 начинает повора- чиваться вместе с рото- ром 3 вокруг оси вала 6. При этом пневмоцилиндр И по направляющим 10 подает призмы 12 вверх до уровня зажимных пи- нолей, центрирующих по- ловины катка с прижати- ем их друг к другу. После этого цилиндр 11 опуска- ет порожнюю призму 12, цилиндр 4 выводит из зацепления фиксатор 5 и весь манипулятор 7 возвращается в исходное положение пневмоцилиндром 9, закре- пленным на станине 8. Далее включается сварочный вращатель (см. рис. 17.18) с приводной 2 и холостой 4 бабками и начинается процесс сварки. При этом ротор 1 и изделие 3 непрерывно и равномерно вращаются относительно своих осей. После того как свариваемый каток совершит полный оборот вокруг своей оси и 3/4 оборота вокруг оси ротора, сварка прекращается и изделие на ходу выгружается. Изготовление сложных сварных узлов требует выполнения ряда сборочных и сварочных операций в сочетании с операциями прав- ки, механической обработки, контроля качества и транспортирова- ния узла с одной позиции на другую. В крупносерийном произ- водстве для этой цели используют автоматические линии, оснащен- ные специальным оборудованием. Примером такой линии может служить автоматическая линия изготовления картера заднего моста грузового автомобиля ЗИЛ. Корпус картера (рис. 17.20,а) сварен из двух горячештамлованных заготовок <3 из стали 17ГС с клиновыми вставками 2. Наличие четырех клиновых вставок усложнило сбор- 194
13*
$1 0 4 ё s ку и сварку корпуса, однако упрощение формы раскроя заготовки под штам- повку позволило существенно снизить расход металла (рис. 17.20,6). Квадрат- ная форма сечения средней части бал- ки переходит в круглую по концам, где насажены и приварены изготовленные из стали 35 фланцы 4 угловыми швами и цапфы 5 стыковыми швами. В цен- тральной части картера (банджо) с обеих сторон отверстия приварены уси- лительный фланец / из стали 35 и крышка 6 из стали 20. Все швы вы- полнены дуговой сваркой в СО2, за исключением стыковых соединений кор- пуса картера с цапфами 5, выполнен- ных сваркой трением. Последовательность выполнения технологических операций в линии и общая ее компоновка показаны на рис. 17.21. Вся линия состоит из восьми стендов, которые объединены в три от- дельных участка, имеющих накопители и способных работать автономно. В ли- нии использованы шаговые конвейеры челночного типа, совершающие возврат- но-поступательное движение, с подъем- ными устройствами на каждой позиции. Имеются конвейеры верхнего и нижнего типов. Возвратно-поступательное дви- жение кареток осуществляется передачей рейка — шестерня с приводом шестерни от двух электродвигателей и одним ре- дуктором. Маршевая скорость движения рейки снижается на последних 100 мм пути переключением электродвигателей. Это способствует повышению точности остановки изделий на рабочих позициях. Подъемные устройства выполнены с при- менением кривошипно-шатунного меха- низма с приводом от электродвигателя. На стенде / (рис. 17.21) выполня- ются операции сборки половинок балки, установки клиновых вставок и сварки корневого прохода продольных швов. Стенд имеет четыре рабочие позиции. Как и на всех последующих стендах, первая и последняя позиции предназна- чены соответственно для установки и съема изделия. На промежуточных по- зициях выполняются технологические операции. Половинки балок и клиновые вставки поступают на сборку из загото- вительного цеха в контейнерах, кромки под сварку подготовлены механической обработкой. Схема выполнения опера- ций на стенде I показана на рис. 17.22, где цифрами обозначена последователь- ность операций. Лва оператора уклады- вают штампованные половинки балки / в базы транспортирующего устройства 196
2 (рис. 17.22,а). Все остальные операции выполняются автоматически. Подан- ная на вторую позицию балка поднимается вверх до уровня сварочных голо- вок 6 (рис. 17.22,6). Против торцов собираемых заготовок выставляется упор 5 (рис. 17.23,а). Выравнивание достигается ударом шарнирного упора 2 по про- тивоположному торцу (рис. 17.23,6). В поперечном направлении позициониро- вание половин обеспечивается подвижными упорами 3 и 4, а в вертикальном направлении 1 сжатие собираемых заготовок осуществляется в трех местах — в области банджо и по кон- цам. Клиновые вставки на по- зиции загрузки попадают в по- воротное устройство, где упо- ры 1 (рис. 1/.24,а) ориентиру- ют их, а рычаги 2 прижимают к опорным базам. Затем пово- ротные рычаги 3 (рис. 17.24,6) переводят клиновые вставки в вертикальное положение, а смещение этих рычагов в на- правлении 4 (рис. 17.24,в) обеспечивает установку каждой клиновой вставки в проектное положение с выборкой зазо- ров. С завершением сборки флажки 3 (рис. 17.23,6) от- кидываются, освобождая стык для сварки, и без прихват- ки одновременно в вертикаль- ной плоскости производится сварка четырех корневых швов по схеме, показанной на рис. 17.25,а. Направление че- тырех сварочных головок по швам задается копирами и ко- пирными роликами. Сварка оставшихся четырех участков шва выполняется на .'ретьей позиции (см. рис. 17.22,в) дву- мя сварочными головками 12 по схеме рис. 17.25,6. Для этого между второй и третьей позициями (см. рис. 17.22.5) балка кантуется на 180° во- ' круг продольной оси. Балка, сваренная корневыми швами, поступает на четвертую пози- цию (см. рис. 17.22,в) и меха- нической рукой сбрасывается Рис. 17.22. Схема операций сборки и свар- в накопитель (см. рис. 17.22,г), ки на стенде I где производится визуальный контроль выполненных сварных швов. Далее в линии выполняется заполнение разделки продольных швов, которое ведется в нижнем положении с попереч- ными колебаниями электрода. Поскольку эта операция идет с меньшей скоростью и занимает больше времени, чем сварка корневых швов, в линии предусмотрено разделение потока на два параллельных стенда (см. рис. 17.21). Загрузка балок на исходные позиции стендов II осуществляется операто- ром с помощью легкого консольного крана. Сварка швов выполняется на пози- циях 6 и 7, между которыми балка кантуется на 180°. Сварка швов идет по схеме рис. 17.25,в одновременно двумя сварочными головками, обеспечиваю- щими автоматическую заварку кратеров. Сваренные балки с двух параллельных стендов II (см. рис. 17.21) пооче- редно автоматически передаются механической рукой с поворотом на 90е на 197
стенд Ill для правки фланцев банджо на гидропрессе, что необходимо для их последующей механической обработки. Здесь на позиции 10 нижний пуансон приподнимает балку до упора в верх- ний пуансон, создавая прогиб кромок банджо примерно на 2°. Затем на пози- ции 11 подающее устройство захватывает балку и выносит ее из линии для визуального контроля на позиции На. Контролер осматривает швы и, если кар- Рис. 17.23. Автоматическая сборка половин корпуса картера заднего моста: а — упор; б — расположение сборочных прижимов Рис. 17.24. Автоматическая постановка клиновых вставок: а — фиксирование; б — поворот; в — постановка в проектное положение тер требует подварки, нажимает кнопку «Дефект». По этой команде подающее устройство отпускает балку на склиз, направляя ее на подварку, а из накопи- теля забирает ранее подваренную балку и подает ее в линию. При качествен- ных швах контролер нажимает кнопку «Годен», тогда подающее устройство уносит балку в линию. Далее происходит передача балки на верхний конвейер с захватами клещевого типа, связывающий позиции стенда IV. На них меха- нически обрабатываются торцы балки, снимается усиление сварного шва на 198
цилиндрической части концов, растачиваются отверстия и выравниваются флан цевые поверхности банджо. Между позициями стружка из полостей балки уда- ляется сжатым воздухом. Сборка и сварка балки с кольцом 1 и крышкой 6 (см. рис. 17.20) выпол- няются на стенде V (см. рис. 17.21). Сборка с кольцом на позиции 16 совме- щена с передачей балки с верхнего конвейера стенда IV на нижний конвейер стенда V. Схема сборки показана на рис. 17.26. В базы нижнего конвейера 2 механической рукой укладывается коль цо 3. Подъемным механизмом 1 кольцо 3 захватывается и прижимается к ниж- ней поверхности балкн 4. Далее балка освобождается от захватов 5 верхнего конвейера и вместе с кольцом опускает- ся подъемником в базы исходной пози- ции нижнего конвейера стенда V. Крышки укладываются оператором в магазин карусельного типа с шаговым поворотом стола 17а (см. рис. 17.21). Механическая рука с кулачковым захва- том автоматически подает крышку из магазина к месту сборки с балкой на позицию 17, располагая ее по центру банджо. Подъемник с трехкулачковым патроном захватывает балку с фланцем снизу, центрирует ее и поднимает, при- жимая к крышке. В таком положении производится прихватка кольца и крыш- ки к балке картера двумя сварочными Рис. 17.25. Схемы движения элек- трода по стыку: а, б — при сварке корневого шва: в —• при сварке основного шва Конвейер стенда W Рис. 17.26. Автоматическая сборка балки картера с фланцем головками, которые автоматически вы- полняют 8 точек в последовательности, указанной цифрами на рис. 17.27. Сварка угловых швов кольца и крышки выполняется на двух параллель- ных стендах VI (см. рис. 17.21). Спе- циальный манипулятор распределяет со- бранные под сварку узлы на два парал- лельных потока, одновременна кантуя балки на 90°. Приварка крышки выпол- няется на позиции 19. Манипулятор- подъемник захватывает балку из баз конвейера и отверстием банджо надева- ет на трехкулачковый патрон вращате- ля. Сварка ведется в положении <в ло- дочку» с поперечными колебаниями электрода. Аналогично выполняется сварка углового шва кольца на позиции 20. При этом манипулятор надевает балку на трехкулачковын патрон снизу. На стенд VII сборки и сварки тормозных фланцев балка поступает, про- ходя через промежуточный накопитель в виде вертикально замкнутого конвейера 22. Технология сборки тормозных фланцев включает автоматическую подачу фланцев из вертикальных магазинов в зону сборки и центрирование их в за- жимных патронах, которые с двух сторон одновременно насаживают фланцы на балку. В таком положении на позиции 24 четыре сварочные головки одновре- менно сваривают корневые швы фланцев при вращении балки относительно продольной оси. Для снижения концентрации напряжений угловые шва фланцев выполняются с разрывом в 90° в зоне растянутых волокон, как видно на рис. 17.20. Вторые слои этих швов выполняются на позициях 25 и 26 (см. рис. 17.21). На каждой из них с помощью центрирующих пинолей балка за- крепляется в поворотной раме. Поворотом рамы балка снимается с конвейера и устанавливается в положение для сварки двух угловых швов «в лодочку» при вращении относительно наклонной оси. Разогрев концов балки при сварке угло- 199
вых швов тормозных фланцев может явиться причиной нестабильности каче- ства приварки цапф сваркой трением на стенде VIII. Для устранения влияния перегрева между стендами VII и VIII установлен вертикальный шаговый конвейер 27, работающий таким образом, что балка проходит его не менее чем за 40 мин, в течение которых происходит ее остывание. Передача балки картера в этот конвейер-накопитель, съем и выдача к установке для сварки трением осуществляются автоматически. Рис. 17.28. Схема автоматической установки для сборки и сварки балки картера с цапфами 200
Приварка цапф трением выполняется на позиции 28 одновременно с двух сторон. Балка картера центрируется по отверстию банджо и зажимается по тормозным фланцам. Цапфы автоматически подаются из наклонных лотков-на- копителей 1 (рис. 17.28), загружаемых оператором вручную из бункера. С по- мощью поворотного загрузочного устройства 2 две цапфы подаются в зону сварки. Патроны машины сварки трением, имеющие приводы вращения и про- дольного перемещения, захватывают цапфы, отходят назад, освобождая базы загрузочного устройства. Далее при вращении и продольном перемещении патронов с цапфами осуществляется сварка при неподвижном корпусе балки. После сварки патроны освобождают приваренные цапфы и смонтированными на этих же патронах резцовыми головками удаляется наружный грат. Последние две позиции автоматической линии предусмотрены для автома- тического контроля снятия грата и для визуального контроля сварных соедине- ний тормозных фланцев и цапф. Из рассмотренного примера видно, что оборудование современ- ной автоматической линии изготовления сложной машинострси- тельной детали включает большое число разнообразных устройств оригинального характера. Вследствие этого проектирование и из- готовление таких линий требует больших затрат труда и времени, удлиняет сроки их ввода в эксплуатацию. В то же время имеется возможность компоновать автоматические линии на основе исполь- зования типовых транспортирующих устройств и универсальных промышленных роботов. Такой подход позволяет решать вопросы автоматизации сварочного производства более оперативно. При- менительно к выполнению сва- рочных работ использование ро- ботов может быть эффективным не только в крупносерийном, но и в серийном и даже мелкосерий- ном производстве. Так, например, полную авто- матизацию сварки машинострои- тельных деталей типа колес по- зволяет обеспечить использование компоновки робота портального типа и манипулятора, показанно- го на рис. 13.47. В этом случае для выполнения каждого из швов (рис. 17.29) автоматический ма- нипулятор 2 обеспечивает устано- Рис. 17.29. Автоматизация сварочных операций машиностроительной детали: а —схема закрепления детали на вращате- ле: б — расположение детали и сварочной головки робота при выполнении одного из швов вочный поворот детали 1 и ее вращение со скоростью сварки, а ротор подает сварочную головку 3 и обеспечивает заданный режим сварки. Первую деталь серии оператор сваривает, используя кно- почное управление с введением всех параметров процесса в па- 201
мять робота. При сварке всех остальных деталей серии оператор только устанавливает детали на манипулятор и снимает их после сварки. § 3. Сварка деталей приборов При изготовлении приборов приходится сваривать самые раз- нообразные материалы и их сочетания при толщине элементов от нескольких десятков нанометров до нескольких миллиметров. Упру- гие чувствительные элементы давления (мембраны, сильфоны) изготовляют обычно из бронзы (берил- лиевой или фосфористой) или из нержа- веющей стали толщиной 0,05—0,3 мм, подвергнутой нагартовке для создания определенных упругих характеристик. К сварным соединениям этих элементов предъявляют требования прочности и герметичности. Сваривают эти элементы аргонодуговой, микроплазменной, элек- троннолучевой или контактной сваркой, принимая меры по ограничению свароч- ного разогрева. На рис. 17.30 показан Рис. 17.30. Сварной сильфон: а — конструкция сильфона: б — со- единение, полученное оплавлением отбортовки сильфон, изготовленный путем сварки оплавлением отборто- вок штампованных мембран по наружным и внутренним кон- турам. Для плотного прижатия свариваемых кромок, умень- шения общего нагрева изделия и предотвращения прожогов Рис. 17.31. Схема арго- нодуговой сварки мем- браны: / —• зажимы-холодильники; 2 — элементы мембраны; 3 — сварочная дуга; 4 — шов Рис. 17.32. Сварка сильфона с фланцем: I— дуга; 2— разжимающий конус; 3— фланец; 4 —сильфон; 5 — оправка-холо- дильник используют сварочные приспособления «холодильники» в виде мед- ных дисков (рис. 17.31). Сварку обычно производят токами силой несколько ампер с сопповой защитой зоны шва или с применением стеклянных накладных микрокамер для уменьшения сдувания ар- 202
гона. В случае приварки сильфона к фланцу для прижатия тонко- стенной детали и теплоотвода от места сварки используют массив- ную разжимную оправку, а для уравнивания толщин соединяемых элементов создают канавки (рис. 17.32). Несколько иная конструк- ция соединения сильфона с деталями арматуры показана на рис. 17.33. Рис. 17.33. Соединение сильфона с деталями арматуры: а — общий вид соединения; б — подготов- ка кромок Рис. 17.34. Контактная сварка мембранного чувствительного эле- мента При шовной конденсаторной сварке (рис. 17.34) нагрев значи- тельно меньше, поэтому «холодильники» могут не применяться, но требуется специальное приспособление для закрепления и синхрон- ного вращения детали 1 и ролика-электрода 2, предназначенного для определенного типоразмера изделия. Рис. 17.35. Способы уменьшения деформации центральной части кор- пуса транзистора при холодной сварке: а — разгрузочная канавка; б —фланец с тонким буртом; в —тарелочный фланец При изготовлении полупроводниковых приборов приварка гер- метизирующих корпусов является одной из заключительных опе- раций. Так как собранный и проверенный прибор имеет весьма чувствительный к нагреву кристалл с выводами, припаянными лег- коплавким припоем (ТПл~150°С), то тепловое воздействие процес- са сварки должно быть минимальным. Применение холодной свар- ки позволяет исключить нагрев, но возникающие при этом значи- тельные пластические деформации могут вызвать разрушение изоляторов и кристаллодержателя. Ограничения деформации иен- 203
тральной части корпуса прибора достигают созданием выточек, уменьшением жесткости фланцевой части корпуса или образова- нием гофров (рис. 17.35). При изготовлении электронных приборов (радиоламп, тиратро- нов, кинескопов и т. п.) для соединения тонких проволочек, лент, фольги применяют конденсаторную, микроплазменную, электрон- нолучевую и лазерную сварку. Для точной фиксации элементов при их сварке используют специальные приспособления или предусма- тривают наличие фиксирующих выступов и впадин на соединяемых деталях. Рис. 17.36 Рис. 17.37 Рис. 17.36. Схема приварки выводов к сопротивлениям МЛТ Рис. 17.37. Схема микросварки при изготовлении пленочных микросхем: I — проводник; 2, 3 —электроды; 4 — слой напыленного металла; 5 — диэлектрическая подложка Массовый характер производства деталей радиопромышленно- сти требует осуществления механизации и автоматизации процес- сов производства. Примером детали, выпускаемой десятками мил- лионов штук в год, является резистор, имеющий два одинаковых сварных соединения колпачок—вывод. Схема специального авто- мата для приварки выводов показана на рис. 17.36. Корпус с наде- тыми колпачками 2 попадает из бункера в конденсаторную сва- рочную установку 1 и зажимается фигурными электродами 3. Про- волока для образования выводов одновременно подается к обоим колпачкам из бухт 4. Производятся сварка, отрезка и выдача го- тового резистора. Производительность таких автоматов составляет 6000 деталей в час. При монтаже пленочных микросхем проволочные проводники диаметром 0,02—0,07 мм присоединяют к напыленным металличе- ским пленкам, используя для этого контактную сварку с односто- ронним подводом тока (рис. 17.37). В микроэлектронике для сварки деталей (приварка токоподводов к •схемам, кристаллов к кристаллодержателям и т. д.) применяют точечную ультразвуко- вую сварку. Используемое для этой цели оборудование обычно предусматривает автоматизацию вспомогательных операций (по- дача проволок в зону сварки, совмещение заготовок). 204
