Проектирование и расчет сварных соединений в конструкциях вагонов

Требования к проектированию и изготовлению сварных кон­струкций вагонов установлены ОСТ 24.050.34—75 (Сварка в ва­гоностроении. Технические условия). Проектируемые сварные конструкции вагонов должны быть удобны для сварки, окраски, осмотра и очистки. Следует избегать в конструкциях щелей и за­зоров, способствующих образованию коррозии. Сечения сварных элементов должны быть по возможности симметричными и соста­вленными из минимального числа деталей, чтобы количество соеди­нительных швов было наименьшим. При этом количество стыков в растянутых элементах должно быть минимальным, а сами стыки по возможности располагаться в зонах с наименьшими напряже­ниями. Форма и взаимное расположение деталей должны обеспе­чивать видимость сварочной ванны и угол наклона электрода не менее 30°.

При проектировании необходимо стремиться к такому располо­жению швов, которое позволяло бы осуществлять сварку в нижнем положении, так как сварка вертикальных и особенно потолочных швов ухудшает их качество. Соотношение толщин свариваемых деталей не должно превышать 2: 1 (как исключение, допускают

соотношение 3: 1). В сварных элементах не рекомендовано при­менять пакеты, состоящие из нескольких сваренных листов. При стыковании элементов разной толщины обеспечивают плавность перехода сечений, для чего у более толстых элементов делают до­полнительный скос (с уклоном 1: 5) с одной или с двух сторон. Скосы можно не делать, если разность толщин элементов ∆ х со­ставляет:

при V-образной разделке

∆ x = (δ _max - δ _ш1п) ≤ (δ _mln/4);

при Х-образной разделке и симметричном стыковании

∆ x = (δ _max - δ _ш1п) ≤ (δ _mln/4);

при Х-образной разделке и несимметричном стыковании

∆ x = (δ _max - δ _ш1п) ≤ (δ _mln/8);

В случае соединения элементов неодинаковой толщины рас­четную толщину шва принимают равной толщине более тонкого листа, а при выполнении стыкового шва на элементах одинаковой толщины — равной толщине одного из свариваемых элементов.

При проектировании сварных соединений в ответственных узлах следует избегать сосредоточения нескольких швов в огра­ниченной зоне; соединения трех отдельных элементов одним швом; размещения двух швов, нормальных к силовому потоку, на рас­стоянии менее 50 мм. При использовании гнутых профилей и штам­пованных элементов, выполненных в холодном состоянии, необ­ходимо учитывать понижение пластических свойств металла в ме­стах резких перегибов и избегать наложения сварных швов в этих зонах. Не допускается применять прерывистые швы при сварке основных несущих элементов и приварке дополнительных деталей к основным элементам.

В конструкциях рам вагонов и тележек стыковые швы следует выполнять двусторонней сваркой, независимо от формы подго­товки кромок. Одностороннюю сварку можно применять лишь в том случае, когда выполнить двустороннюю невозможно. Одно сторонняя сварка допустима лишь при условии обеспечения пол­ного провара (например, при использовании остающейся под­кладки).

Ребра жесткости, диафрагмы и другие дополнительные детали необходимо стазить с учетом действующих в основном сечении напряжений, размещая детали по возможности в менее напряжен­ных местах. Приваривать ребра жесткости и диафрагмы непосред­ственно к растянутым поясам не следует. В одностенчатых балках во избежание коробления ребра жесткости необходимо ставить симметрично с обеих сторон стенки и приваривать сплошными двусторонними швами. Ребра жесткости, параллельные стыковым швам стенки, должны быть удалены от стыков на расстояние не менее 10 толщин стенки. Сварные угловые швы, расположенные

нормально к силовому потоку, применять не рекомендовано, по возможности следует также заменять поперечные угловые швы косыми швами.

В ответственных элементах рабочие угловые швы необходимо проектировать с вогнутым очертанием их поверхности, а также с плавным переходом к основному металлу. Фланговые швы соеди­нений, воспринимающих осевую силу, можно выполнять как вогнутой, так и выпуклой формы. При проектировании соедине­ний внахлест рекомендуется не ограничиваться только фланго­выми швами, а добавлять лобовые швы, в которых отношение большего катета к меньшему должно составлять 2, 0—2, 5. При этом больший катет следует направлять вдоль усилия, восприни­маемого лобовым швом. В напряженных элементах сварных кон­струкций свободные кромки деталей после резки газом, на штам­пах и т. д. рекомендуется подвергать механической зачистке.

