Расчет сборочно-сварочных кондукторов для сборки и сварки секции автомобильного моста

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание конструкции

1.2 Анализ существующих технологий. Задачи, решаемые в проекте

1.3 Сварочная сталь 15ХНДС

1.4 Подготовка стали 15ХНДС к сварке

1.5 Выбор и обоснование технологических процессов

1.6 Выбор сварочных материалов

1.6.1 Сварочная проволока

1.6.2 Флюс

1.6.3 Смесь газов

1.7 Расчёт и выбор режимов сварки

2. СБОРОЧНО-СВАРОЧНЫЕ КОНДУКТОРЫ

2.1 Расчёт усилий зажимов в кондукторе для сборки-сварки тавровых балок

2.2 Расчёт рычажных зажимных устройств, применяемых в сборочно-сварочном кондукторе

3. АППАРАТУРА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ И ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

3.1 Головки для электрошлаковой сварки

3.2 Ходовые механизмы вертикального движения

3.3 Выбор типа аппарата для электрошлаковой сварки

4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СБОРКИ ИСВАРКИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Россия - один из лидеров мирового стального мостостроения. Большая часть мостовых объектов у нас производится в виде стальных пролётных строений.

Сварочное производство в стальном мостостроении России - это основополагающий технологический процесс, как при изготовлении отдельных элементов пролётных строений на заводах России так и при монтажной сборке и сварке заводских отправочных марок в конкретные пролётные строения на стройплощадках. Именно на сварные соединения приходится более 80% от общего объёма заводских и монтажных соединений.

Как правило, мосты строят из пролётных строений и опор. Пролётные строения служат для восприятия нагрузок и передачи их опорам, на них может располагаться проезжая часть, пешеходный переход, трубопровод. Опоры переносят нагрузки с пролётных соединений на основание моста. Пролётные строения состоят из несущих конструкций: балок, ферм, диафрагм (поперечных балок) и собственно самой плиты проезжей части.

Современные методы производства различных строительных конструкций предусматривают значительное увеличение производительности выпуска за счёт технологических и перспективных решений. Сокращение временных и материальных издержек на подготовку и производство единичных либо постоянных заказов - важнейшая цель любого производителя. В данном аспекте явно просматривается зависимость потребности в необходимом оборудовании и средствах автоматизации от производственной программы.

Основным направлением технического прогресса в области стальных и сталежелезобетонных пролётных строений в настоящее время является снижение массы конструкций за счёт применения сталей повышенной прочности, дальнейшего перехода на сварные и неразрезные пролётные строения, повышение заводской готовности конструкций при одно временном совершенствовании конструктивных форм, обеспечивающих не только экономию металла и уменьшение эксплуатационных расходов, но и существенное повышение уровня индустриализации заводского изготовления и монтажа.

В области сварочного производства трудовые затраты на сварочные работы обычно не превышают 30%. Большой объём занимают заготовительные, сборочные и вспомогательные, особенно транспортные операции. Следовательно, повышение производительности только сварочных работ не может дать положительного эффекта. Отсюда возникает необходимость комплексной механизации и автоматизации, охватывающей не только основные (заготовительные, сборочные, сварочные), но и вспомогательные (транспортные, контрольные) операции и работы. Совершенствование производства сварных конструкций требует не только наличие механизмов, способных осуществить все необходимые операции технологического процесса, но и рациональной их компоновки. При этом требования как к механизмам, так и к их компоновкам определяются характером производства. Так, для серийного и мелкосерийного производства требуются универсальные устройства, пригодные для работы в широком диапазоне типоразмеров заготовок и изделий. Для крупносерийного и массового производства используют более производительное специализированное оборудование в составе поточных, автоматических и роторных линиях конкретного целевого значения.

Современное направление в строительстве металлических мостов характеризуется стремлением к экономии металла и снижению трудозатрат при изготовлении и монтаже пролётных строений. Достигается это использованием сталей повышенной прочности, применением сварочных конструкций, эффективных типов монтажных соединений, внедрением прогрессивных экономичных систем и конструкций пролётных строений.

Один из основных путей совершенствования технологии сварки связан с переходом на компьютерное регулирование сварочного процесса.



1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание конструкции

Одним из прогрессивных конструктивных элементов стальных пролётных строений, особенно автодорожных и городских мостов, являются ортотропные плиты. Такие конструкции выполняют одновременно несколько функций: они являются несущим настилом проезжей части для пропуска транспорта; полностью или частично играют роль ездовых поясов главных балок или ферм; исключают необходимость устройства в уровне их расположения продольных связей пролётного строения.

Выполнение ортотропной плитой функции несущего настила проезжей части пролётного строения предъявляет определённые требования к конструктивным решениям главных балок или ферм пролётных строений. Передача временной нагрузки с проезжей части, а также её собственного веса на главные балки или фермы осуществляется поперечными рёбрами (балками) ортотропной плиты, шаг которых вдоль оси моста не превышает 2 - 4 м. В таких условиях предпочтение заслуживает применение сплошностенчатых главных балок пролётной строений различных статических систем или решётчатых ферм с достаточно жёсткими ездовыми поясами, способными воспринимать кроме осевых усилий также и изгибающие моменты от внеузловых прикреплений поперечных рёбер ортотропных плит.

В стальных пролётных строениях балки перекрывающие опоры между пролётами, являются основными несущими элементами. Для обеспечения пространственной жёсткости главные балки соединяют между собой системой продольных и поперечных связей.

Число главных балок определяется конструктивными и технико-экономическими соображениями и в нашем случае пролётное строение состоит из трёх несущих балок длиной 42 метра каждая, и располагаются параллельно на расстоянии 3 метров друг от друга. Каждая несущая балка собирается из трёх отдельных балок, две из которых (крайние) одинаковые и имеют длину 13425 мм, и одной (средней), имеющей длину 15750 мм. Сборка трёх балок в одну осуществляется на монтаже.

