SUVIRINTOS KONSTRUKCIJOS. Skaičiavimas ir Projektavimas

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

Jonas Bendikas

SUVIRINTOS KONSTRUKCIJOS Skaičiavimas ir projektavimas

Mokomoji knyga

Vilnius Technika 2003

2

UDK 624.014.25 Dr. Jonas Bendikas. Suvirintos konstrukcijos. Skaičiavimas ir projektavimas. Mokomoji knyga, Vilnius

“Technika” 2003, 133 psl. Nagrin÷jamos suvirintoms konstrukcijoms gaminti medžiagos, jų savyb÷s, suvirintųjų jungčių stiprumo,

esant statin÷ms ir kintamoms apkrovoms, skaičiavimas, jų žym÷jimas br÷žiniuose, įtempių pasiskirstymas suvirintose jungtyse, suvirinimo deformacijos ir jų mažinimo būdai, įvairių suvirintųjų konstrukcijų skaičiavimas ir projektavimas. Leidinys skirtas mechanikos pakraipos bakalauro studijų studentams.

Leidinį rekomendavo mechanikos fakulteto studijų komitetas. Recenzavo: prof. hab.dr. A. Marcinkevičius. VGTU leidyklos „Technika“ …………mokomosios metodin÷s literatūros knyga

J. Bendikas, 2003 m.

3

Turinys

1 Suvirintų konstrukcijų medžiagos 4 1.1 Plienai 4 1.2 Plienų mark÷s, mechanin÷s savyb÷s 5 1.3 Kokybinių plienų naudojimo efektyvumas 8 1.4 Plienų savybių gerinimas apdorojant paviršių 9 1.5 Spalvotųjų metalų lydiniai 9 1.6 Plienų ir spalvotųjų metalų atsparumas korozijai 11 1.7 Sortamentas 11 2 Suvirintosios jungtys ir jų statinio stiprumo skaičiavimas 13 2.1 Suvirinimo būdų klasifikavimas 13 2.2 Suvirintųjų jungčių skaičiavimas leistinų įtempių ir ribinių būvių metodais 14 2.3 Lankiniu būdu suvirintosios jungtys 17 2.4 Kontaktiniu būdu suvirintosios jungtys 24 2.5 Varžtin÷s jungtys 30 2.6 Klijuotosios-suvirintosios jungtys 31 2.7 Lituotosios jungtys 32 2.8 Suvirintųjų jungčių (siūlių) žym÷jimas br÷žiniuose 33 3 Įtempių koncentracija 40 3.1 Bendrosios žinios. Įtempių koncentracija prie koncentratoriaus 40 3.2 Įtempių koncentracija lydomojo suvirinimo jungtyse 40 3.3 Įtempių pasiskirstymas sandūrin÷se jungtys 41 3.4 Įtempių pasiskirstymas galin÷se siūl÷se 42 3.5 Įtempių pasiskirstymas užleistin÷se jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis 42 3.6 Įtempių pasiskirstymas kombinuottose jungtyse su šonin÷mis ir galin÷mis siūl÷mis 44 3.7 Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu siūliniu būdu suvirintoje užleistin÷je jungtyje 45 3.8 Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu taškiniu būdu suvirintose jungtyse 45 3.9 Žemų temperatūrų įtaka suvirintosioms jungtims 47 3.10 Aukštų temperatūrų įtaka suvirintųjų jungčių savyb÷ms 48 4 Suvirintųjų jungčių patvarumas nuovargiui 49 4.1 Pagrindinio metalo ciklinis patvarumas 49 4.2 Ciklo charakteristikos r įtaka patvarumui 50 4.3 Koncentracijos koeficientai ir jų įtaka nuovargio atsparumui 52 4.4 Lankiniu suvirinimu suvirintų jungčių atsparumas nuovargiui 53 4.5 Technologinių defektų įtaka nuovargiui 54 4.6 Įvairių suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui 54 4.7 Suvirintųjų jungčių terminio apdorojimo įtaka nuovargio atsparumui 56 4.8 Kontaktiniu būdu suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui 56 4.9 Kintančiomis apkrovomis apkrautų konstrukcijų projektavimo principai. Suvirintųjų

jungčių apdirbimas siekiant pagerinti atsparumą nuovargiui 57

4.10 Atsparumo nuovargiui padidinimo būdai 59 4.11 Suvirintųjų jungčių patvarumo ribos skaičiavimas 59 5 Suvirinimo įtempiai, deformacijos ir poslinkiai 63 5.1 Suvirinimo įtempių ir deformacijų susidarymas ir nustatymas 63 5.2 Liekamųjų įtempių pasiskirstymas suvirintuose jungtyse 69 5.3 Deformacijos ir poslinkiai suvirinamos jungties srityje 72 5.4 Suvirintų konstrukcijos elementų deformacijos tipai 77 5.5 Suvirinimo poslinkių įtaka konstrukcijų darbingumui 80 5.6 Konstrukcijų suvirinimo įtempių, deformacijų ir poslinkių mažinimo metodai 80 6 Žinios iš statybin÷s mechanikos 81 6.1 Skaičiuojamų įražų sijose nustatymas naudojant infliuenčių metodą 81 6.2 Influenčių metodo taikymas nustatant įražas nuo koncentruotų j÷gų P ir nuo tolygiai 8.3

4

pasiskirsčiusių apkrovų Q 6.3 Santvaros elementų įrąžų influent÷s 84 7 Suvirintosios sijos 87 7.1 Sijos. Bendrosios žinios 87 7.2 Sijų standumo ir stiprumo skaičiavimas (skerspjūvio parinkimas) 88 7.3 Bendrasis pastovumas 91 7.4 Vietinis pastovumas 92 7.5 Sijų sandūros 94 7.6 Atramin÷s dalys 94 7.7 Sijos nuovargio atsparumas ir jo padidinimo būdai 95 7.8 Sijų skaičiavimo ir projektavimo pavyzdys 96 8 Kolonos 101 8.1 Skerspjūvių tipai 101 8.2 Ištisinio skerspjūvio, centriškai gniuždomų kolonų stiprumas ir pastovumas 102 8.3 Ekscentriškai apkrautų kolonų stiprumas ir pastovumas 105 8.4 Spragotų kolonų pastovumo skaičiavimas 107 8.5 Jungiamieji elementai 108 8.6 Sandūros 110 8.7 Kolonos galvenos ir pagrindas 111 9 Lenkiamų elementų jungtys 112 9.1 Paprasčiausios jungtys 112 9.2 Stiprumo skaičiavimas, skaidant į sudedamąsias 112 9.3 Stiprumo skaičiavimas polinio inercijos momento metodu 113 9.4 Stiprumo skaičiavimas ašinio inercijos momento metodu 115 9.5 Įvairaus skerspjūvio sijų prijungimas 115 9.6 Sijų tarpusavio jungtys su papildomu sustiprinimu 118 10 Santvaros 120 10.1 Santvarų tipai 120 10.2 Santvaros elementų apkrovų ir įražų nustatymas 120 10.3 Elementų skerspjūviai 121 10.4 Santvaros mazgai 123 10.5 Juostų sandūrin÷s jungtys 126 11 Kevalin÷s konstrukcijos 126 11.1 Vertikalūs cilindriniai rezervuarai su plokščiu dugnu 126

5

Sutartiniai žym÷jimai: P - koncentruota j÷ga; Q - išskirstyta apkrova; M - lenkimo momentas; N - išilgin÷ j÷ga; Q - skersin÷ j÷ga; σ - normaliniai įtempiai; τ - tangentiniai įtempiai; [σ]t - leistinieji tempimo normaliniai įtempiai pagrindiniame metale ; [σ]gn - leistinieji gniuždymo normaliniai įtempiai pagrindiniame metale; [τ] - leistinieji tangentiniai įtempiai pagrindiniame metale; [σ’]t - leistinieji tempimo normaliniai įtempiai siūl÷je; [τ’] - leistinieji tangentiniai įtempiai siūl÷je; σB (Rm LST EN 10002 – 1) - pagrindinio metalo stiprumo riba; σ’B - siūl÷s (jungties) stiprumo riba; σT (ReH arba ReH LST EN 10002 –1) - takumo riba; σr - patvarumo riba, esant r ciklui ; σ-1- patvarumo riba, esant simetriniam ciklui; ε - santykin÷ deformacija; δ - santykinis pailg÷jimas suyrant; KC - pagrindinio metalo smūginis tąsumas; KC’ - siūl÷s metalo smūginis tąsumas; R - skaičiuojamasis stiprumas; KT - teorinis įtempių koncentracijos koeficientas; Ke - efektyvus įtempių koncentracijos koeficientas; W - atsparumo momentas; E - tamprumo modulis; l - ilgis; s -detal÷s storis; A – skerspjūvio plotas; I - skerspjūvio inercijos momentas; R - inercijos spindulys; λ - gniuždomo elemento liaunis; K - kampin÷s siūl÷s statinis; βK - kampin÷s siūl÷s skaičiuojamasis plotas; ϕ - leistinųjų įtempių sumažinimo koeficientas gniuždant elementą; γ - leistinų įtempimų sumažinimo koeficientas pasikartojant kintančioms apkrovoms; T - temperatūra; Sn - dalies skerspjūvio statinis momentas atžvilgiu ašies, einančios per svorio centrą

6

1. Suvirintų konstrukcijų medžiagos 1.1. Plienai

Metalin÷ms statybin÷ms konstrukcijoms dažniausiai vartojamas valcuotas plienas. Plieno mechanin÷s savyb÷s ir chemin÷ sud÷tis yra pagrindiniai rodikliai, pagal kuriuos sprendžiama apie plieno kokybę ir apie tai, ar jis atitinka paskirtį. Mechanin÷s savyb÷s apsprendžia konstrukcijos elemento laikančiąją galią, t.y. sugeb÷jimą atlaikyti užduotas apkrovas, taip pat charakterizuoja konstrukcijos elemento masę ir daro įtaką konstrukcijos stabilumui. Svarbiausios mechanin÷s savyb÷s: yra stiprumas, patvarumas, kietumas, plastiškumas, tąsumas ir kitos. Stiprumo ir plastiškumo charakteristikos nustatomos tempimo bandymu (LST EN 10002 – 1).

Stiprumo riba σB (Rm – LST EN 10002 – 1), kartais vadinama laikinąja stiprumo riba, kuri nustatoma pagal tempimo bandymo rezultatus, padalinus maksimalią tempimo j÷gą P iš skerspjūvio ploto A.

Takumo riba σT (ReH arba ReL) – maksimalūs įtempiai, prie kurių tamprioji deformacija pereina į plastinę. Bandant įvairias medžiagas, tame tarpe ir plienus, dažniausiai n÷ra aiškios per÷jimo į plastinę deformaciją ribos, tuomet naudojama sąlygin÷ takumo riba σ0,2, tai įtempių dydis, atitinkantis 0,2 % liekamąją plastinę deformaciją.

Santykinis pailg÷jimas δ5 – tai bandinio ilgio nutrūkstant l1 bei pradinio ilgio l0 skirtumo ir pradinio ilgio l0 santykis, gaunamas apskaičiavus, standartinių bandinių tempimo bandymo rezultatus.

Smūginis tąsumas KC – tai medžiagos, veikiamos smūgin÷s apkrovos, geba priešintis suardymui. Suirimas gali būti tąsus ir trapus. Tąsiajam suirimui būdingos plastin÷s deformacijos, kurios pristabdo irimą, ir tod÷l šis procesas vyksta l÷tai. Trapusis suirimas įvyksta staiga , be plastinių deformacijų, dažnai kai įtempiai mažesni už takumo ribą.

Medžiagos patvarumas nuovargiui dažnai nustatomas smūginio lenkimo metodu. Kintamo apkrovimo veikiamos medžiagos mikrotūriuose gali susidaryti ekstremalūs įtempiai, suirti tarpatominiai ryšiai, konstrukcijos elementas gali suirti nuo įtempių žymiai mažesnių už takumo ribą. Medžiagos patvarumas veikiant kintamoms apkrovoms vertinamas nuovargio riba.

1.1 lentel÷. Anglinių plienų, gaminamų Rusijoje, normuota chemin÷ sud÷tis pagal GOST 380-71

Elementų kiekis , %

P S Plieno mark÷ C Mn Si

Ne daugiau

Ст0 Ne daugiau 0,23 0,07 0,06

Ст2пс Ст2сп

0,09…0,15 0,25…0,50 0,05…0,07 0,12…0,30

0,04 0,05

Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс

0,14…0,22

0,30…0,60 0,40…0,65 0,40…0,65 0,80…1,10

Ne daugiau 0,07 0,05…0,17 0,12…0,30

ne daugiau 0,15

0,04 0,05

Ст4кп Ст4пс Ст4сп

0,18…0,27 0,40…0,70 Ne daugiau 0,07 0,05…0,17 0,12…0,35

0,04 0,05

Ст5пс Ст5сп

0,28…0,37 0,50…0,80 0,05…0,17 0,15…0,35

0,04 0,05

Ст5Гпс 0,22…0,30 0,80…1,20 Ne daugiau 0,15 0,04 0,05

Visada reikia prisiminti, kad mechanin÷s plieno savyb÷s priklauso nuo chemin÷s sud÷ties ir terminio apdirbimo.

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

Jonas Bendikas

SUVIRINTOS KONSTRUKCIJOS Skaičiavimas ir projektavimas

Mokomoji knyga

Vilnius Technika 2003

2

UDK 624.014.25 Dr. Jonas Bendikas. Suvirintos konstrukcijos. Skaičiavimas ir projektavimas. Mokomoji knyga, Vilnius

“Technika” 2003, 133 psl. Nagrin÷jamos suvirintoms konstrukcijoms gaminti medžiagos, jų savyb÷s, suvirintųjų jungčių stiprumo,

esant statin÷ms ir kintamoms apkrovoms, skaičiavimas, jų žym÷jimas br÷žiniuose, įtempių pasiskirstymas suvirintose jungtyse, suvirinimo deformacijos ir jų mažinimo būdai, įvairių suvirintųjų konstrukcijų skaičiavimas ir projektavimas. Leidinys skirtas mechanikos pakraipos bakalauro studijų studentams.

Leidinį rekomendavo mechanikos fakulteto studijų komitetas. Recenzavo: prof. hab.dr. A. Marcinkevičius. VGTU leidyklos „Technika“ …………mokomosios metodin÷s literatūros knyga

J. Bendikas, 2003 m.

3

Turinys

1 Suvirintų konstrukcijų medžiagos 4 1.1 Plienai 4 1.2 Plienų mark÷s, mechanin÷s savyb÷s 5 1.3 Kokybinių plienų naudojimo efektyvumas 8 1.4 Plienų savybių gerinimas apdorojant paviršių 9 1.5 Spalvotųjų metalų lydiniai 9 1.6 Plienų ir spalvotųjų metalų atsparumas korozijai 11 1.7 Sortamentas 11 2 Suvirintosios jungtys ir jų statinio stiprumo skaičiavimas 13 2.1 Suvirinimo būdų klasifikavimas 13 2.2 Suvirintųjų jungčių skaičiavimas leistinų įtempių ir ribinių būvių metodais 14 2.3 Lankiniu būdu suvirintosios jungtys 17 2.4 Kontaktiniu būdu suvirintosios jungtys 24 2.5 Varžtin÷s jungtys 30 2.6 Klijuotosios-suvirintosios jungtys 31 2.7 Lituotosios jungtys 32 2.8 Suvirintųjų jungčių (siūlių) žym÷jimas br÷žiniuose 33 3 Įtempių koncentracija 40 3.1 Bendrosios žinios. Įtempių koncentracija prie koncentratoriaus 40 3.2 Įtempių koncentracija lydomojo suvirinimo jungtyse 40 3.3 Įtempių pasiskirstymas sandūrin÷se jungtys 41 3.4 Įtempių pasiskirstymas galin÷se siūl÷se 42 3.5 Įtempių pasiskirstymas užleistin÷se jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis 42 3.6 Įtempių pasiskirstymas kombinuottose jungtyse su šonin÷mis ir galin÷mis siūl÷mis 44 3.7 Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu siūliniu būdu suvirintoje užleistin÷je jungtyje 45 3.8 Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu taškiniu būdu suvirintose jungtyse 45 3.9 Žemų temperatūrų įtaka suvirintosioms jungtims 47 3.10 Aukštų temperatūrų įtaka suvirintųjų jungčių savyb÷ms 48 4 Suvirintųjų jungčių patvarumas nuovargiui 49 4.1 Pagrindinio metalo ciklinis patvarumas 49 4.2 Ciklo charakteristikos r įtaka patvarumui 50 4.3 Koncentracijos koeficientai ir jų įtaka nuovargio atsparumui 52 4.4 Lankiniu suvirinimu suvirintų jungčių atsparumas nuovargiui 53 4.5 Technologinių defektų įtaka nuovargiui 54 4.6 Įvairių suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui 54 4.7 Suvirintųjų jungčių terminio apdorojimo įtaka nuovargio atsparumui 56 4.8 Kontaktiniu būdu suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui 56 4.9 Kintančiomis apkrovomis apkrautų konstrukcijų projektavimo principai. Suvirintųjų

jungčių apdirbimas siekiant pagerinti atsparumą nuovargiui 57

4.10 Atsparumo nuovargiui padidinimo būdai 59 4.11 Suvirintųjų jungčių patvarumo ribos skaičiavimas 59 5 Suvirinimo įtempiai, deformacijos ir poslinkiai 63 5.1 Suvirinimo įtempių ir deformacijų susidarymas ir nustatymas 63 5.2 Liekamųjų įtempių pasiskirstymas suvirintuose jungtyse 69 5.3 Deformacijos ir poslinkiai suvirinamos jungties srityje 72 5.4 Suvirintų konstrukcijos elementų deformacijos tipai 77 5.5 Suvirinimo poslinkių įtaka konstrukcijų darbingumui 80 5.6 Konstrukcijų suvirinimo įtempių, deformacijų ir poslinkių mažinimo metodai 80 6 Žinios iš statybin÷s mechanikos 81 6.1 Skaičiuojamų įražų sijose nustatymas naudojant infliuenčių metodą 81 6.2 Influenčių metodo taikymas nustatant įražas nuo koncentruotų j÷gų P ir nuo tolygiai 8.3

4

pasiskirsčiusių apkrovų Q 6.3 Santvaros elementų įrąžų influent÷s 84 7 Suvirintosios sijos 87 7.1 Sijos. Bendrosios žinios 87 7.2 Sijų standumo ir stiprumo skaičiavimas (skerspjūvio parinkimas) 88 7.3 Bendrasis pastovumas 91 7.4 Vietinis pastovumas 92 7.5 Sijų sandūros 94 7.6 Atramin÷s dalys 94 7.7 Sijos nuovargio atsparumas ir jo padidinimo būdai 95 7.8 Sijų skaičiavimo ir projektavimo pavyzdys 96 8 Kolonos 101 8.1 Skerspjūvių tipai 101 8.2 Ištisinio skerspjūvio, centriškai gniuždomų kolonų stiprumas ir pastovumas 102 8.3 Ekscentriškai apkrautų kolonų stiprumas ir pastovumas 105 8.4 Spragotų kolonų pastovumo skaičiavimas 107 8.5 Jungiamieji elementai 108 8.6 Sandūros 110 8.7 Kolonos galvenos ir pagrindas 111 9 Lenkiamų elementų jungtys 112 9.1 Paprasčiausios jungtys 112 9.2 Stiprumo skaičiavimas, skaidant į sudedamąsias 112 9.3 Stiprumo skaičiavimas polinio inercijos momento metodu 113 9.4 Stiprumo skaičiavimas ašinio inercijos momento metodu 115 9.5 Įvairaus skerspjūvio sijų prijungimas 115 9.6 Sijų tarpusavio jungtys su papildomu sustiprinimu 118 10 Santvaros 120 10.1 Santvarų tipai 120 10.2 Santvaros elementų apkrovų ir įražų nustatymas 120 10.3 Elementų skerspjūviai 121 10.4 Santvaros mazgai 123 10.5 Juostų sandūrin÷s jungtys 126 11 Kevalin÷s konstrukcijos 126 11.1 Vertikalūs cilindriniai rezervuarai su plokščiu dugnu 126

5

Sutartiniai žym÷jimai: P - koncentruota j÷ga; Q - išskirstyta apkrova; M - lenkimo momentas; N - išilgin÷ j÷ga; Q - skersin÷ j÷ga; σ - normaliniai įtempiai; τ - tangentiniai įtempiai; [σ]t - leistinieji tempimo normaliniai įtempiai pagrindiniame metale ; [σ]gn - leistinieji gniuždymo normaliniai įtempiai pagrindiniame metale; [τ] - leistinieji tangentiniai įtempiai pagrindiniame metale; [σ’]t - leistinieji tempimo normaliniai įtempiai siūl÷je; [τ’] - leistinieji tangentiniai įtempiai siūl÷je; σB (Rm LST EN 10002 – 1) - pagrindinio metalo stiprumo riba; σ’B - siūl÷s (jungties) stiprumo riba; σT (ReH arba ReH LST EN 10002 –1) - takumo riba; σr - patvarumo riba, esant r ciklui ; σ-1- patvarumo riba, esant simetriniam ciklui; ε - santykin÷ deformacija; δ - santykinis pailg÷jimas suyrant; KC - pagrindinio metalo smūginis tąsumas; KC’ - siūl÷s metalo smūginis tąsumas; R - skaičiuojamasis stiprumas; KT - teorinis įtempių koncentracijos koeficientas; Ke - efektyvus įtempių koncentracijos koeficientas; W - atsparumo momentas; E - tamprumo modulis; l - ilgis; s -detal÷s storis; A – skerspjūvio plotas; I - skerspjūvio inercijos momentas; R - inercijos spindulys; λ - gniuždomo elemento liaunis; K - kampin÷s siūl÷s statinis; βK - kampin÷s siūl÷s skaičiuojamasis plotas; ϕ - leistinųjų įtempių sumažinimo koeficientas gniuždant elementą; γ - leistinų įtempimų sumažinimo koeficientas pasikartojant kintančioms apkrovoms; T - temperatūra; Sn - dalies skerspjūvio statinis momentas atžvilgiu ašies, einančios per svorio centrą

6

1. Suvirintų konstrukcijų medžiagos 1.1. Plienai

Metalin÷ms statybin÷ms konstrukcijoms dažniausiai vartojamas valcuotas plienas. Plieno mechanin÷s savyb÷s ir chemin÷ sud÷tis yra pagrindiniai rodikliai, pagal kuriuos sprendžiama apie plieno kokybę ir apie tai, ar jis atitinka paskirtį. Mechanin÷s savyb÷s apsprendžia konstrukcijos elemento laikančiąją galią, t.y. sugeb÷jimą atlaikyti užduotas apkrovas, taip pat charakterizuoja konstrukcijos elemento masę ir daro įtaką konstrukcijos stabilumui. Svarbiausios mechanin÷s savyb÷s: yra stiprumas, patvarumas, kietumas, plastiškumas, tąsumas ir kitos. Stiprumo ir plastiškumo charakteristikos nustatomos tempimo bandymu (LST EN 10002 – 1).

Stiprumo riba σB (Rm – LST EN 10002 – 1), kartais vadinama laikinąja stiprumo riba, kuri nustatoma pagal tempimo bandymo rezultatus, padalinus maksimalią tempimo j÷gą P iš skerspjūvio ploto A.

Takumo riba σT (ReH arba ReL) – maksimalūs įtempiai, prie kurių tamprioji deformacija pereina į plastinę. Bandant įvairias medžiagas, tame tarpe ir plienus, dažniausiai n÷ra aiškios per÷jimo į plastinę deformaciją ribos, tuomet naudojama sąlygin÷ takumo riba σ0,2, tai įtempių dydis, atitinkantis 0,2 % liekamąją plastinę deformaciją.

Santykinis pailg÷jimas δ5 – tai bandinio ilgio nutrūkstant l1 bei pradinio ilgio l0 skirtumo ir pradinio ilgio l0 santykis, gaunamas apskaičiavus, standartinių bandinių tempimo bandymo rezultatus.

Smūginis tąsumas KC – tai medžiagos, veikiamos smūgin÷s apkrovos, geba priešintis suardymui. Suirimas gali būti tąsus ir trapus. Tąsiajam suirimui būdingos plastin÷s deformacijos, kurios pristabdo irimą, ir tod÷l šis procesas vyksta l÷tai. Trapusis suirimas įvyksta staiga , be plastinių deformacijų, dažnai kai įtempiai mažesni už takumo ribą.

Medžiagos patvarumas nuovargiui dažnai nustatomas smūginio lenkimo metodu. Kintamo apkrovimo veikiamos medžiagos mikrotūriuose gali susidaryti ekstremalūs įtempiai, suirti tarpatominiai ryšiai, konstrukcijos elementas gali suirti nuo įtempių žymiai mažesnių už takumo ribą. Medžiagos patvarumas veikiant kintamoms apkrovoms vertinamas nuovargio riba.

1.1 lentel÷. Anglinių plienų, gaminamų Rusijoje, normuota chemin÷ sud÷tis pagal GOST 380-71

Elementų kiekis , %

P S Plieno mark÷ C Mn Si

Ne daugiau

Ст0 Ne daugiau 0,23 0,07 0,06

Ст2пс Ст2сп

0,09…0,15 0,25…0,50 0,05…0,07 0,12…0,30

0,04 0,05

Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст3Гпс

0,14…0,22

0,30…0,60 0,40…0,65 0,40…0,65 0,80…1,10

Ne daugiau 0,07 0,05…0,17 0,12…0,30

ne daugiau 0,15

0,04 0,05

Ст4кп Ст4пс Ст4сп

0,18…0,27 0,40…0,70 Ne daugiau 0,07 0,05…0,17 0,12…0,35

0,04 0,05

Ст5пс Ст5сп

0,28…0,37 0,50…0,80 0,05…0,17 0,15…0,35

0,04 0,05

Ст5Гпс 0,22…0,30 0,80…1,20 Ne daugiau 0,15 0,04 0,05

Visada reikia prisiminti, kad mechanin÷s plieno savyb÷s priklauso nuo chemin÷s sud÷ties ir terminio apdirbimo.

7

1.2 lentel÷. Plieno gaminių, gaminamų Europos sąjungoje ir naudojamų suvirintoms konstrukcijoms gaminti, chemin÷ sud÷tis

Žym÷jimas

Išoksi-dinimas

Plieno pogru- pis4)

Maks. C % nominaliniam gaminio storiui (mm)

Mn % maks.

Si % maks.

P % maks.

S % maks.

N % maks.

Pagal EN10027-1

Pagal EN 10027-2

meto-das

≤ 16 > 16 ≤ 40

> 40

S185 1.0035 pasirin. BS - - - - - - - -

S235JR 1.0037 pasirin. BS 0,21 0,25 - 1,50 - 0,055 0,055 0,011

S235JRG16) 1.0036 FU BS 0,21 0,25 - 1,50 - 0,055 0,055 0,009

S235JRG2 1.0038 FN BS 0,19 0,19 0,23 1,50 - 0,055 0,055 0,011

S235J0 1.0114 FN QS 0,19 0,19 0,19 1,50 - 0,050 0,050 0,011

S235J2G3 1.0116 FF QS 0,19 0,19 0,19 1,50 - 0,045 0,045 -

S235J2G4 1.0117 FF QS 0,19 0,19 0,19 1,50 - 0,045 0,045 -

S275JR S275J0 S275J2G3 S275J2G4

1.0044 1.0143 1.0144 1.0145

FN FN FF FF

BS QS QS QS

0,24 0,21 0,21 0,21

0,24 0,21 0,21 0,21

0,25 0,217)

0,217)

0,217)

1,60 1,60 1,60 1,60

- - - -

0,055 0,050 0,045 0,045

0,055 0,050 0,045 0,045

0,011 0,011 - -

S355JR 1.0045 FN BS 0,27 0,27 0,27 1,70 0,60 0,055 0,055 0,011

S355J0 1.0553 FN QS 0,23 0,239) 0,24 1,70 0,60 0,050 0,050 0,011

S355J2G3 1.0570 FF QS 0,23 0,239) 0,24 1,70 0,60 0,045 0,045 -

S355J2G4 1.0577 FF QS 0,23 0,239) 0,24 1,70 0,60 0,045 0,045 -

S355K2G3 1.0595 FF QS 0,23 0,239) 0,24 1,70 0,60 0,045 0,045 -

S355K2G4 1.0596 FF QS 0,23 0,239) 0,24 1,70 0,60 0.045 0,045 -

E295 1.0050 FN BS - - - - - 0,055 0,055 0,011

E335 1.0060 FN BS - - - - - 0,055 0,055 0,011

E360 1.0070 FN BS - - - - - 0,055 0,055 0,011

1) FU – verdančio stingimo, FN – verdančio stingimo plienas neleistinas, FF – ramiojo stingimo plienas, turintis pakankamą kiekį elementų, jungiančių azotą (pvz., mažiausiai 0,020 % Al.).

2) BS - paprastasis plienas; QS - kokybiškasis plienas.

1.2 Plienų mark÷s, mechanin÷s savyb÷s

Angliniai plienai skirstomi į mažaanglius (C=0,09…0,25%), vidutinio anglingumo (C=0,25…0,46%) ir anglingus (C=0,46…0,75%).

Mažaangliai plienai dažniausiai naudojami statybin÷se konstrukcijose; vidutinio anglingumo – mašinų detalių gamyboje; aukšto anglingumo – įrankių gamyboje.

Paprastos kokyb÷s angliniai plienai Rusijoje skirstomi į tris grupes: A grup÷ - plienas atrenkamas pagal mechanines savybes; B grup÷ - plienas atrenkamas pagal chemines savybes;

C grup÷ - plienas atrenkamas pagal mechanines ir chemines savybes (šios grup÷s plienai yra brangesni ir naudojami tik svarbiose konstrukcijose)

Plienų sud÷tyje yra silicio ir mangano priedų, taip pat yra ir žalingų priemaišų - sieros ir fosforo, kurių kiekis yra ribotas. Plienas gaunamas aukštakrosn÷se lydant ketų ir plieno laužą. Plienas lydomas konverteriuose, marteno ir elektros krosnyse. Gera plieno kokyb÷ lydant konverteriuose pasiekiama prapučiant jį deguonimi. Aukščiausios kokyb÷s plienai gaunami juos perlydant: elektrošlakiniu, lankiniu vakuume, plazminiu – lankiniu ir kitais būdais.

8

Lydant plieną nesant pakankamam priedų kiekiui, išsiskiria daug dujų. Toks plienas vadinamas verdančio stingimo (“кп” raid÷s plieno mark÷je). Plienai, kurių sud÷tyje yra silicio ir aliuminio priedų ir stingdami neišskiria daug dujų, vadinami ramaus stingimo (“сп” raid÷s plieno mark÷je. Tarpiniai plienai – pusiau ramaus stingimo - žymimi raid÷mis “пс”.

Ramaus ir pusiau ramaus stingimo plienų mechanin÷s savyb÷s mažai kuo skiriasi. Ramaus stingimo plienai pasižymi savybių stabilumu, verdančio stingimo - ne tokie vienodi, tačiau dažniausiai pasireiškia trapus suardymų pobūdis. Ramaus plieno gamyba yra brangesn÷, tod÷l jie naudojami tik svarbiose konstrukcijose.

1.3 lentel÷. Anglinių plienų mechanin÷s savyb÷s (GOST 3.80-71 Rusija)

Takumo riba σT, MPa

Trumpų gaminių santykinis pailg÷jimas δ5, %

Lenkimas 180°, kai velen÷lio skersmuo d

Gaminio storis s, mm

Plieno mark÷

Stiprumo riba σB, MPa

iki 20 20…40 40…100 iki 20 20…40 40…100 iki 20 Ст0 310 - - - 23 22 20 d=2s ВСт2пс ВСт2сп

340…440 230 220 210 32 31 29 d=0 (be velen÷lio)

ВСт3кп ВСт3пс ВСт3сп ВСт3Гпс

370…470 380…490

380…500

240 250 250

230 240 240

220 230 230

27 26 26

26 25 25

24 23 23

d=0,5s

ВСт4кп ВСт4пс ВСт4Гсп

410…520 420…540

260 270

250 260

240 250

25 24

24 23

22 21

d=2s

ВСт5пс ВСт5сп ВСт5Гпс

500…640 460…600

290 290

280 280

270 270

20 20

19 19

17 17

d=3s

Pastaba: 1. Lakštinio ir fasoninio plieno, kurio storis s ≥ 20 mm, takumo riba gali būti 10 MPa mažesn÷ už nurodytą; 2. Kai s < 20 mm, velen÷lio skersmuo padid÷ja bandinio storiu.

1.4 lentel÷. Lakštinių ir ilgų valcuotų gaminių mechanin÷s savyb÷s (Europos sąjunga)

Žym÷jimas

Išoksidi-nimo metodas

Plieno pogru- pis

Mažiausia takumo riba ReH , N/mm

2

Nominalinis storis, mm

Stiprumo riba Rm , N/mm2 1)


Santykinis pailg÷jimas (L0 = 5,65√S0), %


Pagal EN 10027-1

Pagal EN 10027-2

≤ 16 >16 ≤ 40 < 3 ≥ 3 ≤ 100 ≥ 3 ≤ 40

S185 1.0035 pasirink. BS 185 175 310-540 290-510 18

S235JR 1.0037 pasirink. BS 235 225 360-510 340-470 26

S235JRG1 1.0036 FU BS 235 225 360-510 340-470 26

S235JRG2 1.0038 FN BS 235 225 360-510 340-470 26

S235J0 1.0114 FN QS 235 225 360-510 340-470 26

S235J2G3 1.0116 FF QS 235 225 360-510 340-470 26

S235J2G4 1.0117 FF QS 235 225 360-510 340-470 26

S275JR 1.0044 FN BS 22

S275J0 1.0143 FN QS 275 265 430-580 410-560 22

S275J2G3 1.0144 FF QS 22

9

S275J2G4 1.0145 FF QS 22

S355JR 1.0045 FN BS 22

S355J0 1.0553 FN QS 22

S355J2G3 1.0570 FF QS 355 345 510-680 490-630 22

S355J2G4 1.0577 FF QS 22

S355K2G3 1.0595 FF QS 22

S355K2G4 1.0596 FF QS 22

E295 1.0050 FN BS 295 285 490-660 470-610 20

E335 1.0060 FN BS 335 325 590-770 570-710 16

E360 1.0070 FN BS 360 355 690-900 670-830 11

1) BS - paprastasis plienas; QS - kokybiškasis plienas.

2) Plienai E295, E335, E360 loviams, kampuočiams ir profiliams paprastai nenaudojami.

Mažaanglių plienų deformacijų diagrama turi horizontalią atkarpą, kuria nusakoma takumo ribos reikšm÷ σT. Ši takumo atkarp÷l÷ kinta ribose 0,2…2,5%. Jei plieno deformacijos diagramoje n÷ra horizontalios atkarpos, tai σT nustatoma pagal įtempių reikšmę atitinkančią 0,2% liekamosios deformacijos nu÷mus apkrovas.

1.1 pav. Mažaanglių plienų deformacijos diagrama

1.2 pav. Lenkimo bandymo schema

Deformacijos bandinio ilgyje pasiskirsto netolygiai. Didžiausias deformacijos laipsnis gaunamas

bandinio kakliuke, kuris susidaro prieš jam nutrūkstant. Bandant trumpus ir ilgus bandinius gaunamos skirtingos santykinio pailg÷jimo reikšm÷s. Trumpų gaminių santykinio pailg÷jimo δ5 reikšm÷s yra didesn÷s nei δ10 ilgų bandinių. Trapių medžiagų stiprumo riba sutampa su takumo riba.

Plienų plastiškumas įvertinamas bandymu lenkiant iki pirmo įtrūkimo, kaip parodyta 1.2, a pav. Pagal GOST 380-71 įtrūkimai neturi atsirasti sulenkus iki kraštin÷s tampa lygiagrečiomis (α=180°). Toliau lenkiama, kol priešingos kraštin÷s susilies (α = 0°) (1.2, b pav.).

Brokuotiems plienams suteikiama Ст0 mark÷. Šis plienas toliau naudojamas nesvarbiose konstrukcijose. Svarbioms konstrukcijoms naudojamas plienas Ст3сп. Skaičius plieno mark÷je charakterizuoja anglies kiekį. Did÷jant plieno mark÷je numeriui, did÷ja stiprumo bei takumo ribos, ir atitinkamai maž÷ja santykinis pailg÷jimas. Did÷jant gaminio storiui, maž÷ja σB, σT ir δ reikšm÷s.

Skaitin÷s smūginio tąsumo reikšm÷s nustatomos standartinių bandinių smūginio lenkimo bandymais. Smūginis tąsumas Rusijoje išreiškiamas suardymui sunaudoto darbo K dalimi tenkančia bandinio skerspjūvio ploto vienetui (MJ/m2); Europos sąjungoje – sunaudotu darbu suardyti standartinį bandinį (J). Lentel÷je 1.5 pateiktos KC reikšm÷s labiausiai paplitusiems plienams ВСт3сп ir ВСт3пс pagal GOST 380-71.

10

1.5 lentel÷. Lakštinio plieno smūginis tąsumas pagal GOST 380-71

Smūginis tąsumas, MJ/m, ne mažiau Gaminio storis s, mm

Kai temperatūra +20°C Kai temperatūra -20°C 5…9 10…25 26…40

0,8 0,7 0,5

0,4 0,3 -

Plieno Ст3 grūdinimas vandenyje ir atleidimas padidina σT reikšmę 25%, o σB - 20%. Svarbi teigiama daugumos mažaanglių ir mažai legiruotų plienų savyb÷ – galimyb÷ gauti suvirintos

siūl÷s metalo savybes artimas pagrindinio metalo savyb÷ms. Tai būdinga jungtims, gautoms virinant kontaktiniu sandūriniu, lankiniu apsaugin÷se dujose arba po fliusu, elektronpluoščiu ir kitais būdais. Geriausiai susivirina plienai, kurių sud÷tyje yra ne daugiau kaip 0,25% anglies.

Toliau pateikti kai kurių kokybinių anglinių konstrukcinių plienų pavyzdžiai pagal GOST 1050-74.

1.6 lentel÷. Kokybinių anglinių plienų sud÷tis ir savyb÷s (Rusija)

Mechanin÷s savyb÷s

Plieno mark÷ Anglies kiekis, % Stiprumo riba σB,

MPa Takumo riba σT,

MPa Santykinis

pailg÷jimas δ5, %

10 15 20 35

0,07…0,14 0,12…0,19 0,17…0,24 0,32…0,40

340 380 420 540

210 230 250 320

31 27 25 20

Visų lentel÷je pateiktų plienų sud÷tyje yra 0,17…0,37 % silicio; plieno 35 sud÷tyje yra 0,5…0,8%

mangano, kituose-0,35…0,65%. Plienai, kurių sud÷tyje yra ne daug anglies, pasižymi aukštu plastiškumu, o plienai, kurių sud÷tyje yra daugiau anglies, – aukštu stiprumu.