Для повышения усталостной прочности и сопротивляемости сварных соединений хрупким разрушениям следует применять поверхностный наклеп многобойковым упрочнителем, аргонно-дуговую обработку швов или термическую обработку в виде вы­сокого отпуска. Поверхностный наклеп многобойковым упрочни­телем типовых сварных элементов рам тележек и вагонов может существенно повысить их усталостную прочность. Особенно эф­фективным является этот способ для сварных элементов с деталями, имеющими близко расположенные поперечные швы. Аргонно-дуговая обработка швов является эффективным средством повы­шения усталостной прочности сварных конструкций при больших напряжениях (16—18 кгс/мм²) и хорошем качества сварочных швов. Высокий отпуск оказывается эффективным при наличии неблагоприятных внутренних напряжений и большой их кон­центрации.

Сварные швы стыковых соединений должны быть по возмож­ности равнопрочными с основным металлом элементов. Конструк­ции с равнопрочными сварными стыковыми швами отвечают тре­бованиям экономичности, так как увеличение прочности сварных швов по сравнению с основным элементом усложняет изготовление конструкции, не улучшая условий ее работы. Более того, концен­трация напряжений в сварных швах снижает несущую способ­ность всего элемента конструкции и не позволяет в полной мере использовать его сечение, что приводит к перерасходу материала.

При действии на элемент продольной силы распределение на­пряжений как в поперечных сечениях самого элемента, так и в по­перечном сечении по сварному шву, принимают равномерным; расчетную величину шва принимают равной толщине основного элемента, длину шва — равной ширине основного элемента при условии выполнения шва с применением выводных планок. Если эти планки отсутствуют, то расчетную длину шва уменьшают на 10 мм (этим учитывают возможность некоторого непровара начального и конечного участков шва при ручной сварке). При

действии продольной силы на элементы, соединенные стыковым швом, расчетное условие имеет вид

(23)

где Р — продольная сила; σ — напряжение в шве; s — расчет­ная толщина шва; l _ш — расчетная длина шва; [σ _ш] — допускае­мое напряжение в шве.

В некоторых случаях, когда по условиям выполнения швов допускаемые напряжения в металле шва не могут быть приняты равными допускаемым напряжениям в основном металле, для обеспечения условной равнопрочности сварного стыкового соеди­нения можно применять косой шов. При расчете угловых швов расчетный профиль шва принимают в виде вписанного равносто­роннего треугольника. За расчетную толщину шва берут толщину его наименьшего косого сечения, равную 0, 7 k, где k — катет шва. Эти швы рассчитывают по допускаемым напряжениям на срез

Толщину расчетного сечения угловых швов при обеспечении полного провара по толщине присоединяемого элемента принимают (как и для стыковых швов) равной толщине основного элемента. Такие угловые швы рассчитывают так же, как и стыковые швы, по допускаемым напряжениям на растяжение (или на сжатие), что соответствует условиям их действительной работы.

При расчете прочности сварных соединений допускаемое на­пряжение в металле шва в большинстве случаев принимают рав­ным допускаемому напряжению в основном металле. При этом требования прочности для сварных стыковых соединений выпол­няются безусловно в том случае, если они были удовлетворены при подборе размеров сечения основных соединяемых элементов. То же относится и к воспринимающим осевую силу или изгибаю­щий момент сварным тавровым соединениям, когда они выполнены с обеспечением провара по всей толщине соединяемых элементов.

Условия расчета сварных соединений, воспринимающих изгиб, в основном такие же, как и воспринимающих осевые усилия. Основные расчетные формулы для проверки прочности сварных стыковых соединений при их работе на изгиб и основных элемен­тов конструкции одинаковые, вследствие того, что форма сечения сварного стыкового соединения остается такой же, как и у основ­ного элемента; следовательно,

(24)

где М — изгибающий момент, действующий в сечении; W — момент сопротивления соединяемого элемента в месте сопряжения.

По этой же формуле рассчитывают соединения впритык в том случае, когда обеспечен полный провар по всей толщине элемента. Соединения впритык, осуществленные угловыми швами (без про­вара по всей толщине присоединяемого элемента), рассчитывают по допускаемым напряжениям на срез

(25)

где W — момент сопротивления расчетного сечения по сварным швам.

