способ изготовления тавровых элементов ортотропной плиты

Формула изобретения

Способ изготовления тавровых элементов ортотропной плиты, включающий раскладку на опорной плите сборочного стенда настильного листа, прикрепление его по контуру, установку с помощью приспособлений и закрепление сваркой ребра жесткости на настильном листе параллельно продольным кромкам, разъединение сварной плиты с опорной плитой сборочного стенда, отличающийся тем, что один конец размещенного на настильном листе ребра жесткости закрепляют неподвижно, а второй конец устанавливают с возможностью осевого перемещения и к нему прикладывают растягивающее усилие с напряжением, не превышающим предела текучести материала ребра жесткости, после чего сварку ведут сплошным швом со стороны неподвижно закрепленного конца ребра жесткости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении ортотропных плит, а также в машиностроении и в строительстве, где требуется изготовление длинномерных тавровых соединений.

Известен способ изготовления комбинированных конструкций, содержащих основу, на которой размещены прочно с ней соединенные вспомогательные элементы. Отличие этого способа состоит в том, что на основе с определенным интервалом прочно закреплены две неподвижные детали, между которыми с зазором располагают промежуточные элементы. Между промежуточными элементами и ближайшими к ним неподвижными деталями, а также между соседними промежуточными элементами размещают вспомогательные элементы. Между неподвижными деталями и вспомогательными элементами располагают домкраты. Посредством выдвигания штоков домкратов к основе прикладывают осевую растягивающую нагрузку, при этом на вспомогательные элементы действует осевая сжимающая нагрузка. В таком состоянии вспомогательные элементы прочно крепят к основе и вдвигают штоки домкратов (см. Заявка Японии №60-18366 от 31.01.1985 г. "Способ изготовления комбинированных строительных конструкций". Опубликована в РЖ "Изобретения стран мира", 1994 г., №5, с.17).

Это техническое решение предназначено для выполнения точного позиционирования деталей на основе определенной строительной конструкции и решает проблему их сборки без применения специальной оснастки или в целом сборочного стенда. Однако для изготовления длинномерных тавровых элементов ортотропной плиты данное изобретение не может быть использовано, так как растянуть крупногабаритный настильный лист представляет достаточно сложную техническую задачу, трудно осуществимую в условиях реального производства.

Известен также способ изготовления тавровых элементов ортотропной плиты, который включает следующие операции:

- подготовка настильной плиты и ребер жесткости к сборке;

- сборка настильного листа с ребрами по разметке с помощью угольника, слесарного инструмента и использованием домкрата передвижного портала для прижатия ребра к листу отдельными участками в зависимости от длины ребер;

- прихватка ребра жесткости к настильному листу полуавтоматической сваркой;

- придание листу обратного поперечного выгиба винтами, вмонтированными в постель кондуктора. Средний винт выводят на определенную величину в зависимости от толщины и ширины настильного листа, а также количества ребер. По длине фиксируют поперечный выгиб в трех сечениях;

- придание листу продольного выгиба, для чего поднимают концевые в пределах листа поперечные траверсы кондуктора винтами, вмонтированными в концы этих траверс;

- приварка ребра к настильному листу двухдуговым автоматом сближенными дугами, при этом сварку начинают с середины ребра;

- выдержка плиты прижатой в кондукторе до полного остывания;

- правка плиты термическим способом по проекциям всех продольных ребер жесткости с наружной стороны настильного листа. Форма зоны нагрева клиновидная;

- зачистка сварных швов по местам постановки прихваток по имеющимся дефектам в виде завышения усиления катета шва наплывов и т.д. (см. Технологическая инструкция типовая ТИ-68-2-81 на изготовление ортотропных и нижних плит пролетных строений мостов. Министерство транспортного строительства СССР. Главмостострой. Мостостройиндустрия. Воронежский мостовой завод, 1995 г.)

Этот технологический процесс изготовления тавровых элементов ортотропной плиты обладает целым рядом недостатков.

