CC BY
20
ствующего некруглого колеса - это огибающая к полученному семейству кривых. Задача представления искомого профиля в виде единой кривой также решается средствами программы КОМПАС.
Заключение
Предложенный метод геометрического синтеза позволяет с помощью стандартных пакетов компьютерных программ получить профили некруглых зубчатых звеньев ПРГМ в форме необходимой для их изготовления с применением 2-Д технологий. Пользуясь этим методом, проектирование ПРГМ смогут осуществить конструкторы самых разных машиностроительных предприятий.
Список литературы
1 Ан И-Кан. Синтез, геометрические и прочностные расчеты планетарных механизмов с некруглыми зубчатыми колесами роторных гидромашин : дис.... д-ра техн. наук : 01.02.06, 05.02.18/Ан И-Кан. Томск, 2001. 236 с.
2 Пат. 2513057 РФ МПК F04 C2/08 МПК F 04 C 2/14. Роторная гидромашина /Волков Г. Ю. № 2012129487; за-явл. 11.07.2012; опубл. 20.01.2014 ; Бюл. № 11. 14 с.
3 Пат. 144306 РФ МПК F04C2/14 МПК F 04 C 2/00, F 04 C 18/00. Роторная гидромашина / Волков Г. Ю., Курасов Д. А. № 2014113740 ; заявл. 08.04.2014 ; опубл. 20.08.2014 ; Бюл. № 23. 2 с.
УДК 624.3:621.791 С.И. Казаков
Курганский государственный университет
совершенствование конструкций болто-сварных решетчатых мостов на основе использования трубчатых профилей
Аннотация. В статье предлагается для стержней решетчатых мостов использовать сварные одношовные трубы вместо сварных коробчатого профиля стержней, что позволит при одинаковой площади поперечного сечения коробчатого и круглого стержней повысить несущую способность, снизить трудоемкость и экономить сварочные материалы.
Ключевые слова: решетчатые фермы мостов, трубы, сварные коробчатые стержни, несущая способность, надежность.
S.I. Kazakov Kurgan State University
i mproving the design
OF BOLT WELDED LATTICE BRIDGES THROUGH TUBE ELEMENTS USAGE
Annotation. The paper proposes using welded single-se am welded tubes for th e lattice bridge s ro ds СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11
instead of box-profile rods, which will at the same cross-sectional area of the box and round rods allow increasing the carrying capacity, reducing labour intensity and saving welding materials.
Keywords: lattice truss bridges, tubes, welded box-shaped rods, bearing capacity, and reliability.
введение
На кафедре «Технология и автоматизация сварочного производства» Курганского государственного университета ведутся исследования по совершенствованию конструкций автодорожных, железнодорожных стальных решетчатых мостов, в результате которых получено более десяти патентов по совершенствованию решетчатых мостов. Мосты железнодорожные (как наиболее совершенные конструкции) возводятся в настоящее время, в основном, по типовым проектам, разработанным в середине XX века, и в настоящее время широко эксплуатируются в России, надежно выполняя свои функции мостовых переходов через небольшие реки на равнинной местности России [1]. Однако конструкции типовых решетчатых мостов, разработанные более 60 лет назад, уже морально устарели. Эти мосты отличаются от клепаных мостов начала XX века только тем, что элементы стержней вместо соединительных уголков и заклепок соединяться между собой сварными швами.
Сварные стержни главных несущих ферм таких мостов выполняются коробчатого или Н-образного профиля и при этом на каждый метр например, коробчатого стержня укладывается 8 метров сварных швов (для Н-образного профиля -4 м).
Сходящиеся в узлах стержни ферм прикрепляют к развитым по высоте специальным фасонным листам (фасонкам), как правило, на фрикционных высокопрочных болтах. Усилия стержней от эксплуатационных нагрузок перераспределяются в узле через указанные фасонки, которые только с двух сторон можно плотно соединить с боковыми (вертикальными) гранями стержней, следовательно, и усилие в стержень передается только через вертикальные грани, а верхние и нижние горизонтальные листы обеспечивают лишь жесткость стержня, увеличивая его металлоемкость, но свободны от закрепления и не передают и не воспринимают нагрузку узла, что ведет к высокой концентрации напряжений в зоне обрыва (окончания) горизонтального элемента. Наличие концентрации напряжений в зоне обрыва элемента является одним из недостатков указанных выше типовых конструкций стержней мостов.
совершенствование конструкций стержней ферм
Анализируя форму стержней типовых мостов, можно заметить, что сварные профили заимствованы из клепаных конструкций. Более совершенным, близким к идеальной форме, является сте ржен ь в в иде кругл о й пустотел о й трубы.