Металлический настил состоит из ряда плит по длине и ширине пролётного строения моста, листы которых соединены монтажной сваркой. Габаритные размеры 6000х42000. Марка стали 15ХНДС согласно СНиП II-23-81, 1-я группа характера нагрузки.

Рисунок 1 - Главные размеры исследуемой балки: А и В - крайние балки, Б - серединная балка

1.2 Анализ существующих технологий. Задачи, решаемые в проекте

Сборка ортотропной плиты по заводской технологии начинается с разметки и резки. Затем на стеллаж выкладывают листы без зазора, проверяют прямолинейность свариваемых кромок. Затем, в середине стыка и по краям сборки ставят прихватки длиной 20 - 30 мм, остальные прихватки по длине стыка ставят через каждые 300 мм. Далее, по краям стыка приваривают выводные планки толщиной соответствующей толщины металла. Сварку стыкового шва производят аппаратом электрошлаковой двухсторонней сварки АДФ - 1002 под флюсом. Плиту с рёбрами жёсткости собирают в специальном кондукторе для сборки и сварки ортотропных плит. Далее производят разметку и отбивку осевых линий с помощи мела и нити, по которым будут установлены продольные рёбра жёсткости согласно размерам, указанным в чертеже. Продольные рёбра жёсткости устанавливают по нанесённым осевым мелом осевым линиям и прижимают к плите с помощью прижимов кондуктора. Далее прихватывают через каждые 300 мм с двух сторон, при этом контролируют, чтобы ребро стояло строго под углом 90° по отношению к плоскости карты.

Перед сваркой плите дают обратный прогиб, чтобы уменьшить остаточную деформацию. Сварку продольных рёбер жёсткости ведут сварочной головкой под слоем флюса с двух сторон одновременно. Сварку ведут в такой последовательности, чтобы следующее свариваемое ребро находилось как можно дальше от уже заваренного.

Сборку тавровой балки производят в специальном кондукторе для сборки балок. Сварку тавров ведут производят сварочным трактором АДФ - 1002 под слоем флюса, в положении «в лодочку». После сварки тавр правят на станке для правки грибовидности, тем самым восстанавливая перпендикулярность стенки к поясу. Затем, собранный тавр (поперечное ребро жёсткости) устанавливают на плиту и прихватывают прихватками 20 - 30 мм полуавтоматом к плите и продольным рёбрам жёсткости. Последующие тавры устанавливаются аналогичными способом.

1.3 Сварочная сталь 15ХНДС

Марка: 15ХСНД (заменители: 16Г2АФ, 15 ГФ, 14ХГС, 16ГС, 14СНД0).

Класс: Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций

Использование в промышленности: элементы сварных металлоконструкций и различные детали, к которым предъявляются требования повышенной прочности и коррозионной стойкости с ограничением массы и работающие при температуре от -70 до +450°С.



Табл.1 - Химический состав стали 15ХСНД

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As	Fe
0,12-018	0,4-0,7	0,4-0,7	0,3-0,6	до 0,04	до 0,035	0,6-0,9	до 0,008	0,2-0,4	до 0,08	~97

Табл.2 - Механические свойства стали 15ХСНД

ГОСТ	Состояние плавки, режим термообработки	Сечение, мм	у 0,2 (Мпа)	у В (Мпа)	д5 (%)
19281-73	Сортовой и фасонный прокат	До 10 От 10 до 32	345 325	490 470	21 21
19282-73	Листы и полосы в состоянии поставки	До 32	345	490	21
17066-80	Листы горячекатаные	От 2 до 3,9	-	490	17

1.4 Подготовка стали 15ХНДС к сварке

Стальные конструкции автодорожных мостовых сооружений из атмосферостойкого металлопроката марки 15ХНДС следует изготавливать на специализированных мостовых заводах и монтировать специализированными мостостроительными организациями.

Листовой и фасонный прокат марки 15ХНДС может применяться для изготовления основных несущих конструкций пролётных строений автодорожных мостов, путепроводов и эстакад обычного (А) и северного (Б) исполнений. Для указанных стальных конструкций пролётных строений могут применяться также гнутые профили и трубы из листового проката.

Весь предназначенный для изготовления автодорожных мостовых конструкций металлопрокат при поступлении его от поставщика на склад завода-изготовителя конструкций должен быть принят по акту с оформлением документов согласно системе оприходования и идентификации металлопроката на конкретном предприятии. Каждая партия поставляемого металлопроката должна сопровождаться документом о качестве по ГОСТ 7566 (Сертификатом) с указанием данных, регламентированных нормативной документацией на металлопрокат марки 15ХНДС. Сертификаты на используемый металлопрокат являются составной частью документации и могут быть предоставлены заказчику по первому его требованию.

Весь предназначенный для изготовления мостовых конструкций металлопрокат марки 15ХНДС должен быть перед запуском в производство очищен от прокатной окалины и возможной ржавчины на поточных линиях очистки.

Стальной прокат на поточных линиях очищают колотой или литой дробью, закалённой с низко температурным отпуском, марок ДСК и ДСЛ размером 0,18…1,2 мм. Жировые загрязнения и консервационные смазки, имеющиеся на прокате должны быть удалены растворителями или моющими средствами до дробемётной очистки.

Листовой прокат, подаваемый на резку и имеющий отклонения от плоскости более 1,5 мм на 1 м длины лекальной линейки для любой толщины проката, должен быть выправлен на листоправильной машине с числом валков не менее семи. Зазор между поверхностью выправленного листа, уложенного на ровную горизонтальную плоскость, и ребром стальной лекальной линейки длиной 1 м не должен превышать 1,5 мм для любой толщины металла. При правильно подобранном режиме лист выправляется за один проход. Число проходов (при необходимости) не должно превышать шести.

Механическую резку проката марки 15ХНДС на ножницах допускается выполнять только при положительной температуре воздуха и металла. Кромки после резки на ножницах должны быть ровными, без трещин, заусенцев и завалов, превышающих 0,3 мм.