Во-первых, он сложен и громоздок в реализации из-за наличия таких специфических операций, как поджатие ребер жесткости к настильному листу домкратами перекатного портала, а также необходимости придания настильному листу обратного поперечного и продольного выгибов с помощью винтов и приспособлений, предназначенных для уменьшения остаточных деформаций конструкции плиты после сварки. Для этой же цели проводится и термическая правка настильного листа с ребрами после сварки.

Во-вторых, способ очень трудоемок в исполнении, так как после выполнения вышеуказанных операций требуется еще зачистка сварного шва в местах предварительных прихваток для удаления излишков металла и она, как правило, производится вручную с использованием шлифовальных инструментов.

Наиболее близким к заявляемому способу по решаемой задаче, технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления тавровых элементов ортотропных плит, который принят в качестве прототипа.

Способ включает раскладку на металлической плите сборочного стенда настильного листа, прикрепление его по контуру к опорной плите с применением съемных прижимных приспособлений, и обеспечивают с их помощью плотный контакт настильного листа с опорной плитой сборочного стенда. Далее производят установку, закрепление на настильном листе с помощью сборочных прихваток, рихтовку и приварку к листу ребер жесткости, параллельных продольным кромкам листа, преимущественно с помощью двухдуговых сварочных тракторов. После этого производят релаксацию продольных остаточных напряжений путем нагрева листа по линиям швов, а затем производят разъединение готовой плиты с опорной плитой сборочного стенда в следующей последовательности: первоначально удаляют прижимные приспособления с поперечных кромок сварной конструкции ортотропной плиты, потом с середины продольных ребер в направлениях к освобожденным концевым участкам (Авторское свидетельство СССР №1268658, Е 01 D 7/02, 19/12 "Металлическая ортотропная плита пролетного строения моста и способ ее изготовления", опубликовано 07.11.1986 г. Бюл. №41).

Однако и этому способу присущи свои недостатки. Он так же трудоемок, поскольку предварительная прихватка ребер жесткости к настильному листу требует дополнительной ручной зачистки абразивным инструментом излишнего металла сварного шва в местах прихваток.

Релаксация продольных остаточных напряжений в местах сварки путем газопламенного или сварочного нагрева также связана с излишним расходом газа и электродов и, в целом, добавляет необходимость дополнительных затрат труда, что повышает общую стоимость изготовления ортотропной плиты.

Задача по устранению имеющихся недостатков прототипа решается путем создания упругопластических деформаций удлинения ребра жесткости в процессе сварки с целью компенсации деформации его укорочения, вызванных сваркой.

Технический результат - упрощение способа и снижение трудоемкости изготовления тавровых элементов ортотропной плиты достигается за счет того, что один конец размещенного на настильном листе ребра жесткости закрепляют неподвижно, а второй конец устанавливают с возможностью его осевого перемещения и к нему прикладывают растягивающее усилие с напряжением, не превышающим предела текучести материала ребра жесткости при комнатной температуре, после чего сварку ведут сплошным швом со стороны неподвижно закрепленного конца ребра жесткости.

Непременным условием реализации способа является достаточная прочность приспособлений сборочного стенда для установки и растяжения ребра жесткости на настильном листе, поэтому при растяжении допускаемое напряжение рассчитывают с учетом коэффициента запаса прочности n, равного обычно 1,4...1,6 от p т.е.

p= у/n

(Г.А.Николаев, С.А.Куркин. Сварные конструкции. М., Высшая школа, 1982 г., стр.20).

Предложенное техническое решение обладает новизной, поскольку признаки отличительной части формулы изобретения не обнаружены в других источниках информации.

Способ также имеет изобретательский уровень, так как растягивание ребра жесткости за один конец и проведение сварки сплошным швом со стороны неподвижно закрепленного ребра не является очевидным.

Способ прошел опытную промышленную проверку, получены положительные результаты.