27
Применение труб в сварных конструкциях связано с рядом преимуществ, которыми отличается данный тип сечения [2]:
- высокие и одинаковые во всех направлениях значения геометрических характеристик сечений таких, как радиус инерции и момент инерции, что позволяет эффективно использовать трубы в стержнях, работающих на центральное и внецен-тренное сжатие, а также кручение. Это открывает возможности для более эффективного использования сталей повышенной и высокой прочности в стержневых конструкциях;
- повышенная местная устойчивость стенок труб, обеспечивающая возможность использования тонкостенных сечений. Увеличение соотношения диаметра трубы к толщине ее стенки D/t ведет к повышению эффективности использования труб в сжатых элементах с позиций повышения устойчивости против продольного изгиба стержня. Поскольку трубы отличаются наилучшей из применяемых в конструкциях обтекаемостью сечения, то такие трубчатые стержни обеспечивает снижение ветровой и волновой нагрузки на сооружение, а следовательно, позволяет дополнительно уменьшить массу конструкции. Именно по этой причине мачтовые и башенные конструкции в большинстве изготавливают из труб;
- повышенная коррозионная стойкость, обусловленная относительно меньшей площадью поверхности, подверженной коррозии, доступностью поверхности для очистки и окраски, отсутствием в ней щелей, пазух и карманов. Однако при этом необходимо принимать меры по обеспечению герметизации внутренних, не окрашиваемых поверхностей труб. Повышенная коррозионная стойкость позволяет снизить эксплуатационные расходы и увеличить срок эксплуатации сварных конструкций из труб;
- эстетичность и архитектурное совершенство конструкций из труб, а также широкая номенклатура сортамента производимых промышленностью труб, способствуют их применению как в типовых конструкциях, так и в уникальных сооружениях.
Подтверждением целесообразности использования трубчатых сечений могут служить башенные конструкции телевизионных центров, несущие конструкции морских буровых платформ и другие конструкции [2].
Для создания надежного и технологичного стержня металлической фермы предлагается использовать круглую трубу необходимого диаметра и толщины стенки, обеспечивающих прочность и устойчивость сжатого и сжато-растянутого стержня [3]. Для присоединения круглого стержня к узлу фермы предлагается деформировать концы трубы и преобразовать их в прямоугольное сечение и прикреплять стержни в узлах к развитым по высоте фасонным листам (фасонкам) на фрикционных высокопрочных болтах, сохраняя существующую схему расположения отверстий под болты, что по-звол ит и сп ол ьз о в ать су ще ст вую щи е н а м о сто в ых 28 -
заводах кондукторы для сверления отверстий.
Поскольку схема крепления трубчатых стержней сохраняется прежняя, как и в сварных стержнях, то усилия в узлах также будут передаваться через боковые грани трубчатых стержней, но поскольку зона крепления стержня сформована в горячем состоянии из стенки сплошной трубы, то в зоне перехода от вертикальной к горизонтальной грани концентрация напряжений будет ниже, чем в сварном соединении, где уровень растягивающих остаточных сварочных напряжений достигает предела текучести, что в свою очередь резко снижает циклическую работоспособность сварных стержней. Трубчатый стержень с деформированными концами свободен от такого отрицательного фактора снижения циклической работоспособности и, следовательно, его многоцикловая работоспособность и надежность длительной работы при одинаковых площадях поперечных сечений в сравнении со сварным стержнем будет несомненно выше.
На рисунке 1 изображен трубчатый стержень моста с деформированными в прямоугольный профиль концами и с вырезанными окнами 2, через которые устанавливаются соединительные болты в монтажные отверстия 5 для соединения стержня с узловыми фасонками.
1 - деформированный конец стержня; 2 - монтажные окна;
3 - труба сварная с продольным швом;
4 - деформированный конец стержня; 5 - отверстия для соединения стержня в узел фермы на монтаже Рисунок 1 - Трубчатый стержень моста
Такие стержни для мостов средних пролетов не будут иметь рабочих (расчетных) стыковых сварных соединений для удлинения трубы стандартной длины (Цтах =12 м), разрушение которых влекло бы за собой выход из строя конструкции. Стержни будут иметь только один продольный связующий стыковой сварной шов трубы, выполняемый автоматом на трубопрокатном заводе при изготовлении трубы. При действии усилия вдоль оси шва по СниП 2.05.03-84. «МОСТЫ и ТРУБЫ», (Приложение 17, Таблица 1, п.9) эффективный коэффициент концентрации напряжений р=1, т.е. концентрации напряжений такой шов не вызывает, являясь связующим швом, что эквивалентно стержню без сварных швов. Перед деформированием концов стержня сориентировать стержень так, чтобы стыковой сварной шов был расположен на плоскости без отверстий под болты. Такая ориентация позволит быть продольному шву трубы действительно связующим и находиться в зоне м е н ь ш и х н а п р_я ж_е н и й . Р а б о_тоспособнос_т ь т а к и х
Вестник КГУ, 2016. № 3
стержней в сравнении со сварными коробчатого сечения будут выше, так как отсутствует скопление сварных швов и будет значительно ниже уровень внутренних остаточных сварочных напряжений, наличие которых всегда снижает циклическую работоспособность а также приводит к различным деформациям (перемещениям) в виде изгиба или винтообразности, которые приходится править. Кроме повышения работоспособности значительно снижается трудоемкость изготовления стержней и снижаются расходы сварочных материалов и электроэнергии.