Kartais mažaangliai plienai apdorojami termiškai, pvz.: ВСт3сп (GOST 380-71), kurio sud÷tis - C = (0,09…0,22)%, Si = (0,05…0,15)%, Mn = (0,4…0,65)%, gaunamos savyb÷s: σB ≥ 440 MPa, σT ≥ 300 MPa, δ ≥ 16%.

1.3. Kokybinių plienų naudojimo efektyvumas

Plienų stiprumas didinamas į jo sud÷tį pridedant legiruojančių elementų ir termiškai apdorojant. Legiruojantys elementai rusiškose plieno mark÷se žymimi: manganas – Г, silicis – С, nikelis – Н, chromas-Х, vanadis – Ф, aliuminis – Ю, varis – Д, titanas – T, azotas – А ir t.t. Mažai legiruoti plienai gaminami pagal GOST- 19281-73 ir 19282-73, taip pat pagal techninius reikalavimus.

Pirmieji du skaičiai legiruotų plienų mark÷se nurodo anglies kiekį procento šimtosiomis dalimis, o skaičiai iš dešin÷s nuo sutartinio elemento žym÷jimo-legiruojančio elemento kiekį procentais.

1.8 lentel÷. Mažai legiruotų plienų chemin÷ sud÷tis (Rusija)

Elementų kiekis % Plieno mark÷

C Si Mn Kiti

09Г2 14Г2 16ГС 09Г2С 10Г2С1

0,12 0,12…0,18 0,12…0,18 0,12 0,12

0,17…0,37 0,17…0,37 0,40…0,70 0,50…0,80 0,90…1,20

1,4…1,8 1,2…1,6 0,9…1,2 1,3…1,7 1,3…1,65

Сr, Ni, Cu ≤ 0.3

11

15ГФ 0,12…0,18 0,17…0,37 0,90…1,20 Сr, Ni, Cu ≤ 0.3 V = 0,05…0,12

15ХСНД 0,12…0,18 0,40…0,70 0,40…0,70 Cr = 0,6…0,9 Ni = 0,3…0,6 Cu = 0,2…0,4

10ХСНД 0,12 0,80…1,10 0,50…0,80 Cr = 0,6…0,9 Ni = 0,5…0,8 Cu = 0,4…0,6

16Г2АФ 0,14…0,18 0,30…0,60 1,30…1,70 V = 0,08…0,14 N = 0,0015…0,025 Cr, Ni, Cu ≤ 0,3

Pastaba: visų markių plienams S ≤ 0,004 %; P ≤ 0,035 %.

Plienai legiruojami taip, kad padid÷jusios jų stiprumo ir takumo ribos nemažintų plastiškumo, smūginio tąsumo, suvirinamumo.

Silicis gerai išoksidina plieną. Manganas šalina žalingą sieros poveikį , tačiau esant mangano daugiau nei 1,5 % blog÷ja metalo plastin÷s savyb÷s. Plieno savybes gerina molibdenas, chromas, boras. Nikelio priedai didina plieno atsparumą žemose temperatūrose, tačiau nikelis brangus ir deficitinis.

Bendrosios paskirties mažai legiruoti plienai dažniausiai tiekiami termiškai apdoroti. Terminis plienų apdorojimas užgrūdinimu – plieno, įkaitinto iki 910° C staigus ataušinimas - leidžia pasiekti martensitinę struktūrą, kuri pasižymi dideliu kietumu ir mažu tąsumu. Užgrūdintų detalių tąsumas padidinamas atleidimu. Normalizacija – tai įkaitinto iki 910 °C plieno ataušinimas ore – leidžia gauti stabilią pagerintą feritinę perlitinę struktūrą.

1.9 lentel÷. Mažai legiruotų plienų mechanin÷s savyb÷s

Smūginis tąsumas MJ/m2 Plieno mark÷

Storis s, mm

Stiprumo riba σB, MPa

Takumo riba σT, MPa

Santykinis pail-g÷jimas δ, % Kai T=20° Kai T= -40°

09Г2 4…20 21…32

450 310 300

21 - -

0,30 0,40

14Г2 4…10 11…32

470 460

340 330

21 - -

0,35 0,30

16ГС 4…10 23…60

500 470

330 290

21 0,60 0,40 0,30

09Г2С 4…10 33…60

500 460

350 290

21 0,60 0,4 0,35

10Г2С1 4…10 33…60

520 480

380 340

21 0,60 0,4 0,3

15ГФ 4…10 21…32

520 480

380 340

21 0,4 0,3

15ХСНД 4…32 500 350 21 - 0,3

10ХСНД 4…10 10…33

540 520

400 19 - 0,5

16Г2АФ 5…9 33…50

600 580

450 420

20 - -

Pastaba: 1. Minimali smūginio tąsumo reikšm÷, esant T=20°C, ne mažesn÷ kaip 0,3 MJ/m2; 2. Visų markių plienai šaltame būvyje gali būti sulenkiami 180° apie velen÷lį, kurio d = 2s; 3. Mechanines savybes 11…32 mm storio valcuotų gaminių iš 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 ir 11…20 mm storio iš 15ГФ galima nustatyti interpoliacijos būdu.

Lentel÷je 1.9 matyti, kad įvairių storių mažai legiruotų plienų smūginis tąsumas esant -40°C nemažesnis

kaip 0,3 MJ/m2.

12

Mažai legiruotų plienų panaudojimas konstrukcijose sparčiai plinta. Konstrukcijos masei mažinti naudojami stiprūs plienai, kurių takumo riba nemažesn÷ kaip 350…400 MPa ir aukšto stiprumo 30ХГСНА tipo plienai, kurių stiprumo riba iki 2000 MPa ir takumo riba iki 1570 MPa.

Padidinto stiprumo plienai yra labiau atsparūs tempimui, tačiau d÷l įtempimų koncentracijos konstrukcijose galimas trapus jų suirimas. Padidinto stiprumo kintančioms (ciklin÷ms) apkrovoms plienai naudojami mašinų gamyboje. Plieno mark÷s parinkimas konstrukcijoms priklauso nuo jų darbo sąlygų ir reikalaujamo suvirinamumo. Geriausiai virinasi plienai, turintys mažiausią anglies “ekvivalentą”.

Puiki vario lydinių savyb÷ yra aukštas plastiškumas, sąlyginis pailg÷jimas siekia 65%; daugelio lydinių σT – 300… 350 MPa.

Didelę paklausą gamyboje turi plienai su specialiomis savyb÷mis: padidinto atsparumo korozijai plienai, padidinto atsparumo karščiui ir kiti.

Patvarūs karštyje plienai naudojami suvirintoms konstrukcijoms darbui 600°C temperatūroje - aukšto sl÷gio garotiekiams ir pan. Darbui aukštesn÷se temperatūrose reikalingi specialūs dar labiau karščiui ir korozijai atsparūs plienai.

Įvairiose konstrukcijose plačiai naudojami nerūdijantys plienai ir kitokie lydiniai. Tokių plienų stiprumo riba neaukšta – 500…600 MPa , takumo riba – 200…300 MPa. Jie pasižymi geru plastiškumu (santykinis pailg÷jimas 20…30%, tačiau nežiūrint į tai, šie plienai yra labai jautrūs įtempių koncentracijai esant kintamoms apkrovoms. Iš šių plienų gaminamos konstrukcijos darbui aukštose temperatūrose, kur reikalingos aukštos mechanin÷s savyb÷s eksploatacijos temperatūrose ir korozin÷je aplinkoje.

Virinant daugumos markių plienus gaunamas jungtys pasižymi gerom mechanin÷m savyb÷m žemose ir aukštose temperatūrose, esant statin÷ms, kintamoms ir smūgin÷ms apkrovoms, plonasieniuose ir storasieniuose gaminiuose įvairiose aplinkose (atmosferoje, po vandeniu, kosmose ir t.t.).

Aukšto stiprumo plienų naudojimas konstrukcijose sumažina jos masę. Nežiūrint į aukštą stipraus plieno kainą, lyginant su mažaangliais, jo naudojimo efektyvumas yra rentabilus.

1.4. Plienų savybių gerinimas apdorojant paviršių

Mašinų gamybos konstrukcijų stiprumui didelę reikšmę turi metalų paviršiaus apdorojimas. Pastaruoju metu jis atliekamas plazminiu metodu, taip pat kondensacijos būdu, gaunant ją iš temperatūrin÷s plazmos. Tam naudojami elektriniai spinduliniai srautai.

Paviršių kokyb÷ gerinama padengiant juos medžiagomis, suteikiančioms paviršiui specialias savybes joninio išpurškimo būdu, plonu sluoksniu, kurio storis būna tik mikronas ar net jo dalis, tod÷l nesikeičia pagrindinio metalo chemin÷ sud÷tis, o tik ger÷ja jo mechanin÷s savyb÷s.

Neretai taikomas modifikacijos metodas keičiant cheminę sud÷tį. Taip pat taikoma modifikacija panaudojant lazerį. Lazeriu išlydomas labai plonas paviršiaus sluoksnis. Paviršius aušta labai dideliu greičiu – 109°C/s. Taip greit aušinant galima gauti amorfinei struktūrai artimas kristalų savybes, kurių negautum÷m apdoroję kitais terminiais metodais.

1.5. Spalvotųjų metalų lydiniai

Kai kuriose pramon÷s šakose kartu su plienu buvo prad÷ti naudoti ir spalvotieji lydiniai: aviacijoje, laivių statyboje ir kitur. Lydiniai aliuminio ir titano pagrindu pasižymi mažesniu tankiu lyginant su plienu, gerai išsaugo savo savybes žemose temperatūrose. Pasižymi didesniu atsparumu korozijai, ir konstrukcijos būna žymiai lengvesn÷s lyginant su kitomis naudojamomis medžiagomis. Tačiau spalvotųjų lydinių tamprumo modulis kelis kartus mažesnis nei plieno, d÷l to krenta konstrukcijos elementų pastovumas ir did÷ja deformacijos. Lyginant su plienu, spalvotieji lydiniai yra labiau jautrūs įtempių koncentracijai. D÷l to did÷ja paviršiaus apdirbimo ir suvirinimo darbų reikalavimai.

1.10 lentel÷. Aliuminio lydinių mechanin÷s savyb÷s (Rusija)

Mechanin÷s savyb÷s Lydinio mark÷ Suvirinamumas Būsena

σB, MPa σT, MPa δ, %

Atsparumas korozijai

АМц Aukštas Atkaitintas 130 50 23 Aukštas

АМг1 Aukštas Atkaitintas 110 50 30 Vid/aukštas

13



АМг6 Aukštas

10% paviršinis sukietinimas

350 250 14 Vid/aukštas

АМг6 Aukštas

40% paviršinis sukietinimas

470 370 6 Vid/aukštas

Д16 Žemas Grūdinimas ir

dirbtinis sendinimas 450 400 7 Žemas

ВАД1 Vidutinis Tas pats 430 280 18 Vidutinis

АВ Vidutinis Tas pats 330 270 15 Vidutinis

ФД33 Vidutinis Tas pats 310 250 14 Vid/aukštas

В92 Vidutinis Tas pats 440 320 13 Vidutinis

В95 Vidutinis Tas pats 520 440 14 Žemas

Pastaba: Visiems lydiniams E = 6,8 104…7,0 104 MPa; G = 2,6 104…2,7 104 MPa.

Aliuminio lydiniai skirstomi į deformuojamus ir nedeformuojamus. Suvirintose konstrukcijose

naudojami pirmai grupei priklausantys lydiniai, nedeformuojamieji naudojami liejiniuose. D÷l mažo tankio ir gero korozinio atsparumo aliuminio lydiniai naudojami lengvoms konstrukcijoms gaminti; gaminami pastatų ir paviljonų perdengimai, kai yra didelis atstumas tarp atramų, pakeliamieji tiltai, šliuzai, atsparios korozijai naftos perdirbimo pramon÷s konstrukcijos ir kita. Projektuojant konstrukcijas reikia įvertint mažesnį aliuminio lydinių standumą (E = 71000 MPa ) lyginant su plienu, o taip pat mažesnį jo patvarumą karščiui, nes esant > 100 °C pradeda maž÷ti Al lydinių mechanin÷s savyb÷, o esant t > 200 °C prasideda valkšnumas.

Aliuminio lydiniai neturi takumo atkarpos, o takumo riba nustatoma pagal 0,2% liekamąją deformaciją. Sumaž÷jus temperatūrai, šiek tiek padid÷ja σB, σ02 ir δ reikšm÷s, tod÷l aliuminio lydiniai gerai dirba šiose sąlygose. Pakilus temperatūrai, σB ir σ02 staigiai maž÷ja.

Aliumininiai lydiniai yra žymiai atsparesni korozijai lyginant su plienu. Al – Mn ir Al-Mg sistemų lydiniai priklauso deformuojamų lydinių grupei ir n÷ra termiškai stiprinami. Šių lydinių suvirinamumas geriausias. Jie naudojami atkaitinti, taip pat daugiau ar mažiau sukietinti t.y. paveikti plastinių deformacijų tam, kad padidinti jų takumo ribą. Sukietinus, stiprumo rodikliai žymiai padid÷ja (ypač σ02), tačiau krenta santykinio pailg÷jimo reikšm÷s. Labiausiai paplitę legiruoti magniu aliuminio lydiniai, ypač Амг6, kurio stiprumo riba lygi 0,8 plieno Ст3 stiprumo ribai, o σ02≅0,5σB ir santykinis pailg÷jimas δ=18…20%. Likusieji aliuminio lydiniai yra stiprinami termiškai juos apdorojant.

Variu legiruotų lydinių stiprumo riba yra aukštesn÷, tačiau jie blogiau virinasi. Prieš naudojimą šie lydiniai yra užgrūdinami ir dirbtinai susendinami. Virinant lankiniu būdu, lydinys B92 virinasi geriau nei lydinys Д16, tačiau jo sujungimai yra mažiau atsparūs korozijai veikiant įtempimams. Lydinio Д16 suvirintos jungtys yra silpnesn÷s nei pagrindinis metalas, tačiau patenkinamai geri dirba aukštose ir žemose temperatūrose.

Miltelin÷s metalurgijos metodu gaunamos medžiagos САП (sukepinta aliuminio pudra) yra labiau atsparios karščiui, ir kambario temperatūroje jų stiprumas siekia 330 MPa, o esant 500°C temperatūrai – 70…80 MPa.

Suvirintose konstrukcijose prad÷ti naudoti titano lydiniai. Kol kas jie yra labai brangūs, tačiau turi kelias labai geras ir retas savybes: mažas tankumas (apie 4500kg/m3) ir aukšti mechaninių savybių rodikliai (1.11 lentel÷). Reikšmių σB ir σT artumas reiškia didelį jautrumą įtempimų koncentracijai, o tai daro neigiamą įtaką

14

konstrukcijų iš titano lydinių darbui. Suvirintų konstrukcijų stiprumo riba yra 0,8…1,0 pagrindinio metalo stiprumo ribos.

1.11 lentel÷. Titano lydinių mechanin÷s savyb÷s ir chemin÷ sud÷tis (Rusija)

Mechanin÷s savyb÷s Lydinys

Aliuminio kiekis lydinyje

Būsena σB, MPa σT, MPa δ10, %

OT4 BT5 BT5-1 BT20 BT6 BT14

3,5…5,0 4,3…6,2 4,0…6,0 5,5…7,0 5,3…6,8 3,5…6,0

Atkaitintas Atkaitintas Atkaitintas Atkaitintas

Užgrūdintas ir sendintas Tas pats

700…900 700...950 750…950 950…1150 1100…1150 1150…1400

550…650 660…850 650…850 850…1000 1000…1050 1080…1360

12…20 10…15 10…15 8

14…16 6…10

Pastaba: Lydinio BT6 sud÷tyje yra 3,5…6,3% vanadžio; BT14 – (0,8…1,9)% vanadžio ir 2,5…3,8% molibdeno. Titano lydinių tamprumo modulis E = 1,1 105 MPa.

Konstrukcijos, pagamintos iš titano lydinių, esant sąlyginai mažai masei, pasižymi aukštu atsparumu

korozijai, gerom mechanin÷m savyb÷m ir gražiu išoriniu vaizdu. Jos naudojamos chemijos pramon÷s mašinų gamybai, kai kurių skraidymo aparatų gamybai, laivų statybai, taip pat paminklams.

Magnio lydiniai pasižymi mažu tankiu ir neaukštomis mechanin÷mis savyb÷mis. Jiems virinti naudojami įvairūs būdai.

Vario lydiniai pasižymi dideliu tankiu, geru elektros laidumu ir virinasi įvairiais būdais. Deformuojamų alavinių bronzų σT = 350…400 MPa, santykinis pailg÷jimas δ10 = 50%, jos gerai

lituojasi. Taip pat gerai virinasi ir žalvario lydiniai (varis + cinkas), σB = 260…450 MPa, santykinis pailg÷jimas daugelio lydinių δ10 = 50 %.

Kai kuriomis geromis savyb÷mis pasižymi berilio lydiniai: aukštas stiprumas, plastiškumas, tamprumo modulis, tačiau naudojami retai d÷l didel÷s kainos ir sunkaus apdirbimo. Berilio lydiniai yra labai toksiški ir, nenaudojant apsisaugojimo priemonių, gali pakenkti žmogaus sveikatai.

1.6. Plienų ir spalvotųjų metalų atsparumas korozijai

Projektuojant konstrukcijas būtina atsižvelgti į metalo atsparumą korozijai priklausomai nuo eksploatacinių aplinkos sąlygų. Agresyvios aplinkos: anglies dvideginis, amoniakas, sieros vandenilis ir kitos dujos; mažiau agresyvios – oro dr÷gm÷ patalpoje ir atviram, dulk÷se esantys aerozoliai, kurių sud÷tyje yra chloridų, sulfidų, fosfatų.

Padidintu atsparumu korozijai pasižymi mažai legiruoti plienai 10ХСНД, 15ХСНД. Kitiems mažai legiruotiems plienams-18Гпс, 14Г2АФ, 09Г2С-kaip ir ВСт3 mark÷s plienams darbui agresyvioje aplinkoje reikia antikorozin÷s apsaugos. Plienai, veikiami aktyvių reagentų, gali gauti vandenilinį trapumą, o kai kurie aukšto stiprumo plienai gali tapti trapiais vien tik nuo atmosferinio poveikio.

Kintamos apkrovos mažina atsparumą korozijai. Šis kintamų apkrovų poveikis aukšto stiprumo plienams yra didesnis nei paprastos kokyb÷s plienams. D÷l korozijos maž÷ja ne tik metalo mas÷, bet ir gaunamas korozinis supleiš÷jimas, ypač esant šarminei aplinkai temperatūrose virš 40…50°C.

Al – Mg sistemos metalai turi aukštą atsparumą korozijai lyginant su kitais aliuminio lydiniais. Apsaugai nuo korozijos konstrukcijos dengiamos kitų metalų sluoksniu: cinku arba aliuminiu,

panardinant konstrukcijos elementus į išlydytą metalą. Dangos sluoksnio storis būna 60…200 mikronų. Metalizacija – padengimas tam tikros chemin÷s sud÷ties išlydytu metalu, apipurškiant padengiamąjį

paviršių prieš tai gerai jį nuvalius. Apsaugai nuo korozijos taip pat naudojamas metalo paviršiaus dažymas, kurį sudaro gruntas ir dengiamasis sluoksnis. Aliuminin÷ms konstrukcijoms apsaugoti atliekamas anodavimas elektrocheminiu būdu, sudaromas 8 – 20 mkm storio sluoksnis, o taip pat oksidavimas, panardinant konstrukcijos elementus į šarminių metalų chromatų tirpalus.

1.7. Sortamentas

Suvirintose konstrukcijose naudojami metalo gaminiai, gauti valcavimo, liejimo, štampavimo ir kitais būdais. Dažniausiai suvirintų konstrukcijų gamybai naudojami valcuoti gaminiai.

15

Lakštinis plienas. Lakštinį plieną gauna valcuojant jį tarp dviejų valcų be šoninio spaudimo. Lakštai būna įvairių storių 4…160 mm. Lakštinio plieno kaina priklauso nuo tipo ir matmenų. Mažiausiai kainuoja standartinių matmenų profiliai.

Paprastieji rūšiniai valcuoti gaminiai. Jiems priskiriami kvadratinio, apvalaus, šešiabriaunio skerspjūvio profiliai ir juostinis plienas. Apvalaus profilio plienas (GOST 2590-71) naudojamas kaip armatūra gelžbetonin÷se konstrukcijose, taip pat statybin÷se konstrukcijose, kur yra nedidel÷s apkrovos, pvz., lengvoms santvaroms gaminti.

Bendros paskirties fasoniniai profiliai. Jei konstrukcijos elementas yra lenkiamas, tai mažiausios mas÷s profilio su užduota laikančiąja galai racionalumas nusakomas santykiu W/A, kur W – atsparumo momentas lenkimui, A – skerspjūvio plotas. Kuo didesnis W/A santykis, tuo efektyvesnis profilio panaudojimas.

Dvit÷jin÷s sijos – profiliniai elementai, turintys didžiausią inercijos momentą esant sąlyginai mažam skerspjūvio plotui. Dvit÷jo numeris parodo jo aukštį centimetrais. Pradedant nuo Nr. 18 ir toliau, dvit÷jai gaminami skirtingų skerspjūvio plotų, tačiau esant tam pačiam profilio aukščiui (GOST 8239-72). Dar labiau ekonomiški yra dvit÷jai su lygiagrečiais lentyn÷lių paviršiais (plačiajuosčiai dvit÷jai), taip pat t÷jiniai profiliai. Dvit÷jai naudojami įvairiose statybos ir mašinų gamybos konstrukcijose.

Kampuočiai susideda iš dviejų lentyn÷lių, kurios gali būti vienodų arba nevienodų pločių. Kampuočiai parenkami pagal GOST 8509-86.

Loviai naudojami stovų, r÷mų, santvaros elementų ir kitų statybinių konstrukcijų gamyboje. Jie parenkami pagal GOST 8240-72.

Fasoniniai profiliai specialios paskirties naudojami b÷gių gamyboje, geležinkelio mašinų gamyboje, statybinių konstrukcijų t÷jiniams ir zet profiliams ir kitur (1.3 pav.). Šiai rūšiai priklauso periodiniai, štampuoti, lenkti, presuoti ir vamzdiniai profiliai.

1.3 pav. Valcuoti fasoniniai specialios paskirties profiliai

Periodinius profilius tikslinga naudoti gelžbetonio armatūrai gaminti. Sraigtin÷s formos strypai geriau sukimba su betonu, turi padidintą paviršiaus plotą. Šio profilio panaudojimas mašinų gamyboje yra racionalesnis, nes tai leidžia sumažinti konstrukcijos masę.

16

. 1.4 pav. Lenktų ir presuotų profilių pavyzdžiai

Lenkti profiliai gaminami iš karštu ir šaltu būdu valcuoto atkaitinto lakštinio ir juostinio paprastos

kokyb÷s plieno, taip pat iš mažai legiruoto nedidelio storio (3...4 mm) plieno. Lenkimo vietose atsiranda plastin÷s deformacijos, d÷l to nereik÷tų tose vietose virinti, nes taip dirbtinai būtų sendinamas metalas.

Gaminami įvairių tipų lenkti kampuočiai, specialūs loviniai profiliai, nelygiašoniai kampuočiai, C – tipo ir kitokie profiliai, kurie naudojami plonasien÷ms konstrukcijoms gaminti. Lenkti profiliai labai ekonomiški, kadangi yra mažas jų skerspjūvio plotas ir mas÷, bet tuo pačiu jie yra padidinto standumo ir labiau atsparūs išilginiam lenkimui, gniuždymui ir sukimui.

Presuoti profiliai gaminami iš aliuminio lydinių. Jie gali būti įvairių formų (atviro ir vamzdinio profilio). Pastovaus arba kintančio skerspjūvio vamzdiniai profiliai gaminami suvirinimo, karšto valcavimo, presavimo, karšto ir šalto traukimo ir išpūtimo būdais. Apart apskrito profilio, pramon÷je labai populiarūs ir fasoninio profilio vamzdžiai (1.5 pav.).

Vamzdžiai gaminami įvairių skersmenų ir sienelių storių. Jie naudojami tiesiant dujotiekius, taip pat santvarų konstrukcijose statant bokštus, kolonas, stovus ir kita. Projektuojant reikia atsižvelgti, jog tokių vamzdžių vienos tonos kaina yra gerokai didesn÷ nei rūšinių valcuotų gaminių kaina, o mažo skersmens vamzdžiai yra brangesni nei didelio. Kartais vamzdiniai elementai yra užpildomo kokia nors medžiaga. Dažniausiai tai būna vamzdžiai užpildyti betonu. Tokiu būdu yra statomi gelžbetoniniai tiltai. Užpildant vamzdžius kitomis medžiagomis, statomos nepraleidžiančios garso ar šilumos konstrukcijos.

1.5 Vamzdiniai fasoniniai profiliai

2. Suvirintosios jungtys ir jų statinio stiprumo skaičiavimas 2.1. Suvirinimo būdų klasifikavimas

Suvirinimas – tai neišardomos jungties gavimo būdas panaudojant cheminę, elektrinę, mechaninę energiją arba jų kombinacijas lokalizuotoje zonoje. Jungtys gaunamos koncentruojant energiją, kuri keičiasi plačiam diapazone esant įvairiems naudingo darbo koeficientams.

17

2.1 lentel÷. Suvirinimo procesų energijos koncentracija, tenkanti vienam ploto vienetui

Suvirinimo būdas Energijos koncentracija, W/cm2

Dujinis Lankinis Plazminis Elektroninis-spindulinis Lazerinis

6 102

4 104

105

108…109

109…1010

2.1 lentel÷je pateikti suvirinimo procesus charakterizuojantys parametrai. Duoti skaičiai charakterizuoja patį procesą.

Priklausomai nuo energijos koncentracijos dydžio, skiriasi jungties suvirinimo būdai, jų savyb÷s, energijos sunaudojimas ir kita. 2…50 mm storio plieno ir lydinių pagrindinis suvirinimo būdas yra lankinis lydžiu elektrodu, ir kuris gali būti automatinis, pusiau automatinis ir rankinis.

Automatinis suvirinimas po fliusu naudojamas virinant siūles horizontalioje pad÷tyje, suvirinimas apsauginių dujų aplinkoje galimas automatiniu, pusiau automatiniu arba rankiniu būdais visose erdvin÷se pad÷tyse. Suvirinimas aukšto dažnio srov÷mis yra ypač našus.

Elekrošlakinis suvirinimas rekomenduojamas virinant elementus, kurių storis 40…50 mm. Šio suvirinimo pagrindu išrasti nauji metalurginiai elektošlakinio perlydimo ir elektriniai liejimo procesai.

Kontaktinis sandūrinis suvirinimas naudojamas virinant skirtingo profilio detales suduriant jas. Kontaktinis taškinis suvirinimas naudojamas sujungiant mažų storių elementus iš plieno ir spalvotų

metalų, taip pat gelžbetonio metalines konstrukcijas. Kontaktin÷mis mašinomis galima virinti plieno lakštų paketus, kurių bendras storis siekia kelis centimetrus.

Kontaktinis siūlinis suvirinimas naudojamas virinant plonasienius elementus. Difuziniu suvirinimu vakuume virinami vienarūšiai ir skirtingi metalai, taip pat metalai su ne metalais. Pramoninis litavimas naudojamas sujungiant cinkuoto plieno detales, taip pat grafitin÷s ir kitos

prigimties detales. Ultragarsinis suvirinimas paprastai naudojamas dirbant su plastmas÷mis. Suvirinimas intensyvia energija, elektriniu spinduliavimu ir lazeriu pasižymi aukštu našumu ir mažai

pakeičia detalių matmenis.

2.2. Suvirintųjų jungčių skaičiavimas leistinų įtempių ir ribinių būvių metodais

Statybines konstrukcijas reikia paskaičiuoti j÷goms, veikiant kurioms ta konstrukcija dar tenkina reikalaujamus eksploatacinius reikalavimus. Ribiniai būviai skirstomi į dvi grupes.

Pirmajam ribiniam būviui priskiriamas konstrukcijos laikančiosios galios (stiprumo, pastovumo, patvarumo) netekimas arba netinkamumas tolimesnei eksploatacijai, o tai gali būti bendras konstrukcijos formos pastovumo netekimas, pad÷ties pastovumo netekimas; trapūs, tąsūs, nuovargio ir kitokio pobūdžio irimai; irimai d÷l išorin÷s aplinkos ir suminio j÷gų poveikio; kokybiškas konfigūracijos pakitimas; rezonansiniai svyravimai; būsena, kuriai esant reikia nutraukti eksploataciją, kai atsiranda medžiagos takumas, poslinkiai sujungimuose; valkšnumas ir per didelis įtrūkių atsiv÷rimas.

Antram ribiniam būviui priklauso ribin÷ būsena, apsunkinanti konstrukcijos normalią eksploataciją arba mažinanti ilgaamžiškumą, atsiradusi d÷l neleistinų poslinkių (įlinkių, sus÷dimo, posūkių), svyravimo, įtrūkimų ir t.t.

Statybin÷se organizacijose ribinių būvių metodas remiasi skaičiuojamuoju atsparumu R, kurio reikšm÷ lygi takumo ribos σT ir patikimumo koeficiento kn santykiui.

Mažaangliams plienams nominalus skaičiuojamasis atsparumas R lygus 0,9 σT. Naudojant ši skaičiavimo būdą, apskaičiuojamos ir leistinos įražos elemente. Leistinos įražos

nustatomos atsižvelgiant į patikimumo koeficientą kn ir darbo sąlygų koeficientą m, apsprendžiantį konkretaus objekto darbo pobūdį tam tikroje technikos srityje.

Leistinos elemento įražos, veikiant išilginei j÷gai paskaičiuojamos pagal formulę:

Nleist < RmA/kn, (2.1)

čia A – skerspjūvio plotas. Skaičiuojamosios įražos N turi būti lygios arba mažesn÷s už Nleist. Analogiškai apskaičiuojamas leistinas lenkimo momentas:

18

Mleist = RmW/kn, (2.2)

čia W-skerspjūvio atsparumo momentas. Pagal formules (2.1 ir 2.2) matome, kad Rm/kn iš esm÷s reiškia leistinuosius įtempius. Koeficientai m ir

kn yra nevienodi ne tik skirtingiems gaminiams, bet kartais ir tos pačios konstrukcijos elementams. Tod÷l skirtingoms konstrukcijoms skaičiavimai vyksta esant skirtingiems leistiniems įtempiams.

Darbo sąlygų koeficientai kai kuriems elementams: balkiams, gniuždomiems elementams ir perdengimams m = 0,9, gniuždomiems pagrindiniams elementams (išskyrus laikančiuosius), kurių liaunis λ > 60, m = 0,8; gyvenamųjų namų ir visuomeninių pastatų atramų m = 0,75, kranų, kurių keliamoji galia yra 5t, konstrukciniams elementams m = 0,9.

Pagrindinio metalo skaičiuojamojo stiprumo R reikšm÷s pateiktos 2.2 lentel÷je, kurios paprastai yra lygios 0,95 takumo ribos σT.

2.2 lentel÷. Plienų (lakštų) skaičiuojamasis atsparumas

Plieno mark÷ Metalo storis s,

mm Skaičiuojamasis stiprumas pagal takumo ribą RT, MPa

Skaičiuojamasis stiprumas pagal stiprumo ribą Rm, MPa

ВСт3кп2-1 ВСт3кп2-1 ВСт3кп5-1 ВСт3кп5-2 09Г2 09Г2С 15ХСНД 10ХСНД 18Г2АФпр

4…10 11…20 4…10 10…20 11…20 11…20 4…32 4…32 4…32

220 210 270 260 300 315 330 355 400

345 335 370 360 430 460 465 480 535

Nurodytų markių plienams virinti automatiniu būdu naudojamos įvairių markių prid÷tin÷s vielos ir fliusai, o rankiniam suvirinimui – įvairūs elektrodai.

Lenkiamų, gniuždomų, tempiamų sandūrinių jungčių, suvirintų automatiniu, pusiau automatiniu arba rankiniu būdu ir kai naudojami fizikiniai kontrol÷s metodai, skaičiuojamasis atsparumas parenkamas lygiu pagrindinio metalo skaičiuojamajam atsparumui, kuris nustatomas pagal metalo stiprumo ribą arba atitinkamai pagal takumo ribą.

Jei sandūrin÷ms siūl÷ms neatliekama neardomoji kontrol÷ fizikiniais metodais, tuomet priimama, kad skaičiuojamasis atsparumas lygus 0,85 metalo takumo ribos.

Kerpamos sandūrin÷s jungties skaičiuojamasis stiprumas priimamas kaip kerpamo pagrindinio metalo atsparumas.

Mašinų gamybos konstrukcijos ir jungtys skaičiuojamos pagal leistinus įtempimus, kurie priklauso nuo: - metalo savybių (kuo geresn÷s mechanin÷s savyb÷s, tuo didesni leistini įtempimai). - skaičiavimo tikslumo (kuo tiksliau paskaičiuojamas konstrukcijos stiprumas ir kuo tiksliau įvertinamos

konstrukciją veikiančios apkrovos, tuo mažesnis stiprumo atsargos koeficientas ir tod÷l didesni leistini įtempimai).

- apkrovų rūšies (tempimas, gniuždymas, lenkimas, kirpimas). - technologinio proceso kokyb÷s (ypač nustatant leistinus įtempimus suvirintuose jungtyse). - apkrovų pobūdžio (esant kintamoms apkrovoms leistini įtempimai sumaž÷ja lyginant su statin÷m) Jei įtempiai konstrukcijoje yra žymiai mažesni nei leistini σ < 0,95[σ]temp ir tam n÷ra pagrindo

(standumo, pastovumo reikalavimai ir pan.), tai tokiu atveju suprojektuota konstrukcija tur÷s per didelę laikančiąją galią ir bus sunki bei neekonomiška.

Jei, atvirkščiai, įtempiai konstrukcijoje σ > 1,05[σ]temp, tai reiškia, jog suprojektuotos konstrukcijos laikančioji galia yra mažesn÷ už reikalaujamą. Tokia konstrukcija nepatikima, jei nenurodytos kokios nors ypatingos sąlygos (laikina eksploatacija ir pan.). Geriausias variantas, kai σ = [σ]temp. Tokia konstrukcija pakankamai stipri ir ekonomiška.

Tempimo leistinieji įtempiai [σ]temp, paprastai vadinami pagrindiniais. Leistinieji įtempiai kitiems apkrovų tipams laikomi išvestiniais.

19

Dažniausiai mašinų gamybos konstrukcijoms, apkrautoms statin÷mis apkrovomis, leistinieji įtempiai parenkami pagal takumo ribos σT ir nustatomi santykiu [σ]temp = σT/k1 (k1 = 1,3…1,5); retesniais atvejais-priklausomai nuo stiprumo ribos - σB: [σ]temp = σB/k2 (k2 = 2,0…2,4).

Gniuždant trumpus elementus, kai n÷ra išilginio lenkimo (klupdymo), leistinieji įtempiai [σ]gn priimami lygūs [σ]temp. Gniuždant ilgus elementus – [σ]gn = [σ]tempϕ, ϕ – išilginio lenkimo (klupdymo) koeficientas, priklausantis nuo gniuždomo elemento liaunio , taip pat nuo takumo ribos.

Plienin÷ms konstrukcijoms leistinieji lenkimo įtempiai [σ]lenk yra lygūs [σ]temp. Kirpimo leistinieji įtempiai keičiasi priklausomai nuo taikomos stiprumo teorijos. Paprastai leistinieji kirpimo įtempiai nustatomi [τ] = (0,5…0,6)[σ]temp. Kitais atvejais – priklausomai nuo stiprumo ribos σB.

Mašinų gamybos konstrukcijų siūl÷je leistinieji įtempiai parenkami priklausomai nuo pagrindinio metalo lestinųjų įtempių įvertinant prid÷tines medžiagas – elektrodus, prid÷tinę vielą, fliusus. Ši nuostata leidžia projektuoti lygiareikšmio stiprumo pagrindiniam metalui suvirintas jungtis, neskaičiuojant joms tenkančių apkrovų; be to, tokiu būdu projektuojant jungtis, nebūtina įvertinti kintančius dydžius, įtakojančius konstrukcijos stiprumo atsargos koeficientą.

Virinant automatiniu būdu po fliusu arba apsaugin÷se dujose, taip pat kontaktiniu sandūriniu būdu, siūl÷s mechanin÷s savyb÷s priklauso nuo pagrindinio metalo mechaninių savybių ir nuo jam parenkamo prid÷tinio metalo savybių.

Kampin÷s siūl÷s stiprumas, kerpant ją mažiausio skerspjūvio vietoje, lygus 0,6…0,65 lakštin÷s detal÷s leistinųjų įtempių [σ]t. Svarbiausi veiksniai, darantys įtaką jungčių ir siūlių mechanin÷ms savyb÷ms bei leistiniems įtempiams juose, yra suvirinimo atlikimo kokyb÷ ir technologinis procesas.

Lankiniu būdu suvirintų jungčių leistinųjų įtempių nustatymo pobūdis skirstomas į dvi grupes. Pirmai grupei priklauso mažaanglių ir mažai legiruotų plienų siūl÷s, kur siūl÷s ir terminio poveikio srities

metalo mechanin÷s savyb÷s atitinka pagrindinio metalo savybes. Rekomenduojami leistinieji įtempimai šios grup÷s siūl÷ms pateikti lentel÷je 2.3.

2.3 lentel÷. Mažaanglių ir mažai legiruotųjų plienų suvirintų jungčių leistinieji įtempiai

Apkrovos rūšis Siūl÷s tipas Suvirinimo technologinis procesas Leistinieji įtempiai

Tempimas-gniuždymas

Sandūrin÷ Lankinis, automatinis ir pusiau automatinis po

fliusu, CO2 aplinkoje [σ]t

Tas pats Sandūrin÷ Lankinis elektrodais Э42А, Э46А, Э50А [σ]t

Tas pats Sandūrin÷ Kontaktinis [σ]t

Tas pats Sandūrin÷ Elektronpluoštis [σ]t

Tas pats Sandūrin÷ Difuzinis [σ]t

Kirpimas Kampin÷ Lankinis, automatinis: pusiau automatinis po

fliusu, CO2 aplinkoje 0,65[σ]t

Kirpimas Sandūrin÷ Lankinis, automatinis: pusiau automatinis po

fliusu, CO2 aplinkoje 0,65[σ]t

Pastaba: statybin÷se konstrukcijose kampin÷ms siūl÷ms leistinieji įtempiai leidžiami didesni nei paprastai nurodomi

Antrai grupei priskiriamos siūl÷s su ypatingomis savyb÷mis: aukšto stiprumo, atsparios korozijai ir t.t., kurių siūl÷s ir terminio poveikio srities metalo savyb÷s yra prastesn÷s nei pagrindinio metalo.

Virinant Ст3 mark÷s mažaanglius plienus, kurių leistinieji įtempimai [σ]t=160 MPa, leistinieji įtempiai siūl÷se, virintose automatiniu būdu arba rankiniu būdu Э42А elektrodais, bus tokie: [σ’]t=160 MPa, [σ’]gn=160 MPa, [τ’]=100 MPa, kur [τ’] – kirpimo leistinieji įtempiai siūl÷je.