ГЛАВА 18 БАЛКИ § 1. Общие сведения о балках, схема расчета Наиболее часто применяют сварные балки двутаврового и ко- робчатого (рис. 18.1) профилей. Двутавровые балки хорошо со- противляются изгибу в плоскости своей наибольшей жесткости, коробчатые — изгибу в разных плоскостях и кручению. Рис. 18.1. Типы поперечных сечений сварных коробчатых балок Поперечные сечения балок иногда изменяются по длине. В не- которых случаях изменяют толщину или ширину горизонтальных листов (рис. 18.2,а). Это более целесообразно, нежели изменять толщину вертикальных листов. Применяют балки с переменной высотой вертикальных листов (рис. 18.2,6). Иногда горизонталь- ные пояса делают составными по тол- щине, если толщина пояса s^30^- —35 мм; при этом в менее нагружен- ных участках число листов уменьша- ют (рис. 18.2,в). Балки переменного сечения позво- ляют лучше использовать несущую способность металла по всей их дли- не. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного про- филя, значительная часть когорых ра- ботает при напряжениях, значительно меньших допускаемых. В технологи- ческом отношении балки переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается с эко- номических позиций, а иногда и с уче- том общей компоновки и эстетики. Большинство типовых балок имеют профиль, постоянный по длине. При расчете балок встречаются с тремя видами задач. 1. Заданы размеры балки, извест- ны расчетные усилия — изгибающие Рис. 18.2. Балки с изменяю- щимся поперечным сечением: а — по толщине листов; б — по высоте; в — по числу листов в по- ясах 205
моменты и поперечные силы. Требуется проверить прочность бал- ки. В этом случае определяют нормальные и касательные напря- жения. 2. Заданы балка и допускаемые напряжения. Требуется опре- делить допускаемую нагрузку на балку. Эта задача также легко решается с использованием общеизвестных формул из курса «Со- противление материалов». 3. Требуется спроектировать балку, обеспечивающую требуе- мую грузоподъемность. Эта задача решается следующим образом: от заданной нагрузки определяют опорные реакции, строят эпюры поперечных сил Q, изгибающих моментов М по длине и крутящих моментов, если последние имеют место. При наличии подвижных нагрузок строят линии влияния опор- ных реакций, затем Q и М для сечений х—0, х=0,1 /; х=0,2/ и т. д. до х=0,5/, где I — длина балки [5]- В указанных сечениях вычис- ляют максимальные значения усилий при самом опасном для них положении подвижных нагрузок. После этого подбирают размеры поперечных сечений балки, обеспечивающие прочность. Из условия прочности расчетные напряжения не должны превышать 1,05[о]р. При экономном подходе к расходу металла расчетное напряжение должно быть больше 0,95 [<т]р, где [о]р — допускаемое растяги- вающее напряжение для основного металла. § 2. Расчет жесткости и прочности Балка должна удовлетворять требованию жесткости, т. е. ее прогиб fmax от наибольшей нагрузки не должен превышать пре- дельно допускаемого. Обычно в балках предельное значение отно- шений fmax// регламентируется нормами. Норма жесткости для балок разных назначений различна, например в подкрановых бал- ках fmax//1/600-е-1/700; в главных балках междуэтажных пере- крытий fmax//=551/400. Чтобы удовлетворить требованиям жесткости, балка должна иметь высоту не менее некоторой предельной. Эта минимальная высота определяется видом нагружения и допускаемыми напря- жениями. Рассмотрим, какова должна быть наименьшая высота балки, свободно лежащей на двух опорах, если она нагружена рав- номерной нагрузкой (рис. 18.3,а). Расчетный прогиб f=5g/4/(384£/), (18.1) где EI — жесткость балки. Для рассматриваемой балки расчетный момент М = qP/8. (18.2) Подставляя значение М в формулу (18.1), получим 1=5М?1 (48EZ). (18.3) Изгибающий момент M=[cr]pU7, (18.4) где [о]р — допускаемое напряжение; W— момент сопротивления. 206
Если расчетное сечение симметрично относительно горизон- тальной оси, то W=2Ijh, где Л — высота балки. Подставим значение М из формулы (18.4) в формулу (18.3): откуда или f=5[o]p/2/(24E/i), f//=5[<т]р//(24Е7г), /i//=5[a]p//(24Ef). Рис. 18.3. К расчету сварной балки: а — изогнутая ось балки от д; б — поперечное сечение балки; в, г — влияние сосредоточенной силы (18.5) (18.6) Высота балки, вычисленная по формуле (18.6), является наи- меньшей при заданных [о]р и f/l и может быть увеличена, если это диктуется соображениями компоновки конструкции или эконо- мии металла. При других нагружениях и системах балок, напри- мер консольных, многоопорных, с защемленными концами и т. п., в формуле (18.6) изменяется лишь числовой коэффициент. В об- щем случае h=^[a]pP/(Ef max )• (18.7) Коэффициенты ф для балок из низкоуглсродистых сталей приведе- ны в табл. 18.1. 207
Таблица 18.1 Варианты схем нагружения Балки из стали СтЗ для различных элементов конструкций имеют следующие предельные отношения /шах//: Подкрановые балки и фермы: при ручных кранах...........................................1/500 при электрических кранах грузоподъемностью до 50 т.........1/600 при электрических кранах грузоподъемностью свыше 50 т ... 1/750 Монорельсовые пути..............................................1/400 Балки рабочих площадок производственных зданий: главные при отсутствии рельсовых путей .................... 1/400 прочие......................................................1/250 при наличии узкоколейных путей............................ 1/400 при наличии ширококолейных путей............................1/600 Балки междуэтажных перекрытий: главные.....................................................1/400 прочие..................................................... 1/250 Балки покрытий и чердачных перекрытий: главные.....................................................1/250 прогоны.....................................................1/200 При действии моментов в двух плоскостях (вертикальной и горизонтальной) высота балки h определяется с учетом напряже- ния от моментов Мх и Му. Сумма (ax4~Oi/) должна быть мень- 208
ше [а]р. Соотношение между ах и оу устанавливается приближен- но на основе имеющегося опыта проектирования конструкции или< методом последовательного приближения. При этом задаются ожидаемыми отношениями ах/иу и затем проверяют их правиль- ность повторными расчетами. Балка должна удовлетворять прочности при условии наимень- шей массы, т. е. поперечное сечение должно быть минимальным. Высота балки для двутаврового профиля может быть найдена по формуле Й = (1,3н-1.4)УЛ1/(5ВНР), (18.8) а для коробчатого Л=ум/(«.НР), (18.9) где — толщина вертикального листа. При проектировании балок толщина sB в формулах (18.8) и (18.9) неизвестна. Поэтому ее первоначально задают. Для разных строительных конструкций sB обычно изменяется в сравнительно узких пределах. Можно принимать s,= rW12.5; (18.10) для тяжелых конструкций $в=7+0,005Ав, (18.11> где sB и hB (рис. 18.3,6) выражены в мм. Значения А, найденные с учетом требований достаточной жест- кости и прочности, а также при условии наименьшей массы, могут оказаться совершенно различными. Из двух значений, вычислен- ных для балки двутаврового профиля по формулам (18.6) и (18.7) или (18.8) и (18.9), следует принять большее и, во всяком случае, не меньшее, чем при вычислении по формулам (18.6) и (18.7). Далее подбирают размеры поперечного сечения балки с уче- том расчетного изгибающего момента М и высоты А. Рассмотрим процесс подбора сечения двутаврового профиля (рис. 18.3,6). Для этого найдем требуемый момент сопротивле- ния: Гтр=М/[о]р (18.12) и требуемый момент инерции сечения: /Тр=ГтрА/2. (18.13) Вычислим момент инерции /в вертикального листа высотой Ав и толщиной sB. Принимаем Ав<^0,95А. Находим требуемый момент инерции двух горизонтальных ли- стов: А==^тр—/в. (18.14) В другой форме момент инерции выразится так: /r=2[/o+Fr(A,/2)2]. (18.15) 14—201 209
где /с — момент инерции горизонтального листа относительно соб- ственной оси, который всегда очень мал и может быть принят равным нулю; h\ — расстояние между центрами тяжести горизон- тальных листов, которое можно принять равным (0,95-ь-0,98)Л. Из уравнения (18.15) находим требуемую площадь сечения одного горизонтального листа: Fr=2/r/h2i. (18.16) Подобрав размеры поперечного сечения балки, определим на- пряжения и таким образом проверим, удовлетворяют ли подоб- ранные размеры условиям прочности. Напряжение от изгиба o=Mh/ (2/)<[о]р. (18.17) Касательное напряжение от поперечной силы будет t=QS/(/sb)<[t], (18.18) где Q — наибольшая поперечная сила балки; S — статический мо- мент полуплощади сечения (симметричного) относительно центра тяжести балки (рис. 18.3,6). Эквивалентные напряжения проверяются обычно в тех случа- ях, когда максимальные значения М и Q совпадают по длине бал- ки в одном сечении. Их определяют на уровне верхней кромки вер- тикального листа: = (18.19) Здесь нормальное напряжение а1=МЛв/(27) (18.20) и касательное напряжение T1=QS1/(7sB), (18.21) где Si — статический момент площади горизонтального пояса от- носительно центра тяжести сечения балки. В большинстве случаев эквивалентные напряжения аэ оказыва- ются меньше о, вычисленного по формуле (18.17). Допустим, что к верхнему поясу балки прикладывают сосредо- точенные перемещающиеся грузы (рис. 18.3,в). Это имеет место в крановых, подкрановых и мостовых балках. При этом определя- ют прочность вертикального листа с учетом местного напряжения под грузом: oM=/nP/(sBz), (18.22) где коэффициент т=1,5 при тяжелом режиме работы балки (на- пример, в металлургических цехах), т=\ при легком режиме (в ремонтных цехах и т. п.); z — условная длина, на которой со- средоточенный груз распределяется в вертикальном листе (рис. 18.3,в): г = 3,25 /n'sB. (18.23) 210
Здесь In—момент инерции горизонтального листа совместно с при- варенным к нему рельсом (если таковой имеется) относительно оси л'п, проходящей через их общий центр тяжести О' (рис. 18.3,г). § 3. Общая устойчивость Высокие балки, у которых 1х^>1у, под вертикальными нагруз- ками могут терять общую устойчивость. Для предотвращения по- тери общей устойчивости следует: 1. Ограничивать свободную длину изгибаемого элемента. На- пример, две параллельные изгибаемые балки 1 и 2 следует взаим- но соединить связями на рас- стоянии /о (рис. 18.4), особен- но сжатые пояса. Такие связи ставят в подкрановых балках, мостовых кранах и т. п. 2. Проверить напряжения в изгибаемой балке с учетом требований обеспечения об- щей устойчивости: <т=М/№^[о]р(р, (18.24) где <р — коэффициент умень- шения допускаемых напряже- Рис. 18.4. Закрепление балки в гори- ний в балке с учетом обеспс- зонтальной плоскости чения ее устойчивости. В балках двутаврового профиля (18.25) Ф=ф(/у//х) (Л//о)21О3, где /х и 1У — моменты инерции относительно осей х и £/; h — пол- ная высота балки; /о — пролет балки или расстояния между за- креплениями, препятствующими перемещениям в горизонтальной плоскости. Полученный при вычислении по формуле (18.25) результат необходимо корректировать следующим образом: по формуле (18.25) Ч> следует принимать 0,85—1,0.................................... 0,85 1,0-1,25..................................... 0,9 1,25—1,55 .................................. 0,96 1,55.................................. 1,0 Коэффициент ф является функци- ей а: а=8 [ZoSr / (bh) ]2[ 1 + hs\/(2bs3r) ]. (18.26) Для двутавровых балок из стали класса С 38/23 эта функция представ- лена графически на рис. 18.5. Для ста- лей классов С 44/29—С 85/75 значе- ния коэффициента ф (рис. 18.5) сле- дует умножить на отношение 210//?, где R — расчетное сопротивление. 14* Рис. 18.5. Функция ф(а> 21)
При проектировании балок целесообразно поступить следую- щим образом: предварительно задаться отношением /о/&=10-^-20; определить а по формуле (18.26), затеям по формуле (18.25) най- ти <р. § 4. Местная устойчивость Помимо проверки общей устойчивости необходимо проверить на местную устойчивость отдельные элементы балки. В сжатых поясах потеря устойчивости происходит, когда напряжение сжатия Местная устойчивость сжатых поясов балок обеспечивается условием b < 30sr/2T67^p. (18.27) где sr — толщина пояса, мм; /?р— расчетное сопротивление, МПа. Устойчивость вертикального листа в балках из низкоуглеро- днстой стали обеспечена, если при отсутствии сосредоточенных сил, перемещающихся по балке, Лв/$в< 110/21^. (18.28) 41 при наличии сосредоточенных сил, перемещающихся по балке, hB!sB<80 /2Ю/7Т, (18.29) где ит выражено в МПа. В вертикальных листах балок потеря устойчивости может быть вызвана нормальными сжимающими напряжениями и ком- бинацией нормальных и касательных напряжений. Наиболее опас- ными в этом отношении являются касательные напряжения т. Они вызывают в диагональных сечениях нормальные сжимающие и рас- тягивающие напряжения аШах и атщ. Критические касательные напряжения (рис. 18.6,а), вызывающие потерю устойчивости вер- тикального листа, определяются по формуле Ткр=М£/ (1—и2)] (5в//1*в)а, (18.30) где ц — коэффициент Пуассона (ц=0,3); hB — высота вертикаль- ного листа; v0 — коэффициент, зависящий от отношения длины вер- тикального листа а между его закреплениями к его высоте 1г. Если балка имеет значительную длину, а вертикальный лист не имеет закреплений, то отношение a/h велико и можно принять рэ=4,4. Критические нормальные напряжения акр в вертикальном ли- сте балок вычисляются по формуле, аналогичной формуле (18.30), но при других значениях коэффициента и0; они выше, чем для ТцР. В балках значительной длины Uo=5sl9. Таким образом, сткр ме- нее опасны в отношении устойчивости, чем ткр. На практике при определении устойчивости вертикальных листов балок приходится учитывать комбинированное действие нескольких видов напря- жений. 212
Для повышения местной устойчивости вертикального листа, т. е. для увеличения ткр, при заданной высоте балки следует умень- шить а, устанавливая ребра жесткости. Постановка ребер необ- ходима, если не соблюдены условия (18.28) и (18.29). Обычно вертикальные ребра жесткости конструируют из полос, реже из профильного материала (рис. 18.6,6, в). а) ifnn •°1 Г - ii^p ПП TITTlЯПliyptin 1ТТПГТП|ТП>ПП1ТП1 ПТ!Iirrimirj рТТ1ГТППТ1(Т|1 ____________У------------------------------d___________ ......................»iiiiiitiiiiiiitii!iitiiiiiiiiiiiiiiiii!iiiiiiiiitiimm( Рис. 18.6. К расчету местной устойчивости вертикальных листов балок: а — образование напряжения а и T, вызывающих потерю устойчивости; б, в«— постановка ребер жесткости Ширину ребра, выраженную в миллиметрах принимают &Р = ==/iB/30 + 40, толщину Sp^ftp/15. Расстояние между ребрами жест- кости определяется значением напряжений и размерами балкн. Для обеспечения местной устойчивости вертикального листа должно быть удовлетворено следующее условие: rW’.+’иЧ.)*<1«.31> где Ом — напряжение под сосредоточенной силой [по формуле (18.22)]; о — нормальное напряжение на верхней кромке верти- кального листа, определяемое по формуле (8.20); т — среднее ка- сательное напряжение: т — Q/ (Лв^в) • (18.32) 213
<ъ, то, Омо, выражаемые в МПа, — условные факторы, определяе- мые по нижеследующим формулам: оо=75 • KFsb/Ab; (18.33) то= (125 + 95/U2) (100$в/</)2, (18.34) где d — наименьшая из сторон а и Лв, заключенная .между го- ризонтальными листами и ребрами жесткости; v— отношение боль- шей стороны (а или Лв) к меньшей; (yM0=Kl(sB/ayiQe. (18.35) Значения К\ связаны с отношением a/hR: a/hB........... 0,5 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 К,............. 2,21 3,65 4,85 6,08 7,68 9,49 11,46 13,86 Для подкрановых балок выражение (18.31) не должно превы- шать 0,9. Помимо основных ребер жесткости, устанавливаемых по всей высоте вертикального листа балки, в интервалах между ними иногда ставят укороченные ребра жесткости треугольного очерта- ния (рис. 18.6,а). Их высота составляет примерно Лв/3. Укорочен- ные ребра (треугольники жесткости) иногда ставят при воздейст- ствии на пояс балок сосредоточенных грузов большого веса. Как правило, наличие таких ребер нежелательно, так как асимметрич- ное их расположение относительно оси вызывает при сварке ис- кривление балки в вертикальной плоскости. В балках очень большой высоты /ь>2,5-<-3 м иногда ставят горизонтальные ребра жесткости. Их располагают на расстоянии с=(1/4-^1/5)Лв от верхнего горизонтального листа (рис. 18.6,6). § 5. Работа балок на кручение В тех случаях, когда балки работают на кручение, двутавро- вый профиль применять нецелесообразно. Напряжение от круче- ния в незамкнутых профилях (двутавровых, уголковых и т. д.) равно (рис. 18.7) Рис. 18.7. К расчету балки на кручение: а — двутавровый открытый профиль; б — труб- чатый закрытый профиль т = MmsmoT / /а V , / \ < / (18.36) где Л1Кр — крутящий мо- мент; и( — коэффициент, за- висящий от отношения Si/a,\ он может быть принят равным 0,33; а=1 для уголка; а=1,3 для двутав- рового профиля; а, — боль- ший размер сечения эле- мента; Sj — меньший размер 214
того же сечения; smax — наибольшая толщина профиля. Так как момент сопротивления, как правило, невелик, то на- пряжение т значительно. При двутавровом профиле а 2 м’/Д/ = 0,43 (s3BhB 4- 2s1 Д). i При кручении целесообразно применение сварных балок ко- робчатого поперечного сечения. Напряжение от крутящего момен- та с достаточной степенью точности может быть найдено по фор- муле т=Мкр/ (2Fsmln) <[т], (18.37) где F— площадь сечения прямоугольника (рис. 18.7), ограничен- ного штрихпунктирными линиями; $т1п — наименьшая толщина вер- тикального или горизонтального листа. Так как площадь F вели- ка, то напряжение т оказывается незначительным. § 6. Сварные соединения Горизонтальные листы соединяются с вертикальными поясными швами. Они, как правило, угловые (рис. 18.8,а) и в редких слу- чаях при наличии сосредоточенных перемещающихся грузов боль- шого веса или при действии переменных нагрузок — с подготовкой кромок. Если балка работает на поперечный изгиб, то в поясных швах вследствие совместной деформации шва и основного металла возникают связующие нормальные напряжения о, которые в учет не принимаются (рис. 18.8,6), и рабочие касательные напря- жения т (рис. 18.8,в). Поясные швы обеспечивают работу на изгиб всего се- чения как единого целого. Срезывающие усилия на уровне крайних кроглок вер- тикального листа на единицу длины определяются по формуле T=QS/I, (18.38) где S — статический момент площади пояса относительно центра тяжести се- чения. Роль касательных напряжений т су- щественна, несмотря на то что они часто невелики по значению. В швах с катетом К касательные напряжения Рис. 18.8. К расчету пояс- ных швов сварных балок: а — типы швов; б — связующие напряжения а от изгиба; в — рабочие напряжения т; г — об- разование в швах рабочих на- пряжений Тр под сосредоточен- ной силой Р T = QS/(2/pK), (18.39) где р — коэффициент (при ручной свар- ке р==0,7). 215
При наличии в вертикальном листе подготовки кромок каса- тельные напряжения определяются по формуле t=QS/(/sb). (18.40) При сварке конструкций, у которых толщина листов sB>4 мм, принимают /<^4 мм. Прерывистые швы нецелесообразны, так как при этом затруд- няется применение автоматической сварки и возникает дополни- тельная концентрация напряжений. При наличии на балке сосредоточенных перемещающихся гру- зов поясные швы принимают некоторое участие в передаче нагруз- ки с горизонтального листа на вертикальный (рис. 18.8,г). Это имеет место вследствие неплотного их взаимного соприкосновения. Если груз перемещается по рельсу, прикрепленному к поясу бал- ки, то напряжение тр в поясных швах определяется по формуле хР=пР/(2z 0,7 К), (18.41) где Р — вес сосредоточенного груза; п — коэффициент, зависящий от характера обработки кромки вертикального листа (обычно п— =0,4); z— расчетная длина шва, по которой происходит передача давления с пояса на вертикальный лист, определяется по формуле (18.23). После вычисления тр определяют условное результирующее напряжение: ’ре, = И’+Л><Н- (18.42) Швы, приваривающие ребра жесткости, как правило, на проч- ность расчетом не проверяются. Они выполняются угловыми с ка- тетом Л'=(0,3-5-0,6)«в, где sB — толщина вертикального листа. Эти швы в опорных сечениях, а также в местах приложения сосредо- точенных сил непременно выполняют непрерывными. Ребра жест- кости вне опорных сечений в наиболее напряженных волокнах рас- тянутой зоны иногда не приваривают. § 7. Стыки Расчет прочности стыков балок (см. рис. 14.22), описанных в гл. 14, производится обычно на изгиб. Напряжение в стыке о-М/^^[о']Р- (18.43) Если допускаемое напряжение в соединении (в шве или при- легающем к шву металле) [o']р< [а] Р, то такой стык оказывает- ся неравнопрочным целому сечению. В этом случае стыки целе- сообразно помещать в сечениях, удаленных от зон максимальных моментов, чтобы выполнялось условие о^[а']р. Если о>[о']р, а стык должен находиться в зоне, где М имеет максимальное значение, то допускается произвести местное усиление балки при- вариванием к ее поясам дополнительных горизонтальных листов, увеличивающих момент инерции и момент сопротивления в рас- четном сечении. При этом о=М/1Г,^[о,]р, (18.44) 216