В случае прикреплений угловыми швами сложных профилей расчет по формулам (24) и (25) допустим только при условии обес­печения пропорциональности между толщинами отдельных частей элементов и размерами прикрепляющих их швов.

Если, кроме изгибающего момента, на соединение действует и поперечная сила, то необходимо определять касательные на­пряжения от этой силы и проверять прочность по эквивалентным (суммарным) напряжениям. Напряжение среза в швах от усилий, действующих в плоскости соединения элементов, если жесткость этих элементов больше жесткости швов на срез,

где Q — равнодействующая всех сил, действующих в рассматри­ваемой плоскости; М_х — момент всех сил относительно центра тяжести сечения швов; г — радиус, проведенный из центра тяже­сти сечения швов к точке шва, в которой определяют напряжения; l_h Si — расчетные размеры шва; J_г и J_y — моменты инерции сечения, имеющего конфигурацию, соответствующую расположе­нию швов; s_i-— толщина участков этого сечения, равная наимень­шим размерам сечений швов.

Напряжения среза в торцовых швах от усилий, действующих в плоскости соединений сваренных впритык тонкостенных эле­ментов, равны:

для швов, присоединяющих замкнутый контур,

для швов, присоединяющих незамкнутый контур,

здесь Q — равнодействующая всех сил, действующих в рассма­триваемой плоскости; М — момент всех действующих в сечении сил относительно центра изгиба сечения присоединяемого эле­мента; F — площадь, ограниченная замкнутым контуром швов.

60
Напряжения среза в швах торцовых соединений от усилий, которые действуют в плоскостях, перпендикулярных плоскости соединения элементов,

где М_г и М_и — моменты сил, которые действуют в плоскостях, перпендикулярных плоскости сечения швов; J_г и J_y — моменты инерции сечения, имеющего соответствующую расположению швов конфигурацию (толщина участков этого сечения равна наи­меньшей толщине сечения рассматриваемого шва); у и z — коор­динаты точки сечения шва, в которой определяют напряжения; Р — продольное усилие, приложенное вдоль оси, проходящей через центр тяжести сечения; s_t и l_i — расчетные размеры шва.

При определении моментов инерции J_г и J_y в сечении не учи­тывают швы, присоединяющие одну деталь к стенке другой детали, если эта стенка не подкреплена ребрами или иными элементами.

Напряжения, вычисленные по формулам (26)—(28), сумми­руют:

(29)

Точечное и роликовое соединения проектируют только для работы на срез. При проектировании сварных точечных соедине­ний применяют упрощенную методику расчета, где распределение касательных напряжений в рабочем сечении сварной точки при­нимают равномерным, а действием в нем нормальных напряжений пренебрегают. Допускают также, что в многоточечных соедине­ниях распределение усилий между отдельными сварными точками равномерное. Это позволяет при расчете сварных точечных соеди­нений, воспринимающих осевую растягивающую нагрузку, при­нимать условие прочности в виде

(30)

где Р — усилие, передаваемое на соединение; d — диаметр свар­ной точки (литого ядра точки); К — количество плоскостей среза сварных точек; [τ _т] — допускаемое напряжение на срез для свар­ной точки; и — количество точек в соединении.

При расчете точечных соединений следует иметь в виду, что даже при осевой нагрузке сварная точка, кроме среза, испытывает еще и изгиб, который для соединений с двусторонним нахлестом обычно не учитывают. Наличие изгиба приводит к тому, что при выборе соотношений между отдельными размерами соединения учитывают также условия работы сварной точки на отрыв, воз­можный в результате появления нормальных напряжений от

изгиба. Если проверку на отрыв выполняют при толщине свари­ваемого металла менее 2 мм, то напряжение

(31)

а если при толщине свариваемого металла 2 мм и более, то

(32)

где Q — равнодействующая всех сил, действующих в рассматри­ваемой плоскости; d — проектный диаметр точки; s — толщина металла (в наименьшем сечении); п — количество точек, воспри­нимающих нагрузку; k — количество плоскостей среза точки.

Для ответственных узлов, помимо расчетов, позволяющих выбрать основные размеры сварочных швов, выполняют также расчеты на усталостную прочность, при которых учитывают фак­торы концентрации напряжений, влияние размеров, состояние поверхности и более точные характеристики условий нагружения.