Для раскроя стального листа, вырезки деталей любой формы и прирезки припусков на строй площадке следует применять термическую резку:

- газокислородную машинную и ручную (на заводе и стройплощадке);

- кислородно-плазменную машинную (на заводе);

- лазерную машинную (на заводе).

При газокислородной и кислородно-плазменной резке толщина разрезаемого проката не ограничивается; лазерной резкой при изготовлении мостовых автодорожных конструкций из стали марки 15ХНДС допускается резать лист толщиной до 20 мм включительно. При кислородной резке в качестве горючего газа подогревающего пламени следует применять ацетилен, пропан-бутан или природный газ. Чистота кислорода должна быть не ниже 99,5%, что соответствует 2-му сорту по ГОСТ 52087.

1.5 Выбор и обоснование технологических процессов

При резке металла используется газовая резка, т.к. при изготовлении тавров следует использовать фигурную резку, а также использовать газорезательные машины способствует повышению производительности процесса. Для более точной сборки используется кондуктор для сборки и сварки ортотропных плит, а для двустороннего провара балки используется кантователь КДП-8. Использование данных кондуктора и кантователя обеспечивает удобство и безопасность работ. Кантователь сборно-сварочный КЦР - 8 (грузоподъёмность 8000 кг) предназначен для установки деталей прямоугольной, квадратной или круглой формы в поперечном сечении балки в положение, удобное для выполнения сварочных, сборочных и других работ, требующих её поворота вокруг горизонтальной оси на любой угол.

Вращение грузов кранами - это сложная, ответственная операция, выполнение которой поручается наиболее опытным стропальщикам и основана на принудительном смещении центра тяжести груза. Когда центр тяжести выходит за пределы опорной поверхности, груз переворачивается и падает на другую плоскость. В момент опрокидывания груза стропы ослабевают, а затем снова натягиваются, причём в наклонном положении. Это приводит к рывкам, которые невозможно устранить полностью, т.к. скорость падения груза всегда превышает скорость механизмов крана.

Кантователи помогают легко и бережно поворачивать без повреждений: крупногабаритные, громоздкие или хрупкие грузы, оборудование с дорогостоящим покрытием и не требуют привлечения большого количества техники и рабочих при проведении работ. Могут быть снабжены ременными либо цепными стропами, которые облегчают груз как минимум с трёх сторон, что обеспечивает надёжное закрепление груза при проведении погрузочно-разгрузочных работ. Конструкция состоит из двух независимых рам с приводами, а также ремней и цепей. Ременный кантователь больше подходит для кантования мало жёстких конструкций с окрашенными поверхностями. Цепные кантователи предназначены для тяжёлых условий эксплуатации.

Таблица 3. - Технические характеристики кантователя КЦР - 8

№ п/п	Наименование показателя	Модель
		КЦР - 8 цепной
1	Ширина, мм	1700
2	Высота, мм	500
3	Диаметр (цилиндрических деталей), мм	1700
4	Длина, мм	2000 - 15000
5	Грузоподъёмность (максимальная), кг	8000
6	Частота вращения, об/мин	0,7

При сборке используется механизированная сварка в смеси защитных газов, в отличие от РДС при данном методе количество брызг гораздо меньше и значительнее увеличение производительности процесса. Сварка ведётся под слоем флюса т.к. при данном методе качество сварных соединений обеспечивается надлежащим способом. Контроль качества обеспечивается согласно СТП - 012 - 2000.

1.6 Выбор сварочных материалов

1.6.1 Сварочная проволока

Для получения необходимого уровня механических свойств сварных соединений согласно СНиП II-23-81 для конструкционной стали 1 группы 15ХНДС необходимо использовать проволоку Св - 10НМА по СТП 012 - 2000. При механизированной сварке используем проволоку Св - 08Г2С диаметром 2 мм. Согласно СНиП II-23-81 проволока Св - 10НМА и Св - 08Г2С по ГОСТ 2246-70 оптимально подходит для сварки данной марки стали, т.к. химический состав проволоки приблизительно равен составу основного металла, в сочетании с флюсом АН-47, т.к. во флюсе имеется достаточное содержание раскислителей.

Табл.4 - Химический состав проволоки Св - 10НМА (%)

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Мо
0,07-0,12	0,12-0,35	0,1-0,7	1,0-1,5	до 0,2	0,02	до 0,2	0,4-0,55

Табл.5 - Химический состав проволоки Св - 08Г2С (%)

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr
< 0,3	0,03	0,8-1,1	< 0,25	не более 0,03	0,03	< 0,1

1.6.2 Флюс

Согласно СТП 012-2000 выбираем флюс АН-47. Размер зёрен 0,85 - 3 мм, строение зёрен стекловидное, объёмная масса 1,3 - 1,8 кг/дм3. Род тока и значение максимально допустимого переменного и постоянного тока 1100 А, максимально допустимая скорость сварки 120 м/ч. Данный флюс предназначен для автоматической и механизированной сварки изделий из низкоуглеродистых сталей. Он хорошо обеспечивает устойчивое горение дуги, разрывная длина дуги 13 мм. Также использование этого флюса даёт хорошее формирование шва. Низкая склонность к образованию пор в сварных соединениях.

Табл.6 - Химический состав флюса марки АН - 47 ГОСТ 9087-69 (%)

Al2O3	SiО2	MnО	MgO	S	P	Ca2F	Fe2O3
19,0-23,0	18,0-21,5	0,1-0,7	11,5-15,0	0,06	0,05	20,0-24,0	до 0,1

1.6.3 Смесь газов

Для предотвращения окисления шва во время сварки используется смесь защитных газов: углекислого и аргона в процентном соотношении 20% СО2 и 80% Ar. Также, благодаря этому, обеспечивает существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла и уменьшаются размеры капель. Углекислый газ - это бесцветный газ, со слабым запахом, хорошо растворяется в воде и придаёт ей кисловатый вкус. При 0° и 760 мм ртутного столба удельный вес СО2 равен 1,97686·103 кгс/л, плотность по отношению к воздуху составляет 1,524 г/см2. Температура кипения 78,9°С, температура затвердевания -56,6°С, критическая температура +31°С, критическое давление 75,0 кгс/см2. К технологическим преимуществам относятся простота процесса сварки, обеспечивающая высокую производительность и хорошее качество сварных соединений. Этот способ даёт возможность выполнять сварку механизированным способом во всех пространственных положениях. Объём ванны расплавленного металла при сварке в защитных газах меньше, чем при РДС, а скорость кристаллизации за счёт обдува места сварки защитным газом больше. Всё это позволяет вести сварку при минимальном короблении.