где №'— момент сопротивления сечения усиленной балки. К на- кладкам прибегают редко, так как они являются источником об- разования концентрации напряжений и их применение ухудшает работу балок под переменными нагрузками. В некоторых случаях стыки проектируют косыми. Это неудобно в технологическом отношении. Более, рационально применение обычных прямых стыков, выполненных технологическим процессом высокого качества. § 8. Применение штампованных и гнутых профилей Типы поперечных сечений балок из штампованных и гнутых профилей показаны на рис. 18.9. Как правило, эти конструкции тонкостенные ($=1-*-5 мм). Рационально применение в балках твнкостенных штампованных и гнутых элементов, соединенных контактной точечной сваркой. Дуговая сварка гнутых профилей Рис. 18.9. Облегченные конструкции балок из гнутых и штампованных профилей осложняется, если укладку шва производят по зоне пластической деформации, вызванной в процессе изготовления элемента. В этих зонах возможно старение металла, т. е. ухудшение пластических свойств и образование трещин. Сварные точки и швы располагают в местах, удаленных от зон пластического деформирования. Рис. 18.10. Примеры поперечных сечений балок, сваренных точеч- ной сваркой: а, б — связующие соединения; в —з —рабочие соединения 217
В поперечных сечениях балок, изображенных на рис. 18.10,а, б, точки являются связующими. Они не несут рабочих усилий и рас- чету на прочность не подлежат. В сечениях балок, изображенных на рис. 18.10,в—з, точки являются рабочими. Срезывающее усилие на единицу длины балки определяется ио формуле (18.38). Каса- тельное усилие на участке балки длиной, равной расстоянию меж- ду точками T=QSt/I. (18.45) Шаг (расстояние между точками) t должен быть не менее 30smin в сжатой зоне и не менее 40smin в растянутой, где Зщш — минимальная толщина стенки. Срезывающее напряжение в точке находится по формуле т=Т/(2nd2/4), (18.46) где d — диаметр точки. (В сечении находятся две точки.) Обычно рабочие напряжения точек в конструкциях указанного типа незначительны. § 9. Балки из алюминиевых сплавов Для алюминиевых балок рекомендуется применение сплавов АВ (Al-f-Mg-f-Si), алюминиево-магниевых (АМг5, АМгб, АМг61), алюминиево-магнисво-цинковых (В92). В этих сплавах в зависи- Рис. 18.11. Конструкция сварного узла балок из алюминиевых сплавов мости от состояния их термической обработки пределы прочности стыковых сварных со- единений о'в составля- ют (0,6-+-0,9)огв. Чем прочнее сплав, тем ни- же коэффициент. Для повышения прочности стыковых соединений в отдельных случаях применяют косые швы. Целесообразно приме- нение прессованных, штампованных и гну- тых профилей. При конструирова- нии алюминиевых ба- лок следует избегать концентрации напряжений, особенно в зонах сварных соединений. На рис. 18.11 показана конструкция узла сопряжения сварных балок из алюминиевых сплавов. Швы рас- полагаются вне зон наибольших нормальных напряжений и зон со значительными концентраторами напряжений. Конструкции из алюминиевых сплавов имеют значительно меныную жесткость по сравнению со стальными (см. § 2 гл. 18). 218
Балки для различных элементов конструкций имеют следующие значения fmax//: Подкрановые балки (грузоподъемность крана 50 т) .... 1/600 Балки междуэтажных перекрытий........................ 1/400—1/200 Балки покрытий....................................... 1/250—1/200 Если для сварных алюминиевых балок отношение высоты к толщине вертикального листа составляет йв/$в^80 для сплава АМг, /iB/sB<70 для сплава АВТ-1 (термически обработанного и искусственно состаренного), то ребра жесткости не ставятся или <ix ставят друг от друга на расстоянии а=2,4й. Проверка устой- чивости стенки, подкрепленной только вертикальными ребрами жесткости (см. рис. 18.6,а), производится из условия (18.47) где о — расчетное напряжение на верхней кромке вертикального листа; <то=21О(1ОО$в/йв)2; (18.48) T=Q/(MB); (18.49) то= Ю(4,2 + 3,2/и2) (100sB/d)2, (18.50) где Оо и то выражены в МПа; d — меньшая из величин а и йв; v — отношение большей стороны прямоугольника, образуемого сторо- нами а и йв, к меньшей. Значение коэффициента U определяется в зависимости от экви- валентного напряжения и, = Зт2: «//fejp............. 0,66 0,75 0,9 1,0 и................... 1,00 0,92 0,7 0,5 Ширина ребер жесткости, выраженная в ляется из условия 6p=/iB/30 + 40 (см. рис. sp^bPl 12. Проверка общей устойчивости сварных алюминиевых балок, ра- ботающих под действием изгибаю- щего момента М, производится по формуле М/(Гфв)^[а]р. (18.51) Коэффициент фв определяется из выражения (18.52) где 1Х и 1У — моменты инерции се- чения балки относительно главных центральных осей; I — длина бал- ки или расстояние между ее за- креплениями в горизонтальной пло- миллиметрах, опреде- 18.6), а их толщина Рис. 18.12. Определение коэффи- циентов ф(а) для балок из алю- миниевых сплавов: I — Д16Т; 2 — АМгбМ: 3 — АВТ1 и АМг61М 219
скости; ф— коэффициент, определяемый по графику, представлен- ному на рис. 18.12. Параметр а находят из соотношения а=8 [Isrl (bh) ]2[ 1 + hs\/ (26s3r) ]. (18.53) Обозначения величин соответствуют рис. 18.6. При проверке устойчивости поступают следующим образом: по формуле (18.53) находят а и по графику (рис. 18.12) находят ф, а по формуле (18.52)—фв. Если значения фв>0,67, то вместо Фв следует принимать коэффициенты ф'в: <рв............. 0,67 0,8 1,0 1,2 1,4 2,0 ?'в............. 0,67 0,75 0,82 0,88 0,93 1,0 Затем проверяют условие (18.51). § 10. Опорные части Опорные части балок, чтобы обеспечить шарнирность опирания, часто конструируют в форме выпуклых плит. Изготовление пло- ских плит нерационально. При очень больших нагрузках опорные Рис. 18.13. Конструкция опорной части балки части выполняют сварными. Пример конструкции опорной выпуклой плиты приведен на рис. 18.13. На одной из опор балка, как правило, имеет продольную подвижность, на другой она закреплена болтами или штырями. Ширина опорной плиты Ьо принимается рав- ной (1,1-»-1,2)Ь, длина пли- ты а= (1 -*-1,5) 6. Плиты изготовляют стальными: толщина их у конца so =10-? 15 мм, ради- ус цилиндрической поверх- ности /? = 1-4-2 м. Толщина плиты на оси находится из условия ее прочности при работе на изгиб. Реактивные усилия, действую- щие на единицу длины плиты, обозначим q. От нагрузки q на оси плиты образуется поперечная сила Q=qa/2=A/2. (18.54) Изгибающий момент по оси плиты равен M=qa2/8=Aal8. (18.55) Момент сопротивления сечения плиты, ослабленной отверстия- ми штырей, определяется из соотношения W=(b0—2d)s2/6. (18.56) 220
Требуемая толщина плиты 6.U Plp(bo-2rf) * (18.57> § 11. Результаты испытаний балок При испытаниях сварных балок под статической нагрузкой установлено, что стальные сварные балки обладают необходимой прочностью, однако распределение напряжений в них по попереч- ному сечению происходит неравномерно. В широких горизон- та б л и ца 18.2 Влияние способа вварки ребер жесткости в сварные двутавровые балки на их усталостную прочность Вид сварки ребра жесткости Предел выносли- вости на базе 2-10“ циклов, МПа Ребра приварены к стенке и к обеим полкам Ребра приварены к стенке и только к сжатой полке Ребра приварены к сжатой полке и на 3/4 высоты стенки от сжатой палки 300 130(100*54) 187(144<>4) 231 (177о/о) тальных листах балок двутаврового профиля напряжения у оси больше, чем по кромкам. При наличии прерывистых поясных швов сечение балки не работает как одно целое. В зоне кромок, вертикального листа наблюдается концентрация напряжений. При непрерывных швах она значительно меньше. Концентрация на- пряжений имеет место и в случае приложения к поясу балки со- средоточенной силы (колеса крана). Чем жестче пояс балки с при- 221'
варенным к нему рельсом, тем на большую зону вертикального листа распределяется сосредоточенная сила и тем меньше концен- трация напряжений. Поясные швы двутавровых балок в случае смещения оси кранового пути относительно оси балки нередко ра- ботают неудовлетворительно. Рис. 18.14. Конструктивное оформление балок, работающих под перемен- ными нагрузками Сварные балки хорошо работают под переменными нагрузками при условии, если рационально выбраны формы конструкций и технологический процесс сварки. Эти балки должны быть выпол- ва480МПа 3/160480 МПа &в-150460МПа. в 190 МПа 'liTIlllIIIIIIHUIIIIIIHIll'Iirnil HllJlilnlllillUlH.-Illtll.I.lllII вез обработки. 3.400420МПа _________....... IltlltllUlllIllUIIUIII! с лобовыми избами с обработкой с плавным перепадом без стыка 3.-190 МПа 8.480490 МПа IIWJIlllIlllllllHIIIIJUIIirillll? прямой шов 3.420 МПа Рис. 18.15. Пределы выносливости сварных балок косой шов с обработкой с накладкой без обработки 222
йены таким образом, чтобы уменьшить возможность образования в них концентраторов напряжений. Все стыки элементов по длине должны быть сварены стыковыми соединениями без применения накладок. На рис. 18.14,а показаны примеры стыков горизонталь- ных листов с плавным изменением их толщины и ширины, на рис. 18.14,6 — рациональные обрывы накладок. Ребра жесткости целесообразно приваривать так, как это показано на рис. 18.14,в. К растянутому поясу и в растянутой зоне вертикального листа на длине a=(0,l-i-0,2)/i ребра жесткости рекомендуется не привари- вать вовсе. В табл. 18.2 приведены данные о рациональных способах при- варки ребер жесткости к стенкам балок. Цифры указывают преде- лы выносливости при пульсирующих нагрузках и испытаниях в ус- ловиях изгиба. На рис. 18.15 приведены примеры сварных балок из низко- углеродистой стали и их пределы выносливости при пульсирующих нагрузках. Испытания показали, что применение накладок, при- варенных к поясам угловыми швами, значительно снижает уста- лостную прочность конструкции. Наибольшей усталостной прочно- стью обладали балки без стыков и с косыми механически обрабо- танными стыковыми соединениями. § 12. Примеры конструкции балок На рис. 18.16 приведена типовая конструкция подкрановой балки пролетом /=12 м под краны грузоподъемностью 5—75 т (ЦНИИ «Проектстальконструкция»). С изменением нагрузок ме- няются высота Н и размеры поперечных сечений балок, но разбив- Рис. 18.16. Конструкция сварной подкрановой балки ка ребер жесткости остается прежней. Сварка поясных швов авто- матическая. При тяжелом режиме работы катет поясных швов 7(=0,85sB в сжатой зоне и К=0,65sв в растянутой. Сварка выпол- няется с полным проваром стенки. Подкрановые балки нередко имеют длину пролетов 24, 36 м и более. При этом целесообразно применение высокопрочных метал- лов с высоким пределом текучести. Обеспечить устойчивость под- крановой балки двутаврового профиля из указанных материалов трудно, так как балки получаются высокими. Поэтому более ра- 2231
щиональными оказываются коробчатые профили с тонкими верти- кальными листами. При значительной высоте последних листы сва- ривают по длине продольными стыковыми швами. Толщина гори- зонтальных листов, как правило,' не должна превышать 40—50 мм. Подкрановые балки с пролетом 36 м, в особенности под тяже- лые краны, могут быть усилены шпренгелями (рис. 18.17), состоя- щими из горизонтальной затяж- ки, стоек и подкосов. Шпренгель- ная балка представляет собой статически неопределимую систе- му. За лишнее неизвестное в уравнениях деформаций прини- мается усилие затяжки И, кото- рое образуется при изгибе балки вследствие увеличения расстоя- ния между точками АА. При этом момент в сечении балки М=Мо—Ну. (18.58) где Мо — момент при отсутствии шпренгеля в балке; у — плечо си- лы Н относительно оси балки. Рис. 18.17. Сварная шпрен- гельная балка 1200 750*30' [400 150 Рис. 18.18. Поперечное сечение подкрановой балки 150*20 1890*20 750*40 Затяжка шпренгеля создает полезный изгиб балки противополож- ного знака от вертикальной нагрузки. На рис. 18.18 изображено поперечное сечение подкрановой бал- ки и для кранов грузоподъемностью 300 т. В настоящее время много внимания уделяется типизации кон- струкции балок (например, подкрановых). Типовые пролеты под- крановых балок составляют 6 и 12 м под нагрузку кранов 50 кН и более. В соответствии с пролетом, нагрузкой и режимом крана устанавливают рекомендации применения для подкрановой балки определенной марки стали: низкоуглеродистой или низколегиро- ванной конструкционной. Разрабатывают рациональные конструк- ции однопролетных и мпогопролетных подкрановых балок. 224
§ 13. Пример расчета и конструирования балки Требуется разработать конструкцию сварной балки пролетом /“=16 м со свободно опертыми концами. Допускаемое напряжение в подкрановых балках устанавливают с учетом коэффициентов условий работы т=0,9 и перегрузки п=1,2: [а]р-Rpm/n. Для стали СтЗ при /?р=210 МПа [а]Р = 157,5 МПа^160 МПа. Рис. 18.19. К расчету балки пролетом 16 м: а — схема балки; б — линии влияния; в — наибольший момент М от подвижной нагрузки в разных сечениях; г — эпюра М от q\ д — наибольший расчетный момент М от сил Р и q в разных се- чениях; е — линия влияния поперечной силы Q; ж — наибольшие значения Q от подвижной нагрузки в разных сечениях; з — эпюра Q от q; и — наибольшие расчетные значения Q в разных сечениях 15-201 225
Балка нагружена равномерной нагрузкой от собственного веса <7=2,5 кН/м и двумя сосредоточенными грузами Р=50 кН (от веса тележки с грузом), которые могут перемещаться по балке. Расстояние между осями тележки d= =2 м; наибольший прогиб балки / от сосредоточенных грузов не должен пре- вышать */&оо ее пролета I (рис. 18.19,а). Конструирование балки следует начать с определения расчетных усилий М и Q. Сначала необходимо построить линии влияния моментов, чтобы знать их максимально возможные значения в разных сечениях балки (рис. 18.19,6). Метод линий влияния рассмотрен в [5]. Максимальные ординаты утлх линий влияния для различных сечений х составят: х ... 0,1/ 0,2/ 0,3/ 0,4/ 0,5/ Утьх ... 0,09/ 0,16/ 0,21/ 0,24/ 0,25/ Определим моменты от веса тележки в каждом из сечений с учетом того, что один из сосредоточенных грузов располагается над вершиной линии влия- ния, а второй занимает положение, показанное на рис. 18.19,6. Момент от со- средоточенных сил вычисляется по формуле МР~2Ру{, (18.59) где yt—ордината линии влияния, т. е. Мр = уа а х[ 14- (l—X—d) / (l-х) ]Р. (18.60) Момент в сечении х от равномерно распределенной нагрузки <7 (рис. 18.19,а) Mq = qlxf2—qx2[2. (18.61) Суммарные моменты в сечениях от сосредоточенных сил и равномерной на- грузки MZ = MP+Mq. (18.62) Результаты подсчетов по формулам (18.60), (18.61) и (18.62) представлены на рис. 18.19,в, г, д. Таким образом, расчетное значение момента для балки составляет Л1г = 430 кН‘М = 0,43 МНм. Требуемый момент сопротивления балки для этого момента равен 1Гтр= Л1Е/[а]р= 0,43:160 = 0,002688 м’ = 2688 см’. Производим построение линии влияния поперечной силы (рис. 18.19,е). Ординаты Q для различных сечений х составят: х 0 0,1/ 0,2/ 0,3/ 0,4/ 0,5/ Q 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Определим расчетные усилия от сосредоточенных сил в каждом из указан- ных сечений с учетом того, что одна из них располагается над вершиной линии влияния: т. е. Qp= [1 + (I - х - d)/(l — х)] А (18.63) Поперечные силы Qq от собственного веса q равны Qq=ql/2—qx. (18.64) Суммарные значения поперечных сил от сосредоточенных и равномерно рас- пределенных нагрузок QE = Qp + Q<. (18.65) Результаты подсчетов представлены на рис. 18.19,ж, з, и. 226
Определив расчетные усилия, переходим к нахождению наименьшей высо- ты балки из условия нормы жесткости fmax/Z= 1/500 при сосредоточенных гру- зах Р. При определении требуемой высоты следует учесть, что по условию прогиб ограничен лишь в отношении нагрузки Р. Так как напряжение от сум- марного момента Л42 =430 кН-м достигает [<у]р, то напряжение от момента М=350 кН-м, вызванного сосредоточенными грузами, будет составлять 0,8[<г]₽. Это напряжение следует брать вместо [а]р при определении требуемой высоты балок Л. Прогиб балки от двух сосредоточенных сил Р, расположенных симметрично в пролете (рис. 18.20,а), f=РаР [ 1 -4/3 (а//)2] / (8Е/). (18.66) Рис. 18 20. К примеру расчета сварной балки Z—16 м: а — определение высоты балки h из условий жесткости; б — подобранный профиль балки; в — расположение горизонтальных связей; а —учет местного влияния сосредоточенной си- лы; д — к расчету поясных швов; е — расстановка ребер жесткости Подставив Ра = М, получим /=Л1Р[1-(4/3)(а//)2]/(8Е/). (18.67) Если выразить М в формуле (18.67) через напряжение, 0,8 [о] р, вызванное сосредоточенными силами и умноженное на момент сопротивления №=>2//Л, то f = 1,6 [а] рР( 1 - (4 /3) (а/Z)2] / (8ЕЛ), (18.68) откуда требуемая высота балки из условий жесткости Л//=0,8[а]Р/[1—(4/3) (а//)2]/(4Е/) = 0,8-160-500 [1- (4/3) (7/16) =4/(4 • 2,1 • 105) = =0,0567, или Л=0,912 м. Чтобы определить требуемую высоту балки из условия ее наименьшего се- чения, нужно задаться толщиной вертикального листа. Можно воспользоваться рекомендуемым приближенным соотношением sB= УТ0Л/12,5 = 7,6 мм. Примем Sb = 8 мм. Требуемая высота из условия наименьшей массы по формуле (18.8) Л= 1,3 Ко,43/(8-160-10“’) = 0,75 м. Так как требуемая высота, найденная по формуле (18.68), больше, чем вы- сота, найденная по формуле (18.8), то ее и следует принять в расчет при под- 15* 227
боре сечения. Высоту вертикального листа йв принимаем равной 90 см, а вы- сота балки Л=92 см (рис. 18.20,6). Требуемый момент инерции поперечного сечения сварной балки двутавро- вого профиля /тР=1ГТрЛ/2=2б88-46=123 648 см4. Момент инерции подобранного вертикального листа 900x8 мм /в = 903-0,8/12=48 600 см*. Требуемый момент инерции горизонтальных листов балки (поясов) /г = /тр—/в^75 048 см*. Момент инерции горизонтальных листов записывается в виде /r=2[/04-Fr(AI/2)s]. Таким образом, требуемое сечение одного пояса балки равно £гв/г/(2(Л1/2),1 = 75048/(2-45,5*) = 18,1 см2. Принимаем сечение горизонтального листа 180X10 мм. Определим уточненное значение момента инерции подобранного поперечного сечения балки: / = 90* 0,8/12 + 2 (!’• 18/12-f- 1 • 18-45,5*) = 48 600 4-74532 = 123 132 см*. Наибольшее нормальное напряжение в крайнем волокне балки М 0,43 _ „ „ ’max” / Утах ~ 123 132-J0”* 0,46 ~ 160,7 МПа’ Расчетное напряжение превышает допускаемое на 0,5%, что вполне допу- стимо. Определим касательное напряжение на уровне центра тяжести балки в опор- ном ее сечении по формуле t=QS/(/sb): 5 = 18-45,54-0,8-45*/2 = 8194-810= 1 629 см’; Q = 113,75 кН; 0,11375-1629-10-’ х= 123 132-10~*-0,8-10~* — 19 МПа Определим эквивалентные напряжения в сечении, в котором наибольший изгибающий момент М=0,43 МН-м и поперечная сила Q = 43,7 кН. Эквивалент- ные напряжения вычисляются на уровне верхней кромки вертикального листа в зоне резкого изменения ширины сечения. Вычислим в этом волокне балки на- пряжения от момента М; ai — Mha/(27) =0,43 -0,92/(2-0,00123132) = 157,2 МПа. В этом же волокне напряжение от поперечной силы Q QS 0,0437-819-10"» х»“ lsB ~ 0,00123132-0,8-10-« —3-65МПа- Здесь 5=18-1-45,5=819 см* — статический момент площади сечений горизон- тального листа относительно центра тяжести. Эквивалентное напряжение определяется по формуле 157,4 МПа, что меньше наибольшего нормального напряжения в крайнем волокне. Рассмотрим, как обеспечить общую устойчивость балки. Если ее не закое- пить в горизонтальной плоскости, то потребуется значительное уменьшение до- 228