Kontaktinio sandūrinio suvirinimo, taip pat suvirinimo trintimi jungtims gali būti paimti tokie patys leistinieji įtempiai, kaip ir virinant sandūrinį sujungimą lankiniu būdu su sąlyga, jei technologinis procesas leidžia gauti stabilias ir aukštas mechanines jungčių savybes.

Jungtims, suvirintoms kontaktiniu taškiniu ir siūliniu būdu, leistinieji kirpimo įtempiai taške nustatomi priklausomai nuo metalo savybių ir technologinio proceso tobulumo. Taškuose ir siūl÷se kirpimo leistinieji

20

įtempiai mažaangliams ir kai kuriems mažai legiruotiems plienams lygūs 0,5 pagrindinio metalo leistinų įtempių [σ]t kerpant ir 0,3[σ]t atpl÷šiant.

Antros grup÷s plienų siūl÷ms leistinieji įtempiai parenkami remiantis bandymais, kurie atliekami projektuojamos konstrukcijos eksploatacijos sąlygose, esant tiems patiems jungčių tipams ir kita. Analogiškai specialių eksperimentų būdu parenkami leistinieji įtempiai pirmos grup÷s plienams, suvirintiems šaltuoju, trinties, ultragarsiniu ir kitais specialiais būdais.

Tiksliai nustatyti įtempių pasiskirstymą ir jų koncentracijas elemente ir jungtyse yra labai sunku, tod÷l toks statiškai apkrautų konstrukcijų vertinimas dažnai nepasiteisina.

Toliau pateikti stiprumo skaičiavimo metodai įvertina laikančiąją galią, t.y. leistinuosius įtempius projektuojamose konstrukcijose ir jungtyse, neatsižvelgiant į įtempių pasiskirstymą. Projektuotojas naudojasi supaprastinta įtempimų būsenos schema, kuri neįvertina įtempių koncentracijos. Konstrukcijos laikančioji galia nustatoma pagal ardančiuosius įtempius σB ir stiprumo atsargos koeficientą kstip arba pagal σT įtempius, iššaukiančius metalo takumą ir takumo atsargos koeficientą ktak, kuris yra mažesnis nei kstip. Gilesn÷ įtemptų būsenų analiz÷ ir įtempių koncentracijos koeficientų nustatymas vykdomas remiantis tamprumo ir plastiškumo teorijomis. Tokie įtempių nustatymo būdai būtini įvertinant konstrukcijas apkraunamas kintančiomis apkrovomis, nustatant plyšių plitimo sąlygas, naudojant irimo mechanikos kriterijus, taip pat įvertinant savuosius įtempimus, atsiradusius suvirinimo proceso metu.

2.3. Lankiniu būdu suvirintosios jungtys

Egzistuoja keli labiausiai paplitę lankinio suvirinimo būdai. Rankinis lankinis suvirinimas, toli gražu, n÷ra tobulas suvirinimo būdas, tačiau universalus technologinis

procesas. Šiuo būdu virinama visose erdvin÷se pad÷tyse, įvairių markių plienai, spalvotieji lydiniai, bet tik tada, kai virinti automatiniu arba pusiau automatiniu būdu yra neįmanoma.

Suvirinimas automatiniu ir pusiau automatiniu būdu po fliusu plačiai naudojamas mašinų gamyboje ir statybos pramon÷je. Automatinis suvirinimas po fliusu naudojamas virinant įvairaus storio gaminius (1…50 mm, kartais ir daugiau).

Automatiniu ir pusiau automatiniu suvirinimu apsauginių dujų (CO2) aplinkoje galima virinti visose erdvin÷se pad÷tyse, mažų, vidutinių ir didelių storių (iki kelių dešimčių milimetrų) anglinius, mažai legiruotus ir kai kuriuos gausiai legiruotus plienus.

Konstrukcijas iš austenitinių, martensitinių ir feritinių karščiui atsparių plienų, daugelio aliuminio, titano, vario ir mangano lydinių s÷kmingai galima virinti apsauginių dujų (argono, helio ir kt.) aplinkoje.

Suvirintų jungčių stiprumas tur÷tų būti lygiareikšmio stiprumo kaip pagrindinio metalo stiprumas, esant įvairioms temperatūroms ir įvairioms apkrovoms (statin÷s, smūgin÷s, vibracin÷s). Suvirintos jungties silpniausia vieta gali būti siūl÷, terminio poveikio ir sulydymo sritys.

Terminio poveikio sritis – tai arčiausiai siūl÷s esantis pagrindinio metalo sritis, kurioje suvirinimo metu pakeičia metalo mechanin÷s savyb÷s. Labiausiai metalo savyb÷s pasikeičia virinant termiškai apdorotus ir šaltai deformuotus plienus ir jų lydinius.

Pagerinti suvirintų jungčių mechanines savybes galima: - parinkus racionalią jungties konstrukcijos formą; - naudojant racionalius suvirinimo būdus; - terminiu ir mechaniniu būdais apdirbant suvirintas konstrukcijas. Per didelis suvirintos jungties stiprumas lyginant su pagrindiniu metalu tik pabrangina konstrukciją ir

negerina eksploatacijos sąlygų. Nepakankamas suvirintos jungties stiprumas mažina visos konstrukcijos laikančiąją galią, o konstrukcijos elementų galimyb÷s lieka nevisiškai išnaudotos. Remiantis lygiareikšmio stiprumo sąlyga, skaičiuojamosios jungties apkrovos nustatomos:

Tempiant P = [σ]tA; (2.3) Gniuždant P = [σ]gnA; (2.4) Lenkiant M = [σ]tW, (2.5)

čia [σ]t – tempimo leistinieji įtempiai; [σ]gn-gniuždymo leistinieji įtempiai; A – skerspjūvio plotas; W – atsparumo momentas.

Konstrukcijos virintin÷s siūl÷s metale gali atsirasti dviejų rūšių įtempiai: darbiniai ir rišantieji. Skirtumui tarp šių įtempių nustatyti, išnagrin÷sime kelis pavyzdžius. 3.1 a paveiksle pavaizduotos dvi juostos, sujungtos virintine siūle. Juostos yra tempiamos. Akivaizdu, jog suirus siūlei, suirs ir visa konstrukcija. Tas

21

pats atsitiks ir 3.1 b paveiksle pavaizduotame sujungime. Suvirintos jungtys, kurioms suirus, suyra visa konstrukcija, vadinamos darbin÷mis jungtimis; įtempimai, veikiantys šiose jungtyse – darbiniais įtempiais.

2.1 pav. Darbinių (a, b) ir jungiančių (c, d) siūlių pavyzdžiai

Visai kitą funkciją atlieka prilydytas metalas siūl÷je, jungiančioje dvi juostas, pavaizduotas 2.1c paveiksle. Prilydytas metalas, jungiantis dvi juostas, deformuojasi kartu su pagrindiniu metalu ir d÷l to jame atsiranda įtempiai. Jei prilydyto metalo tamprumo modulis nežymiai skiriasi nuo pagrindinio metalo tamprumo modulio, tai siūl÷je, dirbant jai tampriųjų deformacijų ribose, atsiradę įtempiai artimi įtempiams juostose. Tie įtempiai, atsiradę siūl÷je d÷l bendro darbo su pagrindiniu metalu, daugelyje atvejų nepavojingi konstrukcijos stiprumui ir vadinami rišančiaisiais. Rišančiųjų siūlių pavyzdys parodytas 2.1 d paveiksl÷lyje.

Skaičiuojant suvirintas jungtis, įvertinami tik darbiniai įtempimai. Tyrimai parod÷, kad daugelyje atvejų, tiriant suvirintas konstrukcijas, rišančiuosius įtempius galima nevertinti.

Sandūrin÷s jungtys. Sandūrin÷s jungties briaunų paruošimas priklauso nuo suvirinimo technologinio proceso ir virinamų elementų storio. 2.4 lentel÷je pateikti sandūrinių jungčių briaunų paruošimo pavyzdžiai virinant po fliusu pagal GOST 8713 – 79. Žymenys C1, C2 ir t.t. atitinka siūl÷s virinimo pobūdį (vienpus÷, dvipus÷ su pad÷klu, be pad÷klo ir t.t.) ir briaunų paruošimą. Virinant kitais lankinio suvirinimo būdais, briaunų paruošimas reglamentuojamas GOST 14771-76 (apsaugin÷se dujose) ir GOST 5264-80 (rankinis).

Lietuvoje suvirinamų plieno jungčių paruošimą reglamentuoja LST EN 29692: 1997 standartas. Virinant daugiasluoksnę siūlę apsaugin÷se dujose, vis dažniau naudojamas briaunų paruošimo būdas be

jų nusklembimo. Šis būdas naudojamas virinant iki 50 mm storio gaminius. Paprastai sandūrin÷s siūl÷s būna tiesios, statmenai veikiančių j÷gų krypčiai.

Jei elementas yra tempiamas, tai leistinosios apkrovos suvirintoje jungtyje:

P=[σ’]tsl; (2.6)

gniuždant

P=[σ’]gnsl, (2.7)

čia s – pagrindinio metalo storis; l – siūl÷s ilgis; [σ’]t – suvirintos jungties tempimo leistinieji įtempiai; [σ’]gn – suvirintos jungties gniuždymo leistinieji įtempiai.

Aukšto stiprumo plienų suvirintų sujungimų silpniausia vieta yra ne pats siūl÷s metalas, o šalia jos esanti sritis, kuri d÷l lanko šilumos poveikio arba atsiradus įtempių koncentratorių gali būti labai susilpninta. Tokiu atveju būtina skaičiuoti ne siūl÷s stiprumą, o stiprumą susilpnintoje srityje, įvertinant jos metalo mechanines savybes, terminį apdorojimą ir kitus veiksnius, priklausančius nuo konkrečių darbo sąlygų.

Užleistin÷s jungtys. Šiose jungtyse siūl÷s vadinamos kampin÷mis. Virinant rankiniu būdu, gali susiformuoti skirtingos formos siūl÷s: normalios (sąlyginai panašios į lygiašonį trikampį), išgaubtos, įgaubtos (2.2a,b,c ir d).

Išgaubtas siūles netikslinga taikyti nei techniniu, nei ekonominiu požiūriais. Joms reikia daugiau prilydyto metalo, gaunama įtempių koncentracija. Geriausia taikyti siūles, kurios turi nelygiašonio trikampio formą, kai siūl÷s statinių santykis yra 1,5; 1,2; 1,0 (2.2d, e pav.), ypač esant kintamoms apkrovoms. Tokio tipo siūl÷s kartais dar mechaniškai yra apdirbamos, kad gauti tolygų siūl÷s metalo per÷jimą į pagrindinį (2.2f pav.). Šias siūles tikslinga naudoti konstrukcijoms, apkraunamoms ciklin÷mis apkrovomis. Dažniausiai taikomos normalios kampin÷s siūl÷s (2.2 pav.). Normalios kampin÷s siūl÷s statinis žymimas raide K.

22

2.2 pav. Kampinių siūlių formos: a-normalus; b – išgaubtas; c – įgaubtas; d – statinių santykis 1:1,5; e – statinių santykis 1:2; f – statinių santykis 1:2, siūl÷s galas mechaniškai apdirbtas

Virinant kampines siūles po fliusu gaunamas gilesnis įvirinimas nei virinant rankiniu būdu (2.3 pav.).

2.3 pav. Kampin÷s siūl÷s virinant po fliusu

Skaičiuojamasis siūl÷s aukštis priklauso nuo įvirinimo gylio, nuo suvirinimo technologinio proceso. Jis vertinamas dydžiu Kβ. Rankiniu ir automatiniu būdu virintoms siūl÷ms ar pusiau automatiniu būdu virintoms daugiasluoksn÷ms siūl÷ms β=0,7; automatiniu būdu dviem ir trim ÷jimais ir pusiau automatiniu būdu vienu ÷jimu virintoms siūl÷ms β=0,9; pusiau automatiniu būdu dviem arba trim ÷jimais virintoms siūl÷ms β=0,8; automatiniu būdu vienu ÷jimu virintoms siūl÷ms β=1,1.

Mažiausias mašinų gamybos konstrukcijų darbinių siūlių storis yra 3 mm. Išimtimi gali būti konstrukcijos, kurių pagrindinio metalo storis yra mažiau nei 3 mm. Siūlių storis yra neribojamas, tačiau siūl÷s, kurių K ≥ 20 mm, naudojamos retai. Vietose kur lankas užsidega ir užgęsta, siūl÷s metalo mechanin÷s savyb÷s blogesn÷s, tod÷l mažiausiai siūl÷s ilgis tur÷tų būti apie 30 mm. Trumpesn÷s siūl÷s naudojamos tik kaip nedarbin÷s jungtys. Priklausomai nuo siūl÷s pad÷ties veikiančių j÷gų atžvilgiu, siūl÷s skirstomos į galines, šonines, įstrižas ir kombinuotas.

Galin÷s siūl÷s statmenos prid÷tai j÷gai. 3.4 a pav. parodytoje jungtyje, j÷ga P perduodama dviem galin÷mis siūl÷mis. D÷l ekscentriciteto elementai šiek tiek išlinksta. Atstumas tarp tokio tipo galinių siūlių tur÷tų būti C ≥ 4s. 3.4 b paveiksle prid÷ta j÷ga P antd÷klui persiduoda tik per vieną siūlę.; toliau ši j÷ga persiduoda antram lakštui. Tod÷l šios jungties skaičiavimui imama tik viena siūl÷.

Apžvelgsim kampinių siūlių laikančiąją galią. Galin÷je siūl÷je atsiranda keletas įtempių sudedamųjų (2.4c pav.): normaliniai įtempimai σ, esantys vertikalioje siūl÷s plokštumoje sulydymo zonoje, tangentiniai įtempimai τ, esantys horizontalioje plokštumoje.

Inžinierin÷je praktikoje naudojamu metodu galin÷s siūl÷s stiprumas skaičiuojamas kirpimui. Šis metodas yra sąlyginis ir apytikris. Kai yra statin÷ apkrova ir kampin÷ siūl÷ turi trikampio formą priimama, kad mažiausias skerspjūvis sutampa su stataus kampo pusiaukampine 0-0. Šioje plokštumoje tikrinamas galin÷s siūl÷s stiprumas; įtempimai neturi viršyti leistinųjų [τ′].

Leistinos j÷gos dydis P jungčiai, sujungtai viena skaičiuojamąja siūle (2.4b, c pav.), skaičiuojamas pagal formulę:

P = [τ’]βKl; (2.8)

Jungčiai , parodytam 2.4 a paveiksle:

P = 2[τ’]βKl, (2.9)

čia βK – skaičiuojamasis siūl÷s aukštis; l – siūl÷s ilgis.

23

2.4 pav. Galin÷mis ir šonin÷mis siūl÷mis suvirintos jungtys

Šonin÷s siūl÷s nukreiptos lygiagrečiai prid÷tai j÷gai (2.4 pav., d). Jose atsiranda dviejų tipų įtempiai. Kartu deformuojantis pagrindiniam ir prilydytam metalui, atsiranda jungiamieji įtempimai, kurių neįvertina skaičiuojant jungties stiprumą. Šonin÷s siūl÷s lietimosi su kiekvienu lakštu plokštumoje , taip pat ir pačioje siūl÷je atsiranda kirpimo įtempimai, kurie yra darbiniai jungties įtempiai.

Siūl÷s stiprumo skaičiavimas atliekamas pavojingiausios kirpimo plokštumos atžvilgiu. Laikančiosios galios skaičiavimo formul÷ sudaryta remiantis sąlyga, jog įtempimai šonin÷je siūl÷je pasiskirstę tolygiai. 3.4, d pav. pavaizduotai konstrukcijai:

P = 2[τ’]βKl (2.10)

Įvertinant įtempimų koncentraciją, šoninių siūlių skaičiuojamasis ilgis turi būti l ≤ 50K. Įstrižos siūl÷s (2.4e pav.), virintos kampu α prid÷tos j÷gos atžvilgiu, stiprumo skaičiavimas:

P = [τ’]βKl (2.11)

Kombinuotų siūlių pavyzdys pateiktas 2.4, f paveiksle. Apkrovų pasiskirstymas atskirose siūl÷se, sudarančiose kombinuotą jungtį, yra ne vienodas.

Kombinuotų sujungimų stiprumo skaičiavimas atliekamas remiantis nepriklausomu j÷gų pasiskirstymo principu. Jungčių su galin÷mis ir šonin÷mis siūl÷mis laikančioji galia nustatoma kaip:

P = Pgal+Pšon (2.12)

čia P-leistinoji apkrova kombinuotai jungčiai; Pgal-leistinoji apkrova galinei siūlei; Pšon-leistinoji apkrova šoninei siūlei.

Tokiu būdu:

P = [τ’](βKlgal+2βKlšon), (2.13)

Jei visų kombinuoto sujungimo siūlių statiniai vienodi, tai:

P = [τ’]βKL, (2.14)

čia L-siūlių perimetro ilgis. Sunkumų atsiranda skaičiuojant stiprumą siūl÷s, tvirtinančios kampuotį, kuris yra veikiamas išilgin÷s

j÷gos. Priimama, jog apkrova P veikia pritvirtintos kampuočio lentyn÷l÷s plokštumoje (2.4, g pav.). Apkrova, tenkanti galinei siūlei, lygi:

Pgal = [τ’]βKlgal, (2.15)

J÷gos prid÷jimo ekscentricitetas skaičiavimuose neįvertinamas.

24

Apkrova, tenkanti šoninei siūlei:

Pšon = P – Pgal, (2.16)

Ši apkrova pasiskirsto siūl÷ms atvirkščiai proporcingai atstumui nuo kampuočio ašies iki abiejų briaunų. Tokiu atveju, apkrova siūl÷je l1 bus:

P1 = 0,3Pšon, (2.17)

Apkrova siūl÷je l2:

P2 = 0,7Pšon, (2.18)

2

1

l

l =

1

2

l

l

l

l (2.19)

Tangentiniai įtempimai siūl÷se:

τ1 = 1

1

Kl

P

β; τ2 =

2

2

Kl

P

β, (2.19)

Įtempiai kiekvienoje šonin÷je siūl÷je neturi viršyti leistinuosius. Tikslesnis skaičiavimo metodas įvertina ne tik kirpimo j÷gą, bet j÷gos momentą siūl÷s svorio centro

atžvilgiu. Skaičiuojant jungties stiprumą apytikriai, priimama, jog kombinuotose siūl÷se tangentiniai įtempimai yra pasiskirstę tolygiai visame perimetre. Tuomet:

τ = KL

P

β, (2.20)

čia L – galinių ir šoninių siūlių, tvirtinančių apkrautą elementą, perimetras, įskaitant ir kampuočio tvirtinimą galin÷mis ir šonin÷mis siūl÷mis.

T÷jin÷s jungtys naudojamos sujungiant elementus, esančius statmenose plokštumose. Paprastai t÷jiniai sujungimai yra atliekami be išankstinio briaunų paruošimo (2.5, a pav.).

2.5, b pav. pavaizduota t÷jin÷ jungtis su vienpusiu briaunos paruošimu, kai lakštų storis 4…26 mm, o 2.5, c pav. – su dvipusiu briaunų paruošimu, kai storis 12…60 mm.

2.5 pav. T÷jin÷s jungtys

Tempiamos jungties, pavaizduotos 2.5, a paveiksle, stiprumo skaičiavimo formul÷:

P = 2[τ’]βKl, (2.21)

o tempiamų jungčių, pavaizduotų 2.5, b ir c pav.:

P = [σ’]tsl, (2.22)

Gniuždant 2.5, a paveiksle pavaizduotą mazgą, j÷ga P iš horizontalaus lakšto persiduoda vertikaliam lietimosi plokštuma. Šiuo atveju sujungimo siūlių stiprumui tikrinti priimama prielaida, kad apkrovos persiduoda tik per siūles. Tuomet [τ’] padidinama iki [σ’]gniuž reikšm÷s.

Virinant automatiniu suvirinimu, t÷jin jungtys gali būti virintos taškin÷mis siūl÷mis (2.5, d pav.). Taškines siūles tikslinga naudoti konstrukcijose, kurių lakšto storis s ≤ 4…5 mm.

Kampin÷s jungtys, Virintos lankiniu rankiniu būdu, parodytos 2.6, a pav.

25

2.6 pav. Kampin÷s jungtys

Kampin÷s jungtys, virintos automatiniu ir pusiau automatiniu būdais, parodytos 2.6, b pav. (s = 6…14 mm), 3.6, c pav. (s = 10…40 mm).

Kampin÷s jungtys, paprastai, naudojamos tik konstrukcijos elementams sujungti ir jų stiprumas neskaičiuojamas.

Užleistinių, o taip pat t÷jinių jungčių kampinių siūlių laikančioji galia priklauso nuo papildomų aplinkybių:

- metalurginių medžiagos savybių pablog÷jimas d÷l priemaišų, blogos siūl÷s apsaugos; šis faktorius įvertinamas koeficientu η1;

- geometrinių veiksnių – siūl÷s statinio dydžio nepastovumas; įvertinamas koeficientu η2; - technologinių veiksnių – suvirinimo r÷žimo nuokrypos; įvertinamos koeficientu η3; - mechaninių veiksnių – netolygaus apkrovų pasiskirstymo jungties siūl÷se; įvertinama koeficientu η4. Tokių būdu leistinieji įtempiai turi būti nustatomi įvertinant nurodytus veiksnius, tačiau tam reikalingas

statistinis didelio kiekio gamybinių duomenų apdorojimo. Virintin÷s kniedin÷s jungtys naudojamos lankiniam užleistiniam lakštų sujungimui. Pralydomas kiaurai

viršutinis plonesnis lakštas, susidaro apvalus išlydyto metalo taškas jungiantis abu lakštus (2.7 pav.)

2.7 pav. Virintin÷ kniedin÷ jungtis

Šį suvirinimo būdą tikslinga naudoti, kai viršutinio lakšto storis ne daugiau 5 mm. Pralydyti sujungimai racionalūs naudoti, kai viršutinio lakšto storis ne daugiau kaip 5 mm. Naudojant specialius suvirinimo įrenginius, kai prid÷tin÷ elektrodin÷ viela paduodama į suvirinimo

zoną, galima virinti lakštus, kurių storis 10 mm ir daugiau. Tuomet viename lakšte turi būti išgręžta kiaurym÷, kuri užpildoma prilydomu metalu. Kiaurym÷ šiuo atveju gali būti iki 40 mm skersmens. Yra sukurti įrenginiai įvairių markių plienams virinti CO2 aplinkoje.

D÷l nesud÷tingų įrenginių ir didelio našumo šis procesas labai ekonomiškas. Dažniausiai naudojamas žem÷s ūkio mašinoms gaminti.

Jungčių stiprumas skaičiuojamas analogiškai kaip ir kontaktinio taškinio suvirinimo atveju. Jungčių iš aliuminio lydinių suvirinimas lankiniu būdu. Lankiniu būdu galima suvirinti praktiškai visus

aliuminio lydinius, tačiau suvirinamumas jų skirtingas. Aliuminio lydinių suvirintos jungtys yra jautrios įtempimų koncentracijai lyginant su daugeliu plienų. D÷l to šių lydinių jungtims keliami reikalavimai konstrukciniam jungčių apiforminimui, kad būtų išvengtas gaminių pažeidimas gamybos procese. 2.8 paveiksle pateiktos jungčių iš aliuminio lydinių racionalios formos.

26

2.8 pav. Aliuminio lydinių suvirintosios jungtys

2.9, a, b paveiksle pateikti aliuminio lydinių įvairių storių detalių sandūrinių jungčių be ekscentriciteto pavyzdžiai, o 2.9, c, d – su ekscentricitetu. Numatytas tolygaus pagrindinio metalo per÷jimo į siūlę spindulys r sujungime (2.9, a, c pav.). tai daroma tam, kad panaikinti įtempimų koncentraciją, kuris mažina jungties stiprumą (3.9, b, d pav.).

2.9 pav. Aliuminio lydinių sandūrin÷s jungtys: a, c – racionalūs; b, d – neracionalūs

Gaminant konstrukcijas iš aliuminio lydinių, rekomenduojama naudoti sandūrines jungtis ir jas išd÷styti mažesnių darbinių įtempimų srityse. Tikslingos padidinto liaunumo konstrukcijos.

2.10 paveiksl÷lyje pateikti racionalūs ir neracionalūs aliuminio lydinių sujungimo būdai konstrukcijose. Jungtys 2.10, a…h pav. yra racionalios, nes virintin÷s siūl÷s yra ne skerspjūvio staigaus pasikeitimo srityse. Jungtys 2.10, k…o pav. yra per didelio standumo kampuose, o pačios siūl÷s yra įtempių koncentracijos srityse. Lyginant su jomis, jungtys 2.10, p…t pav. yra šiek tiek geresni, kadangi pasižymi didesniu paslankumu.

27

2.10 pav. Aliuminio konstrukcijų mazgų pavyzdžiai

Titano lydiniai pagal kai kurias savybes yra analogiški aliuminio lydiniams, ypač jautrumu įtempimų koncentracijai. Tod÷l titano lydinių konstrukcijų suvirintų jungčių apiforminimas iš esm÷s nesiskiria nuo aliuminio lydinių jungčių.

2.4. Kontaktiniu būdu suvirintosios jungtys

Sandūrinio suvirinimo jungtys. Kontaktinis sandūrinis suvirinimas naudojamas įvairioms konstrukcijoms suvirinti, ypač masin÷je gamyboje virinant gelžbetonio armatūrą, tipinių konstrukcijų r÷mus, išilgines vamzdžių siūles ir kita. Gerai virinasi mažaanglio, anglinio ir kai kurie gausiai legiruotų plienų konstrukcijos, kurių skerspjūvio plotas siekia kelis šimtus kvadratinių centimetrų. Kontaktiniu būdu gaunami apskrito, kvadratinio, stačiakampio, vamzdinio ir kitokių profilių (kampuočių, t÷jinių, dvit÷jinių profilių, b÷gių) sandūrin÷s jungtys. Did÷jant detal÷s perimetrui ir maž÷jant storiui, suvirinimo procesas sunk÷ja. Geriausiai susijungia elementai, kurių skerspjūviai yra vienodi (2.11, a…c pav.). Sujungiamų apskritų elementų skersmenys d1 ir d2 (2.11, d pav.), taip pat vamzdžių sienelių storiai s1 ir s2 (2.11, e pav.), tur÷tų skirtis nedaugiau kaip 15 % .

2.11 pav. Kontaktiniu sandūriniu būdu suvirintos jungtys

Galimyb÷ virinti didelio skerspjūvio elementus priklauso nuo naudojamų įrenginių. Yra pagaminti įrenginiai, galintys virinti dujotiekio vamzdžius, kurių skersmuo 1420 mm, ir tai dar ne riba. Kontaktiniu būdu virinimų detalių skerspjūvio plotas art÷ja prie 1000 cm2. Statiškai apkrautų kontaktiniu būdu suvirintų jungčių stiprumas specialiai n÷ra skaičiuojamas. Jungties stiprumas atitinka paties elemento stiprumą. Sandūriniu kontaktiniu suvirinimo būdu virinami ne tik įvairių markių plienai, bet ir spalvotieji lydiniai.

Taškinio suvirinimo sujungimai. Virinant šiuo būdu, daugeliu atvejų elektrodai yra iš abiejų detal÷s pusių. D÷l to keliami tam tikri reikalavimai virinamos konstrukcijos dydžiui. Yra sukurti įrenginiai, kuriuose abu elektrodai išd÷styti vienoje pus÷je. Taškiniu kontaktiniu būdu virinami mažų storių gaminiai – nuo milimetro dalių iki kelių milimetrų (2.12, a pav.). Gerai virinasi stiprūs ir didelio stiprumo angliniai plienai, įvairūs aliuminio titano ir kiti lydiniai. Nerekomenduojama taškiniu būdu virinti gaminius, kurių storių santykis yra daugiau nei 3. Šiuo būdu taip pat galima virinti tris ir daugiau detales. Šiuo atveju storiausias elementas tur÷tų būti per vidurį (2.12, b pav.).

28

2.12 pav. Taškinio suvirinimo jungčių pavyzdžiai: a, b – plokšti ruošiniai; c, d – cilindriniai ruošiniai; e, h – racionalios jungtys; g, f – neracionalios jungtys

Virintiniais taškais tarpusavyje jungiami ne tik plokščios, bet ir cilindrin÷s detal÷s tarpusavyje (2.12, c pav.), cilindriniai strypeliai su plokštel÷mis (2.12, d pav.) ir t.t. Labai patogu taškiniu būdu virinti atviro profilio arba riestais kraštais ruošinius (2.12, e pav.). 2.12, g pav. parodytos konstrukcijos virinamą išlenktu elektrodu yra sunkiau atlikti taškinio suvirinimo mašina.

Taškinio suvirinimo jungtims naudojami žymenys: d – taško skersmuo; t – taškų žingsnis; t1 – atstumas nuo suvirinimo taško centro iki detal÷s krašto, veikiančios j÷gos P kryptimi; t2 – atstumas nuo taško iki detal÷s krašto statmenai veikiančios j÷gos P krypčiai (t1 ir t2 normuojami priklausomai nuo technologinių ir apkrovimo veiksnių).

2.13 pav. Sujungimo keliais taškais būdai, priklausomai nuo apkrovos krypties

Atstumas tarp taškų centrų jungtyje tur÷tų būti nemažesnis už tam tikrą dydį d÷l srov÷s šuntavimo per prieš tai suvirintą tašką. Kuo didesni atstumai tarp taškų, tuo mažesnis srov÷s šuntavimas, tuo stabilesnis ir geresnis suvirinimas. Taško skersmuo d parenkamas priklausomai nuo sujungiamų elementų storio, garantuojant aukštą suvirinimo proceso technologiškumą. Kontaktin÷s mašinos elektrodo skersmuo del priklauso nuo reikalaujamo taško skersmens d. Paprastai d = (0,8…1,0)del. Plieniniams gaminiams rekomenduojamas (d = 1,2s+4) mm, kai s ≤ (1,5…3,0) mm; d = (1,5s+5) mm, kai s ≥ 3 mm (s – ploniausios detal÷s storis). Kai kuriais atvejais statybin÷se konstrukcijose taško diametras yra 3,5s ir daugiau. Kiti jungties parametrai parenkami taip: t = 3d, t1 = 2d, t2 = 1,5d.

Praktikoje kartais naudojama priklausomyb÷ tarp t, s ir d:

d=1,4 tst +201,0 -0,1t (2.23)

Siekiant pagerinti sujungimo kokybę, taškinis suvirinimas keičiamas reljefiniu. Jo metu tiksliau fiksuojama srov÷s įvedimo zona, maž÷ja šuntavimo efektas (2.14 pav.).

2.14 pav. Detalių paruošimas reljefiniam suvirinimui

29

Taškus suvirintoje jungtyje reikia taip išd÷styti, kad jos veiktų kirpimo įtempiai, o ne atpl÷šimo. 3.15 a paveiksle parodytas neracionalus taškų išd÷stymas (taškai atpl÷šiami); o 3.15, b pav. – racionalus taškų išd÷stymas.

2.15 pav. Neracionalios (a) ir racionalios (b) kontaktinio taškinio suvirinimo jungtys

2.16 a, b pav. parodytų jungčių stiprumas skaičiuojamas kirpimui. Suvirintos jungtys gali tur÷ti vieną kirpimo plokštumą (2.16, a pav.) ir dvi kirpimo plokštumas (2.16, b pav.). Skaičiuojamieji įtempiai, esant vienai kirpimo plokštumai:

τ =2

4

d

P

π ≤ [τ’0]; (2.24)

esant dviem kirpimo plokštumoms:

τ =2

2

d

P

π ≤ [τ’0], (2.25)

čia [τ’0] – taško leistinieji kirpimo įtempiai taške; d – taško skersmuo; P – vienam taškui tenkanti apkrova.

2.16 pav. Taškin÷ jungtis: a – jungtis kerpama vienoje plokštumoje; b – jungtis kerpama dviejose plokštumose; c – jungtis atpl÷šiama

Taškin÷ jungtis gali būti suardyta dviem būdais: nukerpama per patį tašką ir taškas išpl÷šiamas per pagrindinį metalą. Didinant taško skersmenį, did÷ja jo atsparumas kirpimui; didinant detal÷s storį, did÷ja pagrindinio metalo atsparumas atpl÷šimui. Parenkant skersmenį pagal (2.23) formulę, taško stiprumą galima skaičiuoti tik kirpimui. Skaičiuojamieji įtempimai jungties atpl÷šimo atveju bus:

σ = 2

4

d

P

π ≤ [σ’0], (2.26)

čia [σ’0] - leistinieji taško atpl÷šimo įtempiai. Taško atpl÷šimo leistinuosius įtempius [σ’0] reikia priimti dar mažesnius nei [τ’0]. Parenkant šios

įtempius tikslinga naudotis bandymų rezultatais. Legiruotiems plienams ir spalvotiems lydiniams leistini įtempiai taškin÷se jungtyse yra parenkami pagal eksperimentų rezultatus, atsižvelgiant į apkrovų pobūdį ir kitus veiksnius. Pavyzdžiui, aliuminio lydinių taškin÷s jungties, suvirintos šaltiniu su pastovios srov÷s impulsu, skaičiuojamoji apkrova kirpimui parenkama priklausomai nuo pagrindinio metalo storio (2.5 lentel÷).

30

2.5 lentel÷. Aliuminio lydinių taškin÷s jungties taško skaičiuojamoji apkrova kirpimui P, kN

Ploniausios vietos metalo storis sujungime, mm

АМц Амг6 АВТ1 В92Т

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0

0,9 - - - - -

1,0 1,7 2,4 3,2 4,0 7,0

1,2 2,0 2,9 3,9 5,0 9,0

1,4 2,5 3,5 4,6 6,0 11,0

Praktiškai, jungtys dažniausiai projektuojamos mišrios (žr. 2.13, c pav.). Tokios jungties įtempiai taške nustatomi su prielaida, jog visi taškai apkraunami vienodai:

τ =2

4

di

P

π ≤ [τ’0], (2.27)

čia i – taškų skaičius jungtyje kerpamų vienoje plokštumoje; jei yra dvi kirpimo plokštumos, tuomet i – bendras kerpamų taškų skaičius.

jei turime iš dviejų pusių kerpamus taškus, tai i-bendras kirpimo plokštumų skaičius sujungime. Atsižvelgiant į nevienodą taškų apkrovimą, leistinuosius įtempius mišrioje jungtyje tikslinga sumažinti 10…20%.

Dažnai suvirintose konstrukcijose taškai yra tik rišantys, ir darbinių įtempių neperduoda. Pavyzdžiui, apdailos tvirtinimas prie karkaso dažniausiai atliekamas taškais, kurie, paprastai, esant statin÷ms apkrovoms neturi įtakos konstrukcijos stiprumui. Įvairių fasoninių detalių taškinio suvirinimo pavyzdžiai pateikti 3.17 paveiksle.

2.17 pav. Įvairių fasoninių detalių taškinio suvirinimo pavyzdžiai

Viršutin÷j horizontalioj eil÷je parodytos labai patogios taškiniam suvirinimui jungtys; antroj eil÷je nuo viršaus – patogios; trečioje – pakankamai patogios; ketvirtoje – nepatogios.

Siūlinio suvirinimo jungtys. Siūliniu kontaktiniu suvirinimu galima virinti pradedant nuo labai plonų iki 4…6 mm suminio storio plieno ir spalvotų lydinių elementus. Paprastai siūlinis suvirinimas atliekamas ritin÷liams esant iš abiejų gaminio pusių (2.18, a, b pav.). tačiau galima suvirinti ant pad÷klo, kai abu ritin÷liai yra iš vienos detal÷s pus÷s (2.18, c pav.). Siūlinio suvirinimo siūl÷ sudaryta iš daugelio tarp savęs persidengiančių taškų. Užleistin÷je jungtyje susidaro ekscentricitetas, tod÷l jungtį veikia ne tik pagrindiniai tempimo įtempiai bet ir lenkimo momentas. D÷l to tiesialinijiniai elementai (2.18, d pav.) šiek tiek išsikraipo (2.18, e pav.). Paprastai siūliniu suvirinimu virinamos detal÷s yra mažų storių, tod÷l lenkimo momento įtaka yra nežymi ir, skaičiuojant stiprumą, neįvertinama.

31

2.18 pav. Kontaktinio siūlinio suvirinimo jungtys: a – užleistinis be briaunų nusklembimo; b – užleistinis su briaunų nusklembimu (retai naudojamas); c – sandūrinis be briaunų nusklembimo (retai

naudojamas); d – jungties deformacija prid÷jus tempimo j÷gas

Įtempiai siūl÷se, suvirintose siūliniu suvirinimo būdu, skaičiuojami kirpimui:

τ = la

P, (2.28)

čia P – jungtį veikianti j÷ga; a – siūl÷s plotis; l – siūl÷s ilgis.

Skaičiavimo pavyzdžiai

Pateiktuose pavyzdžiuose kampin÷s siūl÷s lygiašonio trikampio formos.skaičiavimo pavyzdžius. 1 pavyzdys. 12 numerio lovys šonine ir galin÷mis siūl÷mis rankiniu būdu privirintas (β=0,7) prie lakšto

(2.27, a pav.). Nustatyti įtempius siūl÷se, kai P=180 kN. Galin÷s siūl÷s, kurios statinis K=5 mm, skerspjūvio plotas: Agal = lβK=12⋅0,7⋅0,5 = 4,2 cm

2. Dviejų šoninių siūlių , kurių statinis K=8 mm, skerspjūvio plotas: Ašon = 2⋅20⋅0,7⋅0,8 = 22,4 cm

2. Visų jungties kampinių siūlių skerspjūvio plotas: A = Agal+Ašon = 4,2+22,4 = 26,6 cm

2 = 26,6 10-4 m2. Kirpimo įtempimai siūl÷se:

τ = A

P =

4

3

106,26

10180−

−

⋅

⋅ = 67,7 MPa.

2 pavyzdys. Kampuočio 90×90 skerspjūvio plotas A = 15,6 cm2 (3.27, b pav.). Leistinieji įtempimai kampuočio metale [σ]temp = 200 MPa, leistinieji kirpimo įtempimai siūl÷je [τ] = 120 MPa. Suprojektuoti ir suvirinti pusautomačiu (β = 0,8) vienu ÷jimu lygiareikšmio stiprumo kampuočiui jungtį.

Leistina tempimo j÷ga kampuotyje: P = [σ]pA = 200⋅15,6 10

-4 = 0,312 MN. Suprojektuojame galinę siūlę, kurios statinis K = 9 mm. Galin÷s siūl÷s: leistina apkrova: Pgal = [τ’]βlK = 120⋅0,8⋅0,9⋅9 10

-4= 0,078 MN. Likusi apkrovos dalis tenka šonin÷ms siūl÷ms: Pšon = P – Pgal = 0,312– 0,078 = 0,234 MN. Apkrova, tenkanti 1 siūlei: P1 = 0,7Pšon = 0,164 MN. Parenkame 1 siūl÷s statinį – K=12 mm, tuomet reikalingas siūl÷s ilgis:

l1 = ]'[

1

τβKP

= 120012,08,0

164,0

⋅⋅ = 0,142 m.