Табл.7 - Состав двуокиси углерода (СО2) ГОСТ 9087-69 (%)

Показатели	Сварочный
	1 сорт	2 сорт
Содержание СО2 по объёму (не менее)	99,5	99,0
Содержание воды в баллоне по массе (не более)	нет	нет
Содержание водяных паров в газе при 760 мм ртутного столба и +20°С	0,178	0,515

Табл.8 - Состав газообразного аргона (Ar) ГОСТ 10157-79 (%)

Показатели	Сварочный
	Высший	Первый
Объёмная доля аргона,% (не менее)	99,993	99,987
Объёмная доля кислорода, % (не менее)	0,0007	0,002
Объёмная доля азота,% (не менее)	0,005	0,01
Массовая концентрация водяного пара при 20°С и давлении 101,3 кПа, г/м3	0,007	0,01
Объёмная доля суммы углерода, содержащих соединения в перерасчёте на СО2,% не более	0,0005	0,001

1.7 Расчёт и выбор режимов сварки

Расчёт таврового соединения при автоматической сварки. S = 14 мм. Задаёмся глубиной провара с первой стороны:

Определяем силу сварочного тока:

Определяем скорость сварки:

Выбираем диаметр электрода:



где - рекомендуемая плотность тока, которую определяем по таблице 8

Табл.9 - Рекомендуемые плотности тока,

, мм	2	3	4	5	6
, А/мм2	65-200	45-90	35-60	30-50	15-45

Определяем напряжение дуги - для стыковых швов:

Принимаем = 32 В

Находим коэффициент формы провара (ц пр) по номограмме (учебник С.И Думова «Технология электрической сварки плавлением», стр. 245).

Рисунок 2 - Значение ц пр в зависимости от силы сварочного тока и напряжения дуги при = 4 мм

Принимаем ц пр = 2,1

Определяем эффективную тепловую мощность дуги (кал/сек):

где - эффективный к.п.д. дуги, для автоматической сварки под флюсом, значение которого выбираем в диапазоне 

Находим фактическую глубину провара:

Определяем ширину шва:

Определим коэффициент наплавки при сварке на постоянном токе обратной полярности:

Определяем площадь поперечного сечения шва:

где - удельный вес металла (для 7,8 г/см3)

Определяем высоту валика:

Находим общую высоту шва



Определяем коэффициент формы валика. Условием хорошей формы будет значение . Произведём расчёт:

Так как , то необходимо варить встык с зазором (b), чтобы убрать в неё лишний наплавленный металл. Принимаем зазор по ГОСТ 8713 - 79, b = 1 мм и делаем перерасчёт размеров шва:

Находим высоту шва с учётом зазора:

Найдём высоту шва с учётом зазора:

Подсчитаем величину перекроя швов:

Расчёт стыкового соединения при автоматической сварке S = 12 мм.

1. Определяем глубину провара с одной стороны:

где - толщина свариваемого металла

2. СБОРОЧНО-СВАРОЧНЫЕ КОНДУКТОРЫ

Сборочно-сварочный кондуктор - это приспособление, предназначенное для предварительной сборки и фиксации материала, особенно для фиксации громоздких секций. Это устройство позволяет надёжно закрепить свариваемые части в нужном положении. Хороший и удобный кондуктор значительно повышает уровень производительности работ и качество товара, тем самым значительно увеличивает прибыль.

В современной промышленности сборочные кондукторы применяются совместно со сварочными роботами, выполняющими работу с помощью того или иного вида сварки. Оборудование, предназначенное для сборки деталей под сварку, постоянно совершенствуются, таким образом, показатели степени автоматизации производства растут с каждым днём. Благодаря применению современных сборочных кондукторов существенно повышается производительность труда и улучшается качество сборки элементов конструкции под сварку. Основа сварочного кондуктора - это жёсткий каркас, оснащенный фиксаторами, упорами и прижимами.

По характеру силового действия сборочно-сварочных устройств различают кондукторы, удерживающие балку от деформирования во время сварки и остывания швов, и кондукторы, служащие для компенсации остаточных деформаций балки путём её предварительного изгиба или скручивания, т.е. деформирования в обратном направлении. Наибольшее распространение в производстве имеют кондукторы первого типа. В них усилия на прижимах должны быть достаточными, чтобы удержать балку от деформирования во время её сварки и остывания.

Сборка балки должна обеспечивать симметрию и взаимную перпендикулярность полок и стенки, прижатие их друг к другу и закрепление прихватками. При сборочных кондукторов это достигается соответствующим расположением баз и прижимов по всей длине балки с последующей постановкой прихваток.

До начала сборки деталь укладывают в сборочный кондуктор, располагая её фиксаторами и упорами, затем, с помощью ручных или механических прижимов стягивающего и распорного действия, закрепляют деталь. Ручные прижимы отличаются простотой в использовании, однако требуют непосредственного участия мастера в процессе сборки. К механическим прижимам относятся пневматические, гидравлические, вакуумные и электромагнитные устройства. Они позволяют существенно сократить время сборки изделия на сборочно-монтажном столе, особенно при необходимости зажима детали одновременно в нескольких местах. Для изготовления пневматических зажимов обычно используют сталь, и такой прижим предназначен для фиксации при помощи фланца или установки зажима на вал.

На установках с самоходным порталом зажатие и прихватку осуществляют последовательно от сечения к сечению.