пускаемых напряжений. Поэтому следует предусмотреть закрепления от воз- можных перемещений верхнего пояса, например установить горизонтальные связи. Зададимся расстоянием между закреплениями /$= (10-ь20) Ь, например 2,7 м (рис. 18.20,в). По формуле (18.26), По графику, приведенному на рис. 18.5, пользуясь интерполяцией, определяем коэффициент ф при а=0,49, коэффициент ф = 1,79. Момент инерции балки относительно вертикальной оси равен /=0,83-90/12-4-2-18s-1/12=976 см4. Коэффициент ф находим по формуле (18.25): Ф= 1,79(976/123 132) (92/270)2 -10s = 1,64. Коэффициент ф>1,55. Это значит, что при расчете можно принять ф=1. Устойчивость балки при наличии закреплений на расстоянии /о™2,7 м обес- печена. Чтобы обеспечить устойчивость вертикального листа, следует приварить к нему ребра жесткости. Зададимся расстоянием между ними а= 1,5ЛВ = 1,35 м. В этом случае следует знать следующие величины- 1. Нормальное напряжение в верхнем волокне вертикального листа. Оно было определено раньше: <Ti= 157,2 МПа. 2. Среднее касательное напряжение т от пэперечной силы. В середине про- лета Q=43,7 кН; среднее напряжение т=Р/(Лв$в)=0,0437/(0,9-0,8-10-2) =6,06 МПа. 3. Местное напряжение <тм под сосредоточенной силой (рис. 18.20,г). Это напряжение находим по формуле (18.22), принимая т=1: <tm = P/(sbz). Для определения г по формуле (18.23) подсчитаем /п — момент инерции верхне- го пояса с приваренным к нему рельсам. Примем сечение рельса 50X50 мм (рис. 18.20Д). Ордината центра тяжести сечения пояса и рельса относительно верхней кромки пояса равна у=='(~~ 18-1-0,5-j-5-5-2,5)/(18-1-|-5-5) = 1,2 см. Положительное значение указывает на то, что центр тяжести расположен выше верхней кромки пояса. Определим сначала момент инерции относительно оси, совпадающей с верх- ней кромкой пояса (эта ось параллельна центральной оси): /п=5э-5/3-Ы3-18/3 = 214,3 см4. Теперь найдем момепт инерции относительно оси Хо, проходящей через центр тяжести сечения пояса с рельсом (F=43 см2): /n=/“n—ft/2= 152,4 см*. Вычислим условную длину по формуле(18.23): z= 3,25^/152,4/0,8= 18,7 см. Из формулы (18.22) находим ом от Р=50 кН: Ом=0,05 • 1 / (0,008 • 0,187)=33,4 МПа. Для проверки правильности постановки ребер жесткости (рис. 18.20,е) надлежит выяснить три вспомогательные величины: 1) Оо по формуле (18.33): ст0=75-103-0,8-10’3/0,9=667 МПа; 229
2) То по формуле (18.34), где и=а/Лв=1,5; d=ftB=90 см. Отсюда То=(125+95/1,52) (100-0,008/0,9)2= 132,1 МПа; 3) Омо по формуле (18.35). Для определения К\ воспользуемся зависимостью К1(а/Лв) (см. § 4). При с/Лв = 1,5 Xi=8,6, поэтому <тмо=8,6-10в(0,8/135)2=302,1 МПа. Проверим по формуле (18.31), обеспечена ли требуемая устойчивость. Для этого подставим найденные значения в эту формулу: у (157,2/607,0 + 33,4/302,1)2 + (6,06/132,1)» = 0,35< 1. Устойчивость вертикального листа в середине пролета вполне обеспечена. Посмотрим, обеспечена ли устойчивость в опорных сечениях. На опоре ot=0 t = Q/(AbSb)-=0, 11375/(0,9 0,008)=15,8 МПа. Проверяем снова устойчивость для опорного сечения по формуле (18.31), полагая о = 0: / (33,4/302,1)»+ (15,8/132,1)» = 0,12. Таким образом, устойчивость в опорном сечении обеспечена еще лучше, чем в середине пролета. Переходим к расчету поясных швов. Катеты верхних и нижних поясных швов примем равными К=6 мм. В нижних поясных швах действуют касатель- ные напряжения, равные x=QS/(0,7-2/K), где Q=113,75H; 3=18-1-45,5=819 см3; /=123 132 см4. Отсюда т=0,11375 • 819 • 10~8/(0,00123132 • 2 • 0,7 • 0,006)=9,2 МПа. Несмотря на то что рабочие напряжения незначительны, по технологиче- ским соображениям целесообразно оставить К—6 мм. В верхних поясных швах при определении напряжений следует вычислять 3 с учетом приваренного рельса: 5= 18 1-45,5+5 -5 -48,5=2031 см3. Момент инерции будем считать неизменившимся, как и положение центра тяжести балки. При этом т=0,11375-2031 -10-’/(0,00123132 -2 -0,7 -0,006) =22,8 МПа. В верхних поясных швах к вычисленным напряжениям добавляются тр от сосредоточенной силы Р. Как уже было установлено, длина зоны распреде- ления сосредоточенной силы в вертикальном листе 2=18,7 см (рис. 18.20,г). Таким образом, по формуле (18.41) местное напряжение в шве (п = 0,4) при К=6 мм Тр=0,4 • 0,05/(0,187 • 2 • 0,7 • 0,006) = 12,7 МПа. Условное результирующее напряжение по формуле (18.42) тРез=26,1 МПа. Допускаемое напряжение в поясных швах определим из соотношения (<|=0,65[о] ₽= 104 МПа. Катеты швов, приваривающих ребра жесткости к поясам и стенкам, прини- маем такими же, как и поясных швов, т. е. К=6 мм. Эти швы не передают рабочих напряжений и расчету на прочность не подлежат. 230
ГЛАВА 1 9 стоики § 1. Типы поперечных сечений Поперечные сечения стоек имеют различную форму. Она зави- сит от значения усилия, наличия эксцентриситета, длины стойки, конструкции опорных закреплений, общей компоновки объекта. Сжатые элементы должны быть не только прочны, но и устойчивы. Поэтому поперечные сечения сжатых элементов должны обладать возможно большей жесткостью по всем направлениям. Рис. 19.1. Поперечные сечения сжатых элементов При небольших продольных усилиях применяют стойки, имею- щие сечение уголка (рис. 19.1,а), однако они обладают малой жест- костью и применяются преимущественно в коротких элементах. Сечения, представленные на рис. 19.1,6, в, рациональны с точки зрения жесткости, но неудобны для окраски и связаны с большим количеством сварочных работ. Наиболее распространено сечение, 231
изображенное на рис. 19.1,г. Уголки по длине элемента соединяют между собой прокладками, о чем будет сказано ниже. Для стоек под легкие нагрузки целесообразны трубчатые гнутые профили (рис. 19.1,в, и, к) из стали толщиной от 1 до 6 мм, сваренные дуговой или контактной точечной сваркой. Для изготовления стоек, работающих при продольных усили- ях до нескольких сотен килоньютон, применяют Н-образные про- фили (рис. 19.1,6), которые во мно- гих случаях наиболее рациональны. Открытые швеллерные (рис. 19.1,ж, з) профили применяют, чтобы при наименьшей площади получить значи- тельный момент инерции, трубчатые профили (рис. 19.1,е, и, к) иногда ис- пользуют в станинах. Рациональные конструкции стоек, работающих при продольных усилиях, составляющих тысячи килоньютон. приведены на рис. 19.1,л—н. Закрытые сечения (рис. 19.1,о, п) вы- годно применять в конструкциях различного рода рам и станин. В сжатых элементах иногда применяют цельнотянутые я свар- ные трубы. § 2. Устойчивость стоек со сплошными поперечными сечениями Расчет на прочность и устойчивость стоек, работающих при центральном сжатии, производится по формуле <y=;V.//?iC[o]p(p. (19.1) При введении в расчетную формулу коэффициента <р<1 обес- печивается расчетная устойчивость сжатого элемента при продоль- ном изгибе. Величина ср зависит от гибкости сжатого элемента. Гибкостью X называют отношение свободной длины элемента I к радиусу инерции г поперечного сечения гибкого элемента: (19.2) Радиус инерции равен г = /777. (19.3) В направлении, где радиус инерции имеет наименьшее значе- ние, гибкость элемента наибольшая. Для конструкции, шарнирно закрепленной по концам (рис. 19.2,а), свободная длина I прини- мается равной длине стойки. При этом гибкость стойки определя- ется формулой (19.2). Примерами подобных конструкций могут служить элементы сжатых поясов ферм. В конструкции, имеющей один конец защемленный (рис. 19.2,6), гибкость равна Х=2//г. (19.2') У стоек с защемленными концами (рис. 19.2,в), один из кото- рых (нижний) неподвижен, а другой (верхний) обладает продоль- 2з2
нои подвижностью. X=0,5Z/r. (19.2") Значения коэффициентов <р, установленные на основе много- численных исследований, приведены в табл. 19.1. Таблица 19.1 Коэффициенты <р для стоек из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей Гибкость элементов \=Цг Классы стали С 38/23 С 44/29 С 46/33 С 52/40 С 63/45 С 70/60 С 85/75 СтЗ Ст4 низколегированные 0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 10 0,988 0,987 0,986 0.985 0,984 0,983 0,982 20 0,970 0,968 0,965 0,962 0,956 0,953 0,950 30 0,943 0,935 0,932 0,927 0,916 0,909 0,903 40 0,905 0,892 0,888 0,878 0,866 0,852 0,838 50 0,867 0,843 0,837 0,823 0,810 0,790 0,760 60 0,820 0,792 0,780 0,764 0,740 0,700 0,660 70 0,770 0,730 0,710 0,682 0,650 0,610 0,558 80 0,715 0.G60 0,637 0,604 0,570 0,518 0,432 90 0,655 0,592 0,563 0,523 0,482 0,412 0,343 1С0 0,582 0,515 0,482 0,437 0,396 0,336 0,288 ПО 0,512 0,440 0,413 0,370 0,325 0,273 0,230 120 0,448 0,383 0,350 0,315 0,275 0,230 0,192 130 0,397 0,330 0,302 0,264 0,232 0,196 0,164 140 0,348 0,289 0,256 0,228 0,198 0,168 0,142 150 0,305 0,250 0,226 0,198 0,173 0,148 0,123 160 0,270 0,220 0,200 0,176 0,153 0,130 0,108 170 0,240 0,195 0,178 0,156 1,137 0,116 0,096 180 0,216 0,175 0,160 0,139 0,122 0,102 0,086 190 0,196 0,158 0,142 0,126 0,108 0,092 0,077 200 0,175 0,142 0,129 0,112 0,098 0,082 0,069 210 0,160 0,130 0,118 0,102 0,089 0,075 0,063 220 0,146 0,119 0,108 0,093 0,081 0,068 0,057 Во избежание местной потери устойчивости стенку стойки под- крепляют продольными ребрами жесткости. Последние ставятся,, если h„ls„ > 401/210/(0,90,) + 0,4/ (19.4) для двутаврового сечения и Лст'$Ст > 40 4- 0.2Z (19.4') для коробчатого сечения. В формулах (19.4) и (19.4'): X — гиб- кость стойки; Лст — высота стенки; $ст — толщина стенки. Для ста- лей классов С 38/23—С 52/40 отношение половины ширины полки двутавра к ее толщине не должно превосходить 16—14 при гиб- кости //г=50 и 20,5—18,5 при гибкости //г=100. 233
280x10 820x10 { Р~М0кН 200x8 Вариант 1 -У ~250x8 у Вариант 2 К примеру рас- Рис. 19.3. чета стойки на централь- ное сжатие Часто напряжения в сжатых элементах проверяют по преобра- зованной формуле о=М/(/?ф). (19.5) При этом произведение Ftp называют приведенной пло- щадью сжатого элемента. Трудность подбора сечения сжатого элемента при заданном значении си- лы /V состоит в том, что допускаемое напряжение является функцией коэф- фициента ф, а последний зависит от поперечного сечения, которое еще не подобрано. Поэтому для подбора по- перечного сечения стоек пользуются методом последовательного приближе- ния. Первоначально задаются коэф- фициентом ф1 = 0,5-?0,8 в зависимости от рода конструкции. Можно принять среднее значение ф1 = 0,65. По задан- ному коэффициенту определяют тре- буемую площадь поперечного сечения элемента по формуле Fi=N/([aP]<Pi). Затем проектируют сечение, которое обозначим F2; находят в нем наимень- шее значение момента инерции /гащ; наименьший радиус инерции /min — = K/niin/^2’ наибольшую гибкость Xmax=//rmin и коэффициент ф2, соот- ветствующий значению ХШах- Опреде- ляют напряжение в спроектированном сечении g=N/(^2ф2), ко- товое должно быть близким к [а]р. Допустимы отклонения а от [а]р в пределах ±5%. В противном случае размеры поперечных сечений элементов изменяют в требуемом направлении. Обычно на второй или третьей стадии подбора сечения результаты оказы- ваются удовлетворительными. Пример расчета (рис. 19.3). Требуется подобрать поперечное сечение стой- ки; ее длина 1=8 м, продольная сжимающая сила Р = —940 кН; концы стойки закреплены шарнирно; материал — сталь класса С46/33 ((а]р=240МПа). Задаемся в первом приближении коэффициентом ф1=0,6. Требуемая площадь поперечного сечения стойки по формуле (19.3) FTP=0,940/(240 0,6)=0,00652 м2=65,2 см2. Принимаем, что сечение сконструировано в форме сварного двутавра из двух листов 280X10 мм и одного 200X8 мм (вариант 1): F=72 см2. Моменты инерции относительно осей х и у: /х=2(Р-28/124-28- 10,52)-Ь203 0,8/12=6711 см2; Д, = 2-283-1/12 + 0,83-20/12 = 3659 см4. Наименьший радиус инерции находим по формуле (19.3): rv= V3659/72 = 7,13 м; гибкость — По формуле (19.2): =800/7,13= 112. По табл. 19.1 определяем ф=0,4 и подставляем в формулу (19.5): о=—0,94/(0,4 -72-10-‘) =—326 МПа. 234
Напряжение больше допустимого [а]р=-240 МПа. Увеличиваем размер так, чтобы возросла не только площадь, но и радиус инерции rv. Для этого берем размеры листов полок 320X10 мм и стенки 250X8 мм (вариант 2). Тогда F» =2-32-1-25-0,8=84 см2. Определяем момент инерции относительно оси у: - 2 -32’ -1 /12-|-25 • 0,83/12=5462 см*. Радиус инерции равен гу = К 5462/82 = 8,1 см. Гибкость 1=800/8,1 = 100; ф-0,482. Затем находим напряжение сжатия: а=—0,940/(0,482-84-10-*)—232 МПа. Сечение подобрано хорошо. Если сила приложена к сжатому элементу эксцентрично, то следует выполнить три проверки элемента. Во-первых, необхо- димо проверить прочность от момента М и продольной силы N по формуле <j = ^M/W+N/F^[(j]p. (19.6) Во-вторых, надлежит проверить его устойчивость от силы N в плоскости действия изгибающего момента М, совпадающей, как правило, с направлением наибольшей жесткости поперечного сече- ния, по формуле a=^(<pMF)^[a]p. (19.7) Коэффициент флг для сплошных сечений, у которых все оси материальные, определяется в зависимости от гибкости 1 в на- правлении действия момента и от величины /пт], где т — относи- Та блица 19.2 Коэффициенты <fM с учетом напряжений от силы N и момента Л1 ту 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 3.0 4.0 6,0 8,0 14,0 20 0,96 0,80 0,67 0,58 0,50 0,39 0,32 0,23 0,17 0,11 30 0 94 0,77 0,64 0,55 0,48 0,37 0,30 0,22 0,17 0,10 40 0 92 0,74 0,61 0,52 0,45 0,35 0,29 0,21 0,16 0,10 50 0,89 0,71 0,57 0,49 0,43 0,34 0,28 0,20 0,16 0,10 60 0^86 0,67 0,54 0,46 0,40 0,32 0,27 0,19 0,15 0,10 70 0,81 0,63 0,51 0,43 0,38 0,30 0,25 0,18 0,15 0,09 80 0,75 0,59 0,47 0,40 0,35 0,28 0,24 0,17 0,14 0,09 90 0 69 0,55 0,44 0,37 0,33 0,27 0,22 0,16 0,14 0,09 100 0 60 0,50 0,40 0,34 0,31 0,25 0,21 0,16 0,13 0,09 110 0 52 0,46 0,37 0,32 0,28 0,23 0,20 0,15 0,13 0,08 120 0^45 0,40 0 36 0,41 0,34 0,30 0,26 0,22 0,19 0,14 0,12 0,08 130 0,37 0,31 0,27 0,24 0,21 0,18 0,14 0,12 0,08 140 0,33 0,28 0,25 0,22 0,19 0,17 0,13 0,11 0,07 160 0,29 0 23 0,28 0,24 0,22 0,20 0,16 0,15 0,12 0,10 0,07 180 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 0,13 0,11 0,09 0,06 200 0,19 0,19 0,17 0,16 0,15 0,13 0,11 0,10 0,09 0,06 235
тельный эксцентриситет, т. е. отношение наибольшего напряже- ния от момента к напряжению от продольной силы m=MF/ (WN) =eF/ W-, (19.8) П=1,45—0,00311м. (19.9) Для 150 т]^1. Значения коэффициентов <рм в зависимости от тг\ и 1 для стали С 38/23 приведены в табл. 19.2. При применении сталей других классов можно пользоваться табл. 19.2, подставляя вместо гибкости элемента 1 значения услов- ной гибкости: I = 1 |ЛТ'23О, (19.10) где От — предел текучести стали. При этом значения не долж- ны быть больше значений <р, приведенных в табл. 19.1. В-третьих, следует проверить устойчивость от силы .V в пло- скости наибольшей гибкости, как правило, перпендикулярной пло- скости действия момента М, с учетом изгибно-крутильной формы потери устойчивости. В этом случае проверка производится по фор- муле 09.11) где фт1п — коэффициент, соответствующий наибольшей гибкости сжатого элемента (см. табл. 19.1); с=р/(1+ат). (19.12) Коэффициенты аир приведены в табл. 19.3. Таблица 19.3 Значения коэффициентов а и р в зависимости от относительного эксцентриситета и гибкости Коэффициенты Относительный эксцентриситет т и гибкость X тЯ 1 ы $ < 1 <*> а 1 0,7 0,6 1 < т 5 0,74-0,05 (т- 1) 0,64-0,05(7:— 1) т >5 0,9 0,8 ? П р и м е ч Хс для разли[н Стал1 Хс • ^тах < 1,0 1,0 *тах > ания: ’• Tmln их классов стал 0,58/?mln — коэффициент продольнс и: С 38/23 С44/29 С 100 92 1.0 >го изгиба. 2. Значения 46/33 С 50/40 88 86 236
Площадь поперечного сечения определяют методом последова- тельного приближения. Если пренебречь напряжением от момен- та, то требуемая площадь сечения FTp—У / ([о]рф). (19.13) Задаваясь пониженным значением <р=0,4-*-0,6, определяют Гтр. Конструируют поперечное сечение и производят проверку его проч- ности и устойчивости по формулам (19.6), (19.7) и (19.11). Если напря- жение отклоняется от допускаемого больше чем на ±5%, то размеры се- чения меняют и вторично проверяют его прочность и устойчивость. Для конструкций из алюминиевых сплавов, работающих при эксцентри- ческих нагрузках, устойчивость про- веряется по формуле, изложенной в специальных нормах [93]. Пример расчета (рис. 19.4). Элемент дли- ной /=10 м, шарнирно закреплен по концам. Он сжат силой Р=1000 кН, приложенной центрально, и силой р=50 кН, приложенной с эксцентриситетом / — 0,6 м относительно оси; [<т]р=160 МПа. Подобрать поперечное сечение элемента. Продольная сила примеру расче- Рис. 19.4. К та стойки на эксцентричное сжатие Ю50 кН. В приближении пренебрегаем действием изгибающего момента, принимаем <р=0,5. Требуемая площадь поперечного сечения определяется по формуле (19.13): Fip = 1,05/(160-0,5) =0,0131 м2=131 см2. Рассмотрим стройку коробчатого сечения, сваренную из двух листов раз- мером 300X12 мм и двух листов размером 250X10 мм; £=122 см2. Определяем момент инерции относительно оси у: 1,-2(303 -1,2/12-|-25• 1 ’/12-1-25-1-15,5»)= 17 416 см*. Радиус инерции по формуле (19.3) ^ = /17416/122 = 12 см. Гибкость по формуле (19.2) %у= 1000/12,0 = 83. Момент сопротивления 1Гу=17 416/16= 1088 см\ а момент Му=ре=° —30 <кН-м. Суммарное максимальное напряжение определяется по формуле (19.6): °тах= —0,03/(1088’10-*) —1,05/(122-10-4) = — 113,5 МПа. Проверяем устойчивость стойки в плоскости действия момента. Для про- верки устойчивости элемента находим относительный эксцентриситет по форму- ле (19.8): /п=0,03-122-10-*/(1,05-1088-10"*)= 0,32. 237
Коэффициент, зависящий от профиля сечения, по формуле (19.9) т]=1,45— —0,0031-83=1,19; произведение тт]=0,38. По табл. 19.2 находим значение фм =0,62. Напряжение сжатия находим по формуле (19.7): <т=-1,05/(0,62-122-10~4) =—138,7 МПа. Проверяем устойчивость элемента в направлении, перпендикулярном дей- ствию момента. Определяем момент инерции относительно оси х: 1Х — = 2 (253 • 1 /12+30 • 1,23/12 +30 • 1,2 11,92) = 12 808 см*. Радиус инерции гх=~^\2 808/122 = 10,2 см; гибкость Хх= 1000/10,2 = 98. При гибкости Хх=98 коэффициент ф=0,6 (см. табл 19.1), тогда с=1/(1+<хт). При т=0,32 из табл. 19.3 а=0,6, тогда с=0,85. Напряжение сжатия находим по формуле (19.11): о=-1,05/(0,85-0,6-122-10-*)---168 МПа. Сечение подобрано удовлетворительно, так как превышение напряжения относительно допускаемого не более 5%. § 3. Прочность и устойчивость стоек с составными поперечными сечениями Каждая из частей, образующих составное сечение стойки, на- зывается его ветвью. В стойках с составными поперечными сече- ниями ветви соединяют связями. Наиболее часто в качестве связи Рис. 19.5. Связи в стойках: а — соединительные планки: б — соедини- тельная решетка применяют соединительные план- ки (рис. 19.5,а). В сжатых эле- ментах с составными поперечны- ми сечениями устойчивость отно- сительно материальной и свобод- ной осей проверяется различны- ми путями. Проверку устойчиво- сти элемента относительно мате- риальной оси (ось х для конст- рукции, изображенной на рис. 19.5,а) производят так же, как и для элементов со сплошными поперечными сечениями. При проверке устойчивости стойки относительно свободной оси (ось у на рис. 19.5,а) коэффициент <р находят не как функцию гибко- сти а как функцию приве- денной гибкости X^yx^-f-X*,. (19.14) 238