Priimame, kad l1=14 cm.

32

g)

2.27 pav. Suvirintųjų jungčių skaičiavimo pavyzdžiai

Apkrova, tenkanti 2 siūlei: P2 = 0,3Pšon = 0,67 MN. Parenkame siūl÷s 2 statinį K= 9 mm, tuomet reikalingas siūl÷s ilgis:

l2 = ]'[

2

τβKP

= 12009,08,0

67,0

⋅⋅ = 0,078 m.

Priimame l2 = 8 cm. 3 pavyzdys (2.27, g pav.). Plieninio vamzdžio, kurio ilgis l, galai standžiai privirinti prie atramų.

Vamzdis, kurio išorinis skersmuo 100 mm, šiluminio pl÷timosi koeficientas α = 12,5·10 – 6, skerspjūvio plotas A = 14,9 cm2, ataušinamas 50 °C.

Nustatykite kampin÷s siūl÷s statinį, užtikrinantį reikiamą jungties stiprumą, jei [τ′] = 90 MPa, tamprumo modulis E = 2,1 105 MPa.

Įtvirtinto vienu galu vamzdžio šilumin÷ deformacija – δlT = α∆Tl. Įtvirtinto abiem galais vamzdžio tamprioji deformacija atv÷sinus vamzdį:

EA

Pll =δ

δlT ir δl yra lygūs, tod÷l

EA

PlTl =∆α paskaičiuojama j÷ga P, atsiradusią d÷l vamzdžio susitraukimo ataušus vamzdžiui 50 ºC.

P = α∆TEA = 12,5·10- 6·50·2,1·105·0,00149 = 0,1956 MN. Žiedin÷s siūl÷s, kurios statinis K skerspjūvio plotas: AS = 0,7Kπ0,10 = 0,2198 K m2. Laikantis užduoties reikalavimo, kad jungtis atlaikytų įtempius, gautus aušinus vamzdį, rašome: P = As[τ’] = 0,2198K[τ′], iš čia K = 0,1956/0,2198·90 = 0,0099 m Priimame K=10 mm.

4 pavyzdys. Suprojektuoti ir paskaičiuoti taškinę suvirintą jungtį lygiareikšmio stiprumo sujungiamiems lakštams, kurių skerspjūvis 300 x 3 mm. Leistini įtempiai [σ]temp = 160 MPa, leistini įtempiai virintiniame taške [τ′] = 80 MPa.

33

Leistina lakštų apkrova: P = [σ]t A = 160·0,3·0,003 = 0,144 MN. Taško skersmuo: d = 1,5s + 5 = 1,5·3 + 5 = 9,5 mm. Priimame d = 10 mm. Leistina taško apkrova: P0 = [τ′]πd

2/4 = 80·3,14·0,012·/ 4 = 0,00628 MN. Reikalingas taškų skaičius jungtyje: i = P/P0 = 0,144/0,00628 = 22,9. Priimame i = 24 taškus; t = 3,0d = 30 mm; t1 = 2d = 20 mm; t2 = 1,5d =15 mm. Lakšto plotis 300 mm.

At÷mus 2t2, gaunamas atstumas tarp kraštinių taškų eil÷je 300 – 15·2 = 270 mm. Randame taškų skaičių eil÷je 270/30 + 1 = 10 taškai, tačiau tokiu būdu išd÷styti taškus negalima, nes pri÷m÷m, kad reikalingi 24 taškai. Priimame, kad eil÷je būtų 8 taškai, o eilių skaičius 3.

Pavyzdžiai 5 – 8 pateikti savarankiškam darbui.

5 pavyzdys. Juosta, kurios matmenys 300×12 mm (2.27, c), šonin÷mis ir įstrižomis siūl÷mis, kurių statinis K=12 mm, ir galine siūle, kurios statinis K=8 mm, privirinta prie lakšto. Nustatyti leistiną apkrovą P, jei [τ’] = 120 MPa, suvirinus automatiniu būdu (β=1).

6 pavyzdys. Nustatyti reikalingą šoninių siūlių ilgį, kuriomis privirintos pusiau auto-matiniu būdu (β=0,8) dvi kampuočio profilio 100×100×8 mm trauk÷s (3.27, d) prie plokš-ties apkrautos tempimo apkrova P=200 kN. Trauk÷s skerspjūvio plotas A=15,6 cm2.

7 pavyzdys. Nustatyti reikalingą virintinių taškų skaičių, tvirtinančių prie lakšto 6,5 Nr. lovį (2.27, e), kurio skerspjūvio plotas A=8,28 cm2, sienelių storis 4,5 mm. Apkrovos dydis P = 100 kN, o leistinieji įtempimai kirpimui [τ’]=90 MPa. Nustatyti taškų išd÷stymą, apskaičiuojant t, t1, t2.

8 pavyzdys. Juosta, kurios matmenys 200×12 mm, privirinama rankiniu būdu (β=0,7) prie lakšto (2.27, f). Apkrova P = 500 kN; leistinieji įtempimai siūl÷je [τ’] = 130 MPa. Nustatyti prilydyto metalo kiekį, jei siūl÷s yra lygiašonio trikampio formos ir statiniai K = 8 mm ir K = 12 mm. Rankinis suvirinimo būdas.

2.5. Varžtin÷s jungtys

Sujungimai varžtais naudojami kombinuotose konstrukcijose. Jungtys, kurios atliekamos cechuose dažniausiai suvirinamos, kita dalis sujungimų, kurie atliekami lauko sąlygomis, statybviet÷je montuojant suvirintus mazgus, gali būti sujungiami varžtais. Varžtai gaminami iš aukšto stiprumo 40Х, 40ХФА markių plieno, kurių tempimo stiprumo riba σB yra daugiau nei 1000 MPa. Varžtin÷je jungtyje j÷gų pasiskirstymas yra labiau tolygus negu suvirintoje jungtyje.

Pagal pagaminimo tikslumą, varžtai skirstomi į kelias tikslumo klases (GOST 15589-70). Naudojami varžtai, kurių skersmuo d = 10…48 mm ir ilgis 40 … 200 mm. Be to naudojami inkariniai varžtai iki 90 mm skersmens.

Įstačius padidinto tikslumo varžtus į kiaurymes, minimalus tarpelis gali būti 0,3…0,5 mm, užtikrinantis glaudų kiaurym÷s ir varžto lietimąsi ir tuo pačiu pagerinamos apkrovos perdavimo sąlygos. Kai kuriais atvejais, apkrovos perduodamos trinties pagalba Tuo atveju nereikia padidinto tikslumo varžtų ir glaudaus jų susilietimo su kiauryme, paprastesniu tampa surinkimas. Statybin÷ms konstrukcijoms varžtinių jungčių atsparumas kirpimui skaičiuojamas pagal formulę:

τ =4/2di

P

π ≤ Rv

kirp (2.29)

čia i – varžtų skaičius; d – varžtų skersmuo; P – jungties apkrova. Jungčių atsparumas glemžimui skaičiuojamas pagal formulę:

σgl = ids

P ≤ Rv

gl, (2.30)

čia s – mažiausias sujungiamų detalių storis. Varžto atsparumas tempimui skaičiuojamas pagal formulę:

σvt=

4/2di

P

π < Rv

t (2.31)

Priklausomai nuo plieno mark÷s, skaičiuojamasis atsparumas kirpimui Rvkirp = 150…300 MPa; tempimui Rv t=170…400 MPa; glemžimui R

v gl=380…470 MPa.

Jungčių, perduodančių apkrovą susilietusių paviršių trintimi, atsparumo skaičiavimas remiasi aukšto stiprumo varžtų įvaržos įvertinimu:

34

Pv = 0,65σvBA

vv, (2.32)

čia σv B – varžto stiprumo riba; Avv – varžto vidinio skersmens skerspjūvio plotas.

Trinties j÷ga:

N = Pvfm, (2.33)

čia m = 0,9 – darbo sąlygų koeficientas; f – trinties koeficientas. Kai jungties paviršiai neapdirbami – f = 0,25; kai nuvalomi plieniniais šepečiais – f = 0,35; kai naudojamas liepsninis apdirbimas degikliais – f = 0,42; kai paviršiai nu÷sdinami reagentai – 0,45…0,5.

Darbin÷ apkrova, kurią gali perduoti varžtin÷ jungtis, dirbanti trintimi:

N = 0,65σvBA

vvfm, (2.34)

Aukšto stiprumo varžtų naudojimas palengvina montavimo darbus, padidina darbingumą konstrukcijų, apkrautų kintamomis ir dinamin÷mis apkrovomis. Tokie varžtai rekomenduojami naudoti ne tik plienin÷se, bet ir aliuminio lydinių konstrukcijose.

Varžtams išd÷styti konstrukcijoje reikia laikytis šių reikalavimų: mažiausias atstumas tarp varžtų centrų – 3,5d; didžiausias atstumas tarp varžtų-centrų kraštin÷se eil÷se 5d arba 10s; tas pats vidurin÷ms eil÷ms – 10d arba 14s; mažiausias atstumas nuo varžto centro iki elemento krašto – 2,5d, didžiausias – 6s. Čia d – varžto sriegio išorinis skersmuo; s – mažiausias jungiamosios detal÷s storis.

2.6. Klijuotos - suvirintos jungtys

Klijuotos - suvirintos užleistin÷s jungtys naudojamos aliuminio lydinių konstrukcijose. Klijų sluoksnis gerina jungties atsparumą korozijai, taip pat priima dalį apkrovų. Klijuotos jungties užlaida, veikiant apkrovoms, neatsiveria, sumaž÷ja įtempimų koncentracija, padid÷ja tokiu būdu bendras konstrukcijos darbingumas. 2.28 pav. pateikiamas klijuotų suvirintų, suvirintų ir kniedytų jungčių leistinų apkrovų Pkirp, priklausomai nuo sujungiamų elementų storio, palyginimas.

2.28 pav. Klijuotų - suvirintų jungčių stiprumas: 1 – klijuota - suvirinta jungtis (klijai BK-1); 2 – suvirinta jungtis; 3 – kniedyta jungtis

Klijuotų sujungimų stiprumas labai priklauso nuo eksploatacijos temperatūros, technologinių ir konstrukcinių parametrų, klijų sud÷ties, tarpelio dydžio, detalių storio. Tokio sujungimo efektyvumas did÷ja maž÷jant detalių storiui. Techniniams tikslams geriausi yra modernizuoti epoksidiniai ir silicio organiniai klijai. Jų naudojimas įrankių gamyboje 30…40% sumažina kietlydinių ir greitapjovių plienų sąnaudas. Jungčių stiprumas labai priklauso nuo klijų adgezijos su klijuojama medžiaga. Jie skirstomi į termoplastinius ir termoreaktyvinius, plačiai naudojamus nemetalin÷ms medžiagoms klijuoti

Klijuotų jungčių tipai pateikti 2.31 a paveiksle. Jungiamieji paviršiai turi būti gerai paruošti, nuo paviršių pašalinti riebalai ir įtempiai o klijų turi būti 100…300 g/m2. Džiūnant klijams neišvengiamai atsiranda liekamieji įtempimai. Jungtims atliekami mechaniniai bandymai ir neardomoji kontrol÷, pvz. Ultragarsin÷, rezonansin÷ ir kitos.

Klijuotų sujungimų stiprumas priklauso nuo klijų rūšies, molekulin÷s mas÷s, užpildų, klijuojamų paviršių būsenos, sujungiamos medžiagos tipo struktūros ir sujungimo tipo.

35

2.29 pav. Klijuotosios jungtys: a – klijuotųjų jungčių tipai; b – bandymų metodai; c – klijuotos -

suvirintos jungtys (klijavimas + taškinis kontaktinis suvirinimas)

Sandūrin÷s jungtys naudojamos esant didel÷ms lietimosi plokštumoms. Dažniausiai naudojamos užleistin÷s jungtys. Toliau pateikiamos įvairių metalų aukštos kokyb÷s klijais klijuotų jungčių stiprumo reikšm÷s. Epoksidine derva klijuotų jungčių stiprumas kirpimui:

Ст3 – 30…40 MPa Х3Н10 – 24…31 MPa Д16 – 21…35 MPa Žalvaris – 17 MPa Varis – 16 MPa Dažnai naudojami klijuotos suvirintos jungtys, derinant klijavimą su taškiniu suvirinimu. Klijavimas

apsaugo sujungimą nuo atsiv÷rimo, mažina įtempimų koncentracijas ir priima dalį apkrovas P. Pirma plokštel÷s yra suklijuojamos ir tik po to suvirinamos kontaktiniu taškiniu būdu.

2.7. Lituotosios jungtys

Litavimas atliekamas prid÷tinio metalo pagalba, kurio lydymosi temperatūra yra mažesn÷ nei lituojamų detalių. Litavimo procesas yra labai universalus. Sulituoti galima tos paties tipo ir skirtingus metalus, metalą su grafitu, keramiką su kitomis nemetalin÷mis medžiagomis.

2.30, a paveiksle pavaizduotose lituojamų detalių pad÷tyse išlydytas prid÷tinis metalas sub÷ga į kelių milimetro dešimtųjų dalių tarpelį. 2.30, b pav. pavaizduotos vamzdžių ir štampuotų elementų lituotos jungtys. Reikiamą lituotos jungties stiprumą galima pasiekti didinant užlaidos ilgį. Nagrin÷jami jungties pavyzdžiai gauti kapiliariniu litavimo būdu, kuris yra labiausiai paplitęs. Naudojant šį litavimo būdą būtina, kad tarpelis tarp sujungiamų detalių būtų nedidelis (milimetro dalys) ir lygus. Yra litavimo būdai, kuriems nekeliami tokie griežti detalių paruošimo litavimui reikalavimai, pvz., litavimas kaitinimo krosnyje arba termoreaktyvinis litavimas, kai išlydytas lydmetalis įspaudžiamas į tarpeli tarp plokštelių . Taip pat naudojamas difuzinis litavimas vakuume.

2.30 pav. Vamzdžių su plokščiais ir štampuotais elementais lituotosios jungtys: a-prid÷tinis metalas iš išor÷s; b-prid÷tinis metalas iš vidaus

36

Lituotų sujungimų stiprumo skaičiavimas priklauso nuo veikiančių j÷gų pobūdžio. Jei užleistinią jungtį veikia išilgin÷ tempimo arba gniuždymo j÷ga P, tai lituotas sujungimas yra kerpamas ir įtempimai kirpimo plokštumoje bus:

τ =ca

P ≤ [τ’], (2.35)

čia [τ’] – sulituotos jungties leistinieji kirpimo įtempiai. 2.31, c, d, e pav. pavaizduotos sandūrin÷s jungtys, tačiau 2.31,c pav. jungtis ne visuomet gali būti

priimtina. Įstrižo nusklembimo, ypač kai nuosklembos kampas 45°, jungčių yra didel÷ laikančioji galia. Laiptuoto briaunų paruošimo jungtys nepriimtinos, nes jų irimas prasideda prie vertikalios briaunel÷s, be to – sud÷tingas briaunų paruošimas.

2.31 pav. Lituotosios užleistin÷s (a ir b) ir sandūrin÷s jungtys ( c, d ir e)

Lituotos t÷jin÷s jungtys (2.32, a pav.) dažniausiai naudojamos kaip rišančiosios jungtys arba mažai apkrautiems lenkiamiems konstrukcijos elementams sujungti. Dideliu stiprumu pasižymi t÷jin÷s jungtys, pavaizduotas 2.32, b, c pav.

Lituojant galima gauti standžius, lengvus ir ekonomiškus gaminius atsparius lenkimui ir sukimui. Tokių lituotų gaminių pavyzdžiai pateikti 2.32, d, e ir 2.33 pav.

2.32 pav. T÷jin÷s lituotos jungtys 2.33 pav. Lituota konstrukcija

2.8. Suvirintųjų jungčių (siūlių) žym÷jimas br÷žiniuose

Europoje suvirintų ir lituotų jungčių žym÷jimą simboliais br÷žiniuose reglamentuoja tarptautinis standartas LST EN 22553:2002. Šį žym÷jimą sudaro pradiniai simboliai, kurie gali būti papildyti papildomaisiais simboliais, matmenimis ir kai kuriomis papildomomis nuorodomis (ypač darbo br÷žiniuose).

Jei jungtis neturi būti detalizuota, o tik nurodyta, tuomet žymima:

37

2.6 lentel÷. Pradiniai simboliai

Eil. Nr. Pavadinimas Iliustracija Simbolis

1 Sandūrin÷ riestin÷ jungtis

2 I sandūrin÷ (ne nusklembta) jungtis

3 V sandūrin÷ jungtis

4 Pusin÷ V sandūrin÷ jungtis

5 Y sandūrin÷ jungtis

6 Pusin÷s Y sandūrin÷ jungtis

7 U sandūrin÷ jungtis (pus÷s lygiagrečios arba nuožulnios)

8 J sandūrin÷ jungtis

9 Šaknies pavirinimo siūl÷

10 Kampin÷ siūl÷

11 Virintin÷ kniedin÷ jungtis

12 Taškin÷ siūl÷

13 Kontaktin÷ siūlin÷ jungtis

14 Apvirinimas

15 Abipus÷ V sandūrin÷ jungtis (X siūl÷)

16 K sandūrin÷ jungtis

38

17 Abipus÷ Y sandūrin÷ jungtis

18 Abipus÷ pusin÷ Y sandūrin÷ jungtis

19 Abipus÷ U sandūrin÷ jungtis

Papildomieji simboliai charakterizuoja siūl÷s išorinio paviršiaus formą arba siūl÷s geometriją (2.7 lent.). Papildomų simbolių nebuvimas reiškia , kad siūl÷s paviršiaus formos tiksliai nurodyti nereikia.

2.7 lentel÷. Papildomieji simboliai

Siūl÷s paviršiaus forma arba siūl÷s geometrija Simbolis

Sulygintas siūl÷s priekinis paviršius

Išgaubta siūl÷

Įgaubta siūl÷

Suapvalinti siūl÷s kraštai

Naudojama liekamoji pad÷klin÷ juosta

Naudojama nuimama pad÷lin÷ juosta

2.8 lentel÷. Papildomųjų simbolių naudojimo pavyzdžiai

Pavadinimas Iliustracija Simbolis

Sulyginta (rumbel÷ nuimta) V sandūrin÷ siūl÷

Išgaubta dvipus÷ V sandūrin÷ siūl÷

Įgaubta kampin÷ siūl÷

Sulyginta V sandūrin÷ siūl÷ su sulyginta šaknies rumbele

Y sandūrin÷ siūl÷ su užvirinta šaknimi

Sulyginta V sandūrin÷ siūl÷

Kampin÷ siūl÷ su suapvalintais kraštais

39

1) Paviršiaus švarumo simbolis pagal ISO 1302.

Jungties žym÷jimo br÷žiniuose principas parodytas 2.34 pav.

Jungtis

1 – rodykl÷s linija; 2a – ištisin÷ nuorodos linija; 2b – brūkšnin÷ nuorodos linija; 3 – siūl÷s simbolis

2.34 pav. Žym÷jimo būdas

Ryšys tarp rodykl÷s linijos ir jungties pateiktas 2.35 ir 2.36 pav., kuriuose paaiškinamos sąvokos “rodykl÷s pus÷” ir “kita pus÷”.

“Kita pus÷” “Rodykl÷s pus÷” “Rodykl÷s pus÷” “Kita pus÷” Rodykl÷s linija

Rodykl÷s linija

a) Siūl÷ rodykl÷s pus÷je b) Siūl÷ kitoje nei rodykl÷ pus÷je

2.35 pav. T÷jin÷ jungtis su viena kampine siūle

Kita jungties A pus÷

Jungties A rodykl÷s pus÷

Kita jungties A pus÷

Jungties B rodykl÷s pus÷

Jungtis B Rodykl÷s linija Jungties B rodykl÷s pus÷

Rodykl÷s linija Jungtis A Kita jungties B pus÷

Jungtis A Rodykl÷s linija

Jungties A rodykl÷s pus÷

Rodykl÷s linija Jungtis B Kita jungties B pus÷

a) b)

2.36 pav. Kryžmin÷ jungtis su dviem kampin÷mis siūl÷mis

Rodykl÷s linijos pad÷tis turi būti nukreipta į plokštę, kurios briauna nusklembta (2.37 pav.).

a) b) c) d)

2.37 pav. Rodykl÷s linijos pad÷tys

40

Nuorodų linija tur÷tų būti br÷žiama lygiagrečiai br÷žinio apatiniam kraštui arba, jei taip negalima, statmenai. Simbolis rašomas iš nuorodų ištisin÷s linijos pus÷s, jei siūl÷s priekinis paviršius yra jungties rodykl÷s pus÷je (2.38, a pav.); simbolis rašomas iš brūkšnin÷s linijos pus÷s, jei siūl÷s priekinis paviršius yra kitoje jungties pus÷je (2.38, b pav.).

Tik simetrin÷ms siūl÷ms a) Virinti rodykl÷s pus÷je b) Virinti kitoje pus÷je

2.38 pav. Simbolių pad÷tis nuorodų linijos atžvilgiu

Prie kiekvieno siūl÷s simbolio gali būti užrašomi matmenys. Pagrindiniai skerspjūvio matmenys rašomi iš kair÷s simbolio pus÷s, išilginiai matmenys – iš dešin÷s simbolio pus÷s (2.39 pav.), jei išilginiai matmenys nenurodyti, tai reiškia, kad siūl÷ yra per visą detal÷s ilgį. Kampin÷s siūl÷s matmenys gali būti pateikti dvejopai, siūl÷s statinio aukštį z arba siūl÷s storį a:

2.39 pav. Žym÷jimo simboliais principo pavyzdžiai

Uždaro kontūro siūl÷:

Montažin÷ siūl÷

Suvirinimo procesas žymimas skaitmeniniais simboliais, pateiktais ISO 4063

Informacija nuorodų linijos gale pateikiama tokia tvarka: - procesas pagal LST EN ISO 4063; - priimtinumo lygmenys pagal LST EN 25817 ir LST EN 30042; - darbo pad÷tis pagal LST EN ISO 6947; - prid÷tin÷s medžiagos pagal LST EN 499, LST EN 1599, LST EN 1600, LST EN 1668 ir kt.

1 pavyzdys.V sandūrin÷ siūl÷ su šaknies užvirinimu (2.40 pav.), virinta lankiniu rankiniu suvirinimu

(procesas 111 pagal ISO 4063, reikalingas priimtinumo lygmuo D pagal ISO 5817, žemutin÷je pad÷tyje PA pagal ISO 6947, glaistytaisiais elektrodais ISO 2560 – E512 RR 22.

41

111/LST EN 25817-D/ LST EN ISO 6947-PA/ LST EN 499-E 46 3 1Ni B

111/LST EN 25817-D/ LST EN ISO 6947-PA/ LST EN 499-E 46 3 1Ni B

2.40 pav. V sandūrin÷ siūl÷ su šaknies pavirinimu

2 pavyzdys. Taškinių ir siūlinių jungčių (suvirintų arba lituotų) atvejais, jungtis formuojama tarp dviejų užleistinių dalių arba kiaurai pralydant vieną iš jų (2.41 pav.).

Iliustracija Vaizdavimas br÷žinyje

c – siūl÷s plotis l – siūl÷s ilgis (e) – atstumas tarp siūlių

2.41 pav. Kontaktin÷ siūlin÷ trūkioji jungtis

Rusijoje suvirintų jungčių žym÷jimą reglamentuoja GOST 2.312-72. Suvirinta jungtis (siūl÷) br÷žinyje vaizduojama: matoma siūl÷ – ištisine linija, nematoma – brūkšnine linija. Siūl÷ nurodoma vienpuse rodykle. Skerspjūvio br÷žiniuose siūl÷s kontūras vaizduojamas ištisine kontūrine linija, o jungties paruošimo konstrukciniai elementai – ištisine plona linija. Suvirintos jungties žym÷jimo pagalbiniai simboliai pateikti 2.9 lentel÷je.

Suvirintos jungties priekiniam paviršiui žymenys pateikiami ant išnašos linijos, kitai jungties pusei po išnašos linija. Žymenyje nurodoma:

- siūl÷s suvirinimo būdo standarto žymuo (2.10 lentel÷ 1 stulpelis); - raidinis-skaitinis jungties žymuo(2.10 lentel÷ 5 stulpelis); - suvirinimo būdo sąlyginis žymuo; - siūl÷s profilio ženklas ir t÷jinių bei užleistinių jungčių statinio dydis; -trūkiųjų siūlių išilginiai parametrai;

- Papildomieji simboliai (2.9 lent.).

42

2.9 lentel÷. Suvirintųjų jungčių sąlyginio žym÷jimo papildomieji simboliai

Papildomasis simbolis Simbolio paaiškinimas Papildomojo simbolio vieta

Sulyginta siūl÷

Pašalintos siūl÷s užlajos ir nelygumai; tolygus per÷jimas nuo siūl÷s į pagrindinį metalą

Montažin÷ siūl÷

Trūkioji siūl÷ arba linijinis siūl÷s taškų išd÷stymas

Tas pats, tik šachmatinis išd÷stymas

Uždaro kontūro siūl÷

Atviro kontūro siūl÷

Sandūrin÷s jungtys žymimos raide C; kampin÷s – У; t÷jin÷s – T; užleistin÷s – H; jei jungties forma

nereglamentuota GOST’u O (ypatinga). Skaičiai šalia raidžių, pavyzdžiui C25, T4, nurodo jungties eil÷s numerį pagal GOST (sujungimo būdą,

taip pat jungties paruošimą ir matmenis). Lankinis suvirinimas žymimas raide Э, dujinis – Г, elektrošlakinis – Ш, inertin÷se dujose – И,

ultragarsinis – Уз, trintimi – Tр, šaltasis – Х, difuzinis – Дф, kontaktinis – K, elektronpluoštis –Эл, lazerinis – Лз, sprogimu – Вз, plazminis – Пз, CO2 aplinkoje – У.

Raid÷s prieš suvirinimo būdo žymenį nurodo, kad suvirinimas: P – rankinis, A – automatinis, П – pusiau automatinis.

2.10 lentel÷. Suvirintųjų jungčių (siūlių) tipai ir jų sąlyginis žym÷jimas

GOST Suvirinimo būdas Jungties tipas Suvirinamų detalių storių intervalai, mm

Sąlyginis siūlių žym÷jimas

5264-80 Rankinis lankinis

Sandūrinis T÷jinis Užleistinis Kampinis

1…100 2…100 2…60 1…50

C1 –C25 T1 – T11 H1 –H3 У1 – У10

8713-79 Automatinis ir pusiau automatinis po fliusu


1,5…160 3…60 1…40 1,5…40

С1 – С34 Т1– Т13 Н1 – Н6 У1 – У10

14771-76 Apsaugin÷se dujose


0,5…120 0,8…100 0,8…60 0,5…100

С1 – С28 Т1 –Т10 Н1 – Н6 У1 – У10

15164-78 Elektrošlakinis Sandūrinis T÷jinis

16…800 16…500

С1 – С3 Т1 – Т3

43

14776-79 Virintinis kniedinis Užleistinis 0,5…22 Н1 – Н6

15878-79 Kontaktinis Sandūrinis Užleistinis

- 0,3…6

С1 – С4 Н1 – Н8

Siūlių žym÷jimo supaprastinimai: - Jei br÷žinyje nurodytos siūl÷s virinamos pagal vieną ir tą patį standartą, tai jis nurodomas tik br÷žinio

techniniuose reikalavimuose; - Jei br÷žinyje yra vienodų siūlių, visas žymuo rašomas tik ant vienos siūl÷s išnašos linijos, kitos siūl÷s

žymimos vienodu numeriu.

2.11 lentel÷. Sąlyginio virintinių siūlių žym÷jimo pavyzdžiai

Siūl÷s apibūdinimas Žym÷jimo pavyzdys Dvipus÷ nusklembtomis briaunomis sandūrin÷ jungtis, suvirinta lankiniu rankiniu būdu montuojant. Priekinis siūl÷s paviršius sulygintas

Užleistinis sujungimas be briaunų nuosklembos, vienpus÷ siūl÷ virinta pusiau automatiniu elektrolankiniu apsaugin÷se dujose lydžiu elektrodu. Atviro kontūro kampin÷ siūl÷, kurios statinis 5 mm.

Supaprastintas vienodų siūlių žym÷jimas, jei viena iš jų normaliai pažym÷ta

Tas pats, jei visos siūl÷s br÷žinyje vienodos.

3. Įtempių koncentracija 3.1. Bendrosios žinios. Įtempių koncentracija prie koncentratoriaus

Suvirintuose jungtyse įtempiai pasiskirsto nevienodai. Įtempiai koncentruojasi prie koncentratorių. Apžvelgsime įtempių pasiskirstymą tampriųjų deformacijų ribose a pločio juostoje, turinčioje d

skersmens kiaurymę (4.1, a pav.). Normaliniai įtempiai skersiniame pjūvyje A-A nustatomi pagal formulę:

σ’=2

σ

++

4

4

2

2

16

3

42

y

d

y

d, (3.1)

kai y = d/2, σ’ = 3σ, tai teorinis įtempių koncentracijos koeficientas KT = σ’/σ = 3. Kai y = 2d, σ’ = 1,04σ, tai KT art÷ja prie vieneto. Jei kiaurym÷ yra elips÷s formos (3.1, b pav.), tai teorinis įtempių koncentracijos koeficientas tampriųjų deformacijų ribose bus:

KT=1+2b/c, (3.2)

Kai c→ 0, tai KT→ ∞. Ši formuluot÷ n÷ra tiksli tod÷l, kad mažos deformacijos reikšm÷s, atsiradusios d÷l išorinių j÷gų, daro įtaką kiaurym÷s formai ir skaičiavimo formul÷ tampa nebetiksli.

Statiškai apkrautoms konstrukcijoms, pagamintoms iš plastiškų metalų, min÷ti vietiniai įtempimai koncentracijos srityje nepavojingi. Plastiškų metalų tempimo diagrama dažnai schematizuojama – ji keičia dviem ties÷mis: pasvirusia, išreiškiančia įtempimų priklausomybę nuo tampriosios deformacijos ir horizontalia – nuo plastin÷s deformacijos. Horizontali ties÷ parodo, kad, kai ε→εT, metalas plastiškai deformuojasi, nedidinant prie bandomojo elemento prid÷tų apkrovų (3.1, d pav.).

44

3.1 pav. Įtempių koncentracija: a – juostoje su apvalia kiauryme; b – juostoje su elips÷s formos kiauryme; c – σσσσ pasiskirstymas tampriosios deformacijos srityje; d – tempimo diagrama; σσσσ –

pasiskirstymas plastin÷s deformacijos srityje.

3.1, c pav. pateiktas įtempių pasiskirstymas prie nedidel÷s kiaurym÷s pjūvyje A – A. Tarkim, kad prie kiaurym÷s įtempiai pasiek÷ σT reikšmę. Tai atitinka deformaciją εT. Padidinus apkrovą, deformacija padid÷jo, tačiau įtempiai srityje kur ε>εT lieka lygūs σT. Epiūra prad÷s keisti savo formą ir išsilygins, įgaudama stačiakampio formą (3.1, e pav.).

Reikia atminti, jog įtempių koncentracija žymiai mažina stiprumą esant kintamoms apkrovoms, o taip pat ir esant statin÷ms apkrovoms, kai metalo plastiškumas ribotas.

3.2 Įtempių koncentracija lydomojo suvirinimo jungtyse

Įtempių koncentracija suvirintose konstrukcijose atsiranda d÷l daugelio priežasčių. Technologiniai siūl÷s defektai – poros, šlako intarpai ir ypač plyšiai, nesulydymai, bei neįvirinimai.

Apkrovus prie šių defektų j÷gų linijos išsikreivina ir tod÷l atsiranda įtempių koncentracija. Įtempių koncentracijos koeficientai prie nurodytų defektų yra dideli, tačiau esant nedideliam jų kiekiui ir dydžiams, konstrukcijos stiprumas yra patenkinamas. Virintinių sandūrinių siūlių įtempių koncentracijos koeficientas gali būti sumažintas iki minimumo.

Neracionali siūl÷s forma. Nustatyta, jog siūl÷s forma turi didelę įtaką vidinių j÷gų pasiskirstymui joje. Tai patvirtinta bandymais su metalin÷mis ir skaidrios medžiagos detal÷mis.

Neracionali jungties konstrukcija. Neracionalios jungties konstrukcijos pavyzdžiai bus išnagrin÷ti v÷liau.

3.3. Įtempių pasiskirstymas sandūrin÷se jungtyse

Su apdirbtais lygiais siūlių paviršiais sandūrin÷se jungtyse, neturinčiomis vidinių defektų (neįvirinimų, plyšių, šlako intarpų, porų, žr. LST EN ISO 6520 –1:1998), įtempiai nuo išilgin÷s j÷gos skerspjūvyje pasiskirsto tolygiai ir apskaičiuojami pagal formulę:

σ = P/ls, (3.3)

3.2 pav. Įtempių pasiskirstymas sandūrin÷je siūl÷je

45

Kai siūl÷s paviršius turi 3.2, a pav. pavaizduotą formą, tai įtempiai skerspjūvyje pasiskirsto netolygiai. 3.2, b pav. pavaizduotas įtempių pasiskirstymas sandūrin÷je jungtyje, kai 2v = 13 mm ir ∆s = 3 mm (3.2, a pav.). Per÷jime iš pagrindinio metalo į siūlę gaunama įtempių koncentracija. Vidutiniai įtempiai siūl÷s ašyje yra šiek tiek mažesni nei pagrindiniame metale. Įtempimų koncentracija gali susidaryti šaknyje, jei siūl÷ bus nevisiškai įvirinta. Antras įtempių koncentracijos šaltinis gali būti jungties elementų persislinkimas vienas kito atžvilgiu (3.3, a, b pav.), taip pat d÷l vietinių deformacijų, atsiradusių d÷l netolygaus siūl÷s susitraukimo.

3.3 pav. Sandūrin÷s jungties elementų persislinkimas (a) ir jungties briaunų išlinkimas (b)

Koncentratorių įtaka stiprumui nevertinama esant statin÷ms apkrovoms, bet yra labai svarbi veikiant dinamin÷ms apkrovoms. Įtempių koncentracija, atsiradusi d÷l siūl÷s formos, veikia siūl÷s metalo per÷jimo į pagrindinį metalą srityje, ir priklauso nuo siūl÷s storio ir to per÷jimo spindulio. Koncentracija staigiai išauga sumaž÷jus per÷jimo spinduliui iki milimetro dalių. Įtempių koncentracija atsiradusi prie porų turi erdvinį charakterį. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad įtempių koncentracijos koeficientas prie sferinių porų, lyginant su to paties skersmens cilindrine tuštuma ir tuo pačiu atstumu nuo paviršiaus, yra 1,5 karto mažesnis.

Bet kokiu suvirinimo būdu-lankiniu, kontaktiniu, elektronpluoščiu – virintos sandūrin÷s siūl÷s yra geriausios įtempimų koncentracijos atžvilgiu. Kai gerai atliktas technologinis suvirinimo procesas, n÷ra porų, neįvirinimo, nemetalinių intarpų, briaunų persislinkimo, kai liekamosios suvirinimo deformacijos minimalios, kai racionali siūlių forma ir tolygus jų per÷jimas į pagrindinį metalą, tai galutin÷ įtempimų koncentracijos koeficiento reikšm÷ gali būti artima vienetui. Esant kitiems sujungimo būdams, tokio rezultato pasiekti praktiškai yra neįmanoma.

3.4. Įtempių pasiskirstymas galin÷se siūl÷se

Įtempių pasiskirstymas galin÷se siūl÷se yra tiriamas teoriškai – remiantis tamprumo ir plastiškumo teorijomis ir eksperimentiškai – bandymuose naudojant poliarizuotą šviesą, lakuotus paviršius, tenzodaviklius. Labiausiai naudojamas skaitmeninis modeliavimo būdas, kuriuo galima gauti visą informaciją apie įtempto - deformuoto siūl÷s metalo būseną ir rezultatai, skirtingai nuo kitų būdų, labiausiai sutampa su eksperimentiniais. Šis skaičiavimas ir bandymai patvirtino, kad galin÷se siūl÷se gaunama didel÷ įtempių koncentracija, kuriai didelę įtaką daro siūl÷s skerspjūvio konfiguracija: įvirinimo gylis, siūl÷s geometrin÷ forma. Įtempimų koncentracija maž÷ja didinant įvirinimo gylį ir padarant per÷jimą iš siūl÷s į pagrindinį metalą tolygiu. Bandymais įrodyta, jog did÷jant apkrovai, deformacija išsilygina ir maž÷ja įtempimų koncentracija.

3.4 pav. Įtempių pasiskirstymas jungtyse su antd÷klais iš abiejų pusių

46

Įtempių pasiskirstymas jungtyse suvirintose galin÷mis siūl÷mis pavaizduotas 3.4 paveiksle. Didžiausias įtempių koncentracijos koeficientas α = 2 yra A-A pjūvyje (3.4, b pav.).

Užleistin÷se jungtyse suvirintose dviem galin÷mis siūl÷mis apkrova pasiskirto tolygiai tarp jų tik tuo atveju, jei elementai yra vienodo storio. Galin÷se siūl÷se įtempių koncentracija susidaro ir t÷jiniuose sujungimuose. Prie standumo sienelių, privirintų prie tempiamo elemento (3.5, a pav.), atsiranda įtempimų koncentracija σx visame skerspjūvyje A-A. Šių įtempimų epiūra pateikta 3.5, b pav. Įtempimų koncentracijos koeficientas t÷jinio sujungimo siūl÷je priklauso nuo jos formos ir sujungimo tipo.

3.5 pav. Įtempimų koncentracija t÷jin÷je suvirintoje jungtyje

3.5. Įtempių pasiskirstymas užleistin÷se jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis

Užleistin÷se jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis įtempimų koncentracija susidaro siūl÷se ir pagrindiniame metale tarp siūlių.