Рисунок 3. - Схема установки для сборки двутавровых балок с самоходным порталом

Для этого портал 1 подводят к месту начала сборки (обычно это середина балки), включением вертикальных 2 и горизонтальных 3 пневмоприжимателей прижимают лист стенки 4 к стеллажу, а пояса к стенке балки, после чего в собранном сечении ставят прихватки. Затем прижимы выключают, портал перемещают вдоль балки на шаг прихватки, и операция повторяется Наличие у портала вертикальных прижимов позволяет собирать балки значительной высоты Н, не опасаясь потери устойчивости стенки от усилий горизонтальных прижимов.

2.1 Расчёт усилий зажимов в кондукторе для сборки-сварки тавровых балок

Основными видами деформаций сварной балки являются: продольный (осевой) изгиб, поперечный изгиб (грибовидность) и скручивание.

Продольный (осевой) изгиб балки как остаточная сварочная деформация происходит под действием момента где - усадочная сила, действующая по оси шва, е - расстояние между центрами тяжести сечения шва и сечения балки (эксцентриситет), см.

Рисунок 4. - Продольная деформация сварной балки и схемы её нагружения сборочно-сварочном кондукторе: а - равномерно распределённой нагрузкой в виде клавишных прижимов; б - сосредоточенной силой посредине балки; в - двумя силами, симметрично расположенными по длине балки; г - изгибающими моментами, приложенными по концам балки; д - сечение балки

Балка, находящаяся под действием постоянного момента изгибается по действием постоянного момента, изгибается по дуге окружности. При этом радиус изогнутой оси балки ( - модуль упругости, кгс/см2, - момент инерции сечения, см4).

Момент инерции сечения тавра находится по формулам:

Рисунок 5 - Параметры для расчёта момента инерции сечения тавра

Прогиб балки по середине находится по формуле:

где L - длина балки, см.

Рассчитаем - усадочную сила, действующую по оси шва:

При сварке в тавр двумя швами:



где, = 30000 - коэффициент при автоматической сварке, - катет углового шва, см.

Так как большинство механизированных зажимных устройств для балок представляют собой ряд одинаковых прижимов, в частности пневматических или гидравлических, то этот ряд можно рассматривать как равномерно распределённую нагрузку q, кгс/пог. См, которая должна предотвратить образование прогиба балки f, см во время сварки.

Под действием нагрузки q балка на двух опорах R получает прогиб посередине:

Тогда искомая нагрузка будет равна:

Определим усилия в кондукторе для сборки и сварки тавровых балок, имеющих размеры: 600х14 мм, пояс 300х14 мм, катеты швов к = 8 мм, момент инерции сечения J =35106 см4, эксцентриситет е = 19,6 см, длина балки L = 6 м.

Удельная нагрузка равна:

Нагрузку на всю балку принимаем по формуле:(опорные реакции по концам кондуктора):



Опорные реакции по концам кондуктора:

2.2 Расчёт рычажных зажимных устройств, применяемых в сборочно-сварочном кондукторе

Расчёт рычажных зажимных устройств начинаем с усилия на зажимах. Исходными данными для определения этих усилий являются размеры свариваемой балки и калибр угловых швов.

Исходные данные:

Размеры тавра - стенка 400х10 мм, пояс - 200х16 мм, шов 8х8 мм. Длина балки 6000 мм.

Момент инерции сечения балки J = 13000 см4

Расстояние между центрами тяжести сечения балки и сечения шва е = 10,6 см.

При автоматической сварке усадочная сила, действующая по оси швов, равна:

1. после сварки первого шва:

2. после сварки обоих швов:

Расчётные усилия, возникающие на зажимах кондуктора под действием этих усадочных сил:

1. после сварки первого шва:

2. после сварки обоих швов:

Следовательно, при расположении верхних рычажных зажимов вдоль балки через 1 метр должен воспринимать усилие S1 ? 922 кгс.

Захваты опорной балки кантователя (нижние зажимы) также расположены на расстояниях в 1 м и удерживают свариваемую балку от деформации после сварки обоих швов. Следовательно, каждая пара захватов должна развивать усиление сцепления с поясом S2 ? 1060 кгс.

При сварке балки в зажатом состоянии поперечная усадка углового шва может вызвать в металле шва опасные изгибные напряжения, превышающие предел его текучести. Поэтому усилие бокового прижима Р2 следует ограничить условием, чтобы создаваемые им изгибные напряжения у в металле шва не превосходили заданной величины, т.е. у < ут. Из этого условия следует, что изгибающий момент в шве от действия силы Р2 на плече l3 должен быть равен моменту внутренних сил в металле шва при напряжениях у = [у]:

[у],

где - момент сопротивления сечения шва на длине (принимается 1 метр шва) при его высоте в опасном сечении .



Рисунок 6 - Расчётная схема рычажного зажимного устройства для сборки тавровых балок

Подставляя эти значения в выше указанную формулу, получаем:

Следовательно, искомая допускаемая сила прижатия равна:

Если же известна угловая деформация балки б после сварки первого шва в свободном (не зажатом) состоянии, то проверяем, образуется ли зазор под силой Р2 между стенкой свариваемой балки и опорной поверхностью кондуктора.

При сварке в не зажатом состоянии, т.е. при отсутствии Р2 в районе прижимов образуется свободный зазор Д0 = . Однако, под действием силы Р2 возникает прогиб обратного знака: .

Если Д0, то между стенкой и кондуктором останется зазор:



где - момент инерции сечения стенки балки на длине (длина одного шва, равная 100 см) при толщине стенки балки tст. Подставив эти значения в вышеуказанную формулу, получим:

где угловая деформация

С таким зазором придётся примериться, чтобы избежать опасных напряжений в металле шва и возможных продольных трещин в нём.

Найденное минимальное усилие на рычаге S1 = 922 кгс, необходимое для удержания балки от осевого изгиба при сварке первого шва. Это усилие складывается из давления рычага на кромку стенки Р1 и силы трения между прижимом на конце рычага и стенкой (под силой Р2), т.е.