Величину вычисляют при допущении, что ось поперечного сече- ния материальна. Гибкость одной ветви на длине /1 U = h/ri. (19.15) Планки рекомендуется расстанавливать таким образом, чтобы гиб- кость Ai^40. В качестве расчетного принимают наибольшее из значений кх и Хо. Если ветви поперечного сечения стойки соединены не планками, а решеткой (рис. 19.5,6), то приведенная гибкость относительно свободной оси при а^45° a.=ya\+27F/Fp, (19.16) где F— площадь поперечного сечения стержня; Fp— площадь се- чения раскосов соединительной решетки. § 4. Соединительные элементы При загружении стойки силой, приложенной центрально, по- перечная сила Q=0. В действительности в стойке могут сущест- вовать незначительные искривления оси и незначительные эксцен- триситеты приложения си- лы. Эти обстоятельства вы- зывают появление попереч- ной силы. На основе много- численных экспериментов, проведенных в СССР, при загружении стойки силой, действующей вдоль оси, у с- ловную поперечную силу, выражаемую в нью- тонах, допускается опреде- лять по эмпирической фор- муле Русл — 200F, (19.17) рис 19 6. Схема конструкции (а) и попе- _ речные сечения (б — г) стоек, работающих где г — площадь поперечно- при поперечной силе Q го сечения стойки, см2. Этой формулой следует пользоваться при расчете стоек из низкоуглеро- дистой стали, а также из сплава АМгб. При расчете конструкций из стали повышенной прочности и сплава Д16Т целесообразнее пользоваться формулой QyCji=400F. (19.18) В конструкции, изображенной на рис. 19.6,а, в стойке возникает реальная поперечная сила Q, равная горизонтальной реакции: Q=Pe/l. (19.19) Когда в стойках реальные поперечные силы больше, чем услов- ные, определенные по формулам (19.17), (19.18), то в качестве расчетной принимают реальную поперечную силу Q. В сжатых стойках, имеющих сплошные поперечные сечения, 239
соединительными элементами являются сварные швы. Их кон- струируют непрерывными (рис. 19.6,6). Расчетным усилием в со- единительных швах является поперечная сила: реальная, если она существует, и условная, определяемая по формуле (19.17) или (19.18). В последнем случае должно выполняться условие Q<Z Qycn- Касательные напряжения в соединительных швах определяют по формуле r=QS/(2/pK), (19.20) где / — момент инерции всего сечения относительно оси у\ S — статический момент площади пояса (рис. 19.6,6, в). Для конструк- ции, изображенной на рис. 19.6,г, срезывающие напряжения в про- дольном шве определяются по формуле x = QS/(2/s), (19.20х) где S—Fc; F— площадь полукольца; с — расстояние от центра тяжести полукольца до центра трубы. В большинстве случаев на- пряжения в швах от поперечной силы оказываются незначительны- ми. Гем не менее размер катета шва следует принимать /0^4 мм, если наименьшая толщина соединяемых элементов больше 4 мм. Пример расчета. Для стойки (см. рис. 19.3, вариант 2) определить напря- жения в соединительных швах К=5 мм, площадь сечения F=84 см2, мате- риал— сталь 15ХСНД, сварка ручная, 0 = 0,7. По формуле (19.18) определим Qye>=400-84 = 33 600 Н. Момент инерции сечения Рис. 19.7. Стойки с соедини- тельными швами 1 = 253 -0,8/12+2 (32 • 13/124-32 -1-13.022) = = 11 861 см*. Определяем статический момент пояса относительно центральной оси: 5=32-1-13=416 см3. Напряжение в швах определим по фор- муле (19.20): т = 0,0336-416-10-в/(10-в-11 861-2Х X0,7-0,5-IO-2) = 16,8 МПа. В стойках составного поперечного сечения планки между ветвями стой- ки целесообразнее вваривать стыковы- ми швами, так как при этом число швов, требуемых для прикрепления планок, меньше, чем при других спо- собах соединений (рис. 19.7,а). Одна- ко вследствие технологических труд- ностей чаще применяются соединения с угловыми швами (рис. 19.7,6). Ши- рина планки h определяется при рас- чете на прочность. Учитывая требова- ние жесткости, ширина планки Толщина планки должна быть подобрана таким образом, чтобы feo/^50, где Ьо— расстояние между ветвями в свету. 240
Ветви поперечного сечения сжатого элемента дополнительно соединяют между собой диафрагмами, расположенными перпенди- кулярно оси элемента (см. рис. 19.5,а). Назначение диафрагм — препятствовать скручиванию профиля, которое может произойти из-за взаимного смещения ветвей. Число диафрагм в элементе зависит от его длины, но не должно быть меньше двух. Диафраг- мы расчетом на прочность не проверяют, их геометрические разме- ры зависят от расстояния между ветвями и от поперечного сече- ния стойки. Толщина диафрагмы равна толщине соединительной планки. Конструирование сжатых составных элементов только- с одними диафрагмами, без соединительных планок или решетки, неприемлемо, так как при этом обе ветви стойки работают раз- дельно, а не как одно целое. Расчет прочности планки производит- ся в основном на изгибающий момент Af=Q/i/4, (19.21> где /1 — расстояние между осями планок; Q — поперечная сила. Напряжение в планке, вызванное изгибающим моментом, а=М/^<[а]р, (19.22> где W=sh2/6. Наименьшая требуемая ширина планки определяет- ся по формуле Л = ]/6Л4/(Нр5)’. (19.23> Если соединение планок со стойкой стыковое, то напряжение в швах определяется из условия <з = 6Л1/($Л*)<[У]р. (19.24> Если планки приварены угловыми швами, то их условия проч- ности определяются формулой М = гй’рК/б + ^Ка (Л + К). (19.25} Обозначения величин приведены на рис. 19.7,6. Пример расчета. Произвести расстановку соединительных планок в кон струкции стойки, приведенной на рис. 19.7, и определить их прочность. Сечение состоит из двух швеллеров № 22а. Принимаем [о]Р=210 МПа. Наименьший момент инерции швеллера № 22а относительно собственной вертикальной оси Л —157,8 см‘, его площадь F=31,84 см2, радиус инерции г,= /157,8/31,84 = 2,2 см. Примем гибкость ветви Xi=40. Расстояние между осями планок /1«=Л[Г1=88 см. Поперечная сила в стойке определяется по формуле (19.18): 0=400-2-31,84=25 460 Н. 16-201 241
Изгибающий момент определяется по формуле (19.21): М=0,02546-88-10-2/4=0,0056 МН/м. Принимаем толщину планки $ = 0,8 см. Требуемая ширина вычисляется по формуле (19.23): А = "/0,0056-6/(210-0,8-10-») = 0,142 м. Принимаем А = 15 см. Размеры горизонтальных швов: а=5 см; К=0,8 см. Напряжение в швах от изгиба при р=0,7 определяется по формуле (19.25): т = 0,00560-10’ / 0,7-0,8-5(15-1- 0,8) + 0,7-0,8-15’ 6 = 99,3 МПа, что ниже допускаемого [т']=0,65 [о]р= 136,5 МПа. § 5. Стыки Соединения стоек по длине можно производить несколькими способами. Стыковые соединения сваривают прямым швом (рис. 19.8,а б). Рис. 19.8. Стыки стоек Как правило, в таких соединениях напряжение о существенно меньше, чем допускаемое, так как по условию устойчивости о^ <[сг]Рф, поэтому прочность такого соединения обеспечена. Стыко- вые соединения, выполняемые прямым швом с накладкой (рис. 19.8,в), применяются для стоек, имеющих составные попе- речные сечения; при этом стыковые накладки служат одновремен- но соединительными планками. На рис. 19.8,г показаны соедине- ния с помощью прокладок. Так как часть сил передается по пло- скости соприкосновения двутавра с прокладкой, то допускаемые напряжения при расчете сварных швов могут быть повышены до 242
значения [а]с»; прочность швов проверяется по формуле Л^/(₽Л[а]сж), где L — длина периметра швов, приваривающих сечение стойки к прокладке. (19.26) § 6. Базы и оголовки Пример конструкции базы и оголовка стойки приведен на рис. 19.9. База сконструирована в форме плиты, к которой стойка приваривается тавровым соединением. Плита опирается на фун- дамент и крепится к нему четырьмя болтами. Для равномерного распределения давления под плитой се делают жесткой. Для этого использо- ваны шесть ребер жесткости, установленных в плоскостях стенки и поясов стойки. Вертикаль- ные швы 1 нагружены слабо. Они воспринимают лишь фиктивную поперечную силу, которая, как правило, мала. Нижние швы 2 в тавровом соеди- нении передают часть нагрузки Р со стойки на плиту, в то время как другая часть нагрузки пе- Рис. 19.9. Пример базы и оголовка стойки редается через плоскость соприкосновения стой- ки с плитой. Вследствие изгиба плиты все швы, лежащие на горизонтальной плоскости, испыты- вают напряжения от поперечной силы, точное определение которой представляет трудности. Швы делают непрерывными; катет K=(0,75-i- -+-1,0)s толщины ребер жесткости. Оголовок оформлен в виде верхней плиты с ребрами жест- кости. Верхние швы 3 в тавровом соединении передают силу Р с плиты на стойку аналогично швам 2. § 7. Примеры стоек Примерами стоек являются колонны промышленных зданий. Типовая колонна среднего ряда изображена на рис. 19.10. При различных размерах поперечных сечений такие колонны применя- ют в зданиях с пролетами 24, 30 и 36 м при разных нагрузках на кровлю и соответственно различных давлениях на фермы. Основ- ной тип профиля колонны в верхней части — сварной двутавр. В нижней части колонна состоит из двух двутавров, соединенных диагональными связями — гнутыми уголками мелких калибров и диафрагмами. Колонны поддерживают стропильные фермы и под- крановые балки, на которые устанавливают рельсы. 16* 243
В качестве стоек работают мачты линий электропередачи, а также мачты, поддерживающие антенные устройства. Часто они представляют собой решетчатые конструкции, состоящие из верти- Нижшш пояс стропильной г фермы Уровень головки рельса Рис. 19.10. Сварная колонна промышленного здания кальных поясов, соединенных между собой связями. Негабарит- ные конструкции изготовляют на заводах в форме блоков. Послед- ние транспортируют на место монтажа, где соединяются свар- ными швами или высокопрочны- ми болтами (рис. 19.11). Пояса стоек и их связи изготовляют из элементов уголкового профиля или из тонкостенных труб. Трубы соединяются либо непосредствен- но, либо при сплющивании кон- цов. В металлических конструк- циях, поддерживающих антенные устройства, важно точное соблю- дение заданных габаритных раз- меров. Необходимо обеспечить Рис. 19.11. Стык мачты на мон- тажных болтах жесткость конструкции и довести до минимума влияние таких форм внешних нагружений, как изменение окружающей темпера- туры и импульсы от ветровой нагрузки. ГЛАВА 20 РЕШЕТЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ (ФЕРМЫ) § 1. Типы ферм Многочисленные эксперименты показали, что усилия в стерж- нях реальных ферм близки по значению к усилиям, вычисленным в предположении шарнирности узлов ферм. Обоснованное экспе- 244
риментами допущение, что узлы ферм шарнирны, значительно об- легчает проектанту задачу конструирования и расчета. Проектиро- вание фермы начинается с выбора рациональной ее системы. Система ферм зависит от их назначения, общей компоновки кон- струкции, требований эксплуатации. Очень часто рациональная система определяется на основе опытного проектирования и срав- нения нескольких вариантов. Из них выбирают ту конструкцию, которая отличается наименьшей массой и трудоемкостью при из- готовлении. Рис. 20.1. Схемы ферм больших пролетов: а — стропильных; б — крановых; в —схема загружении панели пояса сосредоточенной силой Для стропильных ферм больших пролетов (рис. 20.1,а) жела- тельны системы, имеющие стойки. Длины d панелей этих ферм составляют 1,5—3 м, отношение высоты к пролету hjl= 1/104-1/14. Пример крановой фермы приведен на рис. 20.1,6. Длина панели верхнего пояса, по которой перемещается тележка с грузом, при- нимается d= 1,54-2,5 м, отношение высоты к пролету Л//=1/12ч- 4-1/18. Это отношение определяется требованиями жесткости и ком- пактности конструкции. Чем больше h/l, тем меньше прогибы ферм под нагрузкой, но зато тем больше должна быть высота цеха. Исходя из указанных соображений в настоящее время крановые конструкции, как правило, изготовляются в форме балочных си- стем, хотя раньше применение ферм для кранов было распростра- нено в промышленности. 245
Панели мостовых ферм значительно больше, чем крановых и стропильных. Мостовые фермы должны обладать большой жест- костью, поэтому часто принимают в них отношение ft/Z = 1/5ч- 1/8. Приведенные системы ферм показаны в виде плоских систем. В действительности конструкции составляются всегда из двух или большего числа ферм, связанных между собой элементами, назы- ваемыми связями. § 2. Определение нагрузок и усилий стержней В строительных и мостовых конструкциях в большинстве слу- чаев нагрузки приложены в узлах ферм, т. е. в местах соединения стержней. Значения полезной нагрузки указываются в техниче- ском задании на проектирование. Определение продольных сил в элементах ферм от нагрузок, приложенных в узлах, производится методами строительной механики [5]. Целесообразно отдельно определять продольные силы от собственного веса, полезной нагрузки и суммарные расчетные силы. Допустим, что нагрузки приложены не в узлах ферм, а по дли- не панели (рис. 20.1,в); тогда их следует разложить по узлам и обычным путем определять продольные силы в стержнях фермы. В нагруженных панелях помимо продольных сил действуют попе- речные силы Q и изгибающие моменты М, которые определяются при рассмотрении нагруженного пояса фермы в качестве балки. Допустим, что панель (стержень пояса) нагружена сосредоточен- ной силой Р, приложенной к ее середине. Учитывая, что пояс пред- ставляет собой неразрезную балку, при расчете часто приближен- но принимают расчетный момент M=Pd/6. (20.1) Расчетная поперечная сила Q=P/2. (20.2) После вычисления продольных сил У и моментов М расчетное напряжение определяют по формуле а = ±-^утах + 4<НР. (20.3) где /—момент инерции поперечного сечения пояса относительно горизонтальной оси; F— площадь сечения пояса; утах — расстоя- ние от центра тяжести сечения до крайнего волокна, в котором напряжение имеет тот же знак, что и сила N. В сжатом поясе производится проверка на продольный изгиб, как указано в гл. 19. После определения требуемых размеров по- перечных сечений приближенным методом иногда производят вторичный расчет пояса с учетом изгибающего момента, вычис- ленного уточненным методом. При этом пояс рассматривается как многоопорная балка. Точность практических расчетов доста- точна при условии рассмотрения пояса в качестве трехпролетной неразрезной балки. 246
§ 3. Поперечные сечения стержней Стержни должны обладать достаточной прочностью и жест- костью. Превышение расчетного напряжения относительно допу- скаемого ни в коем случае не должно быть более 5%. Стержни следует конструировать по возможности экономично, т. е. расчет- ные напряжения должны быть близкими к допускаемым. Однако поперечные сечения стержней, нагруженных небольшими продоль- ными силами, часто подбирают из условий жесткости, поэтому в этих стержнях напряжения могут быть незначительны. Таблица 20.1 Предельная гибкость X элементов ферм Наименование элементов конструкций Сжатые стержни Растянутые стержни при статиче- ских нагрузках при динамиче- ских нагрузках Пояса, опорные раскосы 120 400 150—250 Прочие элементы ферм 150 400 350 Основные колонны 120 1 -— Второстепенные колонны, связи между 150 300 300 ними Остальные элементы связей 200 400 400 Наибольшее значение гибкости X стержней стальных ферм про- мышленных сооружений (см. гл. 19) не должна превышать дан- ных табл. 20.1. В фермах гибкость ограничивается не только в сжатых, но и в растянутых стержнях, чтобы устранить их прови- сание при весьма большой гибкости и вибрации при динамических нагрузках. Сортамент применяемого металла должен быть по возможности однообразным, т. е. следует иметь как можно мень- шее количество разнородных элементов (позиций). Это упрощает и удешевляет изготовление ферм на заводе. Фермы в значитель- ном большинстве случаев конструируют из прокатных профиль- ных элементов. Лучше применять гнутые элементы: они имеют малую толщину и повышенную жесткость по сравнению с про- катными. При конструировании ферм следует стремиться сократить объ- ем сварочных работ, располагать швы в элементах симметрично и обеспечивать удобное выполнение сварки как на заводе, так и на монтажной площадке. Рассмотрим определение сечений сжатых поясов. Типы попе- речного сечения сжатых поясов, имеющие наибольшее распрост- ранение, приведены на рис. 20.2. Сечения в форме уголков (рис. 20.2,а) применяют в слабонагруженных фермах или в нера- бочих элементах. Сечения в форме двух уголков (рис. 20.2,6) часто проектируют в фермах с небольшими усилиями (в легких стропильных фермах, мачтах). Замкнутые сечения (рис. 20.2,в) целесообразны в тонкостенных конструкциях и в конструкциях, 247
где требуется повышенное сопротивление кручению. Сечения, по- казанные на рис. 20.2,г, д, встречаются в крановых фермах, в ко- торых верхние пояса помимо силы сжатия испытывают изгибаю- щие моменты. Двустснчатые конструкции (рис. 20.2,е, ж) приме- няют при средних и больших усилиях (в стропильных и крановых фермах). Конструкцию, представленную на рис. 20.2,з, применяют в мостовых пролетных строениях. Трубчатая конструкция (рис. 20.2,и) рациональна в отношении требований прочности и экономична. Возможно применение и других видов сечений. Требуемая площадь сжатого элемента пояса при отсутствии момента определяется из условия (19.13): FTP=^/([o]p(₽). (20.4) При подборе сечения следует предварительно задаться коэф- фициентом ф = 0,5-i-0,7. Свободную длину стержня выбирают в зависимости от конструкции сооружения. Например, горизонталь- ная жесткость строительных ферм обеспечивается постановкой горизонтальных связей. Свободную длину пояса принимают рав- ной расстоянию между центрами узлов. Подбор сечения сжатого пояса производят так же, как и сжатой стойки (см. гл. 19). В стержнях, сечения которых приведены на рис. 20.2, соедини- тельные швы конструируют непрерывными. Их выполняют обычно автоматической сваркой под флюсом, при этом катет шва прини- мают К— (0,44-0,6)s листа. Нередко /( = 44-5 мм. Для повышения устойчивости элементов применяют соедини- тельные планки, диафрагмы, ребра жесткости, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси элемента. В фермах с больши- ми пролетами, рассчитанных на тяжелые нагрузки, например в мостовых, поперечные сечения пояса иногда меняются от панели к панели и площадь сечения подбирают отдельно для каждой па- нели. Так поступают, когда длина панелей, например, превышает 6—8 м. В крановых фермах средней и малой грузоподъемности, в стропильных и других типах легких ферм сечения поясов обычно 248
неизменны по длине. Следует иметь в виду, что перемена сечения не должна значительно изменять положения центра тяжести, так как это вызывает образование эксцентриситета усилий. Последнее приводит к появлению добавочного изгибающего момента в узле. Это иногда вынуждает отказаться от изменения сечения и сохра- нять его одинаковым по всей длине фермы. Допустимый эксцентри- ситет зависит от наибольшей высоты соединяемых элементов: е^0,02Л. Если е превышает указанный предел, то необходимо учесть дополнительные напряжения от изгибающего момента. Конструирование поперечных сечений растянутых поясов зна- чительно проще, чем сжатых, так как в этом случае допускаемое напряжение в металле не зависит от гибкости элементов. Требуе- мая площадь поперечного сечения при растяжении определяется по формуле FTP = N/[O]P. (20.5) Типы поперечных сечений растянутых поясов приведены на рис. 20.3. Тип сечения нижнего пояса обычно соответствует типу сечения верхнего пояса. Соединительные швы стержней, изображенных на рис. 20.3,в—ж, нерабочие, катеты швов К = 4-т-5 мм, швы непрерывные. Типы поперечных сечений раскосов и стоек приведены на рис. 20.4. Рис. 20.3. Поперечные сечения растянутых поясов ферм Уголки (рис. 20.4,а) применяют тогда, когда элементы поясов сконструированы тоже из уголков; парные уголки с зазором (рис. 20.4,6) применяют весьма часто в фермах, работающих под легкими и средними нагрузками; сечения элементов, приведенные на рис. 20.2,в—ж, могут быть рекомендованы для стержней, если пояса имеют двустенчатые сечения. В растянутых раскосах и стойках требуемая площадь попереч- ного сечения элемента определяется по формуле (20.5), а в сжа- тых раскосах и стойках — по формуле (20.4), где (р предваритель- но принимают равным 0,4—0,7. Порядок подбора сечений анало- гичен описанному в гл. 19. 249