Из технологического процесса изготовления тавровых элементов ортотропной плиты исключены операции поджатия ребра к настильному листу с помощью передвижного портала с домкратами, предварительной прихватки ребра жесткости к настильному листу, а следовательно, отпала необходимость их ручной зачистки после сварки в местах прихваток, нет также необходимости в термической правке сваренного изделия, так как полученные отклонения размеров кривизны и прогиба находятся в пределах допустимой технологической нормы.

Реализация способа схематически отражена на чертежах, где на фиг.1 изображено закрепление и установка ребра жесткости на настильный лист в сборочном стенде (вид сбоку), а на фиг.2 (вид сверху) показано растяжение нескольких ребер жесткости на настильном листе с помощью силовых установок.

Изготовление тавровых элементов ортотрорпной плиты осуществляют следующим образом.

Настильный лист 2 ортотропной плиты размещают на опорной плите 1 сборочного стенда по упору 5 и закрепляют его по контуру плиты с применением прижимов 3, обеспечивая их плотный контакт.

Далее устанавливают ребро жесткости 4 перпендикулярно настильному листу 2 в ловители 6 и фиксируют с помощью пальцев или захватов (на фиг.2 показаны условно), обеспечивают надежность и устойчивость закрепления. При этом один конец 7 ребра жесткости 4 закрепляют неподвижно в ловителе 6, соединенном жестко со стойкой 8, а второй конец 9 размещают в таком же ловителе, но присоединенном посредством штанги 10 к силовому агрегату 11 с возможностью перемещения относительно неподвижной опоры 12.

После установки и фиксации ребра жесткости 4 в сборочном стенде приводят в действие силовой агрегат 11, выполненный, например, в виде гидросистемы, который через штангу 10 обеспечивает растягивающее осевое усилие, создавая в ребре напряжение растяжения. Затем производят приварку в напряженном состоянии к настильному листу 2 по всей длине со стороны неподвижного его конца 7 от упора 5 сплошным единым швом.

По окончании сварки изготовленную ортотропную плиту с тавровыми элементами разъединяют с ортотропной плитой сборочного стенда, при этом ее конструкция удовлетворяет технологическим требованиям по прогибам и кривизне.

Расчет усилия, прикладываемого к ребру жесткости 4, производят исходя из допускаемого справочного значения напряжения, не превышая предела его текучести при комнатной температуре в зависимости от марки материала и площади поперечного сечения. Этим же полученным значением усилия руководствуются и при расчете прочности растягивающего приспособления сборочного стенда.

Выбор растягивающего напряжения ребра жесткости по величине, не превышающей предела текучести его материала, обусловлен тем, что оно находится в зоне сохранения упругих свойств материала ребра и, следовательно, после снятия нагрузки способно возвращать материал в исходное состояние, что компенсирует усадочную силу сварки после остывания сварочного шва.

Пример реализации способа.

В сборочный стенд размещают настильный лист из стали 15ХСНД по ГОСТ 6713-88 с габаритами в мм.: 11000×250×12, на который устанавливали в ловители ребро жесткости с размерами 10800×180×12, затем ребро жесткости зафиксировали через монтажные отверстия и отверстия в ловителях "пальцами" диаметром 24 м. Натяжение производили гидравлическими домкратами, в которых предусмотрены растягивающие узлы. Расчет величины усилия Np растяжения ребра проводился исходя из условия, что оно не должно превышать предела текучести у материала ребра при нормальной температуре и усилия смятия отверстия ребра, за которые ребро фиксируется в ловителе стенда.

1. Предел текучести ребра для стали 15ХСНД составляет 355 МПа (36 кг/мм) (см. СНИП П-23-81, табл.51), предельное усилие растяжения ребра составляет:

Р= y·А=36 кгс/мм²·180·12 мм=81260 кГ 81 т,

где y - предел текучести;

А - площадь ребра, равная произведению его высоты на ширину - 180 мм·12 мм=2160 мм².

При усилии растяжения ребра в 10 тн.

