способ проката двутаврового профиля сечения из низколегированной стали
Классы МПК: | B21B1/00 Способы и устройства для прокатки листового или профильного металла B21B1/08 для прокатки заготовок специального профиля, например углового профиля |
Автор(ы): | Нежданов Кирилл Константинович (RU), Нежданов Алексей Кириллович (RU), Гарькин Игорь Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-04-01 публикация патента:
10.07.2013 |
Изобретение предназначено для снижения материалоемкости двутаврового прокатного профиля. Двутавровый профиль выполнен из низколегированной стали и имеет полки с параллельными гранями и стенку, где рациональное распределение стали по сечению балки обеспечивается за счет того, что гибкость его стенки, равная отношению высоты стенки к ее толщине, не превышает предельную величину гибкости ст пред, обеспечивающую устойчивость стенки без промежуточных ребер жесткости, и составляет 65, а толщина, высота стенки, ее предельная гибкость регламентируются математическими зависимостями, при этом площадь сечения профиля распределена в пропорции: 50% - стенка профиля, 25% - каждая из полок, кроме того, отношение ширины полки к ее толщине не превышает предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость полки, что обеспечивает повышенную прочность, то есть происходит увеличение момента сопротивления Wx см3 и жесткости. 1 ил., 2 табл.
Формула изобретения
Способ прокатки профиля двутаврового сечения из низколегированной стали с расчетным сопротивлением Rу=300, включающий разогрев блюма толщиной 20-40 мм до температуры 600-650°C и обжим его в клети валками на прокатном стане с четырех сторон, деформирование в двутавровый профиль, имеющий полки с параллельными гранями в виде плоских поясов и стенку, монолитно соединяющую их, отличающийся тем, что стенку профиля прокатывают с предельной гибкостью, равной отношению высоты стенки к ее толщине, не превышающей предельную величину гибкости ст пред, составляющей 65 и обеспечивающей устойчивость стенки без промежуточных ребер жесткости, профиль трансформируют при горячей прокатке путем обжима его валками и принудительного распределения площади по сечению в пропорции 50% на стенку профиля и по 25% на каждый из плоских поясов, при этом толщину стенки профиля tст определяют из уравнения
,
где A - площадь поперечного сечения профиля;
ст пред - предельная гибкость стенки профиля, обеспечивающая ее устойчивость без промежуточных ребер жесткости;
причем высоту стенки hст определяют из уравнения
hст= ст пред·tст,
где полку прокатывают такой, чтобы отношение ширины полки к ее толщине не превышало предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость плоского пояса, а главный момент инерции профиля Jx определяют по формуле
,
где b - ширина полки двутаврового профиля;
h - высота поперечного сечения двутаврового профиля,
а максимальный момент сопротивления определяют по формуле:
Wx=2Jx/h.
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к совершенствованию горячекатаных двутавровых профилей и к металлическим конструкциям промышленных и гражданских зданий с балочными перекрытиями и каркасами, а также к мостовым конструкциям из таких профилей.
Известен двутавровый прокатный профиль Гост 26020-83 [1]. Сортамент горячекатаных двутавров с параллельными гранями полок. Примем этот профиль за аналог. В аналоге пропорции сечения не зависят от того, из какой стали прокатывается двутавровый профиль: малоуглеродистой или низколегированной.
Недостаток аналога в том, что гибкость стенки профиля ( , где hст - высота стенки; tст - толщина стенки) переменная и колеблется для разных номеров двутавров. Кроме того, материалоемкость стенки отличается от оптимальной материалоемкости 50%, например
Двутавр I | Гибкость стенки ст | Материалоемкость стенки К | Wx, см3 | Jx, см4 |
I 100 Б1 | 59,25 | 0,52 | 9011 | 446000 |
I 100 Б2 | 55,76 | 0,49 | 10350 | 516400 |
I 100 Б3 | 52,67 | 0,519 | 11680 | 597700 |
I 100 Б4 | 48,6 | 0,562 | 12940 | 655400 |
I 100Б4-h=101,3 см, t п=3,25 см, tст=1,95 см, hст=94,8 см,
Известен двутавровый прокатный профиль для прокатных балок (из малоуглеродистой стали), предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами [2, RU № 2383401]. Примем этот профиль за прототип.
В прототипе разработан сортамент новых прокатных профилей из малоуглеродистой стали С255 (В Ст3 Сп5, Гост 27772-88).
Однако двутавровые прокатные профили из низколегированной стали должны иметь другие параметры. Сортамент двутавровых профилей из низколегированной стали не разработан.