При определении гибкости раскосов и стоек в плоскости, пер- пендикулярной ферме, свободную длину I принимают равной тео- ретической, т. е. расстоянию между центрами узлов. При вычис- лении гибкости этих элементов в плоскости фермы допускается принимать расчетную длину, равную 0,8 теоретической длины рас- косов и стоек; это объясняется наличием частичного защемления элементов в узлах. Рис. 20.4. Поперечные сечения сжатых и растяну- тых раскосов и стоек Если поперечное сечение элемента состоит из двух ветвей, как показано на рис. 20.4,д, е, то определяют гибкости: Хж— относи- тельно оси х; — относительно оси у\ приведеннуюZo=]/Z2^-]-^2!. где Xi — гибкость ветви, которую для сжатых элементов берут не больше 40. Для определения коэффициента <р берется наибольшая из най- денных величин. Площадь сечения каждого раскоса и стойки под- бирают независимо от других. Однако нередко, чтобы сохранить однообразие сортамента, для ряда элементов решетки фермы (раскосы, стойки) площадь сечения принимают одинаковой. Прочность соединительных швов в растянутых элементах не рассчитывается; в сжатых элементах (рис. 20.4,в, г, ж) она про- веряется, как указано в гл. 19. По условиям технологии катет шва, как правило, в обоих случаях назначается размером 4—5 мм, но не менее 0,3s. Расстояние между планками берется таким, чтобы гибкость ветви растянутого элемента Х^200. Расчет прочности соединительных планок (рис. 20.4,д, е) в сжатых элементах про- изводится так же, как планок на сжатых стойках (см. гл. 19). § 4. Узлы ферм Условия рационального конструирования узлов ферм следую- щие: геометрические оси соединяемых стержней должны пересе- каться в одной точке — центре узла; должна быть обеспечена воз- можность наложения швов, прочно прикрепляющих раскосы и стойки к поясам в удобном для производства сварочных работ положении; не должно быть скученных швов. 250
Требуемая длина швов, закрепляющих стержень в узле, вычис- ляется по формуле £=Л7(рЯ[т']), (20.6) где N — продольное усилие в стержне; [т]—допускаемое каса- тельное напряжение сварного шва. Если присоединяемый элемент является уголком, то расчет сварных швов производят, как указано в § 2 гл. 2. Результаты подбора сечений элементов представляют в виде таблицы: Схема подбора сечений элементов Элемен- ты Усилие N. кН Наимень- Состав Площадь ший радиус сечения F, см* инерции fmin’ см Длина I, см Наибольшая гибкость ^тах Коэффи- циент f Расчетное напряжение о. МПа В узлах часто применяют косынки, имеющие форму надста- вок, вставок, прокладок, накладок. Узлы без косынок наиболее просты при изготовлении. Их сле- дует применять, если могут быть соблюдены все правила рацио- нального конструирования узловых соединений. Пример конструк- ции узла фермы без косынок с одностенчатым профилем пояса Рис. 20.5. Узлы без косынок: а — сечение пояса одностенчатое; б — сечение пояса двустенчатое 251
приведен на рис. 20.5,а. На рис. 20.5,6 приведена конструкция, у которой нижний пояс и раскосы имеют двустенчатые сечения, что позволяет весьма компактно соединять элементы в узле. Рис. 20.6. Узлы ферм с надставками: а — сечение пояса двутавровое; б — сечение пояса тав- ровое Примеры конструк- ций узлов с надстав- ками приведены на рис. 20.6. Соедине- ния надставок стыко- вые или тавровые. Расчет прочности швов, прикрепляющих рас- косы к надставкам, производится обычным путем. Требуемая дли- на швов прикрепления раскоса определяется по формуле (20.6). Приближенный расчет швов, прикрепляющих надставку к поясу, мо- жет быть выполнен с учетом следующих со- ображений. В узле сумма проекций сил на вертикальную ocbSt/ = =0. Следовательно, усилия в раскосах дол- жны быть разных знаков. Допустим, например, что элемент /Л рас- тянут, а элемент /V2сжат (рис. 20.6,а). Поскольку сумма проекций сил на горизонтальную ось Sx=0, приходим к выводу, что гори- зонтальные швы, прикрепляющие надставку, срезаются силой Рис. 20.8. Узлы с прокладками: а__без разрыва пояса; б, в — с разрывом пояса T=N{ cos cii-f-.Va cos а2. (20.7) Напряжение в шве т=Т/(0,7К/-2), (20.8) где I — длина надставки. Как правило, напряжения т невелики. Пример узла со вставками показан на рис. 20.7. Вертикаль- ные листы поясов обрываются и вместо них вставляются фигур- ные листы, размеры кото- рых позволяют обеспечить прочное прикрепление рас- косов и стоек. Вставку к вертикальному листу мож- но прикрепить как прямы- ми, так и косыми стыковы- ми швами. Узлы со встав- ками применяют в фермах, работающих под переменны- Рис. 20.7. Узел фермы со вставками Рис 20.9. Узел с накладкой ми нагрузками. 252
Узлы с прокладками применяют, когда сечения стержней ферм состоят из парных элементов — уголков, расставленных с зазором относительно друг друга (рис. 20.8,а). Прочность швов, привари- вающих прокладки к поясам, определяется так же, как и проч- Рис. 20.10. Пример опорного узла стро- пильной фермы гда используют для соединения видно на рис. 20.8,в. ность швов, прикрепляющих над- ставки. Усилие, сдвигающее проклад- ку относительно пояса, опреде- ляется по формуле (20.7), где A/i и Л/2— усилия в раскосах; сц и а'2 — углы наклона раскосов (рис. 20.8,в). Распределение усилий проис- ходит неравномерно. Усилие со стороны обушка Л = 0,77, а с про- тивоположной стороны Т2=0,ЗТ. Определив Л и Т2, находим напряжение в швах. В тех случаях, когда ферму изготовляют на заводе не цели- ком, а отдельными частями (рис. 20.8,6), узлы с прокладками ино- поясных элементов фермы, как это Пример узла с накладкой приведен на рис. 20.9. Узлы с на- кладками в настоящее время проектируют редко. В большинстве случаев они могут быть лишь в легких фермах. Конструкции опорных узлов зависят от назначе- ния ферм и устройств креп- лений. При конструировании опорных узлов ферм необ- ходимо соблюдать следую- щие условия: направление реакции А должно прохо- дить через центр опорного узла; сжатый пояс должен проходить над опорой, не прерываясь; узел должен обладать достаточной жест- костью (рис. 20.10). § 5. Специальные Рис. 20.11. Монтажный узел башни теле- конструкции ферм центра Трубчатый узел башни Ленинградского телецентра высотой /i=316 м изображен на рис. 20.11. Соединение элементов решетки с вертикальными поясами башни выполнено с помощью торцовых листов 1. Последние приваривали к трубам 4 и косын- 254
кам 2 на заводе угловыми швами. Косынки 3 приваривали к вер- тикальным поясам также в заводских условиях. Монтажные соеди- нения выполнены на болтах с последующей обваркой. На рис. 20.12 изображены различные узлы трубчатых стерж- ней, применяемых в фермах. Узлы предназначены для легких ферм. В некоторых из них допущены небольшие эксцентриситеты. Для усиления узлов поставлены накладки, ребра жесткости. Ори- гинальна конструкция, где элементы прикрепляются к сфере, фор- мирующей узел. Другая группа узлов показана на рис. 20.13. В местах соединений некоторые трубы раскосов сплющиваются — это упрощает сборочно-сварочные операции. На рис. 20.14 показана ферма, имеющая тонкостенные трубча- тые поперечные сечения элементов из гнутых профилей. Для уве- личения их жесткости предусмотрены гофры. Каждый стержень составлен из двух гнутых половин, соединенных между собой дву- мя продольными связующими швами. По длине элементы сварены стыковыми соединениями, узлы — тавровыми. На рис. 20.15 приведен узел арматурной фермы из стержней периодического профиля. В узле соединения раскосов и стоек с поясом усилены косынкой. 255
Рис. 20.13. Узлы трубчатых стерж- ней со сплющиванием труб В строительной промышлен- ности при изготовлении прого- нов междуэтажных перекры- тий, кровель и т. п. применя- ют легкие фермы из круглой стали, называемые прутковыми (рис. 20.16). В ней верхние и нижние пояса сконструирова- ны из уголков легкого профи- ля, раскосы — из прутков. Уз- лы сварены вручную дуговой сваркой. Фермы указанного типа обладают малым весом, не требуют большого объема сварочных работ и экономич- ны, но могут быть рекомендо- ваны лишь для работы под Рис. 20.14. Стропильная ферма из гнутых элементов статическими нагрузками. В этих фермах целесообразно приме- нение точечных соединений, которые обеспечивают хорошие свой- ства соединений круглого профиля с плоским. § 6. Стыковые соединения поясов Стыковые соединения поясов ферм подразделяют на три вида: 1. Технологические — их применяют, если отсутствуют эле- менты требуемой длины; эти соединения следует конструировать равнопрочными с целым элементом, так как положение их не всег- 256
да возможно определить заранее. 2. Конструктивные — их применяют для изменения поперечного сечения пояса от панели к панели; положение конструктивных стыковых соединений задано проектировщиком, поэтому расчет прочности можно производить по действующему расчетному усилию; их располагают в элемен- те на расстоянии 0,2—0,5 длины панели от узла. 3. Монтаж- Рис. 20.15. Узел стержней арматуры периодического профиля Рис. 20.16. Конструкция сварной легкой фермы с прутковыми раскосами 17-201 257
ные — их назначают в зависимо- сти от условий транспорта и на- личия подъемно-транспортных средств на строительстве. При Рис. 20.17. Стыки поясов фермы монтаже элементы предваритель- но собирают на болтах или струб- цинах; после этого производят сварку соединений. Положение монтажных стыковых соединений всегда назначает проектировщик. Наиболее целесообразны сты- ковые соединения с прямыми и иногда косыми швами (рис. 20.17,а, б). Эти типы соединений могут быть рекомендованы не только для уголковых и тавровых профилей, но и для Н-образных, П-образных и других разновид- ностей поперечных сечений. Ука- занные типы стыковых соединений применяют при работе эле- ментов на растяжение и сжатие, в особенности при переменных нагрузках. Для соединений поясов легких ферм в растянутых элементах можно допустить конструкции соединения, приведенные на рис. 20.17,в, а в сжатых — конструкции, приведенные на рис. 20.17,г. Расчет прочности стыков производится согласно общим пра- вилам расчета сварных соединений, изложенным в гл. 2. § 7. Применение алюминиевых сплавов в сварных конструкциях ферм Алюминиевые сплавы могут быть рекомендованы для ферм, к которым предъявляются требования предельного сокращения ве- са, например для стрел подъемных кранов, сборно-разборных мо- стов, гидротехнических затворов, а также для объектов, работаю- щих в условиях агрессивных сред. Наибольшее применение для несущих конструкций имеют сплавы АВТ, В92Т, АДЗЗТ1, АМгб, АМг61. Важным преимуществом сварных алюминиевых ферм яв- ляется их хорошая сопротивляемость ударным нагрузкам при низ- ких температурах. Недостатком алюминиевых ферм по сравнению со стальными являются повышенные значения прогибов и малое значение коэффициентов <р, чувствительность к концентраторам напряжений, затруднения при сварке некоторых сплавов, в част- ности высокопрочных. При изготовлении ферм из алюминиевых сплавов применяют гнутые элементы, полученные прокаткой, прес- сованием, выдавливанием и другими способами. Как правило, кон- струкции ферм сваривают аргонодуговой сваркой, реже — контакт- ной. Для обеспечения плотности соединений и улучшения антикор- розионных свойств иногда применяют склейку. Применение алю- 258
миния в конструкциях сборно-разборного типа позволяет умень- шать их массу по сравнению со стальными в 2,5 раза. В частно- сти, масса конструкций мостовых кранов из алюминиевых сплавов пролетами 32 м, грузоподъемностью от 5 до 50 т уменьшена по сравнению со стальными на 60%, а давление на катки снижено на 32—19%. Собственная масса крыла перегружателя грузоподъем- ностью 30 т с пролетами 27-*-76-|-27 м вместе с механизмом со- ставляет 435 т при применении алюминия и 786 т при применении стали. § 8. Применение пайки До последнего времени паяные соединения применялись глав- ным образом в приборостроении и машиностроении, однако пайка перспективна и при изготовлении строительных конструкций, в частности мачтовых ферм для линий электропередачи. При пайке широко используют соединения внахлестку. На рис. 20.18,а, б изображены паяные узлы одной из мачтовых ферм. Сами швы показаны заштрихованными. Размеры площади спая легко изме- нить в зависимости от расчетных усилий соединений. Рис. 20.18. Примеры паяных узлов мачтовой фермы Расчет прочности паяных швов в соединениях производят по формуле T = P/F^[r], (20.9) где F — площадь паяного шва; [т]—допускаемое напряжение паяного шва, зависящее от припоя и технологического процесса. Проведенные исследования подтвердили достаточно удовлетво- рительную работу паяных соединений при статических и усталост- ных нагрузках. § 9. Пример расчета фермы Разработать конструкцию фермы из стали С 46/33 пролетом /=12 м по схеме, изображенной на рис. 20.19,о. Высота фермы /1=1 м, длина панели d-^ = I м, Р=8 кН, а=45°. 17* 259
Согласно нормам строительного проектирования для этой стали, расчетное сопротивление /?=290 МПа. Чтобы перейти к допускаемым напряжениям, сле- дует разделить /? на коэффициент перегрузки л= 1,1, умножить на коэффициент условия работы т==0,8. Таким образом, [о]р=211 МПа. 6.0Р 1 2 3 4 5 6 Рис. 20.19. К примеру расчета фермы: а —схема фермы; б — узел верхнего пояса 6,0Р Определяем расчетные усилия, пользуясь методом разрезания фермы и отсечения отдельных узлов. Затем выбираем геометрические характеристики сечений гнутых профилей и подсчитываем напряжения в стержнях. Все эти дан- ные приведены в табл. 20.2, значения коэффициентов <р взяты из табл. 19.1. Все соединения в узлах выполняются точечной контактной сваркой. Диа- метр точки d=l,5s4-5 мм = 13 мм. Таблица 20.2 Элемент N, кН Состав сечения, мм F, см» rmirr см 1. см ^fniin ч> а, МПа 5'6' — 144,0 100X100X5 9,75 2,0 100 50 0,84 —176 5 6 4-140,0 75X75X5 7,25 1,49 100 67 — 4-193 6'6 —8,0 50X50X4 3,84 0,99 100 101 0,48 —46,2 0 !' —62,8 75X75X5 7,25 1,49 141 95 0,52 —173,5 1'2 4-51,4 50X50X4 3,84 0,99 141 143 — 4-134 2 3' —40,0 75X75X5 7,25 1,49 141 95 0,52 —112 3'4 4-29,6 50X50X4 3,84 0,99 141 143 — 4-77 4 5' — 17,1 50X50X4 3,84 0,99 141 143 0,24 —18,5 5'6 4-5,7 50X50X4 3,84 0,99 141 143 — 4-14,9 260
Допускаемые напряжения при срезе для стали С 46/33 [т']=0,4[<г]р=0,4Х Х2!10=84 МПа. Допускаемое усилие на одну точку 7'1=[т/]лг/2/4=84 3,14-1,32-10-4/4= =0,0114 МН=11,4 кН. Производим расчет соединений в узле Г (рис. 20.18,6). Раскос 1'0 при- креплен к косынке точками с допускаемым усилием на каждую 11,4 кН. Усилие в раскосе ГО составляет 62,8 кН. Определяем требуемое число точек для при- крепления /=62,8/11,4=5,6; принимаем 6 точек. Расстояние между точками /=3</=3,9 см. Расстояние от точки до края листа 2d=2,6 см. Раскос Г2 растянут силой 51,4 кН. Требуемое число точек для его прикрепления /=51,4: 11,14 = 4,6; принимаем 5 точек. Стойка 6'6 сжата силой 8 кН. Требуемое число точек /=8/11,14=0,7; принимаем 4 точки из соображений рационального конструирования. Усилие, сдвигающее косынку (накладку) относительно пояса, по формуле (20.7) Т= (62,84-51,4) sin 45°=80'73 кН. Число точек, прикрепляющих косынку к поясу, /=80,73/11,14=7,3; прини- маем 9 точек из соображений рационального конструирования. ГЛАВА 21 ОБОЛОЧКОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ Оболочковые конструкции разделяют на две основные группы. К первой группе относят резервуары и другие изделия, предназна- ченные для хранения невзрывоопасных и неядовитых жидкостей и газов при давлении р<0,05 МПа и температуре Т^100°С. Эти конструкции изготовляют согласно общим правилам проектирова- ния и требованиям эксплуатации промышленных сооружений. Ко второй группе относят котлы и сосуды, работающие под высоким давлением. Эксплуатация их находится под особым наблюдением инспекции Котлонадзора. Эти конструкции проектируют и изго- товляют согласно специальным техническим условиям. § 1. Вертикальные цилиндрические резервуары с плоскими днищами Основными элементами резервуара являются боковая стенка, покрытие и днище (рис. 21.1). Днище этих конструкций в боль- шинстве случаев плоское, корпус цилиндрический. Такая форма рациональна с точки зрения прочности и возможности изготовле- ния ее с наименьшим расходом металла. Изготовляют резервуары главным образом из сталей марок Ст2 и СтЗ, а также из низколе- гированных сталей. Оптимальное с позиции расхода металла соотношение между высотой h резервуара и его диаметром D определяется условием, что масса металла в днище и покрытии равна массе металла в цилиндрической части. При этом для объектов объемом 100— 600 м3 hfD = 1,25н-0,85, для объектов объемом до 10 000 м3 h)D = = 0,74-0,35. Однако, с учетом требований технологии типовые проекты резервуаров вместимостью от 100 до 2000 м3 предусмат- ривают изменение высоты стенки от 5920 до 11845 мм, тогда как 261
в более крупных резервуарах (50 000 м3 и выше) высота остается практически постоянной и, как правило, не превышает 18 м. Схематическое расположение швов на цилиндрической части резервуара показано на рис. 21.1,а. Продольные стыковые швы в Рис. 21.1. Общий вид резервуара объемом У=5000 м3: а — фасад; б —план крыши; в—план днища; г —схема элемента кровли нижней части оболочки располагают в одну нитку или вразбежку (рис. 21.2,а). На рис. 21.2,6 показан продольный разрез нижней части оболочки. В верхней ча- сти оболочки соединения лис- тов толщиной до 7—8 мм на- хлесточные (рис. 21.2,в). Раз- мер нахлестки a>4s, где s — толщина листа обечайки. Внешние швы нахлесточного соединения накладываются не- прерывными, внутренние — прерывистыми. Последнее де- лается для улучшения условий контроля соединений на плот- Рис. 21.2. Сварные соединения стенки резервуара: а, б — расположение поясов при стыковых со- единениях; в — ступенчатое расположение при нахлесточных соединениях поясов ность. В местах пересечений горизонтальных и вертикаль- ных швов производят подбивку листов, обеспечивающую плот- ность соединений. 262
Толщину обечаек проектируют переменной и назначают соглас- но расчету на прочность. По безмоментной теории оболочка рас- сматривается как гибкая, учитываются лишь мембранные напря- жения. Основными рабочими соединениями являются продольные швы обечаек. Их прочностью определяется толщина стенок резер- вуара. Допустим, что давление в резервуаре на глубине у (рис. 21.3,а) P=W, где у — удельный вес жидкости. (21.1) Рис. 21.3. К расчету цилиндрической части резер- вуара: а — определение напряжений цилиндрической части: б — отверстие в цилиндрической части: в — цилиндрическая часть в месте отверстия усилена кольцом Определим напряжения в вырезанном из обечайки кольце шириной, равной единице. Рассечем кольцо плоскостью и прило- жим в месте разреза силы М = з$-1, (21.2) где о — напряжение в кольце; s — толщина кольца. Условие статического равновесия полукольца */2 — 2ЛГ-|-2| pR cos ada = 0, о откуда */2 N = pR^ cos ada = pR. (21.3) о Напряжения в кольце a = pR/s. (21.4) 263