у=10000 кг/2160 мм²=4,63 кг/мм².

2. Расчет предельных усилий для ребра из стали 15ХСНД размером 10800х18х12 мм по критерию работы болта по условному смятию в соответствии со СНИП П-23-81.

Расчетное сопротивление условному смятию наименьшей толщины сжимаемой в одном направлении толщиной является толщина ребра из стали 15ХСНД

R=69,0 МПа (СНИП П-23-81, табл.59).

Болты изготовлены из ст.3.

Определяющим является в этом случае при двухсрезном соединении расчет на условное смятие.

Предельное усилие воспринимаемое одним болтом при расчете на условное смятие - Np

Np=Ap·Rвр,

где Ар - площадь смятия;

Rвр - расчетное сопротивление условному смятию

Ap=t·d,

где t - толщина ребра;

d - диаметр болта.

Ар=1,2 см·2,4 см=2,28 см² .

Np=2,88 см²·69=198 кН (19,9 тс) на один болт

на два болта Np=19,9 тс·2=39,8 тс.

С учетом приведенного расчета предельного натяжения ребра в сборочном стенде были сварены три тавровых образца автоматической сваркой единым швом под слоем флюса АН-348 на режимах:

I_св. =350...370 А,

Uд.=28...30 В,

Vсв.=26 м/ч, Vп/п=156 м/ч, сварочная проволока СВ08ГА.

Образец №1 - Усилие натяжения ребра 4 тс, направление сварки от подвижного конца к неподвижному.

Образец №2 и 3 - Усилие натяжения ребра 10 тс, направление сварки от неподвижного его конца к подвижному.

Контроль прогиба ребра проводился через 1000 мм по отклонению от натянутой стальной струны по всей длине ребра по следующей схеме.

Результаты замеров отклонений ребра от прямолинейности, т.е. саблевидности и вогнутости представлены в таблице

Таблица
Образец		Расстояние от струны до профиля (мм)												Стрела прогиба f мм
		Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7	Y8	Y9	Y10	Y11	Y12
№1	В напр. сост. До сварки	6	5	5	4,5	4,5	4,5	3,5	3,5	4	4,5	5	6	2,5
	До снятия напряжения. После сварки	20	18	15	12	10	8	8	8	11	15	18,5	20	12
	В свободном сост. После сварки	20	18	16	12	10	8	8	8	11	14	18	20	12
№2	В свободном сост. После сварки	6	5	3,5	3,5	3	3	3	3,5	3,5	4	4,5	6	3
	До снятия напряжения. После сварки	20	19	19	18	17	16	16	17	20	20,5	21	20	4
	В свободном сост. После сварки	20	21	23	23,5	22,5	21	22	23	24,5	25	24	20	5
№3	В свободном сост. После сварки	6	5	3	3	3	3	3,5	3,5	3,5	4,5	4,5	6	3
	До снятия напряжения. После сварки	20	19	19	18	17	16	16	17	20	20,5	21	20	4
	В свободном сост. После сварки	20	20	19	17	15	12	12	14	17	19	20	20	8

Из таблицы следует, что образец №1, сваренный от подвижного конца ребра к неподвижному, имеет предельное отклонение от прямолинейности значение - 12, что выходит за технологический допуск - 10, т.е. этот образец требует последующей доработки известными методами.

Два других образца, изготовление которых произведено от неподвижного конца ребра к подвижному, удовлетворяет требованиям технологического допуска к прямолинейности.

При усилии, приложенном к ребру в 10 тс, что создает напряжение =4,63 кг/мм², оно удлиняется на 2 мм, что находится в зоне упругой деформации.

В результате предложенного способа изготовления тавровых элементов ортотропных плит полностью исключается предварительная прихватка ребер к настильному листу, а следовательно, и нет необходимости в зачистке излишнего металла сварочного шва в местах прихваток, а также исчезла необходимость термической правки сваренной ортотропной плиты, что значительно снижает себестоимость и упрощает ее изготовление.