Изготовление несущих элементов моста с трубчатыми стержнями может быть выполнено на существующих мостовых заводах без изменения технологии подготовки стержней к сборке узла с использованием существующей оснастки сверления отверстий по кондукторам.
Заключение
Преимуществом решетчатого болто-сварного моста со стержнями из труб в сравнении с существующими типовыми проектами является:
- повышение работоспособности пролетного строения со стержнями из труб при одинаковых нетто сечениях стержней, т.к. труба имеет больший момент инерции по сравнению с прямоугольным (квадратным) сечением сварного стержня одинакового с трубой поперечного сечения и, значит, будет обладать большей устойчивостью при сжимающих нагрузках для длинных (Ц> 10 м) сжатых стержней;
- ликвидируются работы по подготовке металла, его резке на полосы, обработке свариваемых кромок, сборке и сварке стержней на мостовом заводе;
- уменьшаются ветровые нагрузки на пролетное строение, поскольку аэродинамический коэффициент лобового сопротивления (сот) круглого стержня равен = 1,4, что значительно меньше, чем для типовых мостов при езде понизу (си = 2,15) (СНиП 2.05.03-84. Приложение 9);
- коррозия круглых стержней уменьшится по сравнению с двутавровыми и коробчатыми с вырезами, где скапливается влага, кроме того, внутреннюю полость трубчатых стержней можно заглушить по концам полимерными вспенивающимися материалами, уменьшая общую площадь покраски моста при эксплуатации.
Замена сварных коробчатых стержней на трубы для типового железнодорожного моста пролетом 66 м сокращает на мостовом заводе длину двусторонних угловых швов типа У7 при сварке под флюсом = 1800 метров при этом снижается расход сварочной проволоки = 2700 кг, сварочного флюса = 3000 кг и уменьшается расход электроэнергии на сварочные работы на = 10000 квтчас.
Для реализации проекта потребуются термическое оборудование в виде печи нагрева концов труб на длине Ц < 1000 мм до температуры ковки стали Т > 850°С а также ковочная машина для де-ф о р м а ц и и концов т р_у б в п р ям о у голь н о е (к в а д р а т -СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 11
ное) сечение. Необходимые печи нагрева на мостовых заводах обычно имеются и используются для изготовления высокопрочных болтов.
Трубопрокатные заводы России по ГОСТ 20295-85 [4] выпускают трубы сварные диаметром 530 - 820 мм с толщиной стенки до 24 мм из низколегированных сталей классов прочности К50 и К60 в которых в термообработан-ном состоянии сварного шва обеспечивается ударная вязкость при температуре минус 60°С КСи = 39,2 Дж/см2, что соответствует необходимым механическим свойствам мостовых сталей марок 15ХСНД и 10ХСНД и требованиям к их сварным соединениям. Для выпуска труб из указанных выше сталей для мостостроения достаточно требований ГОСТ 20295-85, так по п. 2.2 «Марка стали выбирается предприятием-изготовителем труб с учетом требований по нормам механических свойств и ограничений по предельному содержанию элементов для низколегированной стали -ГОСТ 19281-89» [5]. Это значит, что трубопрокатчики не нарушая ГОСТ 20295-85, по согласованию с мостостроителями могут изготовить трубы из сталей 15ХСНД и 10ХСНД классов прочности соответственно С345 и С390 с достаточной прочностью и хладостойкостью для мостостроения.
Выводы
Показана принципиальная возможность замены сварных коробчатых стержней сварными трубами с продольным швом.
Прочность и устойчивость трубчатого стержня при равных площадях поперечного сечения однозначно выше, чем у коробчатого стержня.
Переход на трубчатый профиль экономически выгоден для мостостройиндустрии, экономя сварочные материалы, электроэнергию и трудозатраты.
Список литературы
1 Петропавловский А. А., Богданов Н. Н., Бондарь Н. Г. и др. Проектирование металлических мостов : учебник /
под ред. А. А. Петропавловского. М. : Транспорт, 1982. 320 с.
2 Гарф Э. Ф, Снисаренко В. В. Разработка и применение сварных конструкций из труб //Автоматическая сварка. 2008. С. 32-37.
3 Патент на полезную модель № 72703. Стержень решетчатого моста. Авторы Казаков С. И., Полухин В. В., Сидоров В. К., Тимошенко О. И. Приоритет полезной модели от 02.05.2007 г.
4 ГОСТ 20295-85 Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов. Технические условия.
5 ГОСТ 19281-89 Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия.