где - коэффициент трения сухой детали о деталь.

Из вышеуказанной формулы определяем минимально необходимую величину:

где коэффициент запаса К = 1,25, поставляем в формулу найденные значения S1 = 922 кгс и Р2 = 860 кгс:



Усилие передаётся на кромку стенки через несколько пружин. Изменяя их натяжение, можно с достаточной точностью регулировать его величину.

Для определения усилия привода Р необходимо составить уравнение моментов относительно оси опорного шарнира рычага Q. При этом для упрощения расчётов трением в шарнире рычага пока пренебрегаем, с тем, что в дальнейшем оно будет учтено соответствующей поправкой. В таком случае уравнение моментов записывается в виде:

В наших расчётах 860 кгс; Находим значение усилия на штоке привода Р:

Чтобы учесть потери на трение в опорном шарнире рычага, необходимо предварительно определить величину опорной реакции в шарнире.

Усилие Q, воспринимаемое шарниром (шарнир в т. О), можно найти графическим или аналитическим сложением всех действующих на рычаг сил (активных и реактивных). При угле наклона рычага по отношению к оси штока привода 45°:

кгс

Момент трения на оси шарнира:

390,5 кгс·см

Необходимое добавочное усилие на штоке находится так:

43,4 кгс

Таким образом, эта добавочная сила составляет 43,4/18567,16 х 100 = 2% от общей силы на штоке и с избытком компенсируется принятым при определении запасом 25%. Зная необходимое усилие привода Р = 43,4.кгс и давление рабочего агента в силовом цилиндре (воздуха или масла) q, можно определить его диаметр:

см

где q = 20 кг/см2 - давление масла в цилиндре; = 0,8 - КПД привода.

Ход поршня, определяемый конструктивными соображениями, равен h = 20 см. По этим параметрам подбирается готовый цилиндр из числа выпускаемых промышленностью, либо он проектируется заново с использованием основных расчётных формул.

Размеры прижимного рычага определяются обычными расчётами на прочность. В частности, необходимый момент сопротивления поперечного сечения в опасном месте определяется расчётом на изгиб:

Выбранное коробчатое сечение квадратной формы 60х60 мм из листа д = 8 мм имеет момент сопротивления

По найденному усилию в шарнире рычага кгс ось шарнира необходимо проверять расчётом на изгиб, а также на удельное давление в поверхности скольжения.

3. АППАРАТУРА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ И ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

Процесс электрошлаковой сварки имеет ряд особенностей, предопределяющих необходимость создания аппаратуры, существенно отличающейся от аппаратуры для дуговой сварки.

К числу таких особенностей следует отнести: наличие в зазоре между кромками сварочной ванны, содержащей значительное количество расплавленного шлака и металла; вертикальное или близкое к вертикальному расположение швов; сварку в один проход металла практически неограниченной толщины.

В связи с этим аппаратура для электрошлаковой сварки содержит устройства для принудительного удержания сварочной ванны в зазоре между кромками; механизмы для перемещения сварочной головки и других систем по вертикали, вдоль свариваемых кромок; источники питания, характеристики и параметры которые обеспечивают устойчивость процесса; механизмы перемещения электродов вдоль зеркала сварочной ванны для равномерного её прогрева и, следовательно для получения равномерного провара кромок.

Электрошлаковая сварка вертикальных швов предусматривает одновременное выполнение следующих операций:

- нагрев шлаковой ванной свариваемых кромок и присадочного материала до температуры их плавления;

- подачу в зазор между кромкой электродного и дополнительного металла;

- подвод к электроду сварочного тока;

- удерживание сварочной ванны в зазоре;

- перемещение источника нагрева и формирующих устройств по мере образования шва;

- возвратно-поступательное перемещение источника нагрева в зазоре для равномерного проплавления кромок толстого металла.

Указанные операции выполняет комплекс механизмов, образующих сварочный аппарат. В зависимости от назначения и от степени механизации такой аппарат может содержать механизмы, способные выполнять все перечисленные функции (автоматическая сварка) или только некоторые из них (полуавтоматическая сварка).

Как и для дуговой сварки, рассматриваемые в настоящем разделе аппараты по способу перемещения разделяются на самоходные (рельсовые и безрельсовые) и подвесные (рис. 7). Конструкция сварочного аппарата зависит также от типа электрода: для сварки проволочным и пластинчатыми электродами или плавящимся мундштуком. Многие элементы аппаратов аналогичны устройствам того же назначения в аппаратах дуговой сварки.

3.1 Головки для электрошлаковой сварки

Головки для электрошлаковой сварки проволочными электродами, также как и головки для дуговой сварки, содержат привод, роликовый механизм и другие узлы. Однако токопроводящие мундштуки отличаются тем, что они должны обеспечивать ввод электрода в глубокий зазор между кромками и его вертикальное расположение в зазоре на участке сварочной ванны. Такие мундштуки (рис. 6) могут быть расположены вне зазора между кромками (а) или в зазоре (б). Первые позволяют уменьшить зазор и, следовательно, повысить производительность процесса сварки. Однако, с увеличением толщины металла растёт вылет электрода и снижается точность его направления. Это может привести к непровару одной из кромок, искажению формы шва и прожогу ползунов. Поэтому мундштуки для толстого металла располагают в зазоре и снабжают приспособлениями 7, корректирующими направление проволоки.

Привод систем подачи проволочных электродов снабжен электродвигателями постоянного тока с регулируемой частотой вращения. Это позволяет регулировать проводимость шлаковой ванны, облегчает её разведение и переход дугового процесса в шлаковый. Первоначальный прогрев кромок происходит лучше всего при малой подачи электрода.

Рис.7. - Аппараты для электрошлаковой сварки: А - рельсовые аппараты для сварки проволочными (а) или пластинчатыми (б) электродами; Б - безрельсовый аппарат; В - подвесной аппарат для сварки плавящимся мундштуком

Наряду с аппаратами для сварки проволочными электродами применяют аппараты для подачи пластин и лент. Рельсовые механизмы подачи пластин (рис. 5,б) содержат зажимные приспособления для одного или нескольких электродов и суппорт, передвигающийся по направляющей под действием реечного, винтового или иного привода. К суппорту прикреплены зажимные приспособления.