Apžvelgsim dviejų juostų jungtį siūl÷mis, kurių statinis K, ilgis l (3.6 pav.). D÷l nedidelio juostų pločio priimsime, kad įtempimai σ jų plotyje pasiskirsto tolygiai. Tempimo j÷gos veikiami pagrindiniai elementai ištempiami ir pasislenka vienas kito atžvilgiu. Stačiakampis siūl÷s elementas 1-1-2-2 deformuojasi į 1’-1’’-2’-2’’ (3.6, a pav.). Didžiausia šoninių siūlių deformacija gaunama galiniuose taškuose, mažiausia – siūl÷s viduryje. D÷l to tangentiniai įtempiai siūl÷je pasiskirsto netolygiai. Jungčių, kurių sujungiamų detalių skerspjūvio plotai yra vienodi (A1=A2=A) (3.6, b pav.),

3.6 pav. Įtempių pasiskirstymas jungyje su ilgomis šonin÷mis siūl÷mis, tvirtinančiomis siaurą juostą: a – bendras vaizdas; b – ττττ pasiskirstymas išilgai siūl÷s, kai A1 = A2; c – ττττ pasiskirstymas išilgai siūl÷s, kai

A1 <<<< A2

įtempiai siūl÷s taške nustatomi taip:

τx=( )[ ]lKsh

xlchxchP

αβααα

4

−+, (3.4)

47

čia α= EAG /4 ; G – šlyties modulis; E – tamprumo modulis; l – siūl÷s ilgis. Didžiausia τx reikšm÷ bus taškuose x = 0 ir x = l:

τmaks=( )

lKsh

lchP

αβαα

4

1+≈

K

lPcth

βαα

4, (3.5)

Lygiareikšmio stiprumo jungtims (2[τ]βKl = [σ]tempA) su sąlyga, kad [τ’] = 0,6[σ]temp, ir β = 0,7 taip pat atsižvelgiant, kad cthα0l = 1, įtempių koncentracijos teorinis koeficientas plieno (E = 2 10

5 MPa, G = 8 104 MPa) šonin÷je siūl÷je bus:

KT = 0τ

τmaks = 0,58K

l

7,0, (3.6)

čia τ0 = Kl

P

β2.

Jei A1< A2, tai didesn÷ τx reikšm÷ bus iš to elemento pus÷s, kurio skerspjūvis mažesnis. Su sąlyga, jog visos deformacijos bus tampriosios, tuomet τx pasiskirstymo epiūra bus tokia kaip 3.6, c paveiksle.

3.7 pav. σσσσx įtempių pasiskirstymas plačiame užleistin÷s jungties antd÷kle, privirinus jį trumpomis šonin÷mis siūl÷mis

Normalinių įtempių pasiskirstymas tarp šoninių siūlių užleistin÷je jungtyje su antd÷klais (3.7 pav.). Tarkime, kad šonin÷s siūl÷s yra gana trumpos ir τx įtempiai jų ilgyje pasiskirstę vienodai. Įtempimų koncentracija didelio pločio lakštų metale, atsiranda d÷l šoninių siūlių. J÷gų linijos tempiamuose lakštuose sutank÷ja šoninių siūlių srityje, o vidurin÷ lakštų dalis tarp siūlių mažiausiai įtempta. Jie maksimalūs antd÷klo pakraščiuose ir minimalūs viduryje. Išilgai ašies x atstumu y nuo antd÷klo ašies įtempimai σx bus:

σx = 2,3τ0chvy/shva, (3.7)

čia a – pus÷ antd÷klo pločio; l – pus÷ antd÷klo ilgio; v = 2/3l; τ0 – vidutiniai tangentiniai įtempiai šonin÷se siūl÷se; τ0 = σvidas/βKl; s - antd÷klo storis; σvid - vidutiniai įtempiai sujungiamuose elementuose; l - siūl÷s ilgis.

Maksimalių įtempių σmaks epiūra pateikta 3.7 pav., kurie apskaičiuojami pagal (3.8):

σmaks = 2,3τ0cth2,3l

a, (3.8)

Kai K = s, įtempių koncentracijos teorinis koeficientas tokio tipo sujungimui:

KT = l

l

aacth 3,23,3

, (3.9)

Keičiantis santykio a/l reikšm÷ms, keisis ir koncentracijos koeficiento reikšm÷:

a/l……0,1 0,5 1,0 2,0 KT……1,45 2,01 3,37 6,61

Iš pateiktų duomenų matyti, kad žymiai padidinus lakšto plotį lyginant su šoninių siūlių ilgiu, normalinių įtempių koncentracijos koeficientas lakšte padid÷ja. Užleistin÷se jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis

48

visuomet susidaro įtempimų koncentracija. Kai šonin÷s siūl÷s ilgos, o tarpas tarp jų mažas, didžiausia koncentracija susidaro siūlių galuose (τx tangentinių įtempių koncentracija). Kai siūl÷s yra trumpos, o atstumas tarp jų gana didelis, koncentracija susidaro pagrindiniame metale tarp siūlių (σx normalinių įtempių koncentracija). Suvirintų konstrukcijų jungtyse susidaro abiejų tipų didesn÷s ar mažesn÷s koncentracijos.

3.6. Įtempių pasiskirstymas kombinuotose jungtyse su šonin÷mis ir galin÷mis siūl÷mis

Įtempių pasiskirstymas jungtyse su antd÷klais yra netolygus. Jungtyse, kur sandūrin÷s siūl÷s sustiprinamos antd÷klu iš vienos pus÷s, susidaro ekscentricitetas ir atsiranda lenkimo momentas. Tokiose jungtyse įtempiai ne tik nesumaž÷ja, bet, lyginant su jungtimis be antd÷klų, ženkliai padid÷ja. Jungtyse be sandūrinių siūlių antd÷klai taip pat didina įtempimų koncentraciją. 3.8, a pav. pateikti eksperimentinių bandymų įtempių pasiskirstymas skirtingose jungties pjūviuose (A-A, B-B, C-C), kai antd÷klai privirinti tik iš vienos pus÷s šonin÷mis siūl÷mis. Taškuose, esančiuose netoli šoninių siūlių, susidaro įtempių koncentracija; taškuose, esančiuose toli nuo siūlių prie elemento ašies, įtempimai yra maži. Zonos, esančios toliau nuo antd÷klų, įtempimų epiūra skerspjūvyje išsilygina ir elementas apkraunamas tolygiau.

Įtempių pasiskirstymo netolygumas antd÷klų su šonin÷mis siūl÷mis skerspjūvyje žymiai sumaž÷ja, užvirinus galines siūles. 3.8, b pav. parodytas įtempių pasiskirstymas tokiame sujungime E-E, F-F, G-G pjūviuose.

3.8 pav. Įtempių pasiskirstymas jungtyje su antd÷klais be sandūrinių siūlių: a – įtempių

pasiskirstymas tarp šoninių siūlių; b – σσσσ pasiskirstymas jungtyje su galin÷mis ir šonin÷mis siūl÷mis

3.7. Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu siūliniu būdu suvirintoje užleistin÷je jungtyje

Įtempių pasiskirstymo netolygumas kontaktiniu siūliniu būdu suvirintoje užleistin÷je jungtyje priklauso nuo keleto priežasčių. 1. Tempiant įtempiai σ siūl÷s srityje išilgai detal÷s pasiskirsto netolygiai. Įtempimų koncentracijos

koeficientas tempiant, kaip taisykl÷, yra nedidelis ir tik nežymiai viršija vienetą. 2. Tempiant jungtį, detal÷ išlinksta (3.9, a, b pav.) ir padidina įtempius, tačiau paprastai šie įtempiai

skaičiavimuose nevertinami.

3.9 pav. Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu siūliniu būdu suvirintoje užleistin÷je jungtyje

49

Viršijus takumo ribą, įtempiai šiek tiek išsilygina ir koncentracijos koeficientas sumaž÷ja.

3.8. Įtempių pasiskirstymas kontaktiniu taškiniu būdu suvirintose jungtyse

Taškin÷se jungtyse susidaro įtempių koncentracija, kuri priklauso nuo daugelio veiksnių. D÷l j÷gų linijų sutank÷jimo aplink tašką pagrindiniame metale susidaro įtempių koncentracija (3.9, a pav.). Sutank÷jimo intensyvumas apsprendžia koncentracijos dydį. Koncentracija did÷ja did÷jant t/d santykiui (t – žingsnis tarp taškų statmenai j÷gos veikimo krypčiai; d – taško skersmuo). Skaičiavimais nustatyta, kad įtempių koncentracijos koeficientas yra (0,62t/d) < α0 < t/d ribose ir gali būti apytiksliai apskaičiuotas pagal formulę:

KT = 0,38+0,62d

t, (3.10)

3.10, b pav. parodyta σ pasiskirstymo epiūra išilginiame jungties pjūvyje. Didžiausia įtempimų reikšm÷ pasiekiama pjūvyje 0 – 0.

3.10 pav. Įtempių pasiskirstymas taškin÷je jungtyje

Įtempiai atskiruose jungties taškuose, išd÷stytuose išilgai elemento ir dirbančiuose tamprumo ribose, yra ne vienodi. Jei sujungiamų elementų skerspjūviai vienodi, žingsnis tarp taškų išilgine kryptimi – t, o elemento plotis arba žingsnis tarp taškų skersai elemento – 3d, tuomet įtempių pasiskirstymas tarp taškų išilgine kryptimi bus toks, kaip 4.1 lentel÷je. Kraštiniai taškai yra apkrauti žymiai daugiau nei esantys viduryje. Didinant taškų skaičių išilgai elemento, ši disproporcija dar labiau did÷ja. Tai pasireiškia dirbant tik tamprumo ribose. Viršijus takumo ribą, įtempiai taškuose išsilygina.

3.1 lentel÷. Įtempių pasiskirstymas tarp taškų išilgin÷je eil÷je

Taškų skaičius išilgin÷je eil÷je Taškų numeriai

3 4 5

1

2

3

4

5

0,444P

0,112P

0,444P

-

-

0,436P

0,064P

0,064P

0,436P

-

0,435P

0,058P

0,014P

0,058P

0,435P

Suvirinimo taškui tenkantys vietiniai įtempiai yra kelis kartus didesni už skaičiuojamuosius. Tuo yra

paaiškinamas žemas taškų atsparumas kintamoms apkrovoms. Kai statin÷s apkrovos viršija tampriųjų deformacijų ribą, įtempių koncentracija žymiai sumaž÷ja ir

ardančiųjų j÷gų dydis, gautas bandymo metu, mažai skiriasi nuo apskaičiuoto.

50

3.11 pav. J÷gos srautų bei σσσσ ir ττττ įtempimų pasiskirstymas koncentratoriaus srityje: a – galin÷je siūl÷je; b – sandūrin÷je siūl÷je; c – šonin÷se siūl÷se; d – tempiamo elemento skerspjūvio pasikeitimo vietoje

Įtempimų pasiskirstymas koncentratoriaus zonoje atitinka hidrodinaminių srautų pasiskirstymą. 3.11, a pav. parodyti tokie srautai, susidarę galin÷je siūl÷je; 3.11, b pav. – sandūrin÷je siūl÷je; 3.11, c – šonin÷je siūl÷je; 3.11, d – tempiamo elemento pločio pasikeitimo vietoje. Užtušuoti plotai atitinka normalinius σ ir tangentinius τ įtempimus epiūrose.

3.9. Žemų temperatūrų įtaka suvirintosioms jungtims

Mažinant temperatūrą, daugelio metalų stiprumo, takumo ribos bei kietumas did÷ja ir, atrodytų, jog šių savybių pasikeitimą galima išnaudoti didinant leistinų įtempimų reikšmę ir lengvinant konstrukciją. Beveik visose detal÷se ir konstrukcijose susidaro įtempimų koncentracija, o mažinant temperatūrą, sparčiai auga daugelio metalų jautrumas įpjovoms. Metalo savybių pasikeitimo pobūdis krintant temperatūrai priklauso nuo daugelio veiksnių: kristalin÷s gardel÷s tipo, chemin÷s sud÷ties, grūdo dydžio, terminio apdorojimo. Šie veiksniai priklausomai nuo apkrovimo sąlygų ir įtempimų būvio veikia skirtingai. Metalai ir lydiniai, kurių takumo riba lyginant su stiprumo riba žem÷jant temperatūrai padid÷ja nežymiai, priskiriami šalčiui atspariems. Jų plastiškumas ir smūginis tąsumas žem÷jant temperatūrai beveik nesikeičia. Metalai ir lydiniai, kurių takumo riba lyginant su stiprumo riba žem÷jant temperatūrai did÷ja daugiau, o plastiškumas ženkliai sumaž÷ja, priskiriami šalčiui neatspariems.

Smūginio tąsumo bandymai leidžia nustatyti šaltojo trapumo ribą, t. y. temperatūrą, žemiau kurios smūginis tąsumas labai sumaž÷ja. Šis reiškinys ypač būdingas prastesn÷s kokyb÷s plienui, kuris šaltyje pasidaro trapus ir tod÷l netinkamas darbui žemesn÷je temperatūroje. Tąsiai suirusios medžiagos paviršius yra matinis, pluoštinis su duobut÷mis. Temperatūra Tv, žemiau kurios pradeda maž÷ti smūginis tąsumas ir lūžyje pradeda atsirasti trapiojo irimo frakcija, vadinama viršutine šaltojo trapumo riba. Žem÷jant temperatūrai, trapiojo irimo dalis lūžyje did÷ja. Trapiai suirusios medžiagos paviršius yra blizgantis, kristalinis. Praktine šaltojo trapumo riba dažnai laikoma temperatūra T50, kuriai esant tąsiojo ir trapiojo suirimo dalys lūžyje lygios, t. y. po 50 %. Įvairaus anglingumo plienų smūginio tąsumo reikšm÷s skirtingos: gaus÷jant anglies, maž÷ja smūginio tąsumo reikšm÷s ir did÷ja šaltojo trapumo riba.

Aukštas mašinų detalių, suvirintų jungčių ir suvirintų konstrukcijos elementų darbingumas žemose temperatūrose priklauso nuo jų sugeb÷jimo priešintis trapaus pobūdžio suardymui.

3.12 pav. pateikti lūžio pluoštinio paviršiaus procentinio dydžio B, suardymo darbo KC, takumo ribos σT, vidutinių ardančiųjų įtempių pasikeitimas priklausomai nuo temperatūros.

51

3.12 pav. Ardančiojo darbo KC, takumo ribos σσσσT ir vidutinių ardančių įtempių σσσσvid. t. pasikeitimai priklausomai nuo bandymo temperatūros

Metalų atsparumas šalčiui priklauso nuo metalo chemin÷s sud÷ties ir suvirinimo terminio ciklo. Terminis apdorojimas pašalina medžiagos nevienalytiškumą, atsiradusį d÷l vietinio užgrūdinimo suvirinimo metu. Kartais užtenka panaudoti tik aukštą atleidimą.

Neigiamą įtaką trapumo padid÷jimui turi įtempių koncentracija, neįvirinimas daugiasluoksn÷s siūl÷s šaknyje, šoninių siūlių galuose, per÷jimo vietoje nuo siūl÷s į pagrindinį metalą, o taip pat trumpų išilginių siūlių suart÷jimo vietose, kur d÷l skersinio susitraukimo atsiranda plastinių deformacijų koncentracija.

Terminis poveikis priesiūl÷s srityje, kur T = 200…300 °C, plastin÷s deformacijos metu daro metalą trapesniu ir šis reiškinys vadinamas dinaminiu sendinimu. Būtent šiose vietose gaunamas trapus suirimas, esant žemoms eksploatacijos temperatūroms. Metalui senstant maž÷ja jo atsparumas smūgiams ir plastin÷s savyb÷s.

Sendinimo metu sumaž÷ja metalo smūginis tąsumas ir plastiškumas. Sandūrinių ir t÷jinių siūlių nevisiškas įvirinimas, o taip pat netolygus per÷jimas nuo siūl÷s paviršiaus ant pagrindinio metalo daro labai didelę neigiamą įtaką trapiam jungties suardymui. Šis neigiamas poveikis ypač pasireiškia siūl÷s virinimo pradžioje ir pabaigoje, vietose kur yra porų ir šlako intarpų sankaupų ir kitų defektų. Kad nebūtų sumažintas jungties smūginis tąsumas ir tuo pačiu atsparumas šalčiui, reikia teisingai parinkti įvedamosios šilumos kiekį suvirinimo metu. Labai naudinga atsparumo šalčiui bandymus atlikti ne tik su bandiniais, bet ir su projektuojamojo objekto mazgais.

3.13 pav. Suvirintų konstrukcijos mazgų irimo pavyzdžiai

3.13 pav. pateikti trapaus irimo pavyzdžiai: t÷jiniame profilyje (a), kryžmin÷s jungtis (b), šoninių siūlių srityje (c), suvirinant strypus išilgin÷mis siūl÷mis (d), privirinant briauną prie kevalo (e), tarp arti viena kitos esančių lygiagrečių siūlių (f), staigių per÷jimų vietose (g), kampin÷se siūl÷se (h, i), sandūrinių siūlių neįvirinimo vietose (j), kelių siūlių susitelkimo vietoje (k, l).

52

Jei konstrukcijoje n÷ra staigių per÷jimų, neįvirinimo, siūlių susikirtimo, taip pat atliekama neardomoji kontrol÷, tuomet sudaromos sąlygos padidinti atsparumą trapiam suardymui tiek normaliose, tiek ir žemose temperatūrose.

3.10. Aukštų temperatūrų įtaka suvirintųjų jungčių savyb÷ms

Konstrukcijų atsparumą kaitrai charakterizuoja trys rodikliai: trumpalaikis stiprumas esant aukštai temperatūrai, valkšnumas ir ilgalaikis stiprumas esant aukštai temperatūrai.

Trumpalaikis stiprumas nustatomas analogiškai kaip ir stiprumas kambario temperatūroje, tik bandinys tempiamas termostate, kuris palaiko duotą temperatūrą. Kuo aukštesn÷ temperatūra, tuo labiau maž÷ja metalo tamprumo modulis, stiprumo bei takumo ribos, kietumas ir did÷ja plastiškumas.

Labai ilgai apkrautos medžiagos gali l÷tai, tačiau nenutrūkstamai plastiškai deformuotis, nors įtempimai yra mažesni už tuos, kurie sukelia liekamąsias deformacijas atliekant įprastinius tempimo bandymus. Medžiagos geba l÷tai ir nenutrūkstamai deformuotis nuo ilgalaik÷s apkrovos vadinamas valkšnumu, o savaiminis l÷tas įtempimų maž÷jimas bei išsilyginimas vadinamas įtempimų relaksacija.

Konstrukcijoms, dirbančioms aukštose temperatūrose, leistinieji įtempimai nustatomi įvertinant plastines deformacijas, atsiradusias d÷l valkšnumo. Pagal tipinę valkšnumo kreivę patį procesą galime skirsti į tris stadijas: pirma – nenusistov÷jusio valkšnumo stadija, kai plastinių deformacijų greitis maž÷ja; antra – nusistov÷jusio valkšnumo stadija, deformacijos greitis nedidelis,tačiau pastovus; trečia – valkšnumas progresyviai did÷ja ir įvyksta galutinis suirimas.

Pagrindinis dydis, charakterizuojantis pasipriešinimą plastiškai deformuotis nuo pastovios apkrovos, vadinamas valkšnumo riba. Valkšnumo riba – tai pastovus įtempimas, kuriam susidarius esamoje temperatūroje per tam tikrą laiką atsiranda tam tikras pailg÷jimas. Valkšnumo ribos užrašymo pavyzdys – 600900/1,0σ rodo, kad įtempis σ per 900 valandų esant 600°C temperatūrai, sukelia 0,1 % dydžio santykinę

deformaciją. Yra ir kiti panašūs valkšnumo ribos užrašymo būdai. Ilgalaikis stiprumas randamas tokiu pat būdu, kaip ir valkšnumas, ieškomas tik įtempis, kuris esant

pastoviai temperatūrai per tam tikrą laiką medžiagą suardo ir šis įtempis vadinamas ilgalaikio stiprumo riba.

Iigalaikio stiprumo užrašymo pavyzdys – 9001000σ rodo, kad tempiamas gaminys 900°C temperatūroje suirs per

1000 valandų. Suvirintųjų jungčių savyb÷s gali skirtis nuo pagrindinio metalo savybių įtempių valkšnumo

koncentracija, kurios metu gaunamas vietinis metalo plastiškumo išeikvojimas, o esant ilgalaikei apkrovai gaunamas suardymas kartais net minkštame priesiūl÷s tarpsluoksnyje. Kartais suirimai šiuose sluoksniuose yra mišraus charakterio - trans- ir tarpkristalinis. Siauruose minkštuose sluoksniuose dažnai net nesusilpn÷ja. Plačių sluoksnių plastiškumas nesumaž÷ja, ir neretai stiprumas išlieka artimas pagrindinio metalo stiprumui.

Suvirintuose jungtyse susidarę minkšti tarpsluoksniai aukštose temperatūrose per ilgą laiką gali trapiai suirti. Kartais irimas tokiose tarpsluoksniuose vyksta per kristalus arba tarp jų. Plonų minkštų tarpsluoksnių stiprumas dažnai nesumaž÷ja. Suvirintose jungtyse aukštose temperatūrose gaunama ne tik įtempimų koncentracija, bet ir deformacijos koncentracija, kurios netolygumas d÷l valkšnumo dar labiau padid÷ja.

Suvirintosiose jungtyse susidaro vietos su nevienodomis metalo savyb÷mis, gaunamas grūdelių dispersinis sustiprinimas ir tuo pačiu metu grūdelių sienelių susilpninimas.

Termiškai apdorotų plienų ilgalaikis stiprumas gali būti nedidelis, d÷l terminio poveikio srityje suminkštintų zonų susidarymo.

Esant griežtai suvirintų jungčių neardomajai kokyb÷s kontrolei ir reikalui esant panaudojus terminio apdorojimą atvejais kontrolei, leistinieji įtempiai suvirintoms jungtims vertinami pagal pagrindinio metalo stiprumą, padauginus jį iš koeficiento ϕ, kuris parenkamas priklausomai nuo plieno mark÷s ir technologinio proceso. Angliniams ir mažai legiruotiems plienams, suvirintiems lankiniu automatiniu suvirinimu po fliusu, elektrošlakiniu, kontaktiniu, CO2 aplinkoje ϕ = 0,85…1,0; suvirinus visais kitais būdais ϕ = 0,75…1,0.

Skaičiuojant suvirintų jungčių, dirbančių aukštesn÷se temperatūrose, stiprumą, leistinieji įtempimai nustatomi pagal šias tris lygybes:

[σ]t = 1nBσ; [σ]t =

2nTσ; [σ]t =

3

.lg

nstipiσ

,

čia σB - stiprumo riba, esant normaliai temperatūrai; σT - takumo riba esant normaliai temperatūrai; σilg.stip - ilgalaikio stiprumo riba; n1 = 2,5…4,0; n2 = 1,5…2,0; n3 = 1,5…3,0 - atsargos koeficientai, priklausantys nuo daugelio parametrų, katilų detal÷ms ir vamzdynams.

53

Iš pateiktų trijų santykių paimamas vienas, kurio reikšm÷ mažiausia.

4. Suvirintųjų jungčių patvarumas nuovargiui

4.1. Pagrindinio metalo ciklinis patvarumas

Konstrukcijose daugeliu atvejų susidaro kintamo dydžio įtempiai. Gali keistis pačios apkrovos dydis bei kryptis. Dažnai šie įtempiai keičiasi cikliškai ir juos galima išreikšti sinusoid÷s tipo kreive (4.1 pav.).

4.1 pav. Ciklin÷s įtempių kaitos sinusoid÷

Šie įtempiai išsid÷stę tarp ribinių įtempių σmaks. ir σmin., nulinio lygio atžvilgiu gali būti nesimetriški. Juos

galima apibūdinti ciklo charakteristika r = σmin./σmaks., įtempių amplitude σa = (σmaks.– σmin.)/2, ciklo vidutiniu įtempiu σ = (σmaks.+ σmin.)/2.

J÷gos tarp metalo grūdų pasiskirsto netolygiai. Kintamo apkrovimo veikiamos medžiagos makrotūriuose gali susidaryti ekstremalūs įtempiai, suirti tarpatominiai ryšiai. Pamažu kaupiasi pažeidimai, atsiranda mikroplyšiai, kurie laipsniškai plečiasi. Nepažeistos skerspjūvio dalies plotas maž÷ja tol, kol nepaj÷gia atlaikyti apkrovos, ir konstrukcija staiga lūžta, suyra. Sakoma, pasireišk÷ nuovargis. Konstrukcija staiga suiro, nors įtempiai pirminiuose elementuose buvo mažesni už takumo ribą. Šiuo atveju iš statinių stiprumo bandymų negalima spręsti apie medžiagos patvarumą nuovargiui. Nuovargio lūžio schema pateikta 4.1 pav.

Nuovargi lūžį nesunku pažinti pagal palaipsnio irimo sritį: čia lūžio paviršius lygus, šiek tiek blizgantis, nes kintant įtempiams pirminio lūžio paviršiai trinasi, ir jame esti ryškūs palaipsniui plintančio lūžio r÷v÷s. Galutinio lūžio sritis makro trapaus suirimo požymius.

4.2 pav. Nuovargio lūžio schema (1 – židinys, 2 – palaipsnio irimo sritis, 3 – galutinio staigaus irimo sritis)

Bandant nustatoma kiek ciklų bandinys išlaiko nesuirdamas. Keičiant bandinių apkrovas, gaunama

priklausomyb÷ tarp įtempių dydžio σmaks.ir išlaikytų ciklų skaičiaus N. Gautos nuovargio kreiv÷s vaizduojamos paprastose arba logaritmin÷se koordinat÷se (4.3 pav.). Plieno nuovargio riba σr atitinka didžiausią įtempį, kuriam esant bandinys išlaiko neribotą ciklų skaičių. Kai ciklas simetrinis, nuovargio riba žymima σ-1, o kai pulsuojantis – σ0. Bandant plieninius bandinius, nuovargio riba dažniausiai nustatoma N = 10

6. Jei bandinys apkraunamas mažesniu ciklų skaičiumi, tai ardančiųjų įtempimų reikšm÷ vadinama riboto

patvarumo riba, kuri nustatoma santykiu:

σrib.= σr m

N

610, (4.1)

čia N – ciklų skaičius; σr – patvarumo riba, esant r ciklo charakteristikai; m – koeficientas, kuris priklauso nuo medžiagos fizikinių savybių ir nustatomas pagal nuovargio kreiv÷s pasvirimo kampą (4.3, b pav.). Apytiksliai m = 12/Ke, čia Ke– efektyvus įtempių koncentracijos koeficientas.

54

4.3 pav. Plieno patvarumo nuovargiui kreiv÷s (a – paprastose koordinat÷se, b – logaritmin÷se

koordinat÷se) Patvarumas nuovargiui priklauso nuo apkrovų ciklų skaičiaus, įtempių kitimo amplitud÷s, bandinių

formos ir matmenų, medžiagos, paviršiaus apdirbimo glotnumo, apkrovos tipo (lenkimo, sukimas ir kt.), aplinkos, kurioje vyksta bandymas (oras, vanduo ir kt.).

4.3, b pav. pateiktos medžiagos patvarumo nuovargiui kreiv÷s, priklausančios nuo apkrovų ciklų skaičiaus. Ciklų skaičius atid÷tas abscisių ašyje, o ardančiųjų įtempimų reikšm÷s – ordinačių ašyje. Bandymais įrodyta, kad priklausomyb÷ σ = f(N) šiose koordinat÷se gali būti išreikšta dviem ties÷m: pasvirusia ir horizontalia. Horizontali ties÷ atitinka patvarumo ribos reikšmę.

4.2. Ciklo charakteristikos r įtaka patvarumui

Patvarumo riba labiausiai priklauso nuo ciklo charakteristikos. Ciklas – tai visų įtempimų reikšmių visuma vieno apkrovos periodo laikotarpyje. Patvarumo ribos priklausomyb÷s nuo ciklo charakteristikos analizei sudaroma patvarumo diagrama (pagal Smito metodiką). Remiantis bandymu nustatyta patvarumo riba simetriniam ciklui σ-1, pagal diagramą galima labai paprastai nustatyti patvarumo ribas bet kokiam ciklui σr (4.4 pav.). Ši diagrama yra sudaryta remiantis bandymais.

Diagrama gali būti naudojama iki tol, kol σr pasieks σT reikšmę. Abscisių ašyje atidedami vidutiniai ciklo įtempimai σm = (σmaks.+σmin)/2, ordinačių ašyje – įtempimai σmaks. ir σmin. 45° kampu abscisių ašies atžvilgiu pravedama ties÷. Amplitud÷ σα = σmaks. – σmin atidedama simetriškai tos ties÷s atžvilgiu.

4.4 pav. Stiprumo ir nuovargio diagrama σσσσmaks., σσσσmin ir σσσσm koordinat÷se

Ties÷s susikerta taške K, kuris charakterizuoja be galo mažos amplitud÷s ciklą. Priimame, kad šis taškas atitinka stiprumo ribą σB. Atkarpa OA išreiškia patvarumo ribos reikšmę, kai yra simetrinis ciklas. Tuo metu σm= 0.

55

Dažniausiai naudojama ta diagramos dalis, kur įtempimai neviršija takumo ribos σT. Per tašką D, kurio koordinat÷s σT, pravedama ties÷ iki susikirtimo su AK taške N. Šis taškas nuleidžiamas ant ties÷s A’K, gauname tašką M. Kreiv÷ ANDMA’ išreiškia schematizuotą nuovargio diagramą tampriųjų deformacijų ribose. Atkarpa BC išreiškia patvarumo ribos reikšmę esant pulsuojančiam ciklui σ0; atkarpa OB = σ0/2.

Iš taško O bet kokiu kampu α abscisių ašies atžvilgiu praveskime tiesę iki susikirtimo taške P su linija AK. Tuomet:

tgα = mσ

σ max = minmax

max2

σσσ+

=

+

max

min1

2

σσ

= r+12

, (4.2)

Pagal šią formulę duotam ciklui r nustatomas tgα. Pagal taško P pad÷tį randame didžiausius, duotam apkrovų ciklui, įtempimus, t.y. patvarumo ribą.

Mašinų gamyboje suvirintų jungčių patvarumo riba esant ciklui r kartais nustatoma kitu būdu. Eksperimentiniu būdu naudojant standartinius bandinius nustatoma patvarumo riba σ–1 ciklui r = – 1. Nustatoma suvirintos jungties patvarumo riba σ-1suv., esant tam pačiam ciklui. Randamas santykis η=σ–1/σ–1suv. Pertvarkoma Smito diagrama masteliu η ir pagal ją, naudojantis 4.2 formule, nustatoma patvarumo riba bet kokiam ciklui r.

4.4 pav. pateikta visa tempimo ir gniuždymo srities σmaks. ir σmin priklausomyb÷ nuo vidutinių įtempimų σm. Did÷jant vidutiniams gniuždymo įtempimams, ardančiųjų įtempimų amplitud÷ did÷ja ir gniuždymo įtempiai pasiekia gniuždymo takumo ribą σT

gn.

4.5 pav. Nuovargio diagrama tempimo ir gniuždymo srityje

Mažaanglio plieno standartinių lygių bandinių, bandytų simetrinio ciklo apkrovomis, patvarumo ir

takumo ribų santykis lygus σ-1/σT ≈ 0,6…0,7. Mažai legiruotiems konstrukciniams plienams šis santykis yra mažesnis nei mažaangliams plienams.

Aukštesn÷se temperatūrose plieno patvarumo riba maž÷ja. Agresyvioje aplinkoje patvarumo riba maž÷ja dar labiau. Esant kintamoms apkrovoms konstrukcijos elementų atsparumas nuovargiui priklauso nuo įtempimų koncentracijos.

4.3. Koncentracijos koeficientai ir jų įtaka nuovargio atsparumui

Efektyvus įtempių koncentracijos koeficientas Ke nustatomas lygaus bandinio ir bandinio, turinčio įtempimų koncentratorių, patvarumo ribų santykiu (Ke ≥ 1). Kuo Ke reikšm÷ artimesn÷ 1, tuo geriau dirba konstrukcijos elementas.

Bandymais nustatyta, kad įtempimų koncentracija beveik neturi įtakos patvarumo ribos reikšmei, jei r reikšm÷ yra artima vienetui. Maž÷jant r reikšmei, koncentratorių įtaka did÷ja, o patvarumo ribos dydis maž÷ja. Didžiausia Ke reikšm÷ pasiekiama, kai r = – 1.

Mažai legiruoto plieno bandinių jautrumas koncentratoriams gali būti didesnis nei mažaanglio plieno. 4.1 lentel÷je pateiktos plienų lankstymo simetriniu ciklu patvarumo ribų reikšm÷s

4.1 lentel÷. Plienų patvarumo ribos σσσσ–1, MPa

Bandinys Cт3кп Cт3cп 15ХСНД

56

Neapdirbtas lakštas Nušlifuotas lakštas Lakštas su kiaurym÷mis

121 134 86

158 198 110

188 - 150

Pagrindinio metalo patvarumo riba terminio poveikio srityje kartais pasikeičia lyginant su pagrindini

metalu, kuri nebuvo termiškai suvirinimo proceso paveiktas. Kartais galima atstatyti patvarumo ribą termiškai apdorojant suvirintą jungtį.

Konstrukcijos elementų skerspjūvio plotas daro įtaką nuovargio patvarumui. Padidinus bandinių skersmenį nuo 10 iki 200 mm, plieno 22 patvarumo riba sumaž÷ja nuo 215 iki165 MPa, o plieno 35 – nuo 155 iki 90 MPa.

Korozin÷s aplinkos poveikis nuovargio atsparumui ypač neigiamas (4.2 lentel÷).

4.2 lentel÷. Plieno patvarumo ribos σσσσ–1 ore ir vandenyje (N = 5⋅⋅⋅⋅107 ciklų)

Plienas σB, MPa σ –1, MPa (ore)

σ –1, MPa (g÷lame vandenyje)

σ –1, MPa (jūros vandenyje)

Anglinis, pagerintas Nikelinis Chromvanadinis Nerūdijantis Silicinis nikelinis

440 630 1050 620 1760

250 340 465 380 770

140 155 130 260 120

65 115 - 210 -

Kartais suvirintos konstrukcijos apkraunamos žemo dažnio apkrovomis ir d÷l to gali suirti net ir po kelių dešimčių tūkstančių ciklų. Konstrukcijos atsparumas priklauso nuo medžiagos, suvirintos jungties kokyb÷s, savybių ir koncentratoriaus. Bet kokiu atveju medžiagų atsparumas žemo dažnio (keli ciklai per minutę, valandą, parą) apkrovoms yra mažesnis nei aukšto dažnio apkrovoms. Žemo dažnio apkrovos mažina visų rūšių medžiagų ir suvirintų jungčių atsparumą. Aukšto dažnio apkrovos modeliuotos žemesniu dažniu ypač sumažina suvirintų konstrukcijų nuovargio atsparumą.

4.4. Lankiniu suvirinimu suvirintų jungčių atsparumas nuovargiui

Suvirintų konstrukcijų patvarumo riba priklauso nuo medžiagos, technologinio suvirinimo proceso, konstrukcijos formos, taip pat nuo apkrovos tipo ir ciklo charakteristikos. Technologinio suvirinimo proceso įtaka nuovargio atsparumui tiriama naudojant standartinio tipo bandinius, turinčius sandūrinę siūlę. Bandiniuose, kuriems pašalinta siūl÷s rumbel÷, beveik n÷ra įtempimų koncentracijos. Bandymais patvirtinta, kad tokiu būdu apdirbtuose suvirintuose bandiniuose iš anglinių ir daugelio mažai legiruotų plienų, santykis σ’–1/σ–1 ≥ 0,9; čia σ–1 – pagrindinio metalo patvarumo riba esant simetriniam ciklui; σ’–1 – sandūrin÷s suvirintos jungties patvarumo riba. Virinant automatiniu būdu, patvarumo ribos reikšm÷s yra labiau stabilios, nei virinant rankiniu būdu. Tai paaiškinama geresne suvirintų siūlių kokybe.

4.3 lentel÷. Kokybiškai suvirintų jungčių iš mažai legiruotų plienų patvarumo ribos esant skirtingam apkrovų ciklų skaičiui N

σ–1, MPa σ–1, MPa Plieno mark÷

σB, MPa N = 2⋅106 N = 107

Plieno mark÷ σB, MPa N = 2⋅106 N = 107

M16C 14ГС 15ГС 19ГС 10Г2СД

448 596 622 500 518

– 97 100 89 –

70 – – – 70

09Г2С 10Г2С 15ХСНД 10ХСНД 15ХГ2СМФР

518 615 584 600 767

– – 70 78 –

77 67 – – 72

Veikiant kintamoms apkrovoms, atskirai reiktų išnagrin÷ti siūlių ir priesiūl÷s sričių pagrindinio metalo

atsparumus. Dažnai sandūrin÷s jungtys suyra per terminio poveikio sritį. Jei siūl÷s paviršius neapdirbtas, čia susidaro įtempimų koncentracija, o legiruotiems ir sukietintiems plienams nuo lanko šiluminio poveikio susidaro minkštas tarpsluoksnis. 4.6 pav. pateiktos plieno ir aliuminio lydinio Д16Т ir jų suvirintų sujungimų nuovargio charakteristikos. Didelį suvirintų jungčių patvarumo ribos ir pagrindinio metalo stiprumo ribos

57

santykį turi mažaangliai plienai. Austenitinio plieno, aukšto stiprumo plieno 30ХГСА ir lydinio Д16Т santykių σ'-1/σ'B ir σ-1/σB reikšm÷s yra mažos.

4.6 pav. Plienų ir lydinio Д16T stiprumo ir patvarumo ribos: σσσσB-pagrindinio metalo (vertikali štrichuot÷), σσσσ–1-pagrindinio metalo (neštrichuota), σσσσ’–1-suvirintos jungties (įstriža štrichuot÷)

Padidinto stiprumo plienai efektyviai naudojami, kai veikia statin÷s ir kintančios, kurių r ≥ 0, apkrovos. Jei konstrukcijos įtempių koncentracijos koeficientas yra didelis ir r reikšm÷ art÷ja prie –1, tuomet padidinto stiprumo plienų naudojimo efektyvumas yra labai mažas.

4.5. Technologinių defektų įtaka nuovargiui

Technologinio proceso kokyb÷ turi didžiul÷s įtakos nuovargio atsparumui. Jei yra technologinių defektų (šlako intarpų, porų, įtrūkimų, neįvirinimų ir t.t.), tai suvirintų jungčių stiprumas esant kintančioms apkrovoms labai sumaž÷ja. Net nedidelis siūl÷s šaknies neįvirinimas koncentruoja įtempius, d÷l ko labai sumaž÷ja suvirintų jungčių atsparumas nuovargiui. Neįvirinimo įtaka nuovargio atsparumo sumaž÷jimui priklauso nuo medžiagos tipo. Neįvirinimui labai jautrūs suvirintos jungtys iš austenitinio plieno 12Х18Н9Т ir titano lydinių. 4.7 pav. pateikiamas plieno ir aliuminio lydinių patvarumo ribos pasikeitimas priklausomai nuo neįvirinimo dydžio.

4.7 pav. Neįvirinimo gylio siūl÷s šaknyje įtaka sandūrinių jungčių patvarumo ribai tempiant (r = 0,1…0,3, N = 2⋅⋅⋅⋅106 ciklų): 1 – AMг6, 2 – mažaanglis plienas, 3 – 12X18H10T, 4 – Д16T, 5 – 30XГCA

Tokie siūl÷s defektai kaip poros, šlako intarpai ir kiti mažina suvirintų jungčių atsparumą nuovargiui, ypač tai aktualu aliuminio lydiniams.

