книги / Строительная механика и металлоконструкции строительных и дорожных машин

конструкций и увеличить их срок службы. В настоящее время основные несущие конструкции дорожно-строительных машин изготовляют из низколегированных сталей (ГОСТ 19282—73, ГОСТ 19281—73).

Ввиду относительно высокой стоимости низколегированной стали и дефицйтности некоторых легирующих добавок металлургическая промышленность освоила новый вид стального проката —термоупроч­ ненную углеродистую сталь. При незначительном повышении стоимости изготовления (по сравнению со стоимостью обычной углеродистой ста­ ли) термоупрочненная сталь имеет лучшие механические свойства, дости­ гая прочности низколегированных сталей. Недостатком некоторых ви­ дов термоупрочненных сталей является их частичное разупрочнение из-за нагрева при сварке. Для металлоконструкций дорожно-строительных машин рекомендуются термоупрочненные стали, не обладающие этим недостатком (с пределом текучести не более 440 МПа). Маркировка тер­ моупрочненных сталей аналогична маркировке углеродистых сталей, но с указанием технических условий на изготовление: ВСтЗ, термоупроч­ ненная по ТУ 14-1-3090-81.

Механические свойства сталей характеризуются временным сопро­ тивлением разрыву ав, модулем упругости Е = 2 105 МПа, пределом текучести ат, относительным удлинением б, ударной вязкостью д, преде­ лом выносливости о.1 и другими показателями (табл. 2.1).

Отметим, что предел выносливости o_i не регламентируется стандар­ тами. Значения о. j , приведенные в таблице, являются приближенными

имогут использоваться только для ориентировочных расчетов.

2.1.2.РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СТАЛИ

С УЧЕТОМ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН

Выбор марки стали зависит от условий эксплуатации конструкций, особенностей технологического процесса их изготовления, требований к массе и стоимости конструкции. Для снижения массы конструкций рекомендуется применять низколегированные стали высокой прочности. При этом следует иметь в виду, что трудоемкость изготовления конст­ рукций из легированных сталей обычно выше, чем из углеродистых. Кроме того, легированные стали дороже углеродистых. Например, про­ кат из сталей 09Г2, 09Г2Д приблизительно на 30 % прочнее и на 17 % дороже проката Из стали СтЗ, а сталь 10ХСНД на 70 % прочнее стали СтЗ и на столько же Дороже.

При выборе марки стали необходимо учитывать возможность рабо­ ты дорожно-строительных машин в различных климатических зонах. Согласно ГОСТ 15150—69 половина территории СССР относится к зоне с холодным климатом, для которой регламентируется работоспособность машин при температуре —60 °С. Однако и для зоны с умеренным клима­ том температура достигает - 40 —50 ° С.

Механические характеристики сталей, в том числе приведенные в табл. 2.1, получает путем лабораторных испытаний, проводимых по стан­ дартным методикам. В реальных условиях эксплуатации характеристики

Рис. 2.1. Изменение предельных напряжений

вфункции отрицательной температуры

механических свойств стали могут отличаться от стандартных значений.

\Наибольшее влияние'на механические свойства стали оказывают два факто­

ра: скорость деформации и темпе­ ратура. (

Известно, что твердые тела разрушаются в результате развития пластических (сдвиговых) деформаций или в результате отрыва при хрупком разрушении. При положительной температуре и относительно малой скорости приложения нагрузки конструкционные стали разру­ шаются от деформации сдвига. При понижении температуры и увеличе­ нии скорости деформации предел текучести стали увеличивается и ста­ новится больше предельного сопротивления отрыву а 0тр, что соответст­ вует переходу от пластического к хрупкому разрушению. Температу­ ра Гкр (рис. 2.1), при которой ат= аотр, называется порогом хладно­ ломкости. При t < гкр сталь склонна к хрупкому разрушению, при этом резко снижается долговечность конструкций и возрастает риск их вне­ запной поломки при наличии дефектов сварки, микротрещин и других концентраторов напряжений. Поэтому стали выбирают с учетом темпера­ туры, при которой будут работать металлоконструкции.