Аппараты для электрошлаковой сварки имеют постоянную скорость подачи, не зависимую от напряжения дуги. Это связано с интенсивным процессом саморегулирования скорости плавления электрода.



3.2 Ходовые механизмы вертикального движения

При сварке в нижнем положении собственный вес аппарата обеспечивает необходимое сцепление ведущих бегунков с рельсом или изделием. При сварке вертикальных швов вес аппарата противодействует его движению. Поэтому аппараты для электрошлаковой сварки снабжают специальными механизмами, удерживающими их на вертикальной плоскости и перемещающими вдоль оси шва со скоростью, соответствующей скорости образования шва. Ходовые механизмы должны обеспечивать надёжное и равномерное перемещение по вертикальной плоскости, точное направление аппарата по стыку, возможность регулировки на ходу скорости движения (в зависимости от зазора между кромками), быструю установку на изделии и безопасность в работе.

Рис. 8 - Мундштуки для электрошлаковой сварки вертикальных швов:

1 - трубка направляющая; 2 - токопровод; 3 - подающие ролики; 4 - механизм подачи; 5 - формирующие ползунки; 6 - электродная проволока; 7 - корректировочный винт

В зависимости от способа передвижения ходовые механизмы и, следовательно, сварочные аппараты бывают рельсового типа (рис. 6, а), движущиеся по рельсовому пути 1, установленному параллельно свариваемым кромкам 2; безрельсового типа (рис. 6, б), движущиеся непосредственно по свариваемому изделию; комбинированные, в которых часть аппарата движется по рельсу, а другая, соединённая с первой гибкой связью, движется по изделию.

Ходовые механизмы могут быть снабжены электрическим приводом М вертикального движения (автоматическая сварка) либо ручным способом (полуавтоматическая сварка). Аппараты рельсового типа чаще всего имеют жёсткую связь между рельсом и ходовым механизмом. Например, тележка 8 последнего (рис. 6, а) снабжена приводной шестерней 4, которая находится в зацеплении с рейкой 5 рельса. На тележке 8 крепятся все элементы аппарата, в том числе головка и механизм колебания.

В числе безрельсовых распространение получили механизмы, в которых связь между тележкой и изделием достигается за счёт действия мощной пружины 6 (рис. 6), прижимающей к изделию две тележки 7 и 8, расположенные по обе стороны свариваемых листов, или за счёт магнитных присосов (рис. 7).

Рис. 9 - Магнитные механизмы вертикального движения

Магнитно-шагающие механизмы (рис. 7) содержат два балансира - магнитопровода 1и 2, связанные между собой эксцентриком 4, при вращении которого магниты поочерёдно переступают в направлении сварки. За один поворот переступают оба балансира, а весь механизм передвигается на величину двойного эксцентриситета. Магнитный поток в системе создаётся катушкой 8.

Ходовые механизмы с магнитным прижимом (рис. 7, в) представляют собой тележку 8 с приводом М, на которую помещён мощный магнит 7, создающий усилие, необходимое для удержания аппарата на вертикальной плоскости. Механизм отличается большим весом и чрезвычайно большой чувствительностью к изменению зазора между магнитом и изделием. Иногда ходовые ролики вмонтированы в полюса магнита так, что они замыкают магнитный ток на изделие. Вследствие малой площади соприкосновения между роликами и плоскостью изделия такие механизмы развивают относительно малое усилие сцепления. Магнитно-гусеничные механизмы (рис. 7,б) удерживаются и перемещаются при помощи башмаков гусениц, намагниченных общей катушкой 5, неподвижно прикреплённой к корпусу тележки.

Общим недостатком перечисленных магнитных механизмов является сравнительно малое тяговое усилие, особенно при сварке тонкого металла (вследствие магнитного насыщения) чувствительность к препятствиям, недостаточная безопасность в работе. Сравнение различных типов ходовых механизмов вертикального движения, в том числе тросовых и цепных, позволяет отдать предпочтение ходовым механизмам с пружинным сцеплением и двусторонними расположением тележек и удерживающих ползунов. Они обеспечивают надёжное копирование стыкового шва и надёжное удержание аппарата на вертикальной плоскости.

Скорость вертикального движения не является самостоятельным элементом режима сварки, а зависит от площади сечения электрода, скорости его подачи и площади сечения зазора между кромками, изменения скорости подачи и другие возмущения, то необходимая скорость вертикального движения восстанавливается путём регулирования частоты вращения привода в ручную или автоматически.

Ручное регулирование не гарантирует высокого качества сварного соединения, хотя медленное нарастание отклонений режима сварки позволяет сварщику вмешиваться в ход процесса. Автоматическое регулирование затруднено тем, что нет простых и надёжных способов определения уровня металлической ванны относительно края ползуна, поскольку она покрыта слоем расплавленного шлака. Регулирование уровня металлической ванны по электрическим параметрам режима сварки (Uсв., Iсв.) не получило практического применения из-за малой зависимости последних от положения ванны.

Для получения непосредственной информации о положении металлической ванны могут быть использованы дифференциальные термопары 1, впаянные в ползун (рис.8, а) и образующие две встречно-включенные пары: константан - медь и медь - константан. Один спай располагают выше требуемого уровня металлической ванны, другой - ниже. Результирующая ЭДС пропорциональна разности температур в местах спая и равна нулю, когда уровень металлической ванны находится между точками припайки термопар. Колебания уровня нарушают баланс ЭДС и выдают через блоки управления БУ сигнал исполнительному механизму на повышение или понижение скорости движения. Регуляторы такого типа чувствительны к интенсивности охлаждения ползуна, расстоянию между электродом и ползуном и к толщине шлаковой корки.

