Сварные соединения

Пример 1 Рассчитать на статическую прочность сварные стыковые швы винтовой стяжки, детали которой изготовлены из стали Ст3 =160Мпа; сварка дуговая ручная электродом Э42; =40мм – внутренний диаметр трубы; статическая сила =34000Н, возникающая под действием момента завинчивания стяжки =140Нм [3].

Рис.1. Сварная винтовая стяжка.

Решение. Условие статической прочности сварного шва в опасном сечении

где МПа –допускаемое напряжение сварного шва(принимаем по табл.1); - напряжение растяжения; - напряжение кручения

,

откуда

мм

Принимаем =2.

Пример 2 Найти параметры сварных швов кривошипа, нагруженного постоянной силой =5 кН и имеющего размеры =100 мм; =200 мм; =300 мм; =3 мм при условии, что прочность основного металла обеспечена [3].

Решение. Дополнительно принимаем: основной металл – сталь Ст3 ( =250Мпа); сварка дуговая ручная электродом Э42А; швы угловые с катетом =3 мм.

Расчету подлежит шов №1, который по сравнению со швом №2, дополнительно нагружен изгибающим моментом М. Поверхность опасного сечения шва, является конической, которую условно разворачиваем на плоскость стыка свариваемых деталей. Выполняем приведение нагрузки (перенос в центр тяжести расчетного сечения) и составляем расчетную схему, на которой: - центральная сила; М - изгибающий момент, Н·мм, Т –крутящий момент, Н·мм; - расчетная высота поперечного сечения мм.

В наиболее нагруженных зонах шва, удаленных от оси Х-Х на расстояние , находим суммарное касательное напряжение и сравниваем с допускаемым по зависимости

где - касательное напряжение при действии центральной сдвигающей силы ; при наличии центрирующего пояска ; - касательное напряжение при действии вращательного момента ,

МПа;

- касательное напряжение при действии изгибающего момента ,

МПа

- допускаемое касательное напряжение сварного шва определяем по таблице 1

МПа;

- допускаемое напряжение основного металла, ; - коэффициент запаса по текучести, при грубых расчетах принимаем =1,6.

Определяем

МПа =102 МПа.

Статическая прочность угловых швов обеспечена.

Определяем величину катета проектным расчетом

мм

Принимаем =3 мм.

Пример расчета 3. Рассчитать кронштейн и сварное соединение (рис. 3.14) при F =10⁴H, Т =8 10³ Н м=8·10⁶ Н·мм, нагрузка статическая, толщина листа δ=12 мм, материал листа—сталь Ст3 (σ_т=220 МПа), сварка ручная электродом Э 42 [2].

Решение 1. Определяем ширину b листа по условию его прочности. Принимая s =1,4 (см. примечания к табл. 3.1), находим

[σ]_p=σ_т/s=220/l,4=157 МПа.

Учитывая только основную нагрузку T, получаем

W=δb²/6 = T [σ]p

или мм.

С учетом нагрузки F принимаем b =165 мм. Проверяем прочность при суммарной нагрузке:

МПа<[σ]_p=157 МПа.

2. Определяем размеры швов. Принимаем l _л= b =165 мм, k=δ=12 мм. Предварительно оцениваем l _ф только по основной нагрузке T, используя формулу (3.13). При этом, согласно табл. 3.1, принимаем

[τ'] =0,6 [σ]_р=94 МПа;

τ_т=94=8·10⁶/(l _ф·0,7·12·165+0,7·12·165²/6);

из этого равенства найдем l _ф=35 мм. Пусть l _ф=40 мм (исполнительный размер с учетом неполноценности шва на концах l _ф=50...60 мм).

Проверяем прочность швов по суммарной нагрузке [см. формулу (3.14)]:

τ_F=10⁴/[0,7 12(2·40+165)]≈5 МПа [см. формулу (3.11)];

уточняем τ_т=8·10⁶/(0,7·12·40·165+0,7·12·165²/6)=86 МПа [см. формулу (3.13)];

τ=τ_т+τ_F=91<[τ']=94 МПа.

Отмечаем, что по условию равнопрочности детали и соединения при действии изгибающей нагрузки как основной требуемая длина фланговых швов l _ф невелика и составляет около 0,25 l _д

Пример 3.2. Рассчитать сварной шов (см. рис. 3.17): d =140мм, толщина стенки трубы δ=5 мм, T =104Нм, М =7 10³Нм, нагрузка статическая, материал трубы—сталь Ст3, сварка ручная электродом Э42. Сама труба рассчитана по [σ]_р=157МПа (см. пример 3.1) [2].

Решение. Напряжение от Т, по формуле (3.17),

τ _т =2·10⁷/(0,7 kπ ·140²)=4,65·10²/ k.

Напряжения от М, по формуле (3.18),

τ _м=4·7·10⁶/(0,7 kπ ·140²)=6,5·10²/ k.

Суммарное напряжение, по формуле (3.19),

τ =(10²/ k) =8·10²/ k ≤[ τ ']=94 МПа (см. пример 3.1).

Отсюда находим k =8,5 мм. Отметим, что для принятой конструкции шва при условии равнопрочности шва и трубы требуется k > δ. Более совершенно соединение стыковым швом с разделкой кромок. Изучающим рекомендуется самим выполнить расчет такого соединения.

Пример 3.3. Рассчитать соединение, выполненное точечной сваркой и нагруженное по схеме рис. 3.18, а. Задано: F =3500 H, δ=3 мм, материал—сталь 10, нагрузка знакопеременная (R = —1) [2].

Решение. Определяем ширину b прочного листа с учетом ослабления в зоне сварки. Принимая s =1,5, находим [ σ ]_р= σ _т/ s =200/1,5=133 МПа (см. табл. 1.1).

По формуле (3.22) при K _эф≈7,5 (см. табл. 3.3) находим

=1/(0,6·7,5+0,2)-(0,6·7,5-0,2)(-1)≈0,11.

Расчетное допускаемое напряжение

[σ]=[σ]_р =133·0,11=14,6 МПа.

Далее b = F /(δ [σ])=3500/(3·14,6)≈80 мм.

Определяем размеры и число сварных точек. По рекомендациям,

d =1,2·3+4≈8 мм; t ₂=1,5·8=12 мм; t₁=2·8=16 мм; t=3·8=24мм.

Число точек в одном ряду

z '=[(b-2t₂)/ t ]+l=[(80-24)/24]+1-3,3.

Принимая число точек в двух рядах z =6, проверяем прочность сварных точек по формуле (3.20):

τ =4·3500/(6π·8²)=11,6 МПа.

По табл. 3.1 с учетом у имеем

[ τ ']=0,6[σ]_р =0,6·133·0,11=8,75 МПа.

Условия прочности не удовлетворяются. Следовательно, нужно увеличивать ширину листов и ставить четыре точки в ряду или выполнять трехрядное соединение по три точки в ряду. Этот пример показывает, как плохо работают/точечные соединения при знакопеременных нагрузках.