Институтом электросварки им. Е.О. Патона разработаны рекоменда­ ции по выбору сталей для сварных конструкций, вошедшие в приложе­ ние к ГОСТ 14892—69 **уДля основных несущих конструкций, работаю­ щих при г = —40 —50 °"С, при толщине проката до 20 ... 40 мм реко­ мендуются низколегированные стали 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 15ХСНД, 10ХСНД, 14Г2АФ, 15Г2АФДсп. Эти же стали рекомендуются для t — = -5 0 -6 5 ° С при условии контроля их ударной вязкости при тем­ пературе —70 °С. Применение углеродистых сталей в условиях отри­ цательных температур —50 °С и ниже допускается только для вспомо­ гательных элементов (ограждений, настилов, кожухов и т.д.). При про­ верке усталостной прочности следует пользоваться пониженными зна­ чениями предела выносливости, установленными ГОСТ 14892-69** в

выпускаемых металлургической промышленностью: двутавров по ГОСТ 8239-72, швеллеров по ГОСТ 8240-72, стали угловой равнопо­ лочной по ГОСТ 8509-72 и неравнополочной по ГОСТ 8510-72, сталь­ ных труб, листовой и широкополосовой стали. Эти прокатные профили применяются самостоятельно или в составе сечений более сложной конфигурации (рис. 2.2, а - д ).

Использование стандартных профилей не всегда является наилуч­ шим решением для металлоконструкций машин. Стандартные профили

T7" ч

балок

Рис. 2.3. Расчетная схема рукояти экска­ ватора

типа двутавров и швеллеров перво­ начально были созданы для изго­ товления несущих конструкций зда­ ний и сооружений. Профили имеют

массивные полки и тонкие стенки, в результате чего обладают большим моментом инерции сечения в вертикальной плоскости. Такое решение обеспечивает большое сопротивление изгибу балок, воспринимающих силы тяжести и другие нагрузки, действующие перпендикулярно пол­ кам. Этот случай нагружения характерен для строительных конструкций и не типичен для несущих конструкций машин. Металлоконструкции дорожных машин подвержены действию нагрузок в различных плоскос­ тях. Более того, в процессе работы машин нагрузки изменяются как по значению, так и по направлению. Поэтому рациональные формы попереч­ ных сечений элементов конструкций, как правило, отличаются от стан­ дартных прокатных профилей.

Наиболее распространенными являются гнуто-сварные и сварные профили (рис. 2.2, г - д) , изготовляемые из листовой стали. Они обла­ дают рядом преимуществ: относительной простотой изготовления, ра­ циональностью форм поперечных сечений, возможностью изготовления балок с переменными по длине сечениями, эстетичностью конструкций. Применение гнуто-сварных профилей позволяет снизить массу металло­ конструкций. Например, применение гнуто-сварной конструкции рукоя­ ти экскаватора позволило выполнить ее с переменным по длине сече­ нием так, что форма рукояти приблизительно соответствует конфигу­ рации эпюры моментов (рис. 2.3). Такое конструкторское решение способствует более равномерному распределению напряжений по различ­ ным сечениям, что приводит к экономии металла.

Металлургическая промышленность выпускает гнуто-сварные замк­ нутые профили коробчатого сечения, квадратной и прямоугольной форм (табл. 2.2).

Когда коробчатое сечение должно быть переменным по длине балки, учитывают необходимость раскроя стального листа с минимальными потерями.

2.2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ

2.2.1. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ МАШИН

Нагрузки, действующие на стационарные конструкции. При проекти­ ровании стационарных конструкций, таких, как каркасы зданий, несу­ щие конструкции асфальтосмесительных установок и т.д., необходимо выполнять требования СНиП Н-6-74 ’’Нагрузки и воздействия”. Соглас­ но этим нормам все нагрузки разделяют на постоянные и временные. К постоянным относятся силы тяжести сооружений, а к временным — длительные (вес стационарного оборудования; давление жидкостей, газов и сыпучих тел в емкостях; температурные воздействия; нагрузки от мостовых кранов и др.) ; кратковременные (вес людей, нагрузки от подъемно-транспортного оборудования, снеговые и ветровые нагрузки,

нагрузки и их сочетания устанавливаются нормами на проектирование в виде численных значений или расчетных формул. Расчетные нагрузки принимаются равными соответствующим нормативным нагрузкам, умноженным на коэффициент перегрузки п, учитывающий возможность превышения нормативной нагрузки. При расчетах на усталостную долго­ вечность принимают п = 1, а при расчетах на прочность п > 1.

Нагрузки, действующие на несущие конструкции машин. При проек­ тировании несущих конструкций машин нагрузки разделяют на основ­ ные (нормативные), случайные и аварийные. К основным относят на­ грузки, действующие на металлоконструкцию в условиях ее нормальной эксплуатации; к случайным — совокупность одновременно действую­ щих нагрузок в сочетании, наихудшем для прочности рассчитываемого элемента конструкции; к аварийным - нагрузки, вероятность появле­ ния которых мала.

Например, при проектировании башенных кранов основными нагруз­ ками являются силы тяжести крана и груза, ветровая нагрузка и испыта­ тельная нагрузка. Случайными являются нагрузки, характеризуемые некоторым статистическим распределением (возможное превышение веса груза; нагрузка, вызванная колебаниями крана при пульсации ди­ намического давления ветра; динамические нагрузки, возникающие при подъеме и опускании груза, при повороте, разгоне и торможении крана).