AMг6 aliuminio lydinio sandūrinių jungčių, bandytų pulsuojančio ciklo apkrovomis, rezultatai: σ’0=150 MPa – jungtis be porų;

58

σ’0=100 MPa – vienetin÷s poros paviršiuje d = 0,8 mm; σ’0=84 MPa – vienetin÷s poros paviršiuje d = 1,2…1,8 mm. Mažai legiruoto plieno sandūrin÷s jungties bandymo rezultatai: σ’0=260 MPa – jungtis be šlako intarpų; σ’0=180 MPa – vienas šlako intarpas; σ’0=100 MPa – šlako intarpų grandin÷l÷ išilgai bandinio. Didelę įtaka patvarumo ribai turi siūl÷s paviršiaus forma. Išgaubtos siūl÷s patvarumo riba mažesn÷ nei

lygios. Pašalinus siūl÷s rumbelę arba suteikus siūlei tolygų per÷jimą į pagrindinį metalą gaunamas geriausias jungties patvarumas. Gerą suvirintos jungties patvarumą galima gauti ne tik suvirinus valcuotus elementus, bet lietus.

T÷jinių jungčių patvarumas labai priklauso nuo briaunų paruošimo. Patvarumo riba yra aukštesn÷ jungties su briaunų paruošimu nei tokia pati jungtis be briaunų paruošimo, nes čia gaunama įtempimų koncentracija d÷l nevisiško įvirinimo.

4.6. Įvairių suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui.

Užleistinių jungčių ir jungčių su antd÷klais atsparumas nuovargiui yra mažas. Taip yra d÷l įtempių koncentracijos tokio tipo jungtyse. Ji susidaro pagrindiniame metale netoli kampinių siūlių, tarp siūlių, pačių siūlių skerspjūvyje, taip pat siūl÷s ilgyje d÷l netolygaus įtempių pasiskirstymo.

Cт3 plieno sujungimui galin÷mis siūl÷mis, kurių statinių santykis 2:1, esant tempimo j÷goms ir r=0,15, kai paviršius n÷ra mechaniškai apdirbtas, patvarumo riba lygi σB = 81…109 MPa; kai paviršius yra mechaniškai apdirbtas – σB = 113 MPa.

Šonin÷mis siūl÷mis suvirintų jungčių patvarumas nuovargiui yra ypatingai mažas. Jų patvarumo riba siekia 76 MPa, su išdrožomis šoninių siūlių pradžioje – iki 90 MPa. Pateikti duomenys rodo mažą jungčių suvirintų kampin÷mis siūl÷mis patvarumą nuovargiui ir galimybę jį gerinti technologin÷mis priemon÷mis. Jungčių suvirintų šonin÷mis siūl÷mis patvarumas priklauso šoninių siūlių ilgio ir antd÷klų pločio.

4.8 pav. pateiktos įvairių jungčių iš mažaanglio plieno patvarumo ribų kreiv÷s. 1 kreiv÷ atitinka jungtį su didžiausia įtempių koncentracija; 4 kreiv÷ – su mažiausia koncentracija; 2 ir 3 kreiv÷s – su tarpine. Stiprių plienų jungčių santykis σ’r/σ’B turi dar mažesnes reikšmes.

4.8 pav. Suvirintų jungčių su įtempių koncentratoriais patvarumo ribos

4.9 pav. pateiktos efektyvaus įtempių koncentracijos koeficiento Ke reikšm÷s, gautos bandant įvairaus tipo suvirintas jungtis ir konstrukcijas iš Cт3 ir 15XCHД plienų. Sandūrinių jungčių Ke reikšm÷s mažiausios; jungčių su šonin÷mis siūl÷mis – didžiausios. Konstrukcijų iš mažai legiruoto plieno 15XCHД koeficientas Ke yra didesnis nei konstrukcijų iš Cт3 plieno.

Suvirintųjų jungčių tipai Ke

Bendras vaizdas Paaiškinimas Cт3 15XCHД

Sulyginta sandūrin÷ jungtis 1,0 1,0

Technologin÷mis priemon÷mis atliktas tolygus per÷jimas į

pagrindinį metalą 1,2 1,33

59

Paprastos kokyb÷s, be terminio apdorojimo

1,4 1,8

Rankinis suvirinimas 1,6 2,2

Neištisin÷ vertikali sienel÷ 2,0 2,8

2,3 3,2

2,5 3,5

3,4 4,4

Neištisin÷s juostos 4,0 4,9

4.9 pav. Suvirintų jungčių iš plieno Cт3 ir 15XCHД efektyvūs įtempių koncentracijos koeficientai

Koncentratorių įtaka nuovargio patvarumui pavaizduota 4.10 pav. Čia pateiktos įvairios suvirintos jungtys ir jų patvarumo ribos esant pulsuojančiam apkrovų ciklui (r=0).

Jei gaminyje yra defektų duodančių įtempimų koncentraciją, tai medžiagos statinio stiprumo padidinimas tik nežymiai padidina nuovargio patvarumą, pvz., Cт3 ir 30XГСА plienų palyginimas. Jų stiprumo ribų santykis 40/160, o patvarumo ribų – 6/7, t.y. beveik vienodos. Esant defektams, geros austenitinio plieno X18H9T plastin÷s savyb÷s nepagerina nuovargio patvarumo. Kai defektų n÷ra, Cт3 plieno – σr=150 MPa, X18H9T plieno – σr=170 MPa, su defektais (50% neįvirinimas) Cт3 plieno – σr = 60 MPa, X18H9T plieno – σr = 35 MPa.

4.10 pav. Suvirintų jungčių iš plieno 37 patvarumo ribos, kai r = 0

1 – ištisin÷ juosta; 2 – juosta su kiauryme; 3 – jungtis galin÷mis siūl÷mis; 4 – sulyginta siūl÷; 5 – nesulyginta siūl÷, pavirinimas; 6 – nepavirinta siūl÷; 7 – kryžmin÷ jungtis, siūl÷ neapdirbta; 8 – tas pats tik siūl÷ apdirbta; 9 – kniedin÷ jungtis; 10 – užvirinta rumbel÷, neapdirbta; 11 – įstriža siūl÷, apdirbta; 12 – tas pats, neapdirbta, pavirinta; 13 – šonin÷s siūl÷s, neapdirbtos

60

Eksperimentiniu būdu nustatyta, kad mažaanglių ir anglinių plienų, pavyzdžiui 35Л mark÷s, didelių storių elementų suvirintų elektrošlakiniu būdu atsparumas nuovargiui yra patenkinamas. Did÷jant suvirinamo elemento matmenims, jo patvarumo riba šiek tiek sumaž÷ja. Tod÷l pakankamas suvirintos jungties nuovargio patvarumas leidžia elektrošlakinį suvirinimo būdą naudoti svarbioms konstrukcijoms gaminti.

4.7. Suvirintųjų jungčių terminio apdorojimo įtaka nuovargio atsparumui

Terminis suvirintų konstrukcijų apdorojimas dažnai padidina atsparumą nuovargiui. 4.4 lentel÷je pateikti suvirintos jungties iš mažaanglio plieno 22K bandymo rezultatai. Virinant didelių storių elementus, terminis apdorojimas kartu su rumbel÷s nu÷mimu žymiai padidina atsparumą nuovargiui. Esant didel÷ms įtempimų koncentracijoms, tam tikrais atvejais terminis apdorojimas yra neefektyvus ir net gali sumažinti patvarumą.

4.4 lentel÷. Plieno 22K 65××××75 mm elementų, įvairiai termiškai apdorotų, patvarumo ribos

Sujungimo tipas Terminis apdorojimas σ′-1, MPa Pagrindinis metalas Suvirinta jungtis, V sandūrin÷ siūl÷ Tas pats Tas pats, nuimta siūl÷s rumbel÷ Tas pats Tas pats

N÷ra N÷ra 620°C atkaitinimas N÷ra 620°C atkaitinimas 930°C normalizacija ir 620°C atkaitinimas

185 75 115 105 145 175…185

4.8. Kontaktiniu būdu suvirintųjų jungčių atsparumas nuovargiui

Kontaktiniu sandūriniu būdu suvirintos jungtys pasižymi geromis mechanin÷mis savyb÷mis esant ne tik statin÷ms, bet ir kintančioms apkrovoms. Virinant mažaanglius ir daugelį mažai legiruotų plienų, jungčių patvarumo ribos artimos pagrindinio metalo patvarumo riboms. Nuovargio atsparumui didelę reikšmę turi ne tik sandūros suvirinimo kokyb÷, bet ir jo paviršiaus kokyb÷. Jei paviršius yra grubiai apdirbtas, patvarumo riba mažesn÷, jei glotniai apdirbtas, ar net poliruotas, - patvarumo riba aukštesn÷.

Taškinių jungčių atsparumas nuovargiui yra žymiai mažesnis nei sandūrinių. Taškinių jungčių stiprumas sąlyginai skaičiuojamas kirpimo įtempimams. Tačiau kintančių apkrovų veikiamos tokios jungtys suyra per metalą virš taško ar aplink jį. Tai įvyksta d÷l įtempimų koncentracijos. Taškin÷s jungties atsparumas nuovargiui priklauso nuo to, ar ta jungtis yra darbinis ar jungiančioji, nuo medžiagos tipo ir nuo jos jautrumo įtempimų koncentracijai. Darbinių taškų patvarumo riba yra žymiai mažesn÷ nei jungiančių, o taškin÷s jungtys iš mažaanglio plieno yra mažiau jautrios įtempimų koncentracijai nei jungtys iš austenitinio plieno 12X18H10T ir 30XГСА po užgrūdinimo ir žemo atleidimo.

Atsparumas nuovargiui labai priklauso nuo jungties konstrukcijos. Kuo didesnis žingsnis tarp taškų išd÷stytų statmenai j÷gos veikimo krypčiai, tuo didesn÷ įtempimų koncentracija ir mažesnis atsparumas nuovargiui. Dviejų kirpimo plokštumų taškinių jungčių atsparumas nuovargiui yra daugiau kaip du kartus didesnis lyginant su jungtimi kerpama vienoje plokštumoje. Suvirintų taškų kokyb÷, ypač darbinių, taip pat įtakoja atsparumą nuovargiui. Ciklo charakteristika daro didelę įtaką taškų nuovargio atsparumui (5.12 pav.). Esant skirtingų ženklų apkrovoms, patvarumo riba kelis kartus mažesn÷, nei esant to paties ženklo apkrovoms.

61

4.11 pav. Taškin÷s jungties patvarumo ribos priklausomyb÷ nuo ciklo charakteristikos

Siūliniu būdu suvirintų jungčių atsparumas nuovargiui yra mažesnis nei sandūrinių, bet didesnis nei taškinių, nes gaunamas tolygesnis j÷gos linijų pasiskirstymas.

4.9. Kintančiomis apkrovomis apkrautų konstrukcijų projektavimo principai. Suvirintųjų jungčių apdirbimas siekiant pagerinti atsparumą nuovargiui

Pagrindiniai konstrukcijų projektavimo principai. 1. Projektuojamos jungtys, suvirintos lankiniu ir kontaktiniu būdais, turinčios minimalią įtempių

koncentraciją, taip pat kampin÷s siūl÷s, kurių geometrin÷ forma leidžia tolygiai pasiskirstyti įtempiams. Tolygus per÷jimas nuo siūl÷s metalo paviršiaus ant pagrindinio metalo gali būti gaunamas apdirbant siūlę lankiniu suvirinimu volframiniu elektrodu argono aplinkoje. Tokiu būdu apdirbus plieno Cт3 suvirintą jungtį, jo patvarumo riba padid÷ja nuo 80 iki 120 MPa. Mažaanglio ir mažai legiruoto plieno jungties patvarumo ribą galima padidinti mechaniškai apdirbant siūlę.

2. Įvertinamas suvirinimo terminis poveikis pagrindiniam metalui – gautas takumo ribos sumaž÷jimas terminio poveikio srities atkaitintame sluoksnyje. Tokių sluoksnių patvarumo riba taip pat sumaž÷ja, tai ypač pasireiškia suvirinus termiškai sustiprintus medžiagas (plienus ir spalvuotų metalų lydinius). Suvirintos jungtys suyra nedideliu atstumu ∆ nuo siūl÷s krašto, nes čia patvarumo riba mažesn÷ nei kitų pagrindinio metalo vietų nepaveiktų termiškai (4.12, c pav.)

Termiškai apdorojus legiruoto plieno suvirintas jungtis galima padidinti jų patvarumą nuovargiui.

4.12 pav. Mažai legiruoto plieno suvirintų jungčių, apkrautų kitomis apkrovomis, galimos suirimo vietos

Jei pagrindinis metalas n÷ra termiškai apdorotas, suvirinimo kokyb÷ gera, siūl÷s sulygintos, tuomet jungtis suyra per pagrindinį metalą arba per terminio poveikio sritį (4.12, a pav.). Jei siūl÷s neapdirbtos, tuomet jungtys suyra per terminio poveikio sritį (4.12, b pav.).

3. Mechaniškai apdirbus suvirintą jungtį, padaromas tolygus per÷jimas nuo siūl÷s ant pagrindinio metalo (4.13 pav.). Akivaizdus tokio apdirbimo rezultatas pateiktas 4.14 pav.

62

4.13 pav. Sandūrin÷mis ir kampin÷mis siūl÷mis suvirinamų jungčių, apkraunamų kintamomis

apkrovomis, rekomenduojamas apiforminimas

4.14 pav. Jungties konstrukcinio apiforminimo įtaka nuovargio atsparumui: a – per÷jimo suapvalinimas juostoje; b – per÷jimo suapvalinimas privirinus elementą; c – koncentratoriaus

perk÷limas į kitą vietą; d – neapdirbta jungtis

Liekamųjų vidinių suvirinimo įtempių įtaka laikančiajai galiai gali būti įvairi. Liekamieji įtempiai gali sumažinti konstrukcijos laikančiąją galią, dažniausiai visiškai neturi jokios įtakos jai, o kartais net padidina ją. Esant gniuždymo σliek, nuovargio riba σ-1 padid÷ja.

4.15 pav. Suvirintų šonin÷mis (a) ir susikertančiomis sandūrin÷mis siūl÷mis jungčių, apkrautų kintančioms apkrovoms, mažaanglio plieno bandymų rezultatai: 1 – būvis po suvirinimo; 2 – po

atkaitinimo 650°°°°C

Mažai legiruoto plieno atkaitinimas 650°C temperatūroje suvirinimo įtempiams pašalinti dažniausiai nepadidina atsparumo nuovargiui. Tai paaiškinama tuo, kad šis atkaitinimas ne tik pašalina liekamuosius įtempimus, bet ir šiek tiek sumažina metalo takumo ribą. 4.15, a, b pav. galime matyti skirtingą atkaitinimo

63

poveikį nuovargio atsparumui gaminiams iš mažaanglio plieno. Kai yra simetrinio ciklo apkrovos, atkaitinimas yra naudingas; kai r = 0 – nereikšmingas; kai r > 0 – mažina patvarumo ribą.

4.10. Atsparumo nuovargiui padidinimo būdai

Liekamieji suvirinimo įtempiai gali būti ne tik kenksmingi, bet ir naudingi. Jei didžiausių tempimo įtempių nuo išorin÷s apkrovos srityje susidarys gniuždymo liekamieji suvirinimo įtempiai, tai d÷l pastarųjų poveikio suvirintos jungties nuovargio atsparumas gali padid÷ti. Palankius gniuždymo liekamuosius įtempius galima sudaryti vietin÷s plastin÷s deformacijos pagalba. Tam tikslui suvirintų sujungimų paviršiai kartai yra mechaniškai apdirbami: apspaudžiami ritin÷liais arba kas žymiai paprasčiau apipučiama šratais, pakalama pniaumatiniu plaktuku arba apdirbama kitais smūginiais metodais . D÷l to plastiškai deformuojasi viršutinis metalo sluoksnis, jis sukietinamas ir padid÷ja σT, taip pat susidaro liekamieji gniuždymo įtempiai. Kuo suvirintame sujungime didesnis įtempių koncentracijos koeficientas, tuo efektyvesnis siūl÷s paviršiaus apdirbimas.

Taškin÷s suvirintos jungties patvarumas nuovargiui didinamas taškų pakalimu aušimo metu. Pakalimas 1,4…2 kartus padidina atsparumą nuovargiui.

Ilgų siūlių apspaudimas gali būti atliktas susprogdinus užd÷tą ant siūl÷s specialią juostą su sprogstančiu užtaisu. Sujungimo nuovargio atsparumui padidinti taip pat gali būti naudojamas ultragarsinis instrumentas.

Suvirintų jungčių patvarumas gali būti padidintas vienkartiniu tempimo apkrovimu, tuomet metalas įtempių koncentratoriuose deformuojamas plastiškai, nu÷mus apkrovą tose vietose gaunami gniuždymo įtempiai.

4.11. Suvirintųjų jungčių patvarumo ribos skaičiavimas

Apkrautų kintančiomis apkrovomis konstrukcijų leistinieji įtempiai, gali būti nustatomi dviem būdais. Pirmas būdas naudojamas projektuojant ir skaičiuojant statybines suvirintas metalines konstrukcijas.

Kartais jis gali būti naudojamas projektuojant kitus objektus, pavyzdžiui k÷limo kranus ir pan. Pagal šį metodą visos suvirintos jungtys skirstomos į 8 grupes, priklausomai nuo efektyvaus įtempių

koncentracijos koeficiento (4.5 lentel÷je pirma Ke reikšm÷ priskiriama mažai legiruotam plienui, antra – mažaangliams plienams).

4.5 lentel÷. Jungčių su įvairiais įtempių koncentracijos koeficientais tipai

E.Nr. Konstrukcijos elemento schema Konstrukcijos elemento charakteristika Elemento grup÷

Ke

1. Metalin÷ juosta. Juostos briaunos: kaip po valcavimo arba po

mechaninio pjovimo; Tas pats, po mašininio dujinio pjovimo

1 2

1,0/1,0

2.

Sandūrin÷ jungtis, virinta ant pad÷klinio lakšto, j÷ga statmena siūlei.

1

1,0

3.

Neapdirbta sandūrin÷ siūl÷; j÷ga statmenai siūlei; sujungiami vienodo pločio ir storio

elementai 2 –

4.

Per÷jimas iš pagrindinio metalo į siūlę mechaniškai apdirbtas:

– sujungiant vienodo storio ir pločio elementus;

– tas pats , skirtingo storio ir pločio elementus

2

3

–

5.

Sandūrin÷ neapdirbta siūl÷; jungiamieji elementai skirtingo pločio ir storio

4 2,5/2,0

64

6

Per÷jimas iš pagrindinio metalo į galinę siūlę: – be apdirbimo; – apdirbtas.

6 4

3,2/2,5

7.

Plokštel÷s privirintos prie sijos sienelių ir juostų sandūra arba t÷jiniu būdu, taip pat prie

santvaros elementų. Plokštelių šoninių briaunų posvyrio kampas 45°.

4 1,4/1,2

8

Pagrindinis metalas jungtyse su šonin÷mis siūl÷mis:

– dviem šonin÷m siūl÷m; – šonin÷mis ir galin÷mis siūl÷mis

– perduodant j÷gą per pagrindinį metalą

8 7 7

4,0/3,2

2,0/1,6

9.

Tempiamas vamzdinio spyrio pagrindinis metalas privirintas prie vamzdin÷s juostos, kurios sienel÷s storio ir išorinio skersmens

santykis: – tm/dm ≥ 1/14

– 1/20 ≤ tm/dm < 1/14

7 8

10

Valcuotų profilių sandūrin÷ jungtis 4

11

Suvirinti išilgin÷mis ištisin÷mis siūl÷mis dvit÷jo, t÷jinio ir kitokio skerspjūvio sijos,

apkrautos ašin÷mis apkrovomis 2 1,2/1,2

12

Tempiamų sijos juostų ir santvaros elementų pagrindinis metalas netoli privirintų

kampin÷mis siūl÷mis diafragmų ir briaunų 5 1,6/1,2

13

Tempiamas elementas, prie kurio privirinta plokštel÷, jei plokštel÷s briaunų nusklembimo

kampas: α iki 45° α = 90°

4 7

4.6 lentel÷. Skaičiuojamasis stiprumas R0 priklausomai nuo jungties grup÷s ir nuo medžiagos stiprumo ribos

65

Elementų σB, MPa

grup÷ Iki 420 420…440 440…520 520…580 580…675

1 120 128 132 136 145

2 100 106 108 110 116

3 90 90 90 90 90

4 75 75 75 75 75

5 60 60 60 60 60

6 45 45 45 45 45

7 36 36 36 36 36

8 27 27 27 27 27

Pagrindinis d÷mesys skiriamas pagrindinio metalo suvirinimo siūl÷s zonoje patvarumo skaičiavimui.

Nustatomi didžiausi leistinieji įtempiai jungtyje:

σmaks = αR0γ, (4.3)

čia R0 – skaičiuojamasis stiprumas pagal takumo ribą, parenkamas pagal 4.6 lentelę priklausomai nuo jungties grup÷s ir plieno skaičiuojamojo atsparumo; α – koeficientas įvertinantis laukimą apkrovų skaičių, 1 ir 2 grup÷ms skaičiuojamas pagal formulę:

α = 0,642

610

n-0,5

610

n+1,75 (4.4)

3…8 grup÷ms:

α = 0,072

610

n– 0,64

610

n+2,2 (4.5)

Koeficientas γ parenkamas pagal 4.7 lentelę, ir priklauso nuo įtempių tipo ir ciklo charakteristikos r.

4.7 lentel÷. Koeficiento γγγγ reikšm÷ priklausomai nuo r

Apkrovos tipas Koeficientas Skaičiavimo formul÷

Tempimas -1 < r < 0 0 < r < 0,8 0,8 < r < 1

γ = 2,5/(1,5 – r) γ = 2,0/(1,2 – r) γ = 1,0/(1 – r)

Gniuždymas -1 < r < 1 γ = 2,0/(1 – r)

Jei σmin ir σmaks. yra skirtingų ženklų, tai koeficientas r bus neigiamas dydis. Bet kokiu atveju σmaks. neturi

viršyti σT/1,3. Siūlių atsparumo nuovargiui skaičiuoti iš viso nereikia, jei siūl÷ms virinti buvo naudojamos aukštos

kokyb÷s suvirinimo medžiagos, jei sandūrin÷s siūl÷s buvo visiškai įvirintos ir jei siūlių kokyb÷ buvo tikrinama fizikiniais kontrol÷s metodais.

Skaičiuojant atsparumą nuovargiui šiuo metodu priimama, kad leistinieji įtempiai 3…8 grup÷s jungtims išlieka pastovūs nepriklausomai nuo plieno stiprumo ir takumo ribų. Taip yra d÷l didel÷s įtempių koncentracijos įtakos, kuri did÷ja did÷jant σB ir σT.

66

Įtempių koncentracija nustatoma pagal sujungimo geometriją ir technologinius defektus, kurie labai veikia nuovargio atsparumą. Jų įtaka tokia didel÷, kad jungties nuovargio atsparumas skaičiuojamas pagal priesiūl÷s atsparumą, žinoma, įvertinant jungties grupę.

Antras būdas naudojamas tais atvejais, kai siūl÷s yra kruopščiai apdirbamos pašalinant smulkius defektus. Šis būdas taikomas skaičiuojant geležinkelio tiltų suvirintas konstrukcijas, mašinų detales. Leistinųjų įtempių skaičiavimas atliekamas pagal leistinuosius statinių apkrovų įtempius [σ]to = [σ]tη, čia [σ]t – leistinieji statinių apkrovų įtempiai; η – leistinųjų kintančių apkrovų įtempių sumaž÷jimo lyginant su statin÷mis apkrovomis koeficientas:

η=rKK ee )()(

1

∆−∆± mρρψ, (4.6)

čia ψ priklauso nuo influent÷s ilgio. Kai ji ilgesn÷ už 24 m, ψ = 1; ρ ≈ 0,6; ∆ ≈ 0,2. 4.6 formul÷je viršutiniai ženklai naudojami tuomet, kai didžiausi yra tempimo įtempiai, apatiniai – kai gniuždymo. Tilto jungtims ir kitiems specialios paskirties objektams Ke parenkamas pagal lentelę.

Mašinų gamyboje n÷ra vieningų leistinų kintančių apkrovų įtempių, skaičiavimo metodikų. Tai paaiškinama didele konstrukcijų įvairove ir darbo sąlygomis.

Koeficientas γ nustatomas santykiu tarp leistinųjų įtempių kintančioms apkrovoms ir leistinųjų įtempių statin÷ms apkrovoms. Skaičiavimas atliekamas vertinant šiuos veiksnius:

– metalo patvarumo ribą esant simetriniam ciklui; r= – 1, kai apkrovų skaičius N = 106…107; – įtempių ciklo amplitud÷ σa; – ciklin÷s apkrovos vidutinius įtempius σm; – Įtempius σr, kurie parenkami pagal Smito diagramą (4.4 pav.), priklausomai nuo medžiagos ir ciklo

charakteristikos r. Tokiu atveju leistinieji įtempimai parenkami pagal formulę:

[σ]t=e

T

nK

][σ, (4.7)

čia n – atsargos koeficientas, parenkamas 1,4…1,6 ribose; Ke – efektyvus įtempių koncentracijos koeficientas nagrin÷jamo tipo jungčiai.

Pagal pateiktą formulę yra skaičiuojami leistini tempimo (lenkimo) įtempiai.

Skaičiavimo pavyzdžiai

1 pavyzdys. Nustatyti prie lakšto privirintos lentyn÷l÷s laikančiąją galią, kurios plotis 200 mm, storis 10 mm. Privirinta galine siūle, kurios ilgis l1=20 cm ir šonin÷mis siūl÷mis l2 = 15 cm; r = 0,2 (tempimas), medžiaga – plienas BCт3сп5 – 2. ribos Skaičiuojamasis atsparumas pagal stiprumo ribą Rn = 370 MPa, skaičiuojamasis atsparumas pagal takumo ribą RT= 270 MPa, darbo sąlygų koeficientas m = 0,8, patikimumo koeficientas k = 1,1, apkrovų skaičius N = 106.

Leistinieji įtempimai esant statin÷ms apkrovoms metalo juostai:

[σ]t = RTk

m = 270

1,1

8,0 = 196 MPa;

kampin÷ms siūl÷ms:

[τ’] = 0,55Rnk

m= 0,55⋅370

1.1

8,0 = 148 MPa.

Maksimalūs (leistini) įtempimai metalo juostoje esant kintančioms apkrovoms:

σmaks = αR0γ0,

čia α nustatoma pagal apkrovų skaičių. Jungtis priklauso 8 grupei, tod÷l:

α = 0,072

6

6

10

10

– 0,64

6

6

10

10+2,2 = 1,63;

Ro – skaičiuojamasis atsparumas (4.6 lentel÷). 8 grupei parenkame Ro=27,0 MPa.

67

Kai r = 0,2; γ0 = r−2,10,2

= 2,02,1

0,2

− = 2,0.

Tokiu atveju normaliniai leistinieji kintančių apkrovų įtempiai (maksimalūs ciklo įtempiai) metalo juostoje:

[σ]t = αR0γ0 = 1,63⋅27⋅2,0 = 88,02 MPa. Leistina juostos apkrova: P1 = [σ]tAjuost = 88,02⋅0,2⋅0,01 = 0,176 MN. Kampinių siūlių leistinieji įtempiai: [τ’] = 0,65[σ]t = 0,65⋅ 88,02 = 57,2 MPa Kampinių siūlių skaičiavimas esant kintančioms apkrovoms atliekamas tom pačiom formul÷m, kaip ir

esant statin÷ms. Tuomet laikančioji siūlių, virintų rankiniu būdu (β=0,7), galia: P2=(0,2 + 2⋅0,15)⋅0,01⋅0,7⋅57,2 = 0,20 MN. Iš to seka, kad kampinių siūlių stiprumas yra pakankamas (P2 > P1). 2 pavyzdys. Nustatyti juostos (žr. 1 pavyzdį) laikančiąją galią pagal efektyvų įtempimų koncentracijos

koeficientą; σT = 315 MPa. Plienin÷s juostos, privirintos galine ir šonin÷mis siūl÷mis, Ke =3,2; stiprumo atsargos koeficientas k = 1,2.

Pagal Smito diagramą σr = σT, tod÷l:

[σ]t=e

T

kK

σ =

2,320,1

315

⋅ = 82,0 MPa.

Leistina juostos apkrova: P1 = [σ]tempA=82,0⋅0,2⋅0,01=0,164 MN. Leistinos apkrovos reikšm÷ skaičiuojant pagal efektyvų įtempimų koncentracijos koeficientą gavosi

mažesn÷, nei pagal 1 pavyzdį. 5. Suvirinimo įtempiai, deformacijos ir poslinkiai 5.1. Suvirinimo įtempių ir deformacijų susidarymas ir nustatymas

Bendros žinios. Suvirinimo įtempių ir deformacijų teorijoje naudojamas 5.1 pav. pateiktas koordinačių ašių išd÷stymas. Ox ašis nukreipta išilgai suvirinimo siūlei; Oy – statmenai siūlei plokštel÷s plokštumoje; Oz – statmenai siūlei plokštel÷s storio kryptimi. Įtempimai ir deformacijos žymimi pagal koordinatinių ašių kryptis: σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx; deformacijos εx, εy, εz, γxy, γyz, γzx ir poslinkių taškai Ox ašimi – u, Oy – v, Oz – w.

5.1 pav. Koordinatinių ašių išd÷stymas jungtyje

Suvirinamo metalo pl÷timasis ir susitraukimas d÷l kaitimo arba aušimo, taip pat d÷l struktūrinių virsmų sudaro savąsias arba vidines deformacijas ir įtempius. Skirtingai nei d÷l apkrovų atsiradusios deformacijos ir įtempiai, savieji įtempiai ir deformacijos egzistuoja medžiagoje ir kai n÷ra jokių apkrovų.

Savieji įtempimai – tai tokie įtempimai, kurie egzistuoja medžiagoje kai prie jos n÷ra prid÷ta j÷ga. Deformacijos gali būti: 1. Temperatūrin÷ deformacija εα:

εα = αT, (5.1)

čia α - linijinio pl÷timosi koeficientas, kuris keičiasi temperatūros intervale nuo 0 iki T. Jis apima ir struktūrinių virsmų įtaką; T – temperatūros pasikeitimas bet kokiame medžiagos taške.

2. Stebimos deformacijos εs ir γs charakterizuoja kūno matmenų pasikeitimą – linijinių ir kampinių, kurie registruojami matavimo priemon÷mis.

3. Savosios (vidin÷s) deformacijos susideda iš tampriųjų εtamp, γtamp ir plastinių εplast, γplast. Išvardinti deformacijų tipai tarpusavyje susiję šiomis lygyb÷mis:

68

εs = εtamp + εplast + εα; (5.2)

γs = γtamp + γplast. (5.3)

Jei prieš kaitinimą arba aušinimą metalas buvo plastiškai deformuotas, tai formul÷s (5.2) ir (5.3) papildomos pradin÷mis deformacijomis ε0 plast ir γ0 plast:

εs = εtamp + ∆εplast + εα + ε0 plast; (5.4)

γs = γtamp + ∆γplast + γ0 plast, (5.5)

čia ∆εplast ir ∆γplast – plastinių deformacijų prieaugis nagrin÷jamo proceso metu. Savieji įtempimai klasifikuojami pagal įvairius požymius. Pagal atsiradimo priežastį įtempiai skirstomi į

atsiradusius: d÷l tampriojo arba plastinio deformacijos mechanizmo surenkant, montuojant, remontuojant; d÷l tampriųjų arba plastinių deformacijų netolygaus detalių įkaitimo metu; d÷l netolygaus kūno tūrio pasikeitimo fazinių virsmų metu. Pagal egzistavimo trukmę jie gali būti laikini, egzistuojantys tik technologin÷s operacijos ar proceso metu, ir liekamieji, kurie išlieka ilgą laiko tarpą. Savieji įtempimai būna vienaašiai (linijiniai), dviašiai (plokštuminiai) ir triašiai (erdviniai). Priklausomai nuo tūrio, kuriame jie veikia, dydžio, įtempimai gali būti pirmos rūšies (makrotūrio), antros rūšies (apimantys grūdą) ir trečios rūšies (kristalin÷s gardel÷s dydžio).

Pirmos rūšies savieji įtempimai gali būti išreikšti per tampriąsias deformacijas:

σx=2G

−+ 021

3ε

µµ

εxtamp

; σy=2G

−+ 021

3ε

µµ

ε ytamp ; σz=2G

−+ 021

3ε

µµ

ε ztamp ;

τxy= Gγxy tamp; τyz= Gγyz tamp; τzx= Gγzx tamp; (6.6)

čia G =)1(2 µ+

E; ε0 =

3ztampytampxtamp εεε ++

.

Metalo savyb÷s esant aukštai temperatūrai. Skaičiuojant savuosius įtempimus dažnai tenka naudotis metalo, esančio aukštoje temperatūroje, savybių charakteristikomis.

5.1 lentel÷. Šilumos fizikin÷s kai kurių metalų savyb÷s

Medžiaga α⋅10-6, K-1

Tvid, °C (λ, cλ)

λ, W/(mK) cγ, MJ/m3K

Mažaanglis ir mažai legiruotas plienas Austenitiniai chromnikeliniai plienai Aliuminis Techninis titanas

12…16 16…20 23…27 8,5

500…600 600 300 700

38…42 25…33 270 17

4,9…5,2 4,4…4,8 2,7 2,8

α – linijinis pl÷timosi koeficientas; λ – šiluminis laidumas; cλ – tūrinis šilumos imlumas.

69

5.2 pav. Metalo be struktūrinių virsmų (a) ir su struktūriniais virsmais (b) dilatogramos

Metalo, kuriame nevyksta struktūriniai virsmai, bandinio ilgis keičiasi monotoniškai, tod÷l nebūtina naudoti momentin÷s reikšm÷s α = dε/dT, o imama α = ε/T = tg(Θ) (5.2, a pav.). Angliniame ir legiruotame pliene vyksta struktūriniai virsmai, ir jų grafikas turi sud÷tingą charakterį (5.2, b pav.). Aušinant metalą nuo aukščiausios temperatūros iki taško N – struktūrinių virsmų pradžios – vyksta monotoniškas bandinio susitraukimas, o v÷liau, nežiūrint, kad metalas toliau aušinamas, gaunamas bandinio pailg÷jimas. Pasibaigus struktūriniams virsmams (taškas K), bandinys toliau traukiasi. Struktūrinių virsmų pradžios ir pabaigos temperatūrų pad÷tis dilatogramoje priklauso nuo metalo chemin÷s sud÷ties ir aušimo greičio. Kuo didesnis aušimo greitis, tuo struktūriniai virsmai vyksta žemesn÷se temperatūrose. Nuo metalo sud÷ties ir aušimo greičio taip pat ir priklauso struktūrinio virsmo deformacija εc (5.2, b pav.).

Mechanin÷s metalo savyb÷s taip pat priklauso nuo temperatūros. Tamprumo E ir šlyties G modulių reikšm÷s maž÷ja did÷jant temperatūrai, kai tuo metu Puasono koeficientas µ did÷ja (5.3 pav.).

5.3 pav. Plieno 25 tamprumo modulių E, G ir Puasono koeficiento µµµµ priklausomyb÷ nuo temperatūros

5.4 pav. Įtempimų priklausomyb÷s nuo deformacijos diagrama tampriai plastiškam metalui

Tempimo įtempimų priklausomyb÷ nuo deformacijos kylant temperatūrai sud÷tinga. Jei priimama, kad

medžiaga yra idealiai tampriai plastiška (6.4 pav.), tuomet diagrama gali būti aprašyta tik dviem charakteristikomis – tamprumo moduliu E ir takumo riba σT: εT = σT/E.

5.5 pav. pavaizduoti kai kurių metalų σT priklausomyb÷s nuo temperatūros grafikai (ištisin÷ linija). Kartais šias sud÷tingos kreiv÷s tikslinga supaprastinti (punktyrin÷s linijos). Mažaanglio plieno takumo riba keičiantis temperatūrai nuo 0 iki 500°C išlieka pastovi, o toliau nukrenta iki 0, kai T = 600°C. Tačiau realiai net temperatūrose T > 600°C, takumo riba n÷ra lygi nuliui.

70

5.5 pav. Metalo takumo ribos priklausomyb÷ nuo temperatūros: 1-mažaanglis plienas, 2-titano lydinys

Įtempių ir deformacijų susidarymas kaistant ir auštant. Išnagrin÷sime galuose įtvirtinto strypo (5.6, a pav.) įtempimų pasikeitimus jį įkaitinant iki 500°C ir po to ataušinant. Priimame, kad mažaanglio plieno tamprumo modulis E ir takumo riba σT kinta keičiantis temperatūrai. Deformacijų dydžiui nustatyti naudosime 6.2 formulę, o įtempimams:

σ = Eεtamp, (5.7)

Galuose įtvirtinto strypo deformacija εs lygi nuliui. Tuomet visa savoji deformacija:

ε = εtamp + εplast = – εα, (5.8)

5.6 pav. Įtempių susidarymas standžiai galuose įtaisytame strype: a – bandymo schema, b – įtempiai ir deformacijos strype iš mažaanglio plieno

Kaitinant εα > 0, tai pagal (5.8) ε = εtamp + εplast < 0. Tod÷l kreiv÷ iš taško 0 eina į kairę ir žemyn. Skaičiavimuose naudojama reali σT priklausomyb÷ nuo temperatūros, o tamprumo modulis keičiasi kai pavaizduota 5.3 pav., linijinio keitimosi koeficientas priklauso nuo temperatūros diapazone nuo 0…600°C ir lygus 12 10-6 °C-1; temperatūra matuojama nuo 0°C. Kol įtempimai σ nepasieks takumo ribos taške A, kuris atitinka maždaug 100°C , plastinių deformacijų nebus. Atkarpa 0A n÷ra tiesi linija tod÷l, kad did÷jant temperatūrai tamprumo modulis E šiek tiek sumaž÷ja ir tarp įtempimų ir εtamp n÷ra tiesin÷s priklausomyb÷s. Taške A įtempimai pasiekia takumo ribą. Toliau did÷jant temperatūrai, įtempimai σT, nors ir visa deformacija ε = – εα, did÷ja. Intervale AB maž÷jant σT, įtempimai sumaž÷ja. Taške B strypo kaitinimas sustabdoma ir strypo plastin÷ deformacija εplast bus:

εplast B = – εα B – εtamp B, (5.9)

čia εplast B = – σT B/EB; σT B ir EB – metalo takumo riba ir tamprumo modulis temperatūroje TB. Prad÷jus aušinti, plastinių deformacijų atskaitą strype reikia prad÷ti iš naujo. Plastin÷ deformacija εplast. B

5.4 formul÷je taps pradine deformacija ε0 plast. Stebima deformacija lygi nuliui, tod÷l:

71

εtamp + ∆εplast = – εα – ε0 plast = ε. (5.10)

Atkarpoje BC įtempiai keičia ženklą ir, kol visa deformacija ε < σT/E, plastinių deformacijų nebus, t.y. ∆εplast = 0. Taške C pradeda atsirasti plastin÷s deformacijos ir, iki visiško ataušimo (taškas D), įtempimai lieka lygūs metalo takumo ribai, kurios dydis kinta priklausomai nuo temperatūros (žr. 5.5 pav.). Visiškai ataušus εα = 0. Liekamoji plastin÷ deformacija bus lygi kaitinimo metu gautos plastin÷s deformacijos ir aušimo metu gauto plastin÷s deformacijos prieaugio algebrinei sumai.