Напряжения <т действуют параллельно касательной к цилин- дрической поверхности. Они возникают также и в продольном шве обечайки. Поэтому из условий прочности напряжение должно быть а<[а'1р- Требуемую толщину sTP листа обечайки определяют по фор- муле sTP=pR/Ир’ (21-5) где р~ давление, определяемое по формуле (21.1); R — радиус резервуара в сечениях на расстоянии 300 мм от нижней кромки пояса рассчитываемой обечайки (см. рис. 21.2,а), т. е. y=hQ. Чем меньше давление р, тем соответственно тоньше листы обечайки. По соображениям рационального конструирования наименьшую толщину обечайки в резервуарах принимают равной 4 мм. Кольце- вые швы в резервуарах напряжены значительно меньше. При проектировании резервуаров в настоящее время применя- ют метод расчета прочности по предельному состоянию. При этом допускаемое напряжение определяется по формуле [о]Р=^т/п. (21.6) В резервуарах из стали СтЗ, сваренных электродами Э42, при использова- нии физических методов контроля швов расчетное сопротивление /?р=210 МПа, а при визуальном методе контроля А?Р^= 180 МПа. Коэффициент условий работы zn=0,8; я=1,1—коэффициент перегрузки для гидростатического давления жид- кости. Числовое значение [а]р = 210-0,8-1,1 = 153 МПа. Результаты определения толщины поясов резервуара объемом У=5000 м3 (см. рис. 21.1) приведены в табл. 21.1. Таблица 21.1 Определение толщины s поясов резервуара К: пояса Л. м Ло, м _ pR W ТР 13'1р , мм S. мм VIII 1 ,48 1,18 0,88 4 VII 2,96 2,66 2,0 4 II 10,4 10,1 7,55 8 I 11,845 11,545 8,65 9 Примечание. R — радиус цилиндра, равный 11,44 м; р — давление, равное 0,01Л0 (МПа). В нахлесточных соединениях распределение напряжений нерав- номерно. В участках двойной толщины растягивающие напряже- ния, направленные по касательной к окружности, уменьшаются по сравнению с растягивающими напряжениями на участках вне нахлестки. Соответственно сокращаются значения кольцевых де- формаций. Корпус в этих зонах имеет меньший диаметр, нежели между нахлестками, поэтому элементы, направленные по образу- ющей, испытывают изгиб. 264
Рис. 21.4. Соединение цилинд- ра с днищем: а — вид соединения; б — эпюра напряжения от изгиба Если в поясе предусмотрено отверстие для крепления труб (рис. 21.3,6), то обечайка в зоне отверстия ослабляется и в этом случае возможны два варианта расчета. 1. Допустим, что напряжение в сечении, ослабленном отвер- стием, a=p/?/in/[(/in~rf)s]<Ia]p, (21.7) где Лп— высота иояса; d — диаметр отверстия. В этом случае отверстие не опасно, так как запас прочности в целом сечении настолько велик, что даже в месте выреза расчетное напряжение а оказывается меньше допускаемого. 2. Предположим, что напряжение в сечении, ослабленном от- верстием, больше допускаемого [а]Р. В этом случае обечайку в зоне выреза обычно усиливают (рис. 21.3,в), например кольцом. Условно считают, что кольцо возмещает пло- щадь металла, вырезанного из стенки. Плоское днище резервуара (рис. 21.1,в), установленное на песчаное или бетонное основание, не несет рабочих усилий. Днище изготовляют из листов толщиной 4—8 мм в зависимости ог диаметра резервуара. Нередко по пе- риферии днища под вертикальными стенками укладывают более толстые листы. Например, если в средней ча- сти $=6 мм, то на периферии $— =8 мм. Соединение цилиндрической части с днищем является ответствен- ным элементом конструкции (рис. 21.4,а). В месте соединения возни- кает изгибающий момент М, зависящий от толщины верти- кальной стенки и днища, коэффициента жесткости основания и от длины участка листа днища (консоли), выступающего за стенку. Приближенно момент, возникающий в месте соединения, на единицу длины Mi=0,lp/?s. (21.8) Напряжение в стенке резервуара a=Af/Г=0,1 pRs/>( 1 s2/6)=0,6pfl/s. (21.9) Примем р=0,1 МПа для воды при /i=10 м; /?=10 м; s=l см. При этих условиях о=60 МПа. Напряжение направлено параллельно образующей. Эпюра распределения напряжений от момента по высоте стенки резер- вуара показана на рис. 21.4,6. Установлено, что соединение ци- линдрической части с днищем двумя непрерывными швами обес- печивает прочность, поэтому обычно специального расчета на проч- ность для этого соединения не производят. 265
Крыши резервуаров (см. рис. 21.1,6) проектируют при условии выполнения основного объема заготовительных и сварочных работ на заводе. При наличии средней стойки покрытие расчленяют на отдельные щиты. Щит состоит из двух элементов, направленных ра- диально, нескольких поперечин Рис. 21.5. Складчато-коническое по« крытие резервуара и листов покрытия, приваривае- мых к ним. Радиальные и попе- речные элементы, образующие каркас щита, изготовляют из про- фильных прокатных, гнутых или штампованных заготовок. Щит с одной стороны приваривают к оболочке, а с другой — опирают на центральную стойку. Стальные листы кровли имеют толщину $=2->-3 мм. Элементы каркаса воспринимают вертикальную нагрузку от собственного веса, веса снега, учитываемого в зависимости от района и угла на- клона кровли, а также веса людей, которые могут находиться на кровле. Листовое покрытие рассматривается при расчете прочно- сти как пластина с опорой по контуру. Приближенно пластина при расчете может приниматься прямоугольной (см. рис. 21.1,г). Обозначим через а меньшую сторону прямоугольника, b — боль- шую. Напряжения в пластине от нагрузок q, равномерно распре- деленных по ее плоскости, o=6a<?a2/s2, (21.10) где q — нагрузка от веса снега и собственного веса кровли; а= = 0,192 при а = Ъ\ а = 0,407 при а = 0,56; s —толщина кровли. Вес человека Р может рассматриваться в качестве эквивалент- ной распределенной нагрузки: <?0 = 2P/(ad). (21.11) Каркас расчленяют на отдельные стержни, которые рассмат- ривают при расчете на прочность как балки со свободной опорой, работающие на поперечный изгиб под действием вертикальных сил. Если в конструкции резервуара предусмотрена средняя стой- ка, то она воспринимает около 33% всей вертикальной нагрузки на крышу. Она может быть нагружена как центрально (при ус- ловии симметричного загружения снегом всей крыши), так и эксцентрично. Стойку рассматривают как элемент, шарнирно за- крепленный по концам, и проектируют согласно принципам расче- та, изложенным в гл. 19. Она может иметь решетчатую форму или форму трубы. Иногда ее используют в качестве барабана для навивки рулонированной поверхности днища. Щитовые покрытия резервуаров могут выполняться складчато- коническими (рис. 21.5), что обеспечивает значительную жест- кость, как местную (отдельных элементов), так и общую всего покрытия. 266
Непрерывно ведутся работы по увеличению объема цилиндри- ческих резервуаров. В настоящее время изготовляют резервуары вместимостью до 50 000 м3. Проектируют резервуары еще боль- ших размеров с двух- или трехслойными стенками цилиндриче- ской части, составленными из рулонируемых полотнищ толщиной менее 16 мм. § 2. Цистерны Так как давление р от веса жидкости, как правило, очень ма- ло, то определение толщины стенок на основании формулы (21.5) приводит к очень малому значению s. Цистерны с такими стенка- ми не обладают достаточной жесткостью, поэтому расчетные дав- ления определяют согласно специальным техническим указаниям. Конструктивные формы цистерн и типы сварных соединений выбирают в зависимости от условий работы. Так, для хранения Рис. 21.6. Сварная горизонтальная цистерна нелетучих жидкостей (вода, масло, мазут) используют цистерны с неотбортованными днищами; их приваривают к обечайке угло- выми швами. Сварные соединения листовых элементов обечайки нахлесточные. При этом днища делают коническими или даже плоскими. Плоские днища просты для изготовления, но при на- гружениях возникают значительные напряжения от изгиба и воз- можно возникновение пластических деформаций. Для исключения пластических деформаций используют днища с отбортовкой, как это видно на рис. 21.6, где приведен пример горизонтальной стационарной цистерны из стали СтЗ объемом 75 м3. Цилиндри- ческая часть имеет продольные стыковые швы, расположенные вразбежку, и кольцевые нахлесточные соединения с угловыми швами. Толщина стенок цилиндрической части и днища s=4 мм. Днища сварены из нескольких листов стыковыми соединениями и имеют эллиптическую форму. Сопряжения цилиндра с днищем плавные. В цистернах, предназначенных для транспортирования жидких продуктов, при движении возникают удары жидкости в днище, равносильные возникновению избыточного внутреннего давле- ния. Поэтому все соединения транспортных цистерн выполняют стыковыми, как в сосудах, работающих под внутренним давлени- ем, в том числе и соединение кромки отбортованного днища с цилиндрической обечайкой. 267
§ 3. Газгольдеры и сферические резервуары Газгольдеры конструируют в форме сосудов постоянного дав- ления или постоянного объема. Последние более просты в изго- товлении и позволяют хранить газ под высоким давлением. Газ- гольдеры переменного объема эксплуатируются при низком дав- лении. Чаще применяют мокрые газгольдеры, в нижней части ко- торых помещается вода (см. рис. 12.10,6). Над водой находятся телескоп и колокол. Колокол под давлением газа может подии- Рис. 21.7. Газгольдер постоянного объема маться вверх вместе с телескопом. Колокол и телескоп зачерпы- вают воду своими карманами, которые служат затвором, не про- пускающим газ наружу. Толщина стенок 4 мм, крыши колокола 2—3 мм. Газгольдеры постоянного объема (рис. 21.7) обычно имеют цилиндрическую форму диаметром несколько метров с вы- пуклыми, а нередко полусферическими днищами. Продольные и кольцевые швы — стыковые. Все швы (продольные и поперечные в цилиндрической части, а также в сферах) являются рабочими. Напряжения в продольном шве цилиндрической части радиу- сом с толщиной стенки s o=p/?/s, (21.12) а в поперечном шве a,=p/?/(2s). (21.13) Напряжения в сферической части радиуса Ro с толщиной s0 составляют ao=p/?0/(2s0). (21.14) Подбор толщины стенок производят обычно по допускаемым напряжениям с учетом в первую очередь прочности продольного шва. Газгольдеры постоянного объема могут быть и сферическими (см. рис. 12.10,г). При замене цилиндрических газгольдеров сфе- рическими достигается экономия металла около 20%. В таких ре- зервуарах соединения лепестков стыковые. Толщина лепестков обычно составляет 10—30 мм и, как правило, не превышает 40 мм. Это ограничение толщины диктуется отсутствием термообработ- ки конструкции после сварки. Напряжения в стенке сферического резервуара определяют по формуле (21.14). Они в два раза меньше, нежели в цилиндри- ческом, при одинаковых радиусах и толщинах стенок. Поэтому вес сферических резервуаров меньше, но их сложнее изготовлять. 268
§ 4. Применение специальных сплавов для изготовления резервуаров и цистерн Большое распространение получило строительство резервуаров и различного рода химической аппаратуры, работающих при низ- ких температурах. Для таких конструкций очень важно выбрать материал, не подверженный хрупким разрушениям. Для изде- лий, работающих при температуре до —60°С, применяют углеро- дистые стали с небольшим содержанием никеля (1—3,5%). Для конструкций, работающих при более низких температурах, при- меняют стали, содержащие 5% никеля; при этом необходима специальная термическая обработка. Сварку резервуаров из этих сталей можно успешно производить дуговыми автоматами, леги- рованной проволокой. При этом допускаемые напряжения для сварных соединений составят около 200 МПа.
Резервуары, работающие при низких температурах, нередко устанавливают на судах. В результате вибраций от волн в этих сосудах в процессе эксплуатации в отдельных случаях возникали трещины усталости. Сталь с содержанием никеля до 9% хорошо работает в таких условиях при температуре конструкции до — 160°С. Предел прочности при этой температуре 650 МПа. Пре- дел выносливости сварных соединений при пульсирующих нагруз- ках и обычном оформлении стыковых швов 100—110 МПа, а при последующей механической обработке 245 МПа. Ударная вяз- кость в зоне, где температура при сварке достигает 900сС, умень- шается в два раза, а в зоне, где 7'=1275°С,— в 5—6 раз по срав- нению с ударной вязкостью зон, не подвергавшихся нагреву. Для хранения жидкого водорода при Т=—269°С изготовляют сварные сосуды из сплава 60% железа и 40% никеля. Успешно применяют для сварных сосудов, работающих при низких температурах, алюминиевые сплавы, которые свариваются дуговым и электрошлаковым способами. Нередко их изготовляют двустенчатыми. Алюминиевые сплавы обладают повышенной стой- костью против коррозии, малой плотностью и сохраняют пласти- ческие и вязкие свойства при работе в условиях низких темпера- тур. Из листовых элементов изготовляют различные резервуары, стационарные и транспортные цистерны, вакуумные аппараты, теплообменники. На рис. 21.8 приведен пример резервуара из алюминиевого сплава, выполненного аргонодуговой сваркой. Все швы стыковые; толщина стенок цилиндрической части s = 6-j- -5-20 мм, сферического перекрытия s = 15 мм, днища в сегментном кольце s=15 мм и в средней части s=6 мм. В СССР значительное количество цистерн и резервуаров сва- рено автоматами под флюсом. Хорошо сваривают этим способом конструкции из сплава АМгб и др. Соединения конструкций из алюминиевого сплава иногда обладают недостаточной сопротив- ляемостью образованию кристаллизационных трещин при сварке. Поэтому при проектировании следует учитывать это обстоятель- ство и избегать соединений очень высокой жесткости, при сварке которых образование трещин наиболее вероятно. § 5. Тонкостенные сосуды По назначению, толщине листовых элементов, применяемым материалам и приемам сварки сосуды, работающие под давлени- нием, весьма разнообразны. Общим для такого типа конструк- ций является требование обеспечить возможно более равномерное распределение напряжений. Этого достигают применением стыко- вых соединений, плавным сопряжением стыкуемых элементов и обеспечением надежного проплавления всей их толщины при условии всемерного исключения дефектов сварки. Тонкостенные сосуды обычно являются конструктивными эле- ментами различных транспортных установок, в том числе совре- менных летательных аппаратов. Быстрый рост размеров ракет 270
для жидкого кислорода, дру- .Аполлон” „Сатурн 5' 90 Сатурн 7 Сатурн 1В s-г ,Аполлон” .Аполлон” s-w s-h S-ЬВ S-1C для космических полетов вызывает соответственное увеличение размеров емкостей. Это можно видеть на примере семейства ра- кет «Сатурн» с двигателями па жидком топливе (рис. 21.9). Так, цилиндрические баки со сферическими днищами, входящие в со- став стартовой ступени S—1С ракеты «Сатурн-5», имеют диаметр 10 м. Один из них предназначен гой —для керосина. При ра- боте двигателей эти емкости испытывают внутреннее давле- ние, так как топливо и окис- литель вытесняются принуди- тельно подачей в кислородный бак газообразного кислорода, а в топливный бак — гелия. Кроме того, такие емкости не- редко входят в состав несущей части конструкции и во время полета могут испытывать до- полнительно сжимающие и из- гибающие нагрузки. Для тран- спортных установок одним из основных показателей совер- шенства конструкции является ее минимальная масса. Поэто- му при изготовлении тонко- рис 21.9. Семейство ракет «Сатурн» стенных сосудов широкое при- менение получили листовые материалы из алюминиевых, маг- ниевых и титановых сплавов и высокопрочных сталей, обла- дающих высокой удельной прочностью. При изготовле- нии ракетных емкостей в зависимости от типа двигателей приме- няют либо алюминиевые сплавы (двигатели на жидком топливе), либо высокопрочные стали или титановые сплавы (двигатели на твердом топливе). Правильное представление о предельной несущей способности тонкостенного сосуда можно получить при рассмотрении его ра- боты в пластической стадии. Особенностью является то, что при работе стенок за пределом упругой деформации и деформнрова-. нии металла по всем направлениям максимальные кольцевые на- пряжения цилиндрических и сферических сосудов определяются в зависимости от диаграммы растяжения металла, которая прибли- женно выражается соотношением о=Лвп, (21.15) где п и е— истинные напряжения и деформации; А и п — коэф- фициенты, зависящие от механических свойств металла. В цилиндрическом сосуде при монотонном нагружении макси- мальное давление достигается при кольцевой пластической дефор- мации ъ\=п/2. При этом максимальное условное растягивающее напряжение о1тах может не соответствовать пределу прочности: 271
<Timax^aB при л^0,26 (диаграмма имеет пологий характер); 0imax<on при //>0,26 (диаграмма имеет крутой характер). Действительная конструктивная прочность сосудов в резуль- тате концентрации напряжений может оказаться ниже предель- ной. Большое влияние оказывает отношение ат/ов- В случае если сгт/ав=0,6-т-0,75, конструктивная прочность сосуда приближается к предельной. Если от/ав=0,9, то конструктивная прочность мо- жет оказаться значительно меньше предельной. Если в тонкостенном сосуде создается вакуум, то оболочки на- до проверить на устойчивость. Цилиндрические оболочки при дли- не Ю г, где г — радиус цилиндра, проверяются по формуле акр=0,55Ег (s/r)3/2//, (21.16) где оКр — критическое напряжение; s — толщина оболочки, £ — модуль упругости. Устойчивость сферической оболочки определяется формулой окр=0,1 Es/r. (21.17) Допускаемое напряжение [о]^ОкрШ, где ги=0,8 — коэффици- ент условий работы. Тонкостенные сосуды в виде различных тормозных баллонов для наземного транспорта изготовляют крупными сериями, ис- пользуя хорошо свариваемые материалы относительно невысокой прочности. Примером может служить воздушный тормозной ре- зервуар железнодорожного вагона из углеродистой стали. Он име- ет отбортованные днища, приваренные к обечайке стыковым со- единением. Его выполняют либо на остающемся подкладном коль- це (рис. 21.10,а), либо с проточкой отбортованной части днища (рис. 21.10,6). Чем больше диаметр £)„, тем более нагруженными 272
оказываются резервуары; при расчете на прочность учитывают возможность уменьшения толщины стенок в результате коррозии на 0,7—1 мм. Коэффициент запаса прочности гг = ств/[о]р прини- мают не менее 3,5. При изготовлении ацетиленовых баллонов (рис. 12.13,6) при- меняют сталь 15ХСНД; ее предел прочности <ув==520 МПа, пре- дел текучести от=350 МПа. Допускаемое напряжение [о]р=ов/«1» где коэффициент запа- са «1 = 2,6. Допускаемое напряжение может определяться также по формуле [о]р=ат/«2, где «2=1,5. Толщина боковой стенки сосуда s = pD/ (2 [о] рПФ—р) + С; (21.18) толщина днища сосуда Si = [pD/(4[а]рт] Кср-р) Р/ (26)+С, (21.19) где р=3 МПа — расчетное давление; [о]р=200 МПа — номи- нальное допускаемое напряжение; 72=291 мм — внутренний диа- метр днища; С=0,1 см — прибавка на коррозию с учетом срока службы 10 лет и коррозии 0,1 мм в год; А = 71 мм — высота вы- пуклой части днища; <р=1,0 — коэффициент прочности сварного шва, свариваемого с двух сторон автоматической сваркой под флюсом; п = 0,9 — поправочный коэффициент, учитывающий класс и группу эксплуатации сосудов, работающих под давлением; Л'=0,95 — конструктивный коэффициент. Тогда требуемая толщина днища по формуле (21.19) s1 = [3-0,291/(4-200-0,9-0,95-1—3)] X X 0,291 / (2 • 0,071) + 0,001 = 0,0036 м. Принимаем s=4 мм. С целью компактного размещения сосуда, например вокруг камеры сгорания, иногда применяют сосуды в форме тора. В раз- личных точках поперечного сечения торового сосуда напряжения в окружном направлении зависят от угла 0 (см. рис. 12.12,в) и определяются формулой G1= (а—0,5 b sin 0)pb/ (а-}-6 sin 0) t, (21.20) где b и а указаны на рис. 12.12,в. Максимальное значение напряжений определяется условием dot/4/0=0, откуда следует 0=—л/2, т. е. в точке С. Осевые на- пряжения в точках А, В, С одинаковы: а2= [ («4-0,56)/ (a—b)]pb/t. (21.21) § 6. Барабаны котлов В состав котельных агрегатов входят барабан, экономайзеры, пароперегреватели и камеры. Барабаны котлов высокой произво- дительности имеют диаметры 1600—1800 мм, толщина их стенок достигает 100 мм. Барабан по длине состоит из отдельных обеча- 18—201 273.