Для выполнения проектных расчетов принципиальное значение имеет правильный выбор расчетных сочетаний действующих нагрузок. В тех случаях, когда работают в относительно стабильных условиях эксплуатации и имеется статистический материал о значениях действую­ щих нагрузок, их расчетные сочетания регламентированы нормами или методиками расчета. Примером являются нормы расчета башенных кра­ нов (ГОСТ 13994-81).

Для большинства дорожных машин таких норм пока не существует

Рг

LM \ / \ P r.,

0)

Рис. 2.4. Схемы для определения нагрузок, действующих на рабочий орган рыхлителя

Рис. 2.5. Расчетная схема рыхлителя

и разработчики вынуждены само­ стоятельно определять расчетные комбинации нагрузок.

Общий принцип определения расчетных сочетаний нагрузок со­ стоит в том, что проектируемая конструкция не должна разру­

шаться от однократного действия случайных нагрузок и длительного действия основных. Поэтому при прочностных расчетах и расчетах на устойчивость исходят из наиболее неблагоприятного сочетания случайных и основных нагрузок (максимальных нагрузок). При расчетах же на усталость исходят из эквивалентной нагрузки - условной нагрузки с постоянной асимметрией цикла, эквивалентной по интенсивности накоп­ ления усталостных повреждений действительной нагрузке.

Определим нагрузки, действующие на зуб рыхлителя (рис. 2.4, а).

Основными нагрузками, действующими на зуб, являются горизонтальная Рг и вертикальная Рв составляющие усилия копания. При продвижении зуба в грунте сила копания и ее составляющие периодически.изменяются во времени t по значе­ нию из-за выкалывания перед зубом элементов грунтовой стружки. В момент скола усилие копания снижается на 30 ... 50 % по сравнению с максимальным зна­ чением (рис. 2.4, б) . Составляющие Рти Рв можно определить по формулам, при­ водимым в литературе по теории резания грунтов.

Для расчета на усталость основную нагрузку (рис. 2.4, б) заменяют эквива­ лентной синусоидальной нагрузкой (рис. 2.4, о) , коэффициент асимметрии кото­ рой R —Рrm in/^г шах» где Ррmin в ^Vmax —минимальное и максимальное значения горизонтальной составляющей усилия копания. Определив эквивалентную нагруз­ ку, дальнейший расчет выполняют по методике, изложенной в гл. 2.5.

Для расчета на прочность необходимо выбрать наиболее опасные сочетания нагрузок, действующих на зуб. Они возникают при реализации максимальной мощ­ ности базового трактора и трактора-толкача, когда зуб упирается в непреодолимое препятствие. Расчет выполняют для тех положений рабочего оборудования, при ко­ торых в элементе конструкции можно ожидать появления наибольших напряжений, например для упора зуба в препятствие при одновременном выглублении его из грунта (рис. 2.5). В этом положении нагрузка Рг равна сумме максимальной тя­ говой силы Т базового трактора и силы Тттрактора-толкача: Рг = Т + TJf а верти­ кальная нагрузка Ръ определится из уравнения моментов относительно точки А : Рв = (Ga + PTh + Ттс)/Ь .

2.2.2.РАСЧЕТ ПО ДОПУСКАЕМЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ

ИПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Существует три метода расчета металлоконструкций машин: по до­ пускаемым напряжениям, по предельным состояниям и на надежность.

Расчет по допускаемым напряжениям. В основе расчета по допускае­ мым напряжениям лежит гипотеза идеально упругого тела, для кото­ рого закон Гука о прямой пропорциональности между напряжениями и деформациями считается справедливым до начала текучести материала. Основной формулой расчета является

где ур и 7 - коэффициенты, учитывающие соответственно снижение допускаемого напряжения в задачах устойчивости и усталостного разрушения конструкций.

При расчете по методу допускаемых напряжений применяют единый коэффициент запаса прочности, который не оценивает изменчивость и статистическую природу параметров, определяющих поведение конст­ рукций. Это приводит в ряде случаев к неправильной оценке несущей способности конструкции (завышенному или заниженному запасу прочности).

Расчет по предельным состояниям. Метод расчета по предельным состояниям основывается на анализе процессов перехода конструкций в одно из состояний, при котором они теряют способность сопротивлять­ ся внешним воздействиям или перестают удовлетворять предъявляемым к ним тербованиям функционального назначения.

Применительно к металлоконструкциям дорожно-строительных ма­ шин различают два вида предельных состояний:

1) состояние по несущей способности (прочности, устойчивости и усталости), при достижении которого конструкция теряет способность