ε0 plast + ∆εplast D = – εplast D = – σT D/ED. (5.11)

Liekamoji plastin÷ deformacija neigiama (sutrump÷jimo deformacija). Jei ištempto strypo galą atlaisvinti nuo įtvirtinimo, tai strypo ilgis sutrump÷s dydžiu σT D/ED.

5.6, b paveiksle horizontalioje ašyje yra atid÷ta temperatūrin÷ deformacija εα = αT. Jei α reikšmę, kuriame nors temperatūros intervale, priimti pastovia, tuomet ant horizontalios ašies galima atid÷ti ir temperatūras.

Suvirintų plokštelių metalo sluoksniai n÷ra standžiai įtvirtinti, nes jungties gretimi metalo sluoksniai gali deformuotis. Realiausiai tai atitinka strypo, kurio vienas galas pritvirtintas prie spyruokl÷s ir kuri remiasi į standžią sienelę, modelis. 5.7, a pav. spyruokl÷ neįtempta. Strypą pakaitinus (5.7, b pav.), jis pailg÷s, bet stebimoji deformacija εs bus mažesn÷ už temperatūrinę deformaciją εα, nes spyruokl÷ priešinasi strypo pailg÷jimui. Savoji deformacija (εs – εα) bus neigiama, ir tod÷l strype bus gniuždymo įtempimai. Jei šie įtempimai pasieks takumo ribą, tai strypas bus susodinamas. Visiškai ataušus strypas bus trumpesnis nei buvo iš pradžių (5.7, c pav.). Tačiau spyruokl÷ neleis sutrump÷ti strypui iki taško A. Lyginant su pradiniu strypo ilgiu, dabar bus: plastin÷ sutrump÷jimo deformacija εplast. o, atsiradusi kaitinant su neigiamu ženklu; neigiama stebimoji deformacija εs; teigiama tamprioji deformacija εtamp, kuri strype sudarys liekamuosius tempimo įtempimus σ = Eεtamp.

5.7 pav. Su spyruokle įtvirtinto strypo deformacija

Naudojanti plokščių pjūvių hipoteze galima nustatyti įtempimus labai plačioje plokštel÷je, kurios briauna juda šilumos šaltinis (5.8, a pav.). Susitarta, kad pjūviai I, II, III nesikraipo ir nejuda vienas kito atžvilgiu. Tiriame tik σx įtempimus. Išilginiuose pjūviuose 1, 2 ir 3 bus skirtingi šiluminiai ciklai (5.8, b,c pav.). Laikinieji įtempimai σx priklausys nuo temperatūros ir jos keitimosi pobūdžio. 6.9, b paveiksle aukštų temperatūrų srityje, kuomet takumo riba artima nuliui, atkarpoje AB įtempimų n÷ra, o toliau atsiranda įtempimai artimi takumo ribai. 6.9, c pav. 2 pjūvyje CD atkarpoje gniuždymo įtempimai lygūs takumo ribai, kurie v÷liau keičia savo ženklą, bet aušimo metu takumo ribos jie nebepasiekia. 3 pjūvyje temperatūra n÷ra aukšta ir įtempimai nepasiekia plastinių deformacijų (5.8, d pav.), ir visiškai ataušus įtempimų šiame taške n÷ra. Liekamųjų įtempimų skerspjūvyje epiūra pavaizduota 5.8, e pav.

72

5.8 pav. Laikinųjų ir liekamųjų įtempių susidarymas judant šilumos šaltiniui plačios juostos briauna

Savųjų įtempių nustatymas. Nustatant suvirintų jungčių įtempius, priimama visa eil÷ prielaidų. 1. Skaičiuojami tik išilginiai įtempimai σx. Skersiniai σy ir tangentiniai τxy laikomi lygiais nuliui. 2. Skerspjūviai plokšti, bet gali vienas kito atžvilgiu persislinkti. 3. Mažaanglio plieno takumo ribos priklausomyb÷ nuo temperatūros idealizuota kaip 1 punktyrinę liniją 5.5 pav. 4. Medžiaga yra idealiai tampriai plastiška (žr. 5.4 pav.). 5. Tamprumo modulis E išlieka pastovus visame temperatūros diapazone. 6. Suvirinamos plokšt÷s, kurių kiekvienos plotis B, yra labai ilgos. plokšt÷s storyje temperatūra pasiskirsto tolygiai. 5.9, b pav. pavaizduotas kvazistacionarus temperatūrų pasiskirstymas virinant ilgą plokštę x-x kryptimi.

Deformacijos ir įtempimai tiriami tik dviejuose pjūviuose: didžiausiame 600°C izotermos plotyje 1 – 1 pjūvyje ir 2 – 2 pjūvyje, kuriame metalas visiškai ataušęs (pjūvis 2-2 paveiksl÷lyje neparodytas). Prieš suvirinimą plokšt÷s sukabinamos tod÷l negali pasisukti viena kitos atžvilgiu.

Savųjų įtempimų ir deformacijų pasiskirstymui 1-1 pjūvyje nagrin÷ti naudojama 5.4 formul÷. Pradin÷ deformacija ε0 plast. prieš suvirinimą buvo lygi nuliui, o temperatūrin÷ deformacija nagrin÷jamame pjūvyje εα

= αT. Tuomet pertvarkius (5.4) formulę, gausime:

εtamp1 + ∆εplast1 = εS1 – εα1 = εS1 – αT, (5.12)

Grafiškai sprendžiame lygybę 5.12. Šalia 1 – 1 pjūvio paimkime kitą pjūvį 1’-1’, kuris vienetiniu atstumu būtų nutolęs nuo pirmojo. Išskirtos juostel÷s temperatūrin÷ deformacija Ox ašies kryptimi yra αT. Lygyb÷s 5.12 kair÷je pus÷je esančias – αT reikšmes (neigiamos) atidedame žemyn ir nubr÷žiame storą kreivę (5.9, a pav.). Dabar būtina nustatyti εS1. Pagal 2 sąlygą skerspjūviai neišsikraipo, tod÷l juostel÷s tarp 1-1 ir 1’-1’ stebimoji deformacija bus ta pati visame plokšt÷s 2B plotyje. Linijos m – m’, nustatančios εs1 reikšmę, pad÷tis gali būti nustatyta nuoseklaus art÷jimo būdu, laikantis sąlygos, kad savieji įtempiai turi būti pusiausvyroje. Žinoma, kad esant vienaašiam įtemptam būviui, savieji įtempimai yra proporcingi tampriai deformacijai σ = εtampE. Tod÷l pakanka gauti subalansuotą tampriųjų deformacijų epiūrą, kad tur÷tume subalansuotus savuosius įtempimus. Po to, kai jau turime m – m’ liniją, rodančią sp÷jamą εs1 reikšm÷, žemiau atidedame tampriąsias deformacijas εtamp = εT = σT/E ir nubr÷žiame horizontalią liniją ac (εT = const.) iki T=500°C (5.5 pav.). Diapazone 500…600°C takumo riba kinta pagal linijinę priklausomybę, tod÷l atkarpoje ce tamprioji deformacija sumaž÷ja iki nulio ir esant T ≥ 600°C lieka lygi nuliui.

73

5.9 pav. Vienaašių suvirinimo įtempių nustatymas: a-išilginių deformacijų pjūvyje I-I epiūra, b-temperatūrų pasiskirstymas suvirinimo metu, c-išilginių deformacijų, atsiradusių aušimo metu, epiūra

5.9, a pav. tampriųjų deformacijų epiūra užštrichuota vertikaliai, plastinių deformacijų – įstrižai. Jei

tampriųjų deformacijų epiūra subalansuota, t.y. ∫−

B

B

tampdyε =0, tai εs1 parinkta s÷kmingai. Jei ne, tai reikia

parinkti naują m – m’ pad÷tį ir iš naujo sudaryti epiūrą. Stebimoji deformacija εs1 5.9, a pav. yra teigiama, ir tai reiškia, kad suvirinimo metu metalui kaistant

plokšt÷ pailg÷jo. Tampriosios pailg÷jimo deformacijos pateiktos su teigiamu ženklu, o sutrump÷jimo deformacijos – su neigiamu. b1 pločio zonose yra tik tampriosios deformacijos, b2 ir b3 – tampriosios ir plastin÷s, b4 – tik plastin÷s deformacijos. b2, b3 ir b4 zonos sudaro taip vadinamą plastin÷s deformacijos zoną 2bn.

Tam, kad nustatyti liekamąsias deformacijas ir įtempimus, reikia panagrin÷ti ataušusią iki 0 °C plokštę, t.y. išsiaiškinti deformacijų pasiskirstymą pjūvyje 2-2. Tam reikia panaudoti 5.4 lygybę.

Į 5.4 lygybę įstačius nagrin÷jamo būvio indeksus, gausime:

εtamp2 + ∆εplast2 = εS2 – εα2 – ε0plast2, (5.13)

Visiškai ataušus plokštei iki T = 0°C, tuomet εα2 = 0. Kad nustatyti tamprias ir plastines deformacijas ∆εplast2, naudosime grafinį metodą. 5.9, c paveiksle stora

linija atid÷sime – ε0plast2 epiūrą. Pradin÷s deformacijos ε0plast2 = ∆εplast11-1 pjūvyje. Kadangi plastin÷ deformacija ∆εplast1 buvo kaitinamo metalo sluoksnių sutrump÷jimo deformacija ir tur÷jo neigiamą ženklą, tai – ε0plast2 = – ∆εplast1 bus teigiama ir atid÷ta į viršų. Ieškoma deformacija εs2 bus vienoda visame plokšt÷s plotyje, kadangi remiam÷s plokščių skerspjūvių hipoteze. Toliau, nuk÷lus koordinačių pradžią ant linijos n-n’, būtina užsiduoti kokį nors neigiamą dydį εs2. Kreiv÷s kfpf’k’ ordinat÷s išreiškia 5.13 lygyb÷s kairiąją pusę, t.y tampriųjų ir priaugusių plastinių deformacijų sumą aušimo metu. Tampriosioms ir plastiniems deformacijoms atskirti atid÷kime εT = σT/E. Tuomet įstrižai užštrichuota fpf’ dalis reikš pailg÷jimo plastinių deformacijų padid÷jimą ∆εplast2 aušimo metu, o vertikaliai užštrichuota epiūros dalis – tampriąsias

74

deformacijas. Jei paaišk÷s, kad ∫−

B

B

tamp dy2ε = 0, tai linijos n-n’ pad÷tis parinkta gerai. Jei liekamiesiems

įtempius proporcinga tampriųjų deformacijų epiūra n÷ra subalansuota, tai reikia užsiduoti naują linijos n-n’ pad÷tį t.y naują εs2. Liekamosios plastin÷s deformacijos lygios plastinių deformacijų įkaitinimo metu εplast liek ir plastinių deformacijų prieaugio aušimo metu ∆εplast1 algebrinei sumai (aff’a’) epiūra):

εplast liek = ∆εplast1 + ∆εplast2, (5.14)

Kadangi nagrin÷jamame atvejyje ∆εplast1 modulio reikšm÷ didesn÷ nei ∆εplast2, tai εplast liek. ženklas sutaps su ∆εtamp1 ženklu. Tai reškia, kad plastin÷ liekamoji deformacija yra sutrump÷jimo deformacija.

Naudojantis šiuo metodu, galima nustatyti liekamųjų įtempimų pasiskirstymą σliek = εtamp2E ir virinamos plokšt÷s santykinį sutrump÷jimą εs2. Kaip rodo skaičiavimai, mažaangliame pliene liekamieji įtempimai yra tempimo įtempimai ir lygūs takumo ribai. Jie esti siūl÷s ir terminio poveikio zonose, kurios įkaista iki, palyginti, aukštų temperatūrų. Pagrindiniame metale, kur temperatūra buvo mažesn÷ (200…300°C), liekamieji įtempimai – gniuždymo.

Naudojantis kitais įtempimų ir deformacijų nustatymo būdais tiriami keli šalia esantys pjūviai. Tai leidžia sekti tamprių ir plastinių deformacijų keitimąsi suvirinimo proceso metu. Pirmame pjūvyje pradin÷s deformacijos prilyginamos nuliui. Sekančiuose pjūviuose pradin÷mis deformacijomis tampa prieš tai buvusiame pjūvyje gautos deformacijos. 5.12 lygyb÷ n-tajam pjūviui atrodys taip:

εtampn+∆εplastn=εsn - εαn - ε0plastn, (5.15)

čia pradin÷ deformacija gali būti pateikta kaip plastin÷ deformacija, atsiradusi praeitame etape:

ε0plastn=εplast(n-1)=∑−

∆1

.

n

niplastε , (5.16)

Einant nuo pjūvio prie pjūvio, kiekviename galima gauti tampriųjų deformacijų ir įtempimų pasiskirstymą, taip pat regimąsias deformacijas.

5.2. Liekamųjų įtempių pasiskirstymas suvirintuose jungtyse

Liekamųjų įtempių pasiskirstymas suvirintuose jungtyse yra labai netolygus. Stabiliausias įtempių pasiskirstymas yra siūl÷s ašies kryptimi σx. Gaminių, virintų 1…3 ÷jimais, kurių storis 15…20 mm ir kurių struktūriniai virsmai baigiasi aukštoje temperatūroje, įtempių pasiskirstymas pateiktas 5.10 pav. Mažaanglių ir austenitinių plienų didžiausi įtempiai yra siūl÷je ir priesiūl÷s srityje. Jie apytiksliai yra lygūs takumo ribai. Titano ir aliuminio lydinių maksimalūs įtempiai gali siekti (0,5…0,8)σT. Didesni įtempiai atsiranda virinant galingais šaltiniais ir dideliais greičiais. Plastin÷s deformacijos zonoje veikia tempimo įtempimai. Už šios zonos ribų veikia gniuždymo įtempiai, kurie mažai keičiasi plokšt÷s plotyje. D÷l plokšt÷s išsikraipymo suvirinimo metu arba d÷l įlinkio, toliau nuo siūl÷s ašies esantys įtempiai σx gali būti lygūs nuliui, ar net pereiti į tempimo įtempius.

5.10 pav. Liekamųjų įtempių pasiskirstymas suvirintos siūl÷s zonoje: a – mažaanglis plienas Cт3 (s = 8 mm); b – austenitinis plienas 12X18H9T (s = 2 mm); c-titano lydinys OT4 (s = 1,5 mm); d – aliuminio lydinys Amг (s = 10 mm)

300…400°C temperatūroje vykstantys struktūriniai virsmai iš esm÷s keičia įtempimų charakterį plastin÷s deformacijos srityje. Centrin÷je jungties dalyje, t. y. – siūl÷je ir terminio poveikio srityje kaitimo ir

75

aušimo metu vyko struktūriniai virsmai, d÷l kurių, visiškai ataušus jungčiai, tur÷jo būti gautas tos srities pailg÷jimas. D÷l šios priežasties susidar÷ gniuždymo įtempiai (5.11, a pav.).Tokį plieną virinant austenitiniu elektrodu, siūl÷je susidaro tempimo įtempimai (5.11, b pav.); terminio poveikio srityje, kurioje įvyko struktūriniai virsmai, susidaro gniuždymo įtempiai. Plastin÷s deformacijos srityje, kur struktūriniai virsmai nevyko, veikia tik tempimo įtempimai. Už plastin÷s deformacijos srities pagrindiniame tokio plieno metale išilginiai įtempiai σx yra gniuždymo, bet gali būti ir tempimo (5.11, a pav. pavaizduota punktyrine linija), jei gniuždymo zonos įnašas į centrinę yra žymus.

5.11 pav. Liekamųjų įtempių pasiskirstymo charakteris vidutiniškai legiruotų plienų jungtyse, kuriuose vyksta struktūriniai virsmai: a – prid÷tinis metalas toks pat kaip ir pagrindinis; b – prid÷tinis

metalas - austenitinis plienas

Vienu ÷jimu suvirintoje jungtyje be išilginių σx susidaro ir skersiniai σy bei tangentiniai τxy įtempiai. Dideli tangentiniai įtempiai susidaro didelių σx ir σy įtempių gradientų vietose, t.y. siūlių galuose.

Storose siūl÷se liekamieji įtempiai priklauso nuo suvirinimo būdo ir sluoksnių eiliškumo. Mažaanglio plieno daugiasluoksn÷se siūl÷se įtempiai artimi σT. V sandūrin÷je siūl÷je, virintoje kai elementai nebuvo įtvirtinti, įtempių σy pasiskirstymas pateiktas 5.12, a pav., 1 kreiv÷. 40…60 mm storio siūl÷s šaknyje įtempiai σy yra dideli d÷l didel÷s plastin÷s deformacijos. D÷l kiekvieno sluoksnio did÷ja užvirintos dalies skersinis sus÷dimas ir išlinkimas, siūl÷s šaknyje sudarydamas tempimo įtempius. Jei siūl÷ padaryta ant plokšt÷s, kuri negali kraipytis, tai d÷l kiekvieno naujo sluoksnio siūl÷s šaknyje did÷s gniuždymo įtempiai. Galų gale siūl÷s šaknyje susidarys gniuždymo įtempiai σy > σT ir paviršiuje tempimo įtempiai σn ≈ 0,5σT (5.12, a pav., 2 kreiv÷).

5.12 pav. Liekamieji įtempiai didelio storio siūl÷je: a – daugiasluoksn÷je siūl÷je; b – elektrošlakinio

suvirinimo siūl÷je

76

Elektrošlakiniu būdu, vienu ÷jimu suvirintuose gaminiuose, storesniuose nei 150…200 mm susidaro tūriniai vidiniai įtempiai (5.12, b pav.) – vidurin÷je dalyje visi trys komponentai yra tempimo įtempiai, o paviršiuje – σx ir σy yra gniuždymo. Toks įtempių susidarymas aiškinamas pagrindinio metalo pasipriešinimu siūl÷s srities metalo tūrio susitraukimui auštant, taip pat netolygiu temperatūros pasiskirstymu siūl÷s srities metale. Auštant centrin÷ dalis labiau susitraukia ir joje susidaro triašiai įtempiai.

Apskritimin÷s siūl÷s (5.13, a pav.), kuriomis įvirinami apskritos formos elementai, pasižymi ašiai simetrišku įtempių pasiskirstymu, išskyrus siūl÷s galo ir pradžios susidūrimo vietas. Tokioje jungtyje išskiriamos tris pagrindines sritys: vidinę 1, vidurinę 2 ir išorinę 3. 2bn pločio 2 sritis, kaip ir tiesių siūlių, yra tempiama, apskritiminių įtempių dydis siekia takumo ribą (5.13, b pav.). Radialiniai įtempiai srityje 2bn nevienodi – σr23 visada bus didesni nei vidinę zona veikiantys įtempiai σ21. Mažaanglio ir austenitinio plieno 2 zona yra plastiškai deformuota ir atitinka plastiškumo sąlygą:

σr22 + σt2

2– σr2σt2 = σT2, (5.17)

5.13 b pav. schematiškai pavaizduota keletas galimų įtempių σr2 ir σt2 pasiskirstymo 2 zonoje epiūrų. σt2 ir σr23 visada yra tempimo įtempiai, o σr21 įtempiai gali būti ir tempimo ir gniuždymo. Kokie bus įtempiai priklausys nuo 2 srities skersinio ir apskritiminio susitraukimo santykio. Skersinis susitraukimas sudarys radialiniu tempimo įtempius 1 ir 3 srityse (5.13, c pav.); apskritiminis susitraukimas sudarys 3 srityje tempimo įtempius σr3 ir 1 srityje – gniuždymo. Kai 1 sritis nedidel÷, skersinio 2 srities susitraukimo įtaka lyginant su apskritiminiu susitraukimu yra svaresn÷, tod÷l gaunami tempimo įtempiai.

5.13 pav. Įtempių pasiskirstymas jungtyse su žiedin÷mis siūl÷mis

Analogiška situacija bus, jei 1 srityje įvirinta standi iki 100…200 mm skersmens detal÷. Gniuždymo

įtempimai σr 1 srityje susidaro, jei 3 srityje privirinamas siauras žiedas. Įtempių pasiskirstymas taškinio suvirinimo taškuose yra simetriškas ašiai (5.14 pav.). Auštant centrinei

taško daliai, joje susidaro tempimo įtempiai su vienodomis komponent÷mis σr = σt = σT. Tam tikru atstumu nuo taško centro apskritiminiai tempimo įtempiai σt pereina į gniuždančius. Radialiniai tempimo įtempiai, tolstant nuo taško centro, maž÷ja pagal 1/r2 d÷snį. Mažaanglio plieno sritis, kuri įkaito iki 150…200 °C, veikia dviašiai įtempiai. Sandūriniu kontaktiniu būdu suvirinto strypo paviršiuje veikia išilginiai gniuždymo įtempiai, o strypo viduryje visomis kryptimis – tempimo įtempiai.

5.14 pav. Liekamieji įtempiai σσσσr ir σσσσt taškin÷je suvirintoje jungtyje.

77

Liekamųjų įtempimų tyrimas rodo, kad didžiausi tempimo įtempiai dažnai yra artimi takumo ribai. Kartais jie net viršija σT (daugiasluoksnių siūlių šaknyje). Kai n÷ra įtempių koncentratoriaus, plastin÷s metalo deformacijos virinant sudaro 1…2 %. Kai yra koncentratoriai – šlako intarpai, neįvirinimas, nesulydimas – plastin÷s deformacijos gali būti labai didel÷s, viršijančios metalo plastiškumą, tod÷l toje vietoje gali atsirasti plyšiai. Sud÷jus liekamąsias ir darbines deformacijas gali atsirasti plastin÷s deformacijos, kurios dažniausiai neturi ženklios įtakos stiprumui.

5.3. Deformacijos ir poslinkiai suvirinamos jungties srityje

D÷l suvirinimo keičiasi suvirinamų konstrukcijos elementų matmenys ir forma: gali išlinkti, sutrump÷ti, prarasti pastovumą, susisukti. Šie iškraipymai pasireiškia poslinkiais, kurie priklauso nuo konstrukcijos formos, siūlių išd÷stymo, metalo storio. Įvairūs suvirintų konstrukcijų poslinkiai atsiranda d÷l palyginti nedidelio suvirinimo deformacijų tipų skaičiaus. Deformacijos ir poslinkiai suvirintos jungties srityje priklauso nuo įvedamosios šilumos, temperatūros pasiskirstymo, suvirinamo metalo savybių.

Suvirinimo deformacijas ir poslinkius siūl÷s srityje galima suskirstyti į penkis tipus. 1. Išilgin÷ liekamoji plastin÷ deformacija εxpl liek, sudarančios taip vadinamą susitraukimo j÷gą Psus.

Nustatant išilginius įtempimus σx, buvo gauta liekamųjų plastinių deformacijų εpl liek epiūra. Tam, kad nustatyti Psus priklausomybę nuo εpl liek, detaliau išnagrin÷sime suvirintos plokšt÷s būseną.

5.15 pav. Liekamosios plastin÷s deformacijos εεεεpl.liek suvirintoje plokšt÷je

Supjaustykime 2B pločio plokštę išilgin÷mis juostel÷mis tam, kad kiekvieną jų išvaduoti nuo esamų įtempimų σx (5.15, a pav.). Juostelių galai išsid÷stys taip, kaip pavaizduota paveiksle. Juostel÷s, esančios už plastinių deformacijų zonos 2bn, tur÷s pradinį ilgį L0. Šios zonos viduje esančios juostel÷s bus trumpesn÷s, nes jose yra liekamoji plastin÷ deformacija εpl liek su minuso ženklu. Sutrump÷jimas ∆L= εpl liekL0. Juostelių galai geometriškai atkartos deformacijų epiūrą (5.15, b pav.). Prid÷kime prie sutrump÷jusių juostelių tempimo j÷gas p, sudarančias jose įtempius taip, kad visos juostos v÷l būtų vienodo ilgio L0 (5.15, c pav.):

p = – εpl liekE, (5.18)

Juosteles “suklijuokime “ tarpusavyje. Tuomet v÷l gausime tokios pačios formos plokštę, kurioje plastin÷s deformacijos srityje veiks įtempiai σx = p. Likusioje pločio dalyje įtempimų nebus. Iš tikro suvirinta plokšt÷ neapkrauta apkrovomis, tačiau suvirintos plokšt÷s ilgis trumpesnis. Tod÷l galime įsivaizduoti, kad veikia fiktyvi j÷ga Psus, duodanti plokšt÷s ilgio sumaž÷jimą (5.15, c pav.). Integruodami j÷gą p plastin÷s deformacijos srities 2bn ribose, gausime fiktyvią susitraukimo j÷gą Psus. Kadangi εpl liek< 0, tai Psus < 0:

Psus= ∫−

n

n

b

b

liekpl .ε Esdy, (5.19)

čia s – plokšt÷s storis. D÷l susitraukimo j÷gos Psus atsiras tolygus gniuždymas visame plokšt÷s plotyje σgn = Psus/(2Bs) ir kartu

su įtempimais σ = p, kurie susidar÷ 2bn ribose, suformuos liekamųjų savųjų įtempimų epiūrą, kurie buvo prieš supjaustant plokštę. Plokšt÷s sutrump÷jimas nuo j÷gos Psus veikimo:

∆išilg = PsusL0/(2BsE), (5.20)

78

Virinant legiruotus plienus, kuriuose vyksta struktūriniai virsmai, plastinių deformacijų srityje gali būti ir pailg÷jimo plastin÷s deformacijos. Kai kurių plienų j÷ga Psus gali būti tempianti, t.y. tuo atveju plokšt÷ po suvirinimo pailg÷ja, o ne patrump÷ja. Tačiau dažniausiai ši j÷ga yra gniuždymo.

Įvairiems plienams ir lydiniams yra nustatytos empirin÷s Psus skaičiavimo formul÷s priklausomai nuo suvirinimo sąlygų. Mažaangliam ir mažai legiruotam plienui, kurio takumo riba σT ≤ 300 MPa, virinant lankiniu suvirinimo būdu sandūrinius, t÷jinius ir užleistinius standžių elementų jungtis vienu pra÷jimu, Psus j÷gos reikšm÷ skaičiuojama pagal formulę:

Psus.gn= – [230000/(q0+12600)+3,58]q/vs, (5.21)

čia q – efektyvioji energija, J/s; vs – suvirinimo greitis, cm/s; q0=q/(vss) – santykin÷ įvedamoji suvirinimo šiluma, J/cm2; s – virinamo elemento storis, cm; s = 0.5(s1+s2), kai yra kampin÷ arba sandūrin÷ jungtis (5.16, a, b pav.); s = 0.5(2sn+sc), kai yra t÷jin÷ arba užleistin÷ jungtis (5.16, c, d pav.). 5.21 formul÷ galioja diapazone q0 = 4000…38000 J/cm

2.

5.16 pav. Vienu ÷jimu suvirintos jungtys

Virinant keliais ÷jimais, pirmųjų sluoksnių plastin÷s deformacijos sritis gali dengiama sekančių sluoksnių plastin÷s deformacijos sritimis. Virinant t÷jinę dvipusę jungtį vienodomis siūl÷mis, persidengiančiomis plastinių deformacijų sritimis sumin÷ susitraukimo j÷ga sudaro 1,3…1,5 pirmosios siūl÷s susitraukimo j÷gos.

Pjaustant metalą d÷l briaunų įkaitimo atsiranda susitraukimo j÷ga. Dujinio plieno pjaustymo įvedamoji šiluma vienai briaunai, kurios storis s = 0,6…4,0 cm:

q/vp = 42600(13,5 – s)s, (5.22)

čia s išreikšta cm; q/vp – J/m.

2. Storyje tolygios skersin÷s liekamosios plastin÷s deformacijos εypl.liek. jų integralas duoda skersinį susitraukimą ∆sk. Nuo įkaitimo suvirinant atsiranda ne tik išilgin÷s savosios deformacijos, bet ir skersin÷s plastines deformacijas εypl.liek. Kaitinamas metalas plečiasi, tod÷l atsiranda gniuždymo įtempimai. Mažiausios σT reikšm÷s yra labiausiai įkaitusioje srityje, tod÷l čia metalui lengviausia plastiškai deformuotis.

5.17 pav. εεεεypl.liek ir v pasiskirstymas plokšt÷je

79

5.17, b pav. pavaizduotas εypl.liek pasiskirstymas plokšt÷s plotyje. Jei taškas 0 siūl÷s ašyje yra nejudantis (5.17, a pav.), tai galima nustatyti taškų A, B, D poslinkius v siūl÷s ašies y kryptimi pagal integralą

∫y

0

εypl.liekdy (5.17, c pav.). Integravimo viršutin÷s ribos reikšm÷s bus yA, yB ir yD. Taškų B ir D poslinkiai

siūl÷s ašies atžvilgiu vienodi, nes skersinių plastinių deformacijų zona yra apribota byn ir – byn dydžiais, o taškai B ir D yra už jos ribų. Plokšt÷s plotis sumaž÷ja dydžiu:

∆ sk = ∫+

−

y

y

b

b

εypl.liekdy, (5.23)

Sujungiant plokštes sandūriniu būdu su tarpeliu (5.18, a pav.), metalas skersine kryptimi plečiasi laisviau, nei virinant vientisą plokštę. Įkaitintos briaunos laisvai juda tarpelio kryptimi, d÷l ko atsiranda 5.18, b pav. pavaizduoti poslinkiai v. Abiejų briaunų galimas didžiausias poslinkis, jei šiluma nebus nuvedama į orą:

vmaks =γαc sv

q

c

, (5.24)

čia q – į abi briaunas įvedama šiluma; vc – suvirinimo greitis; s – lakšto storis; α - linijinio pl÷timosi koeficientas; cγ - tūrinis šilumos imlumas.

5.18 pav. Briaunų poslinkis sandūrin÷je su tarpeliu jungtyje

Maksimaliai suart÷jus briaunoms taške 0, auštant jos juda priešinga kryptimi tol, kol metalo aukšta temperatūra ir žema takumo ribą. Ataušęs iki tam tikros temperatūros (taške F) metalas įgauna pakankamą stiprumą, kad būtų gautas jungties skersinis poslinkis ∆sk = 2vF < 2vmaks. Priklausomai nuo suvirinimo būdo ir sąlygų ∆sk reikšm÷s gali būti įvairios:

∆sk = Aγαc sv

q

c

, (5.25)

čia A – empirinis koeficientas. Elektrošlakiniam suvirinimui A=1,6; elektrolankiniam, visiškai įvirinantant A ≈1,0…1,2.

Absoliuti ∆sk reikšm÷ kinta plačiose ribose priklausomai nuo suvirinimo metu įvestos energijos. Virinant sandūrinę jungtį lankiniu būdu vienu ÷jimu ∆sk yra kelios dešimtosios milimetro dalys, aki metalo storis 3…5 mm, o kai metalo storis iki 5…20 mm, ∆sk = 0,5…1,5 mm; virinant elektrošlakiniu būdu ∆sk = 3…8 mm ir daugiau.

Užleistin÷ms ir t÷jin÷ms jungtims įvedamoji efektyvi energija apskaičiuojama pagal formulę:

qn=2qsn/(2sn+sp), (5.26)

čia sn – lakšto, į kurį įvedama efektyvioji energija, storis; sp – antrojo jungties lakšto storis; q – šaltinio visas efektyvusis galingumas.

Skersinis susitraukimas gali būti nustatytas eksperimentiniu būdu. Matavimo baz÷ turi būti didesnis nei iki 150°C įkaistančios zonos plotis (plienui).

80

3. Netolygi storyje skersin÷ plastin÷ deformacija, duodanti suvirintos jungties srityje kampinį poslinkį β. Storyje arba daugiasluoksn÷s siūl÷s skerspjūvyje netolygios skersin÷s plastin÷s deformacijos kampu β pasuka vieną plokšt÷s dalį kitos dalies atžvilgiu (5.19, a…f pav.).

5.19 pav. Sandūrinių (a, d), užleistinių (b), ir t÷jinių (c, e, f) jungčių kampiniai poslinkiai

Pralydant plokštę arba virinant kampinę siūlę kampo β dydis priklauso nuo įvirinimo gylio ir plokšt÷s storio santykio H/s, įvirinimo siūl÷s formos ir jos pločio (5.19 pav.).

5.20 pav. ββββ priklausomyb÷ nuo H/s

Esant mažam įvirinimo gyliui, nepravirinta dalis priešinsis siūl÷s susitraukimui. Kai didelis įvirinimo gylis, εypl.like, deformacija visame storyje pakankamai tolygi. Abiem atvejais kampas β yra mažas. Tačiau praktiškai net ir esant visikam įvirinimui, gaunamas kampas β (5.20 pav. punktyrin÷ linija). Suvirinus t÷jinę jungtį iš abiejų pusių vienu ÷jimu (5.19, f pav.), kampą βΣ sudaro β1, atsiradęs d÷l netolygaus lakšto susitraukimo suvirinus 1 siūlę, β2, atsiradęs d÷l netolygaus lakšto susitraukimo suvirinus 2 siūlę, ir βs, atsiradęs d÷l pačios 2 siūl÷s susitraukimo. Kampas βs yra mažas, palyginus su maždaug vienodais β1 ir β2. Tod÷l β∑ ≈ 2β1. Jei K ≤ 0,5sn (5.21, f pav.), tai βΣ radianais plienui apytiksliai apskaičiuojamas pagal formulę:

βΣ=0,1(k/sn-0,1), (5.27)

Siūl÷ su vienu ir tuo pačiu statiniu gali būti atlikta daugiau ar mažiau įvirinant lakštą. Tod÷l lygyb÷ 5.27 teisinga tik kai į lakštą įvedama efektyvi energija: qn/vs=16000k

2, kai k/sn ≤ 0,5, qn/vs=10500k2, kai k/sn≤ 0,7;

qn/vs = 7500k2, kai k/sn ≤ 1 (k išreikštas cm; qn/vc – J/cm). qn galima apskaičiuoti pagal 5.26 formulę.

5.21 pav. ββββΣΣΣΣ priklausomyb÷ nuo sn ir K virinant plieną

5.21 pav. pavaizduota kampo βΣ priklausomyb÷ nuo lakšto storio sn ir siūl÷s statinio k, kai qn/vs = 10500K2.

4. Poslinkiai w siūl÷s zonoje statmena virinamų lakštų paviršių kryptimi sukelia poslinkius ∆z. Dažniausiai poslinkiai w atsiranda virinant mažų storių metalą. Suvirinimo metu metalas įkaista ir plečiasi sudarydamas laikinus gniuždymo įtempius. Iki 1 mm storio metalas gali prarasti pastovumą – viena briauna pasislenka kitos atžvilgiu ir ta pad÷tis užtvirtinama siūle. Susidaro poslinkis ∆z. D÷l nevienodo šilumos

81

įvedimo suvirinimo metu metalas išlinksta. Jei d÷l šios priežasties vienas lakštas pasislenka, o kitas ne, tai taip pat susidaro poslinkis.

5.22 pav. Poslinkiai žiedin÷s siūl÷s srityje cilindre (s = 6 mm) iš aliuminio lydinio

Radialinis briaunų poslinkis susidaro virinant žiedines siūles, nes d÷l įvestos šilumos pailg÷ja apskritimo ilgis. Radialiniai briaunos poslinkiai gali būti nevienodi, jei briaunos yra skirtingų standumų (5.22, a pav.). Šie apskritimo ilgio poslinkiai pavaizduoti 1 ir 2 kreiv÷mis. Jie registruojami 6 mm atstumu nuo virinamų briaunų. Siūle užtvirtinamas briaunų poslinkis, ir 5.22, b pav. pavaizduota jų pad÷tis visiškai ataušus. Atsiradęs nesutapimas mažina briaunų stiprumą ir pastovumą. Poslinkis w gali būti apskaičiuotas, tačiau dažniausiai nustatomas eksperimentiniu būdu.

5. Šlyties deformacijos γxy . D÷l jų suvirintoje jungtyje susidaro poslinkis ∆x. Suvirinimo metu kaistant plokščių taškai juda išilgai x ašiai. Prieš šilumos šaltinį esantys taškai juda suvirinimo kryptimi, už šaltinio esantys taškai – priešinga kryptimi. Maksimalūs poslinkiai u yra skirtingi – didžiausi prie briaunų, kurie

maž÷ja y ašies kryptimi. Susidaro šlyties plastin÷s ir tampriosios deformacijos. Poslinkis u ∼ γαc sv

q

s

, kuris

priklauso nuo į kiekvieną plokštę įvedamos santykin÷s šilumos. Esant tiems patiems temperatūros laukams, šaltinio veikimo srityje plokšt÷s krašto maksimalus poslinkis uk yra 1,5 karto didesni nei centre uc. Tai gaunama virinant užleistines ir t÷jines jungtis.

5.23 pav. u poslinkiai prieš judantį šilumos šaltinį: plokšt÷s viduryje (a) ir krašte (b)

Skirtumas tarp uk ir uc gali būti didesnis, jei daugiau šilumos bus įvesta į privirinamą lakštą, nei į juostą. Poslinkių skirtumas ∆x fiksuojamas siūle ir išlieka. Poslinkį galima nustatyti tik visiškai ataušus. ∆x reikšm÷ virinant 5…10 mm storio metalą sudaro kelias dešimtąsias milimetro dalis, tačiau gali būti ir daugiau milimetro, jei į privirinamą dalį bus įvesta labai daug šilumos.

5.4. Suvirintų konstrukcijos elementų deformacijos tipai

Sijų tipo konstrukcijų poslinkiai. Šio tipo suvirintų konstrukcijų ypatumai: didelis jų ilgis lyginant su aukščiu ir pločiu, išilgin÷s siūl÷s per visą sijos ilgį, prie juostų skersin÷mis siūl÷mis tvirtinamos standumo briaunos, diafragmos ir pagalbiniai elementai. Jei sijoje yra nesimetriškos išilgin÷s ar skersin÷s siūl÷s, tai d÷l didelio jų ilgio, jose atsiranda dideli įlinkiai.

5.24 pav. Išilgin÷mis siūl÷mis suvirinta sija

82

Suvirinus išilginę siūlę 1 (5.24, a, b pav.), atsiranda susitraukimo j÷ga Psus, kuri sutrumpina siją dydžiu:

∆išilg = Psusl/(EF), (5.28)

čia F – juostos ir sienel÷s bendras skerspjūvio plotas. Momentas:

M = Psuse1, (5.29)

Kadangi j÷gos Psus prid÷ta ne skerspjūvio centre, tod÷l gaunamas sijos įlinkis, kuris apskaičiuojamas pagal formulę:

f = Psuse1l2/(8EJ1) = Ml2/(8EJ1), (5.30)

Sijos galų kampas vienas kito atžvilgiu nustatomas pagal formulę:

Θ=Ml/(8EJ1), (5.31)

J1 – formul÷se (5.30) ir (5.31) t÷jin÷s sijos skerspjūvio inercijos momentas ašies 1 – 1 atžvilgiu. Nustatant susitraukimo j÷gą būtina įvertinti sijos standumą:

Psus = Psus.st/[1 – Psus.st(e12/J1+ e2

2/J2+1/F)/σT], (5.32)

čia σT – sijos metalo takumo riba; J1, J2, F – svarbiausieji inercijos momentai ir sijos skerspjūvio plotas; e1 ir e2 – susitraukimo j÷gos prid÷jimo ekscentricitetas pagrindinių centrinių sijos skerspjūvio ašių atžvilgiu. 5.32 formul÷s laužtiniuose skliaustuose reikšm÷ turi būti ne mažesn÷ kaip 0,5.