ек; днища барабанов, как правило, штампованные. Все соедине- ния выполняются электрошлаковой и дуговой сваркой. Для котельных сосудов типа барабанов (рис. 21.11) характер- но большое число штуцеров различного назначения. Поэтому при проектировании котельного оборудования большое внимание уде- ляют определению допустимого размера неукрепленного отвер- стия и расчету укрепления отверстий. Учет ослабления стенки отверстием осуществляют введением коэффициента <р. При про- дольном расположении отверстий ФпРод= (/-<*)/*, (21.22) где t — расстояние между центрами отверстий в продольном направлении; d — диаметр отверстия. Если диаметр отверстия превышает допускаемый (Jnp), то должна быть увеличена толщина стенки сосуда или отверстие должно быть укреплено приваркой утолщенного штуцера или на- кладки (рис. 21.12). Размеры укрепляющих элементов выбирают по следующему условию: /шЧ- lH~i~fcB^(d—dnp)s, (21.23) где fw, fu, /св — площади укрепляющих сечений соответственно штуцеров, накладок и сварных швов; s — номинальная расчетная толщина стенки без ослабления. Для штуцеров, испытывающих внутреннее давление (рис. 21. 12,а), /ш==2Л($щ—^о.ш)« (21.21) 274
Для штуцеров, вваренных внутрь сосудов (рис. 21.12,6) и раз- груженных от давления, 2/?ш$пЬ (21.25) для накладок (рис. 21.13,в) / n = 26HsH. (21.26) В сосудах, работающих при температуре выше 300 °C при тол- щине обечайки более 40 мм, применение накладок не рекоменду- ется из-за опасности появления значительных температурных на- пряжений. Для них более рационально укрепление от- верстия штуцером (рис. 21.12,6) или вваркой стыко- вым швом элемента боль- шей толщины (рис. 21.12,г). Площадь сечения свар- ных швов /св, присоединяю- щих штуцера или накладки к укрепляемому элементу, принимают без учета уси- ления. Минимальные размеры швов должны удовлетворять следующим условиям: для штуцеров (рис. 21.13,а, 6) Amin:= 2,1 (21.27) для накладок (рис. 21.13,в) Aiming Агт1п (7)Н1 — —26h)/Dhi ^2,16HsH/DHi- (21.28) Рис. 21.12. Типы укрепления отверстий сосудов: <1 — утолщенным штуцером; б —штуцером, не ис- пытывающим давления; в —накладкой; г — ввар- кой утолщенного листа Рис. 21.13. Размеры сварных швов укрепляющих элементов, принимае'- мые в расчете: а — штуцер без разделки кромок; б — штуцер с разделкой кромок; в —накладка 18' 275
Разделка под приварку штуцеров должна обеспечивать соеди- нение их с барабаном или камерой по всей толщине штуцера. Раз- решается приваривать штуцера без разделки, если при ручной дуговой сварке толщина их стенки не более 10 мм и при автома- тической дуговой сварке под флюсом — не более 15 мм. Рассмотренный метод расчета не учитывает влияния местной концентрации напряжений у отверстий. Полагают, что при высокой пластичности сталей появление местных небольших упругопла- стических деформаций не снижает работоспособности конструкций. При действии переменных нагрузок прочность сосудов может сни- жаться, особенно при использовании высокопрочных сталей (ов— = 800+900 МПа). Разрушения образуются в зонах концентрации напряжений: в местах приварки фланцев, труб, патрубков, штуце- ров. Вероятность малоциклового разрушения заметно возрастает, когда в зоне концентрации оказываются дефекты. Для надежной работы котлов и сосудов большое значение име- ют пластические свойства металла и низкий уровень остаточных напряжений. Поэтому сварные конструкции котлов подвергают термической обработке. Для устранения остаточных напряжений в конструкциях из низкоуглеродистой стали достаточно высокого отпуска при 7=6004-650 °C. § 7. Трубы и трубопроводы Сварные трубы большого диаметра широко используют при сооружении магистральных газонефтепроводов. Для изготовления таких труб применяют низколегированные стали 14ХГС, 17ГС, 17Г1С и др. Толщина стенок труб 8—20 мм, диаметр 529—1420 мм. Из сварных труб сооружают также трубопроводы металлурги- ческих и других заводов, гидротехнических сооружений, а также трубопроводы атомных и тепловых электростанций. При этом тру- бы, работающие при температуре от —10 до Н-ЗбО^С и давле- нии р^.9 МПа, изготовляются из стали СтЗсп и низколегированных сталей 10Г2СД, 14ХГС, трубы, работающие при температуре от —50 до + 350 °C и р^70 1Ш1а, — из сталей 20 и ЗОХМА, трубы, ра- ботающие при высоких температурах (до 600°C), — из молибдено- вых сталей, например 15ХМ и др. Для работы в агрессивных средах трубы изготовляют из аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, титановых и других сплавов. Кроме того, сварные трубы широко применяют в санитарно-техническом строительстве и в ряде специальных областей техники. Сварные трубы имеют продольные или спиральные швы; при монтаже трубопроводов отдельные трубы сваривают между собой поперечными кольцевыми швами. Прочность трубопроводов оцени- вают с учетом различного рода усилий, действующих в процессе эксплуатации. Расчет продольных стыков при внутреннем давле- нии р производят по формуле o=pR/s\ (21.29) 276
в кольцевых стыках создается напряжение, определяемое по фор- муле Oi = p/?/(2s), (21.30) где R и s — соответственно радиус и толщина стенки трубы. При понижении внешней температуры в кольцевых стыках образуются напряжения о2 = аД7’Е, (21.31) где а — коэффициент температурного расширения металла; ДТ— изменение температуры; Е — модуль упругости. Рис. 21.14. Схема загружения трубопровода (а) от вакуу- ма (б), от собственного веса (в), от обледенения (г), от внутреннего давления (д) Если труба будет испытывать изгибающий момент М от собст- венного веса и веса жидкости, то при расчете следует учитывать образование в кольцевых швах напряжений <j3=M/W, (21.32) где W — момент сопротивления сечения трубы. Момент М опреде- ляется по специальным техническим условиям. Суммарное напряжение в кольцевых швах О1 + о2 + сгз^[сг']р. (21.33) Допускаемое напряжение в трубопроводах зависит от расчет- ного сопротивления /?р (обычно /?р=0,9ат), коэффициента условий работы tn и коэффициента перегрузки п\ ли = 0,84-0,9, а в местах перехода через препятствия /п = 0,75; п=1,2 для газопроводов и /1 = 1,15 для нефтепроводов. Трубопроводы иногда устанавливают на опорах: анкерных, устанавливаемых в конечных точках и в местах изменения направ- ления оси, промежуточных, не препятствующих продольным пере- 277
метениям. Конструкции опор зависят от диаметров труб. При относительно малых диаметрах (tZ^0,6 м) допускается применение опор простейшего типа—скользящих, при средних диаметрах (*/=0,64-1,5 м)—седловых, при больших (*£^1,5 м)—катковых, или качающихся. Если трубопровод большого диаметра (d> 1,5 м) (рис. 21.14,0 выполняет функции газопровода низкого давления, он подвержен воздействию собственного веса (рис. 21.14,в), обледенения 1рис 21.14,г), внутреннего давления газа (рис. 21.14,6), возмож- ного разрежения (рис. 21.14,6), а также ветра и изменения темпе- ратуры. Нагрузка q от собственного веса трубопровода — равномерно распределенная. Приближенно трубопровод можно принять за многоопорную неразрезную балку. При этом изгибающий момент на опоре М9 = ^/2/8. (21.34) Напряжение от момента а<; = М7/Г, (21.35) где № = л(г41—r42)/(4ri) — момент сопротивления кольца; Г\— на- ружный радиус кольца; г2 — внутренний радиус. Аналогично определяют усилия и напряжения при обледенении. Если принять толщину слоя льда в нижней точке 2h, а в верхней точке—равной нулю, то отношение веса обледенения к длине, вы- раженное в кН/м, определяется по приближенной формуле q0=7rhy, (21.36) где у — удельный вес льда. Примем /г = 0,1 м. Тогда получим *?о=О,7 гу; момент от обледе- нения (21.37) напряжение от момента (21.38) Если замыкание трубопровода производилось при температуре Т1, то при понижении температуры до значения Тг в нем возникает продольное растягивающее усилие NT = 2r.rs (7\ - Г,) Ел, (21.39) где а—коэффициент температурного расширения; для стали a=12-10-6; s — толщина стенки трубы. Наряду с продольной силой в стенке трубопровода при нерав- номерном охлаждении возникают напряжения изгиба ат=а£(Тн-Тв)/2, (21.40) где Ти — температура наружной поверхности трубы; Тв— темпера- тура внутренней поверхности. 278
Усилие от внутреннего давления р в зоне изменения направле- ния трубопровода вызывает в его поперечном сечении напряжение оПОп=рг/(2s). (21.41) Таким образом, полное напряжение в поперечном сечении, а также в кольцевом шве трубопровода Зрас = + 3,. + ~ (Гн “ Гв)'2 + pr/(2s) < [У ]р. (21.42 В продольном сечении трубопровода образуются напряжения, определяемые формулой Спрод — Р^7$^ [</]₽• (21.43) В одних случаях большим по значению оказывается напряже- ние Орасч, В ДРУГИХ — Опрод- Если возможно образование разрежения (рис. 21.14,6), внешнее давление воздуха вызывает в продольных сечениях оболочки тру- бопровода напряжения сжатия, которые могут достигать крити- ческого значения и вызывать по- терю устойчивости. Если принять трубопровод за длинную цилинд- рическую трубу без закреплений, то критическое давление ркр опре- деляется по формуле ркР=3£Л/г3, (21.44) Рис. 21.15. Кольца жесткости угол нового и таврового профилей, прива ренные к трубопроводу где /1 — момент инерции относи- тельно собственной оси продоль- ного сечения стенки трубопрово- да длиной 1 м; г — средний радиус оболочки. Для повышения устойчивости оболочки иногда предусматрива- ют постановку кольцевых ребер жесткости. Их типы уголкового и таврового профилей изображены на рис. 21.15. Критическое давле- ние ркр в этом случае находят из соотношения ркр=ЗЕ//(/г3), (21.45) где I — расстояние между смежными ребрами жесткости; / — мо- мент инерции кольца и оболочки на длине а = 1,6/^. (21.46) При вычислении ркр по формулам (21.44) и (21.45) должно вы- полняться неравенство Ркр>/и(Рвнеш—Рвнутр). В этом случае т = = 1,7. Чтобы уменьшить продольные усилия, возникающие в трубо- проводе вследствие изменения температуры, применяют различные способы. В некоторых случаях трубопроводы укладывают на кат- 279
ковые опоры, усиливая трубопровод в этом месте кольцом жест- кости. Для повышения податливости в продольном направлении трубопроводы иногда опирают на качающиеся стойки; используют также компенсаторы. Трубопроводы с высоким внутренним давлением (напорные), применяемые в гидротехнике, проектируются согласно изложен- Q-2qr шшшшшшшп ЕПШПТШПЖВ Рис. 21.16. Деформиро- вание профиля трубы от веса грунта ным принципам. Для наземных напорных трубопроводов основными видами нагрузок являются внутреннее давление жидкости с учетом гидростатического давления и дина- мического коэффициента при гидравличе- ском ударе, собственный вес трубопровода с водой, осевые усилия, вызванные давле- нием жидкости на поворотах и при измене- £ нии диаметра, и температурные воздействия. Определение расчетных напряжений в про- дольном и поперечном сечениях трубопро- вода (продольных и кольцевых швах) про- изводится по формулам (21.42) и (21.43). Подземные трубопроводы помимо внут- реннего давления и температурного воздей- ствия испытывают нагрузку от насыпного грунта. Нагрузка, отнесенная к длине тру- бопровода, Q = 2e?r, (21.47) где q— давление грунта. Под нагрузкой Q трубопровод приобретает эллиптическое очер- тание (рис. 21.16) и в стенке трубы возникает изгибающий мо- мент MQ=Qr cos 20/8. (21.48) С другой стороны, внутреннее давление р в трубе эллиптиче- ского очертания вызывает момент Afp. Суммарный момент при 0 = 0 М = Мр + = -g- j 1 + 1 + [4р (r/s)*/E] } * (21.49) В результате отпора грунта изгибающий момент принимает зна- чение Л1т). Здесь ц = 1/[1 4- Xvr (r/sy/E\, (21.50) где X — коэффициент, зависящий от направления отпора грунта (в среднем может быть принят за единицу); v— (2--6)МН/м3— коэффициент, зависящий от свойств грунта и диаметра трубы. С увеличением плотности грунта v возрастает. Определив Afy3r = =трИ, находим напряжение в продольном шве трубы. 280
В трубопроводах, работающих при относительно невысоких внутренних давлениях, возможно применение плоскосворачивас- мых труб. Эти трубы обладают малой массой и достаточно хоро- шими эксплуатационными свойствами. Как правило, трубопроводы рассчитываются в основном на статическую нагрузку. В особых случаях учитываются пульсация давления транспортируемой среды и импульсный характер ветро- вых нагрузок. В магистральных трубопроводах могут возникать протяженные разрушения, когда местный разрыв стенки трубы сопровождается быстрым продвижением трещины на десятки и сотни метров. Такой тип разрушения имеет место только в газопро- водах. Это происходит вследствие того, что скорость продвижения конца трещины оказывается весьма большой и давление газа вну- три трубы не успевает снизиться до того уровня, который требует- ся для остановки трещины. С увеличением давления газа, диаметра трубопровода и толщины его стенки опасность появления таких разрушений увеличивается, особенно при низких температурах. Для исключения опасности протяженных разрушений можно либо использовать трубы из металла с высоким сопротивлением разви- тию разрушения, либо переходить к многослойным трубам из от- носительно тонких листов. Однако создание сталей с высоким со- противлением развитию разрушения требует введения легирующих добавок, которые дефицитны и дороги, а применение многослой- ных труб усложняет как технологию их изготовления, так и сварку кольцевых стыков на монтаже. Огромное народнохозяйст- венное значение трубопроводного транспорта для передачи газа на большие расстояния заставляет вести исследования в обоих направлениях. § 8. Коррозия оболочковых конструкций Большая часть сварных конструкций, подверженных воздейст- вию активных коррозионных сред, представляет собой конструк- ции оболочкового типа (реакторы, емкости, баллоны, трубопрово- ды). Коррозия определяется главным образом свойствами основ- ного и присадочного металла, агрессивностью среды, условиями напряженного состояния и технологией сварки. Существенное влияние на коррозию оказывают также температура, кавитация и другие физические эффекты. Наиболее типичными формами кор- розии являются сплошная, или общая, и местная. Местная кор- розия может быть межкристаллитной; если она происходит в зо- не перехода от шва к основному металлу, ее называют ножевой. Общая коррозия имеет место в низкоуглеродистых сталях и в сварных соединениях сталей, алюминиевых сплавов (АМгб, АД) в атмосферных условиях, в соленой воде и т. д. Общая коррозия оценивается уменьшением массы, глубиной коррозии, изменением механических свойств за данный отрезок времени. Местная межкристаллитная коррозия развивается в аустенит- ных сталях и в их сварных соединениях, например в среде азотной кислоты при разных концентрациях; межкристаллитная коррозия 281
наблюдается в сплавах и соединениях титана ВТ1-1, ОТ4 в раз- личных средах, а также в низкоуглеродистых сталях в щелочных растворах. Неоднородность поля напряжений, как правило, оказывает незначительное влияние на общую коррозию, но заметно интен- сифицирует местные виды коррозии, наиболее опасным из которых является растрескивание. Переменные напряжения способствуют ускорению процесса растрескивания, при этом для коррозионно- усталостного разрушения характерно образование многих уста- лостных трещин на поверхности оболочки, а не только в местах концентрации напряжений, как это обычно наблюдается при на- гружениях в нейтральной среде. Для конкретной среды и материала скорость роста трещины зависит от коэффициента интенсивности напряжений К и его раз- маха &К в пределах цикла нагружения — она возрастает по мере их увеличения. Так как К и ДК зависят не только от условий цикла, но и от длины трещины I, то даже при сохранении пара- метров цикла а и До неизменными с ростом длины трещины / ве- личины К и ДК растут. Поэтому увеличение трещины сопровожда- ется повышением скорости ее роста, причем процесс коррозионно- го разрушения особенно ускоряется при приближении коэффици- ента /< к критическому значению К]8Сс- В сварных соединениях коррозионное разрушение происходит, как правило, быстрее, чем в основном металле. Это объясняется тем, что сварные соединения неоднородны. Они могут иметь: — структурно-химическую неоднородность: макронеоднород- ность, определяемую наличием в соединении различных структур- ных зон, и микронеоднородность вследствие наличия зерен вклю- чений; — неоднородность напряженного состояния и пластического деформирования; — геометрическую неоднородность вследствие наличия дефек- тов формы и внутреннего строения (непровары, трещины), вызы- вающих концентрацию напряжений. Устранение перечисленных видов неоднородности способствует повышению стойкости сварных соединений против коррозионного растрескивания. С этой целью используют различные мероприятия. Так, при сварке аустенитных сталей в зоне высоких температур возникает структурно-химиче- ская неоднородность вследствие выпадения из раствора хрома, переходящего в карбид хрома. Обеднение стали хромом понижает ее коррозионную стойкость. Для устранения этого явления в сталь вводят легирующие элементы (титан, ванадий), связывающие углерод в карбиды. Неоднородность поля напряжений и пластических деформаций связана главным образом с наличием остаточных напряжений. Проведение отпуска значительно снижает сумму напряжений (овисш.нагр-Ьасвар) в конструкции и улучшает сопротивление кор- розионному растрескиванию. Коррозионная прочность существен- но улучшается при снижении сварочных напряжений до уровня 282
концентраторов В частности, являются 0,25ат. Поэтому сварные сосуды и оболочки, работающие в корро- зионной среде, рекомендуется подвергать общему отпуску при температуре 500—600°С для снижения остаточных сварочных на- пряжений и восстановления пластических свойств. При изготовле- нии негабаритных оболочковых конструкций целесообразно под- вергать местному отпуску замыкающие кольцевые швы, выполняе- мые на монтаже. Устранение вредного влияния геометрической неоднородности обеспечивается рациональным проектированием. Следует избегать образования напряжений, опасным дефектом щели, где легко развивается щелевая коррозия. В этом от- ношении стыковые соединения лучше нахлесточных и тавро- вых. Целесообразно применять различные методы обработки поверхности ультразвуком, прокаткой, обкаткой для обра- зования сжимающих напряже- ний на поверхности, способ- ствующих повышению стойко- сти против коррозии. Полезно использование технологиче- ских приемов. Например, когда коррозионные трещины воз- никают в зоне сплавления, имеет смысл выполнять швы стыковых соединений Т-образной формы, как показано на рис. 21.17. При таком оформлении шва линия сплавления располагается почти параллельно растягивающему компоненту напряжения. Поэтому даже в случае возникновения коррозионной трещины в зоне сплав- ления она будет распространяться перпендикулярно растягиваю- щему компоненту напряжения, т. е. по основному металлу, имею- щему более высокое сопротивление росту трещины. Повышение коррозионной стойкости может быть получено при- менением защитных покрытий металлов: плакированием, металли- зацией, нанесением гальванических покрытий, окраской. Нанесен- ные покрытия способствуют торможению разрывов пленок, что является часто очагом пониженных потенциалов и началом корро- зионных разрушений. Расчет несущей способности сварных конструкций оболочково- го типа с учетом эффекта коррозии производится согласно ГОСТ 14249—73. ГЛАВА 22 СВАРНЫЕ ДЕТАЛИ МАШИН § 1. Общие соображения Детали машин сваривают из заготовок, получаемых самыми различными способами. 283
Многие конструкции свари- вают из прокатного материа- ла. К ним относятся рамы, станины, барабаны, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис. 22.1), штанги с проуши- нами (рис. 22.2), тяги (рис. 22.3). На рис. 22.4,а, б, в при- ведены сварные конструкции подшипниковых опор разных систем. Все они выполнены из листового проката с усилени- ем корпусов приваркой ребер жесткости. Замена литых де- талей машин сварными позво- лила получить экономию до 50% от массы металла. Примерами конструкций, Рис. 22.1. Двустенчатое сварное зубча- тое колесо изготовленных из поковок, служат различные сварные валы (рис. 22.5). Применение составных поковок упрощает изготовле- ние, требует меньшего объема механической обработки и способ- ствует удешевлению производства. При производстве сварных деталей машин рекомендуется при- менять листовой прокат, фасонные профили, предпочтительно тон- костенные, гнутые, прессованные, штампованные заготовки, обес- Рис. 22.2. Штанги с проушинами печивающие возможность изготовления легких сварных изделий повышенной жесткости и устойчивости. Штампосварные изделия можно встретить в авиационных конструкциях, тракторах и авто- мобилях, строительных конструкциях. Область применения штам- посварных конструкций непрерывно расширяется. Сварку литых деталей применяют для упрощения технологического процесса литья. Масса сварных стальных деталей часто бывает в два раза меньше, чем литых чугунных, при одинаковых прочности и жест- кости. 284
При создании новых, все более мощных конструкций тяжелого машиностроения (турбин, котлов, металлургического и станочного оборудования) изготовление их деталей и узлов литьем, ковкой и штамповкой представляет большие, иногда непреодолимые труд- ности. Применение электрошлаковой сварки открыло путь к со- Рис. 22.4. Сварные под- шипниковые опоры 285-
зданию комбинированных сварных изделий больших размеров из отливок, поковок и проката, экономичных по массе, с минималь- ными припусками на механическую обработку. Для производства деталей машин средних размеров с общей площадью сечений до 50 000 мм2 перспективно использовать сты- ковую контактную сварку. Таким способом изготовляют, напри- ЗшН Рис. 22.5. Сварной вал шахтной подъемной машины мер, картеры тепловозных дизелей (см. рис. 17.10), собираемые и •свариваемые из унифицированных отливок методом последова- тельного наращивания. При серийном выпуске деталей небольших размеров используют контактную сварку, сварку трением, сварку под флюсом, в среде СО2 и т. д. В деталях машин, например в телескопических соединениях трубчатых элементов разных диаметров, в элементах, соединяемых внахлестку и втавр, в изделиях сложной геометрической формы (сотовые конструкции на рис. 2.35), при которых наложение свар- ных швов оказалось бы затруднительным, целесообразно приме- нять пайку. Помимо процессов сварки и пайки в деталях машин большое значение имеют процессы наплавки. Наплавка применяется не только для восстановления изношенных поверхностей при их ре- монте, но и при изготовлении новых деталей с целью придания их поверхности заданных свойств. Так, быстрорежущую сталь на- плавляют на поделочную с целью получения недорогих износо- стойких инструментов, а твердые сплавы на трущиеся поверхности машин и механизмов — для повышения их износостойкости. При проектировании деталей с наплавкой следует учитывать возмож- ность применения новых способов сварки, например взрывом. Применяют также поверхностную закалку кислородно-ацетилено- вым пламенем и ТВЧ. Этот процесс требует тщательной техноло- гической отработки. Тем не менее закалка находит разностороннее применение на машиностроительных заводах при обработке шес- терен, бандажей, крановых бегунов и т. п. При проектировании деталей машин следует учитывать следу- ющие обстоятельства. 1. Диапазон применяемых марок сталей широк — наряду с .низкоуглеродистыми и низколегированными сталями применяют высоколегированные. Иногда заготовки подвергают термической обработке до сварки. К качеству конструкций предъявляются вы- сокие требования. 286
2. В деталях машин размеры элементов нередко определяют- ся условиями не прочности, а жесткости. В этом случае рабочие на- пряжения принимаются значительно ниже допускаемых. 3. В деталях машин большое значение имеет точность изго- товления. Остаточные напряжения в сварных конструкциях, нахо- дящихся в эксплуатации, с течением времени меняют свое значе- ние. Вследствие этого в конструкции появляются деформации. Поэтому сварные изделия, изготовляемые и обрабатываемые по высшим квалитетам точности, необходимо после сварки подвер- гать термической обработке (отпуску в нагревательных печах). 4. В зонах сварных соединений некоторых низколегированных сталей происходит процесс замедленного распада аустенитной структуры, вызывающий деформирование соединения в течение некоторого времени. В процессе эксплуатации сварных соединений из низкоуглеродистой и аустенитной стали изменения размеров; обычно не происходит. Существуют разные мероприятия для устранения этого вредного явления. Одно из них — применение рациональной термической обработки изделия после сварки. По- лезно снятие остаточных напряжений, так как возникающие при этом пластические деформации ускоряют процесс стабилизации структур. 5. Механическую обработку сварных деталей машин следует,, как правило, производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает перераспределение остаточных напряжений и