В настоящее время прокатные профили из малоуглеродистой и низколегированной стали имеют одинаковое очертание поперечного сечения, что ошибочно, так как гибкости стенки для профилей из легированных сталей имеют значение меньше, чем предельная гибкость стенки, а именно ст. пред=65.
По действующим нормам [2, с.27] устойчивость стенок балок не требуется проверять, если условная гибкость стенок , где значение 2,5 - при наличии местных напряжений в профиле.
Для низколегированных сталей, например 12Г2Сгр1, ТУ 14-1-43 23-88, 09Г2С, 14Г2, 15ХСНД по Гост 19282-73* [2, с.64], с расчетным сопротивлением Rу=300 МПа при толщине t=20 40 мм и модулем упругости Е=206000 МПа приведенная гибкость , отсюда предельная гибкость, когда не требуется постановка промежуточных ребер жесткости, равна ст пред=2,5×26,204=65,51.
С некоторым запасом назначим предельную гибкость стенки двутаврового прокатного профиля равной ст пред=65.
Оптимальное распределение материала по сечению балки
Значительное снижение материалоемкости двутаврового прокатного профиля может быть достигнуто оптимальным распределением металла по сечению балок. Поставим задачу прокатать балку наибольшей прочности, то есть с максимальным моментом сопротивления max Wx из заготовки площадью поперечного сечения А см2.
Очевидно, что уменьшение толщины стенки tст приводит к увеличению высоты балки h и увеличению момента сопротивления Wx . Материал сечения должен быть оптимально распределен между стенкой и поясами балки. Введем коэффициент K, определяющий материалоемкость стенки.
Тогда
Введем постоянный коэффициент гибкости стенки:
Отсюда
Тогда расстояние между центрами тяжести поясов hцц будет зависеть только от коэффициента материалоемкости стенки К:
Площадь поперечного сечения двух поясов
Пренебрегая собственными моментами инерции поясов балки, запишем главным момент инерции (см. фиг.1)
Поделив (6) на 0,5·hцц, найдем момент сопротивления Wx на высоте центров тяжести поясов:
Итак, момент сопротивления зависит только от материалоемкости K стенки. Определим экстремум W x, взяв производную по K.
Отсюда K=0,5.
Следовательно, при K=0,5 материалоемкость стенки составляет 50% от материалоемкости всего сечения балки.
Тогда оптимальная высота сечения равна
Этой высоте соответствует наибольший момент сопротивления, равный
и соответствующая гибкость стенки
Подставив (12) в (11), получим Wx в зависимости от А и tст
и соответствующую минимальную площадь сечения балки
или в зависимости от гибкости стенки
Из (11) и (12) получим
легко убедиться, что радиус ядра сечения r в этом случае будет равен
r=h/3.
Проанализируем материалоемкость и гибкость стенки аналога. Например, для двутавров с высотой сечения 100 см по Гост 26020-83.
Таблица 1 | |||||||||
Размеры в см, площади в см2 | |||||||||
h | b | tст | tп | hст | A | Aст | ст | К | |
100 Б1 | 99 | 32 | 1,6 | 2,1 | 94,8 | 293,82 | 151,68 | 59,25 | 0,52 |
100 Б2 | 99,8 | 32 | 1,7 | 2,5 | 94,8 | 328,9 | 161,16 | 55,76 | 0,49 |
100 Б3 | 100,6 | 32 | 1,8 | 2,9 | 94,8 | 364 | 170,64 | 52,67 | 0,519 |
100 Б4 | 101,3 | 32 | 1,95 | 3,25 | 94,8 | 400,6 | 184,86 | 48,62 | 0,562 |
Анализ показывает, что материалоемкость стенки отличается от оптимальной Л=0,5, а гибкость стенки для низколегированной стали меньше предельной величины ст пред=65.
Таким образом, имеются резервы для снижения материалоемкости профиля.
Технологическая задача изобретения - максимальное снижение материалоемкости двутаврового прокатного профиля, при его прокате, путем оптимального распределения материала между поясами и стенкой профиля, обеспечивающего достижение моментом сопротивления сечения профиля относительно главной оси Х своего максимального значения.
Технологическая задача по реализации способа распределения стали по сечению двутаврового профиля, содержащего полки с параллельными гранями и соединяющую их стенку, решена следующим образом.