Рис.10. - Схемы действия датчиков регулирования сварочной ванны

Применяются системы, в которых перед одним из ползунов размещён контейнер с излучателем, а на другом, противоположном ползуне, помещена счётная трубка (регистратор). Действие датчика основано на разнице в коэффициентах г - излучения расплавленных шлаком и металлом. Однако, регуляторы такого типа относительно сложны и требуют принятия особых мер безопасности. Известны регуляторы, основанные на изменении магнитной проводимости нагретого металла при достижении точки Кюри, воспринимаемого магнитным датчиком, встроенным в ползун.

3.3 Выбор типа аппарата для электрошлаковой сварки

Выбор вида и типа сварочного оборудования определяется следующими факторами:

· видом сварки;

· пространственным положением и протяжённостью шва, условиями сварки (заводская, монтажная, ремонтная сварка);

· родом тока;

· параметрами режима сварки.

Для сварки ортотропной балки типа Б-1-3 выбираем сварочный автомат АДФ - 1002, который предназначен для сварки переменным током под слоем флюса соединений встык с разделкой и без разделки кромок, для сварки швов вертикальным и наклонным электродом, а также нахлёсточных швов. Швы могут быть прямолинейными и кольцевыми. Автомат в процессе работы передвигается по изделию или по уложенной на нём направляющей линейке. Поставляется с блоком питания ВДУ - 1202 или ТДФЖ - 1002 с встроенным блоком управления автомата.

Таблица 8 - Технические данные сварочного трактора АДФ 1002

Номинальный сварочный ток, А	1000
Номинальное напряжение питающей трёхфазной сети/частота В/Гц	380/50
Номинальный режим работы, ПВ %	100
Диаметр сплошной электродной проволоки, мм	2 - 5
Диапазон скорости регулирования подачи электродной проволоки, м/ч	60 - 362
Диапазон скорости регулирования скорости сварки, м/ч	12 - 120
Угол наклона сварочной головки, град.	45
Масса электродной проволоки в кассете, кг	15
Емкость бункера для флюса, дм3	6
Масса автомата без электродной проволоки, флюса и источника питания, кг	52
Масса блока управления, кг	37,5

Источником питания в сварочном автомате АДФ - 1002 является трансформатор ТДФЖ - 1002.

Рисунок 11 - Сварочный трактор АДФ - 1002

В сварочном автомате АДФ - 1002 используется принцип саморегулирования длины дуги в системе «дуга - источник питания», что обеспечивается жёсткой внешней статической характеристикой сварочного трансформатора ТДФЖ - 1002, входящего в состав сварочного автомата. Поэтому при уменьшении скорости подачи длина дуги и её напряжение увеличиваются, а сила тока значительно снижается. В результате уменьшаются доля теплоты, идущая на расплавление электрода и количество расплавляемого электродного металла - сварной шов получается с меньшей глубиной и площадью расплавления.

Влияние параметров режима сварки на форму и размеры шва - глубину проплавления, ширину шва, величину наружного усиления шва, коэффициент формы провара и валика, а также долю участия основного и электродного металла в образовании шва.

Механизм движения сварочного аппарата состоит из редуктора с червячными и сменными цилиндрическими зубчатыми передачами, двух ведущих бегунков с резиновыми шинами и электродвигателя. Для ручного перекатывания сварочного трактора на валу бегунков имеется специальная фрикционная муфта с маховиками, при которой вал можно отключить от электропривода.



4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СБОРКИ ИСВАРКИ

Контроль качества сварочных работ. Он начинается ещё до того, как сварщик приступит к процессу сварки. Проверяют качество основного материала, который должен соответствовать требованиям сертификата. При наружном осмотре проверяют отсутствие на металле окалины, ржавчины, трещин, расслоения. сталь сварка балка кондуктор

Контроль качества сварочной проволоки. Каждая бухта сварочной проволоки должна иметь бирку, на которой указан товарный знак предприятия - изготовителя.

Контроль сборки. В собранном узле контролируются: зазоры между кромками свариваемых деталей, отсутствие или малая величина которых приводит к не провару корня шва, а большая - к прожогам и увеличению трудоёмкости сварки, относительное положение деталей в узле, правильное положение прихваток.

Контроль качества сварки в готовом изделии. Для этого осуществляют:

1. внешний осмотр и обмер детали;

2. испытание на плотность, просвечивание рентгеновскими или гамма - лучами;

3. контроль ультразвуком;

4. магнитные методы контроля;

5. механические испытания.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением : Учебник для машиностроительных техникумов / С.И. Думов - Ленинград, 1987 - 461 с.

2. Сварка и наплавка электродуговым плавлением металла и термическая резка : Методические указания по курсовому проектированию для студентов специальностей 120500 и 120600 / Сост. Ю.Г. Новосельцев, А.В. Мандрик, С.И Дёмин, А.А. Киреев / Красноярск / ИПЦ КГТУ, 2002 - 139 с.

3. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением : Учебник для вузов / А.И. Акулов, Г.А.Бельчук, В.П. Демьянцевич. - Машиностроение, Москва, 1977 - 432 с.

4. Беленя Е.И. Металлические конструкции. Общий курс. Учебник для вузов / Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Венеников - 6-е изд. Москва, Стройиздат, 1986 - 560 с.

5. Николаев Г.А. Сварные конструкции. Расчёт и проектирование. Учебник для вузов / Г.А. Николаев, В.А. Винокуров - Москва, 1990 - 446 с.

6. Мамлин Г.А. Изготовление конструкций стальных мостов / Г.А. Мамлин - Москва, «Транспорт», 1967 - 375 с.

7. Протасов К.Г Металлические мосты / К.Г. Протасов, А.В. Теплецкий, С.Я. Крамарев, М.К. Никитин - М., «Транспорт», 1973 - 350 с.

8. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах / М., Машиностроение, 1984 - 345 с.

9. Чернышев Г.Г. Справочник электрогазосварщика и газорезчика - М., издательский центр «Академия», 2004. - 236 с.

Размещено на Allbest.ru