Отличие в том, что при прокате на прокатном стане двутаврового профиля гибкость стенки балки назначают предельной для данной низколегированной марки стали, обеспечивающей устойчивость стенки без ребер жесткости. Блюм разогревают до температуры 600 650°C и обжимают его в клети валками на прокатном стане с четырех сторон, деформируют сечение в двутавровый профиль, содержащий полки с параллельными гранями и стенку, монолитно соединяющую полки, с образованием двутавра, при прокате из низколегированной стали (например, 12Г2Сгр1, ТУ14-1-4323-88, расчетным сопротивлением Rу=300 МПа и толщине проката 20 40 мм)
Площадь сечения профиля при прокате распределяют по сечению в следующей пропорции: 50% - на стенку профиля и по 25% на каждый из поясов.
Толщину стенки профиля определяют из уравнения
где А - площадь поперечного сечения профиля;
ст - предельная гибкость стенки профиля, обеспечивающая устойчивость ее без постановки ребер жесткости.
Высоту стенки находят из формулы hст= ст·tст, где ширину полки и толщину ее назначают такой, чтобы отношение ширины полки к ее толщине не превышало предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость плоского пояса.
Главный момент инерции профиля определяют по формуле
где b - ширина полки профиля;
h - высота поперечного сечения профиля.
Момент сопротивления вычисляют по формуле
На фиг.1 показано поперечное сечение двутаврового прокатного профиля. Полки имеют ширину b. Толщина полки t п. Высота сечения профиля равна h. Стенка имеет высоту hст. Толщина стенки равна tст.
Площадь сечения каждой из полок равна Ап=b·t п.
Площадь сечения стенки равна Аст =hст·tст.
Площадь всего сечения равна А=2Ап+Аст.
Пример конкретной реализации
Повысим прочность двутавра I100Б4 по ГОСТ 26020-83 [1]. Основные размеры профиля и его характеристики приведены в табл.1.
Вычисления производим в следующей последовательности.
1. По формуле 12 находим необходимую толщину стенки нового двутаврового профиля при заданной его площади сечения А=400,6 см2 и предельной гибкости стенки
2. Находим площадь сечения стенки А ст=0,5А.
3. Затем высоту стенки , округляем ее.
4. Фактическую площадь сечения стенки Аст ф=hст·tст.
5. Находим площадь сечения полки Ап=0,25·А.
6. Определяем толщину полки , при заданной ширине полки bп, и округляем ее.
7. Затем фактическую площадь сечения полки Апф=bп·tп.
8. Определяем высоту сечения балки h=hст+2tп .
9. Фактическую площадь сечения А=2Апф +Аст.
10. Определяем главный момент инерции
11. Момент сопротивления сечения
Например, по сортаменту для двутавра I100Б4 площадь сечения А=400,6 см2. Назначаем гибкость стенки ст пред=65.
1. Находим необходимую толщину стенки нового двутаврового профиля при заданной его площади сечения и гибкости стенки
2. Находим площадь сечения стенки Аст=0,5А=200,3 см 2.
4. Фактическую площадь сечения стенки Астф=hст·tст=113,8·1,76=200,288 см2.
5. Находим площадь сечения полки Ап=0,25·А=0,25·400,6=100,15 см2 .
Оставляем ширину полки bп=32, тогда
6.
7. Затем фактическую площадь сечения полки Апф=bп·tп=32·3,13=100,16 см2.
8. Определяют высоту сечения балки
9. h=hст+2tп=113,8+2·3,13=120,06 см.
10. Фактическая площадь сечения А=2Апф +Аст=2·100,16+113,8·1,76=400,608 см 2.
11. Определяют главный момент инерции
12. Было Jx=655400 см 4 (100%).
13. Момент сопротивления
14. Было Wx=12940 см3 (100%).
Список литературы
1. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент. Гост 26020-83. Переиздание. Октябрь 1998, 9 с.
2. СНиП 11-23-81. Стальные конструкции, Госстрой СССР, Москва, 1999, 96 с.
3. Васильченко В.Т. и др. Справочник конструктора металлических конструкций, Киев, «Будiвельник», 1980, 288 с.
4. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов, Киев, «Наукова думка», 1975, 704 с.
5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Эйдлин A.M. Двутавровый прокатный профиль. Патент России № 2383401, B21B 1/08 (2006.01). Заявка № 2007 136405/02. Публикация заявки 10.04.2009. Опубликовано 10.03.2010. Бюл. № 7.
Класс B21B1/00 Способы и устройства для прокатки листового или профильного металла
Класс B21B1/08 для прокатки заготовок специального профиля, например углового профиля