Jei prie t÷jin÷s sijos privirinama dar viena juosta (5.24, c pav.), tai nuo šios siūl÷s susidaręs susitraukimas ir įlinkis jai atskirai nustatomas. Skerspjūvio plotas F ir inercijos momentas nustatomi visam dvit÷jam skerspjūviui. Siūl÷s B susitraukimo j÷gos prid÷jimo ekscentricitetas yra e1B. Siūlių A ir B įlinkio ženklai bus skirtingi. Juos būtina apskaičiuoti ieškant suminį įlinkį. Jei skerspjūvis simetriškas ašies 1-1 atžvilgiu, tai sijos liekamasis įlinkis po dviejų siūlių suvirinimo bus nukreiptas į viršų, t.y. įlinkis nuo siūl÷s A didesnis nei nuosiūl÷s B.

5.25 pav. Dvit÷jin÷ sija su skersin÷mis siūl÷mis

Jei sijos elementai iš pradžių sukabinami ir tik tada suvirinami, tai skaičiuojant susitraukimą ir įlinkį sukabinimo siūl÷s yra laikomos pakankamai stipriomis ir standžiomis, kad garantuoti bendrą visų elementų darbą. Skaičiuojant poslinkį nuo siūlių A ir B imamas visas skerspjūvio plotas ir inercijos momentas 1-1 ašies atžvilgiu, taip pat ekscentricitetas e1A siūlei A ir ekscentricitetas e1B siūlei B.

Atpjaunant juostas nuo lakšto, jos taip pat išlinksta. D÷l netolygaus įkaitimo pjaunant, jos sud÷tingai išsikraipo, tačiau ataušus jų įlinkį galima nustatyti remiantis tom pačiom taisykl÷m.

Statmenos sijos ašiai skersin÷s siūl÷s sutrumpina siją, o jei jos yra yra ne skerspjūvio svorio centre, tai atsiranda ir įlinkis. Jei ant dvit÷jin÷s sijos viršutin÷s juostos užvirinta siūl÷ (5.25, a, b pav.), nuo kurios bus gautas skersinis susitraukimas ∆sker < 0. Išpjovus iš sijos l ilgio gabalą juostos (5.25, a pav. viršutin÷ dalis) ir prid÷jus j÷gą P, gaunamas šios dalies pailg÷jimą -∆sker:

P = – ∆skerEFjuosta/l, (5.33)

čia Fjuosta – viršutin÷s juostos skerspjūvio plotas.

83

Pašalinus dalį l, sijoje įtempių.neliko Taip pat nebus sutrump÷jimo ar įlinkio. Sugražinkim tą dalį su j÷gomis P į siją ir “priklijuokim” prie lentynos (5.25, c pav.). Atimkim fiktyvias j÷gas P ir prid÷kim j÷gas – P (5.25, d pav.). J÷ga – P siją ilgyje l sutrumpins:

∆išil = – Pl/(EF), (5.34)

Įstatykim P išraišką (5.33) į (5.34):

∆išil = ∆skerFlent/F, (5.35)

D÷l j÷gos – P veikimo susidaro lenkimo momentas M = – Pe ir I pjūvį pasisuka kampu ϕ II pjūvio atžvilgiu:

ϕ = Ml/(EJ), (5.36)

čia J – viso skerspjūvio inercijos momentas y – y ašies atžvilgiu. Išreiškę M formul÷je (5.36) per P (5.33), gausime:

ϕ = ∆skerFjuostae/J, (5.37)

Dydis Fjuostae = Sjuosta yra juostos, kuri susitrauk÷ dydžiu ∆sker, statinis momentas sijos skerspjūvio svorio centro atžvilgiu. Tod÷l:

ϕ = ∆skerSjuosta/J, (5.38)

Formul÷se (5.35) ir (5.38) neb÷ra sijos dalies ilgio l. Skersin÷s siūl÷s vietin÷ deformacija sutrumpino sijos ilgi ir sulenk÷ siją kampu ϕ (5.25, d pav.). Tas pačias formules (5.35) ir (5.37) galima taikyti siūl÷ms ant vertikalios sienel÷s tik tuomet formul÷se vietoj Fjuosta ir Sjuosta turi būti įstatyti vertikalios sienel÷s atitinkami dydžiai.

Dideli sijos įlinkiai susidaro tuomet, jei yra daug skersinių siūlių ir jos išd÷stytos nesimetriškai elemento plotyje. 5.25 e, f pav. prie pavaizduotos sijos lentynos ir sienel÷s privirintos standumo briaunos, kurių storiai sn ir sc gali būti skirtingi. Dviejų privirintų briaunų kampas ϕΣ nustatomas sumuojant lentynos ϕn ir sienel÷s ϕc sulinkimo kampus. Kampas ϕn nustatomas pagal juostos susitraukimą ∆sker.juostos (B – sc) atkarpoje. Kampas ϕc nustatomas pagal sienel÷s susitraukimą iš abiejų pusių, t.y. 2∆sker.c atkarpoje lB; skaičiuojant statinį momentą plotas lBsc dauginamas iš ekscentriciteto e (5.25, f pav.). Kiekvienam pjūviui ϕΣ = ϕn+ϕc. Esant daugeliui tokio tipo standumo briaunų, galima nustatyti sijos f įlinkį viduriniame taške (5.25, h pav.). šiuo atveju jis lygus:

f = ϕΣ(3l/2+2l+l), (5.39)

Suvirintų lakštinių elementų pastovumo praradimas. Veikiant susitraukimo j÷gai, konstrukcijos elementuose susidaro gniuždymo įtempiai, d÷l kurių prarandamas elementų iki 10…15 mm storio pastovumas. Ypač dideli plonų lakštų (3…4 mm) poslinkiai. Sutinkamos dviejų tipų užduotys, susijusios su stabilumo netekimu: 1) pastovumo netekimo sąlygų nustatymas; 2) poslinkių nustatymas praradus pastovumą. Pirmo tipo uždavinys paprastesnis – jam išspręsti pakanka surasti pastovumo praradimo kritines apkrovas ir įtempius.

5.26 pav. Suvirintos dvit÷j÷s sijos elementų pastovumo praradimas

Panagrin÷kime suvirintos dvit÷j÷s sijos elementų pastovumo praradimo sąlygas (5.26 a pav.). Susitraukimo j÷gos gniuždo juostas ir sienelę išilgine kryptimi, tod÷l plokšti sijos elementai gali prarasti

84

pastovumą. Sienel÷s, kurių ilgis l ir plotis hc, išilgin÷s briaunos privirintos prie juostų, (5.26 b pav.), kuriose sienel÷s briaunos standžiai įtvirtintos ir negali iškrypti skersine kryptimi. Susitraukimo j÷ga 2Psus tolygiai gniuždo sienelę įtempiais σgn=2Psus/A, čia A – sijos skerspjūvio plotas. Vertikalios sienel÷s kritiniai gniuždymo įtempiai:

σkr = 7π2E(sc/hc)2/[12(1 – µ2)], (5.40)

Jei σgn > σkr, tai verikalios sienel÷s pastovumas bus prarastas. Juosta taip pat gali prarasti pastovumą. Pus÷s juostos plotis – B/2, ji įtvirtinta tik iš vienos pus÷s (5.26 c

pav.). Plokšt÷ apkrauta σgn įtempiais. Kritiniai šios juostos įtempiai:

σkr = 1,33π2E(2sn /B)2/[12(1 – µ2)], (5.41)

Virinant lakštą prie karkaso užleistin÷mis jungtimis (5.27 a pav.), pagrindiniai poslinkiai susidaro d÷l išilgin÷s susitraukimo j÷gos, skersinio susitraukimo įtaka menka. Tod÷l lakštą nagrin÷jame kaip stačiakampę plokštę, įtvirtintą visomis keturiomis briaunomis, kuriose gniuždymo įtempiai išilgai plokšt÷s 2Psus/(sB1) ir 2Psus/(sB2) skersai plokšt÷s, čia s – lakšto storis.

5.27 pav. Suvirintose konstrukcijose stabilumo netenkantys lakštiniai elementai

Plokšti konstrukcijos elementai taip pat gali prarasti pastovumą, jei į juos bus įvirinami apvalūs elementai (5.27 b pav.) ir jei juose atsiras radialiniai tempimo įtempiai σr ir apskritiminiai gniuždymo įtempiai σΘ. D÷l pastarųjų dažniausiai ir prarandamas pastovumas. Kritiniai radialiniai įtempiai priklauso nuo spindulio rn, apribojančio plastinių deformacijų zoną ir nuo lakšto storis s:

σr.krit = 3E(s/rn)2/[12(1 - µ2)], (5.42)

Plokšti dugnai, veikiami radialinių gniuždymo įtempių taip pat gali prarasti pastovumą (5.27 c pav.). Cilindrinio kevalo krašto pastovumas radialine kryptimi daug mažesnis nei dugno plokštumos. Tod÷l radialinius gniuždymo įtempius σr.gn = Psus/(rs), atsiradusius kampin÷je jungtyje pagrindinai priima tik dugnas. Plokščio dugno, privirinto uždaru kontūru prie kevalo, kritiniai įtempiai:

σr.krit = 1,49π2E(s/r)2/[12(1 – µ2)], (5.43)

Suvirinant sandūrine jungtimi plonus lakštus (s ≤ 1 mm) gali būti prarastas pastovumas. Tam išvengti jie prispaudžiami prie pagrindo, paliekant minimalų tarpą l tarp prispaudimo elementų, kad būtų pakankamas pri÷jimas virinti (5.27 d pav.).

5.5. Suvirinimo poslinkių įtaka konstrukcijų darbingumui

Labai dažnai suvirintų konstrukcijų eksploatacin÷s savyb÷s ir jų darbingumas praktiškai nepriklauso nuo savųjų suvirinimo įtempių ir deformacijų. Tačiau pasitaiko ir neigiamo poveikio atvejų. Konstruojant, gaminant ir eksploatuojant suvirintas konstrukcijas, būtina į tai atsižvelgti.

1. Suvirinamų detalių poslinkiai gali deformuoti metalą kristalizacijos metu ir tod÷l gali susiformuoti karštiniai plyšiai.

2. Elektrošlakinio suvirinimo metu tarpelio tarp elementų pokytis pakeičia suvirinimo greitį. Tarpelis gali did÷ti arba maž÷ti tokiose ribose, kad procesas gali net nutrūkti. Virinant lankiniu būdu ploną metalą d÷l pastovumo praradimo gali būti gaunamos pradegos. D÷l poslinkių virinant, lakštų briaunos gali pasislinkti z ašies kryptimi nevienodai ir suformuoti linijinį briaunų nesutapimą. Virinant užleistinias jungtis, d÷l nevienodos lakštų deformacijos gali susidaryti tarpelis tarp lakštų, į kurį gali įtekieti išlydytas metalas. Virinant kampines siūles automatiniu būdu lakštai gali likti net nesuvirinti. Virinant kontaktiniu siūliniu būdu prieš ritin÷lį gali susidaryti metalo banga ir metalas gali likti nesuvirintas.

85

3. Suvirinamų elementų poslinkiai gali apsunkinti suvirintų elementų v÷lesnį surinkimą. O kartais jų neįmanoma surinkti be papildomo apdirbimo arba tiesinimo. Tai ypač aktualu suvirinus plonus lakštus (s ≤ 4 mm), juos reikia tiesinti, nes jų nukrypimai nuo plokštumos dideli. Jeigu plonasieniuose kevaluose arti krašto yra žiedin÷s siūl÷s, tai jos pakeičia kevalo skersmenį. Tod÷l surinkus tokius kevalus atsiranda neleistinas laiptelis. Suvirinant suvirintus mazgus dažnai atsiranda sunkumų d÷l suleidžiamųjų ir prijungiamųjų matmenų nesutapimo. Erdviniai išsikraipymai kartais būna tokie sud÷tingi ir dideli, kad kai kurių vietų atitaikymą tenka atlikti rankiniu būdu, o tai mažina suvirinimo procesų mechanizacijos ir automatizacijos galimybes.

4. D÷l atsiradusių suvirinant poslinkių tenka palikti padidintas užlaidas mechaniniam suvirintų detalių apdirbimui. Tai padidina metalo sąnaudas ir prailgina apdirbimo laiką.

5. Kai kurie poslinkiai keičia skerspjūvio geometrines charakteristikas. Pavyzdžiui, privirinus dvit÷jin÷s sijos juostas atsiradęs kampas β mažina sijos inercijos momentą, juostų kraštai priart÷ja prie skerspjūvio pagrindin÷s sijos ašies.

5.6`. Konstrukcijų suvirinimo įtempių, deformacijų ir poslinkių mažinimo metodai

Visi suvirinimo įtempių ir suvirintų konstrukcijų formos iškraipymo mažinimo būdai remiasi trimis pagrindiniais principais.

1. Metalo, kuris plastiškai deformuojasi jam kaistant, tūrio sumažinimas, taip pat pačios plastin÷s deformacijos sumažinimas.

2. Plastiškai deformuoto metalo, gauto jam kaistant, srityse sukūrimas priešingo ženklo papildomų deformacijų. Tai gali būt atliekama metalui auštant arba visiškai jam ataušus.

3. Gautų deformacijų ir poslinkių kompensavimas simetriškai išd÷stant siūles, sudarant papildomas plastin÷s deformacijos sritis, išankstinius poslinkius, užtikrinant laisvą metalo susodinimą ir kt.

Apžvelgsim kai kurios gamyboje naudojamus metodus. Pakaitinimas keičia temperatūros pasiskirstymo laukus, suvirinimo deformacijas ir struktūrinių virsmų

sukurtus įtempimus, taip pat kartais gali tur÷ti įtakos metalo savyb÷ms. Pakaitinimas, iš vienos pus÷s, sumažina takumo ribą, tamprumo modulį ir temperatūrų gradientą, tod÷l gaunamas maksimalių liekamųjų įtempimų sumaž÷jimas, iš kitos pus÷s, gaunama platesn÷ plastin÷s deformacijos sritis, esant tai pačiai įvedamajai šilumai. Pakaitinimas iki labai aukštų temperatūrų sumažina takumo ribą σT, o tuo pačiu ir liekamuosius įtempius.

Pakalimas. Pakalti galima auštantį arba visiškai ataušusį metalą. Pakalimu susodinamas metalo storumas, plastin÷ deformacija pailgina siūlę plokštumoje, kuri yra statmena smūgio krypčiai. Taip sumažinami tempimo įtempiai, tačiau gali susidaryti net gniuždymo liekamieji įtempiai. Pakalimo efektyvumas priklauso nuo temperatūros, šilumos kiekio, kuris išsiskiria pakalimo metu, o taip pat nuo plastin÷s deformacijos dydžio. Jeigu pakalimo srityje temperatūra aukštesn÷ nei likusiame metale, tai metalui auštant ir jam traukiantis gniuždymo įtempiai maž÷s ir gali pereiti net į tempimo įtempimus. Šalto pakalimo metu paprastai metalas nedaug įkaista tod÷l gali susidaryti gana aukšti gniuždymo įtempiai. Pakalimas gali sumažinti metalo plastiškumą, kuris tam tikrai atvejais turu būti įvertintas.

Taikant impulsinį apdirbimą sprogdinant specialią juostą užd÷tą ant apdirbamo paviršiaus. Sprogimas, kuris atliekamas specialioje kameroje, sukuria įtempius paviršiniame sluoksnyje ir tokiu būdu perskirsto liekamuosius suvirinimo įtempius. Šis būdas taikomas suvirintų sujungimų nuovargio atsparumui padidinti.

Siūl÷s srities valcavimas taikomas suvirinimo liekamiesiems įtempiams sumažinti ir siūk÷s kraštui sulyginti. Valcavimo vietose sumažinami tempimo įtempiai arba gali peraugti į gniuždymo įtempius.

Papildomas apkrovimas. Suvirinimo metu galima apkrauti taip, kad siūl÷s srityje susidarytų tempimo įtempiai. Tai sumažina liekamuosius tempimo įtempius ir susitraukimo j÷gą Psus. Jeigu apkrovos pridedamos po suvirinimo, būtina, kad įtempiai nuo apkrovos sumuotųsi su liekamaisiais tempimo įtempiais ir metalas plastiškai deformuotųsi. Nu÷mus apkrovą gaunami mažesni liekamieji įtempiai. Norint visiškai pašalinti savuosius įtempius, įtempiai nuo papildomos apkrovos turi būti artimi metalo takumo ribai, o tai sunkiai pasiekiama.

Netolygus kaitinimas ir aušinimas. Jeigu iš abiejų virintin÷s siūl÷s pusių sukurti įkaitintas zonas, tai pl÷sdamasis metalas ištemps siūl÷s sritį išilgai jos ašies, o statmena ašiai kryptimi gniuždys. Tokia įtempių schema sudaro sąlygas plastiniam siūl÷s srities metalo ištempimui siūl÷s ašies kryptimi ir sumažina liekamuosius tempimo įtempius. Perslenkant įkaitintas zonas siūl÷s kryptimi, aušinant metalą gale šilumos šaltinio, procesas gali vykti nenutrūkstamai.

Atskirų zonų koncentruotas vietinis įkaitinimas naudojamas tų vietų susodinimui ir išlyginimui.

86

Suvirintų konstrukcijų atkaitinimas naudojas metalo struktūrai ir savyb÷ms pakeisti, o taip pat liekamiesiems įtempiams sumažinti. Atleidimą liekamiesiems įtempiams mažinti tikslinga naudoti, jei yra padidinti reikalavimai suvirintos konstrukcijos stiprumui ir matmenų tikslumui eksploatacijos metu. Be to, kartais reikia atstatyti plastines savybes, ten kur suvirinimo metu koncentravosi plastin÷ deformacija ir padidinti atsparumą trapiam suirimui. Kitais atvejais nerekomenduojama naudoti atkaitinimą, nes labai padid÷ja konstrukcijos kaina.

Atkaitinimas gali būti: bendras atkaitinimas, kai įkaitinamas visas gaminys; vietinis - įkaitinama tik siūl÷s sritis; palaipsnis atkaitinimas - kaitinimo šaltinis juda išilgai konstrukcijos ir nuosekliai kaitina jos sritis; nuoseklus atskirų elementų atkaitinimas - termiškai apdirbami atskiri konstrukcijos mazgai, kurie v÷liau suvirinami.

Įvairių konstrukcinių medžiagų atkaitinimo temperatūros (˚C), leidžianios sumažinti liekamuosius įtempius iki (0,1...0,2)σT lygio yra šios:

Aliuminio lydinių 250...300 Titano lydini 550...600 Konstrukcinių plienų 580...680 Austenitinių plienų 850...1050

Suvirinimo deformacijų ir poslinkių mažinimo priemon÷s turi būti numatytos visuose konstrukcijų projektavimo ir gamybos etapuose.

6. Žinios iš statybin÷s mechanikos 6.1. Skaičiuojamų įražų sijose nustatymas naudojant infliuenčių metodą Skaičiuojamąsias įražas sijose dažnai patogu nustatyti influenčių metodu. Šis metodas ypač patogus

nustatant įrąžas susidarančias sijose nuo judančių apkrovos sistemų (pvz., nuo judančio krano vežim÷lio rato sl÷gio).

Infliuent÷s parodo įražos priklausomybę tam tikrame sijos arba santvaros elemento skersmenyje atsižvelgiant į apkrovos pad÷tį ant jų. Praktiniuose skaičiavimuose influent÷s nustatomos nuo vienos vienetin÷s apkrovos, o v÷liau jos naudojamos įražoms nustatyti konkrečiame skerspjūvyje arba elemente, kurį veikia kelios koncentruotos arba paskirstytos apkrovos.

6.1 pav Atramin÷s reakcijos ir M influent÷s įvairiose sijos pjūviuose

Šarnyriškai atremtos sijos atraminių reakcijų influent÷s. Sijos atraminių reakcijų influent÷s išreiškia tų reakcijų dydžio priklausomybę nuo vienetinio krūvio pad÷ties ant sijos.

Atstumą nuo krūvio iki kairiosios atramos pažym÷kime x, atstumą tarp atramų l (6.1, a pav.).

Reakcija A = 1((l – x)l).

Reakcija A išreiškiama pasvirosios ties÷s lygtimi (6.1, b pav.):

87

kai x = 0 A = 1; kai x = l A = 0. Panašiu būdu nustatoma B reakcijos influent÷s (6.1, b pav.). Lenkiamojo momento M influent÷s išreiškia momento dydžio priklausomybę duotame pjūvyje nuo

vienetinio krūvio pad÷ties ant sijos. Tarkime, kad krūvis yra dešin÷je pus÷je nuo pjūvio. Tada lenkimo momentas:

Ma = Aa = 1((l – x)/l)a Nubraižykime momento M influentes (6.1, c pav.) remiantis sąlyga, kad: kai x = 0 Ma = 1a; kai x = l

Ma = 0. Kadangi buvo priimta sąlyga, kad krūvis yra dešin÷je pjūvio a pus÷je, tai nubr÷žta influent÷ yra

galiojanti tik atkarpoje(l – a). Tarkime kad krūvis yra kair÷je pjūvio a pus÷je. Lenkimo momentą šiuo atveju patogu išsireikšti per dešinę atraminę reakciją:

Ma = B(l – a) = 1(x/l)(l – a), kai x = 0 Ma = 0; kai x = l Ma = l – a. Kadangi buvo priimta sąlyga, kad krūvis yra kair÷je pjūvio a pus÷je, tai nubr÷žta influent÷ yra galiojanti

tik (l – a). Influent÷ Ma turi užštrichuoto trikampio formą, kurio viršūn÷je yra pjūvyje a (6.1, c pav). Jeigu influent÷ sudaroma l/2 pjūviui, tai virš atramų ant vertikalių atidedamos lygios atkarpos 1(l/2).

Šiuo atveju trikampio aukštis yra 1(l/4) (6.1, d pav.). Panašiu būdu braižomos M influent÷s ir kitiems pjūviams, pavyzdžiui 0,4l, 0,3l, 0,2l, 0,1l (6.1, e...h).

Influenčių M ordinat÷s turi ilgio matmenis. Trikampių aukščiai yra: 1·0,25l; 1· 0,24l ir t.t. Skersin÷s j÷gos Q influent÷s. Skersin÷s j÷gos influent÷s išreiškia skersinių j÷gų priklausomybę

duotame pjūvyje a nuo vienetinio krūvio pad÷ties ant sijos. Tarkim, kad krūvis yra iš pjūvio a dešin÷s pus÷s. Tod÷l:

Qa = A = 1((l – x)/l);

Nubraižykime influentę remiantis sąlyga (6.2, a pav.), kad: kai x = 0 Qa = 1; kai x = l Qa = 0. Influent÷ galioja (l – a) atkarpoje. Tarkim, kad krūvis yra iš pjūvio a kair÷s pus÷s. Tod÷l:

Qa = – B = – 1(x/l);

kai x = 0 Qa = 0; kai x = l Qa = – 1. Influent÷ galioja (a – l) atkarpoje ir pjūvyje a keičia ženklą.

6.2 pav. Influent÷s Q

88

Sijos pjūviams 0,5l, 0,4l, 0,3l, 0,2l, 0,1l influent÷s Q parodytos 6.2, a...g pav. Influenčių Q ordinat÷s yra

bemat÷s.

6.2. Influenčių metodo taikymas nustatant įražas nuo koncentruotų j÷gų P ir nuo tolygiai pasiskirsčiusių apkrovų Q

Tarkime, kad sijos skerspjūviui a sudaryta įrąžos P influent÷, kuri parodyta 6.3, a pav. Sija apkrauta koncentruotomis j÷gomis P1, P2 ir Pk bei atkarpoje (l – a) tolygiai pasiskirsčiusia apkrova q.

6.3 pav. Įražų nuo P ir q nustatymas influenčių metodu

Influenčių ordinat÷s nuo j÷gų P1, P2 ir Pk veikimo pažym÷tos atitinkamai y1, y2, yk. Naudodamiesi j÷gų veikimo nepriklausomumo principu randame įrąžą pjūvyje a:

RP = P1y1 + P2y2 + PKyK = ΣPiyI (6.1)

Įrąžą nuo tolygiai pasiskirsčiusios apkrovos rasime pakeitę ją į begalo daug ir begalo mažų koncentruotų j÷gų:

Rq = ∫ qdxy = qΩ, (6.2)

čia Ω – influent÷s plotas apkrautos atkarpos ilgyje. Visa įraža parodo išilgin÷s j÷gos N, skersin÷s j÷gos Q, momento M ir t. t. priklausomybę nuo influent÷s:

R = ΣPiyI + qΩ (6.3)

Nustatant pokraninių sijų didžiausius lenkimo momentus ir skersines j÷gas pirmiausia būtina sudaryti skerspjūvių (0,1l, 0,2l, ir t. t.) M ir Q influentes. V÷liau reikia rasti įrąžas nuo judančio vežim÷lio apkrovų pavojingose pjūviose.

6.3. Santvaros elementų įrąžų influent÷s

Kai santvara apkrauta judančiomis apkrovomis, įrąžas santvaros elementuose patogu nustatin÷ti influenčių metodu. Santvaros elementų influent÷s parodo elementų įrąžų dydžio priklausomybę nuo prid÷to vienetinio krūvio pad÷ties ant santvaros. Tokiu būdu kiekvienam santvaros elementui sudaroma atitinkama influent÷.

Panagrin÷sime lygiagrečiomis juostomis santvaros, kuri remiasi į dvi atramas, elementų įrąžų influentes (6.4, a pav.).

Nuosekliai darome pjūvius III - III ir II - II (6.4, b pav.). Elemento 23 influent÷ms sudaryti panagrin÷sime pusiausvyros lygtį ΣM3' = 0. Kai krūvis veikia dešin÷je perpjautos santvaros pjūvio III - III pus÷je, tada santvaros kairiosios dalies

pusiausvyros lygtis bus:

89

A3d – 23h = 0; 23 = A3d/h.

Kai x = 0 A = 1 ir 23 = 3d/h; kai x = l A = 0 ir 23 = 0.

Br÷žiame dešiniąją poveikio liniją 23, kuri teisinga, jeigu krūvis yra tarp 6' ir 3' mazgų. Kai krūvis veikia kair÷je perpjautos santvaros pjūvio III - III pus÷je, tada sijos dešiniosios dalies

pusiausvyros lygtis bus

B3d – 32h = 0,

tuomet,

32 = B3d/h.

6.4 pav. Santvaros su lygiagrečiomis juostomis influent÷s Analogiškai randame ir kairiąją influentę, kuri teisinga, jei krūvis veikia tarp 0' ir 2' mazgų.

90

Krūviui judant nuo 2' iki 3' influent÷ kinta pagal linijinį d÷snį, kuri pavaizduota 6.4, b pav. ir yra kairiosios influent÷s tąsa.

23 elemento įražų influenčių sudarymą galima žymiai supaprastinti. Esant vienetiniam krūviui 3' taške nesvarbu ar tai nagrin÷jama atpjautos kair÷s santvaros pus÷s

pusiausvyra ir 23 išreiškiame per reakcijos A dydį, ar dešin÷s santvaros pus÷s ir 32 išreiškiame per reakciją B. Abiem atvejais į pusiausvyros lygtis elementas priklausantis nuo vienetin÷s j÷gos neįeina. Tai reiškia, kad kairiosios pus÷s influent÷s ordinat÷ (krūvis kair÷je perpjautos santvaros pus÷je), nustatoma santykiu B3d/h yra lygi dešiniosios influent÷s ordinatei (krūvis dešin÷je perpjautos santvaros pus÷je), kuri apskaičiuojama pagal A3d/h. Iš to seka, kad kairioji ir dešinioji influent÷s kertasi po momento tašku. Tai svarbi influenčių savyb÷, lengvinanti jų sudarymą. Nubr÷žiame dešiniąją influentę 23 = A3d/h, kuri teisinga kol krūvis veikia tarp 3' ir 6' mazgų. Kairioji influent÷ nustatoma iš reakcijos B, atramoje A turi ordinatę lygią nuliui ir kertasi su dešiniaja influente ties tašku 3'. Ši influent÷ teisinga tarp 0' ir 2' mazgų. Tarp 2' ir 3' mazgų influent÷ išreiškiama linijine funkcija, kuri yra kairiosios influent÷s tąsa.

Analogiškai rašome ir pusiausvyros lygtis ΣM2 = 0 ir sudarome 2'3' influentę (6.4, c pav.). Įrąžos nustatymui 23' spyryje santvarą perpjauname (6.4, d pav.). Krūviui esant dešin÷je perpjautos santvaros pus÷je, kairiosios pus÷s pusiausvyros lygtis:

A + 23'sinα = 0;

23' = – A/sinα.

Kai x = 0 23' = – 1/sinα; kai x = l 23' = 0. Br÷žiame dešiniąją influentę 23', kuri teisinga, kai krūvis yra tarp 6' ir 3' mazgų (6.4, a pav.). Kai krūvis yra kair÷je perpjautos santvaros pus÷je, dešiniosios pus÷s pusiausvyros lygtis: B – 3’'2sinα = 0; 3'2 = B/sinα. Kai x = 0 3'2 = 0; kai x = l 3'2 = 1/sinα. Kairioji influent÷ teisinga, kai apkrova veikia 0'2' atkarpoje. Krūviui judant 2'3' atkarpoje, influent÷ 2'3' nustatoma punktyrin÷s ties÷s pagalba. Jei įvertinsime, kad kairioji ir dešinioji influent÷s kertasi po momentiniu tašku, tai 23' galima rasti

paprastesniu būdu. Pirmiausia randame dešiniąją influentę, kuri sudaroma pagal lygtį 23' = A/sinα. Yra žinoma, kad kairiosios influent÷s ordinat÷ lygi nuliui kairiojoje atramoje,o po momentiniu tašku turi

kirstis su dešiniąja. Nustatin÷jant statramsčio įrąžą momento taškas yra lygiagrečių juostų krypčių susikirtime, t. y. begalyb÷je. Tai rodo, kad kairioji ir dešinioji spyrio 23' influent÷s yra lygiagrečios.

Influent÷ 1'2' sudaroma iš 2' mazgo pusiausvyros lygties

ΣX = 0

iš kur seka, kad 2'1' = 2'3'. Influent÷ 0'1' sudaroma iš mazgo 0' pusiausvyros sąlygos

ΣX = 0,

iš kur seka, kad 0'1' = 0. Influent÷s 12 sudarymui daromas pjūvis II – II ir rašoma pusiausvyros lygtis ΣM1' = 0. Influent÷ 12 pavaizduota 6.4, e pav. Iš 1 mazgo pusiausvyros lygties ΣX = 0 seka, kad 10 ir 12 influent÷s lygios. 1'2 influentei sudaryti reikia naudoti pusiausvyros lygtį ΣY = 0 (6.4, f pav.). Kai krūvis kair÷je perpjautos santvaros II – II pus÷je,

A – 1'2sinα = 0.

Kai x = 0 1'2 = A/sinα; kai x = l 1'2 = 0. Br÷žiame dešinę influentę1’2,kuri teisinga tarp 6’ ir 2’ mazgų (6.4, f pav.). Kai krūvis yra kair÷je perpjautos santvaros II – II pus÷je tuomet:

91

B + 21’sinα = 0 21’ = – B/sinα. Kai x = 0 21’= 0; Kai x = l 21’= 1/sinα. Br÷žiame kairiąją influentę 0'1' atkarpoje. Kai krūvis juda nuo 1' iki 2', influent÷ nustatoma ties÷s

lygtimi, kuri pavaizduota punktyrine linija 6.4, f pav. Analogiškai sudarome spyrio 01' įrąžos influentę (6.4, g pav.). Sudarysime statramsčio 11'įrąžų influentę. Iš j÷gų pusiausvyros lygties , prid÷tos mazge 1, ΣY = 0

gauname, kad įrąža 11' = 0. Statramsčio 33' influent÷s ordinat÷s taip pat lygios nuliui. Sudarant 22' strypo įrąžų influentę reikia nagrin÷ti pusiausvyros lygtį ΣY = 0 2' mazge. Jei krūvis yra ne antroje ir ne trečioje juostose, tai įrąža 2'2 = 0. Jei krūvis yra 2' mazge, tai lygtis ΣY = 0 rašoma taip: -2'2 – 1 = 0, tada 2'2 = – 1 (6.4, i pav.). Influent÷ bus trikampio formos, kai krūvis jud÷s 1'2' ir 2'3' atkarpose (6.4, g pav.). Įrąžos influent÷ atraminiame statramstyje 00' randama iš 0' mazgo pusiausvyros lygties ΣY = 0 (6.4, h pav.). Kai krūvio pirmoje juostoje n÷ra 0'0 = 0. Kai krūvis yra 0' mazge pusiausvyros lygtis rašoma taip:

– 1 – 0'0 = 0,

iš čia,

0'0 = –1.

Krūviui judant nuo 0 iki 1 mazgo 00' įrąžų influent÷ nustatoma ties÷s lygtimi, kuri pavaizduota punktyrine linija 6.4, e pav.

7. Suvirintosios sijos 7.1. Sijos. Bendrosios žinios

Sijos plačiai naudojamos statinių perdengimui, tiltams, kranų konstrukcijoms ir kitur. Sijos gali būti valcuotos, suvirintos klijuotos ir kt. Suvirinimas išplečia galimybes gaminti įvairaus skerspjūvio sijas. Lenkiamų dvit÷jų sijų juostos yra labiausiai apkrautos, o vertikali sienel÷ – žymiai mažiau. Tod÷l pagrindin÷ metalo mas÷ turi būti sukaupta juostose. Tod÷l tik suvirinimas leidžia gauti įvairiausio skerspjūvio formos ir matmenų sijas. D÷žut÷s formos suvirintų sijų skerspjūvių pavyzdžiai pateikti 7.1 pav.

7.1 pav. D÷žinio skerspjūvio suvirintų sijų pavyzdžiai

Zigzago trajektorija supjausčius valcuotas sijas, o po to jas suvirinus, gaunamos lengvos ir ekonomiškos sijos (7.2, a pav.). Suvirinimas leidžia pagaminti kintamo skerspjūvio (kintamo pločio, storio ir aukščio) ekonomiškas sijas (7.2, b pav.). Tai leido padidinti sijų aukštį, inercijos momentą horizontalios ašies atžvilgiu, o svarbiausia – atsparumą lenkimui.

92

7.2. pav. Sijų gamybos principai: a – zigzagu perpjauta valcuota sij ir suvirinta; b – kintamo skerspjūvio sijos: 1– kintamo storio juostos; 2– kintamo aukšio; 3 – sud÷tin÷s juostos

Virinant galima pagaminti įvairių matmenų sijas – iki 3…4 m aukščio ir daugiau, taip pat didelio ilgio.

Juostos gali būti gaminamos ne tik iš valcuotų lakštų, bet ir iš kitų profilių, pvz., lovių, kampuočių, lenktų profilių ir kt.

Sijos skerspjūvio ekonomiškumo parametras yra W/A, čia W – profilio atsparumo momentas; A – skerspjūvio plotas. Kuo didesnis šis santykis, tuo esant mažesnei metalo masei pasiekiamas didesnis atsparumas lenkimui. Tačiau naudoti per daug plonas vertikalias sieneles negalima d÷l per mažo vietinio pastovumo. Reikalingas racionalus šių dviejų priešingybių derinimas.

Tos pačios mas÷s dvit÷jų gamyba valcuojant lyginant su suvirintais yra efektyvesn÷. Tačiau didelis suvirintos konstrukcijos privalumas yra tai kad suvirinta sija gali atlaikyti didesnes apkrovas esant mažesnei metalo masei, d÷l ko konstrukcija tarpa racionalesn÷ ir pigesn÷.

Kintamo skerspjūvio sijose geriau panaudojama laikančioji metalo galia visame sijos ilgyje ir gaunama metalo ekonomija. Technologiniu požiūriu tokios sijos yra sud÷tingesn÷s. Tod÷l dauguma naudojamų profilių yra to paties skerspjūvio visame ilgyje.

7.2. Sijų standumo ir stiprumo skaičiavimas (skerspjūvio parinkimas)

Sija turi tenkinti standumo reikalavimus, t.y jos įlinkis fmax nuo didžiausios apkrovos neturi viršyti leistino. Paprastai didžiausia santykio fmaks./l reikšm÷ reglamentuojama normomis. Standumo norma skirtingos paskirties sijoms yra skirtinga, pavyzdžiui krano sijai fmax/l ≤ 1/600…1/700; aukštų perdengimo sijoms fmaks./l≤1/400.

Kad patenkinti standumo reikalavimus, sijos aukštis turi būti ne mažesnis kaip tam tikros ribin÷s reikšm÷s. Panagrin÷kim, koks turi būti mažiausias sijos, gulinčios ant dviejų atramų ir apkrautos tolygiai pasiskirsčiusia apkrova q, aukštis (7.3 a pav.).

Skaičiuojamasis įlinkis ties viduriu:

f = 384

5⋅EI

ql 4 , (7.1)

čia EI – sijos standumas. Šiai sijai skaičiuojamasis momentas:

M = 8

2ql, (7.2)

93

Įstatę M reikšmę į 7.1 formulę, gausime:

f = EI

Ml

48

5 2

, (7.3)

Lenkimo momentas:

M = [σ]t W , (7.4)

čia [σ]t – leistinieji įtempimai; W – atsparumo momentas. Jei skaičiuojamasis skerspjūvis simetriškas horizontalios ašies atžvilgiu, tai W = 2I/h, čia h – sijos

aukštis. Įstatykime M reikšmę iš (7.2) formul÷s į (7.3):

f = Eh

lt24

][5 2σ, (7.5)

gausime:

l

f =

Eh

lt24

][5 σ, (7.6)

arba:

l

h =

Ef

lt24

][5 σ, (7.7)

Pagal (7.7) formulę paskaičiuotas sijos aukštis, tenkinantis reikalaujamo standumo sąlygą f/l ir leistinuosius įtempimus [σ]t, yra mažiausias, kuris gali būti tik padidintas, jei to reikalauja konstrukcijos komponavimas. Esant kitiems apkrovų ar sijos konstrukcijos tipams, pvz. gembinei, su įtvirtintais galais sijų konstrukcijoms ir kt. (7.7) formul÷je keičiasi tik koeficientas ϕo. Tuomet bendroju atveju formul÷ užrašoma:

h = ϕo[σ]t l2/Ef, (7.8)

Kai horizontalioje ir vertikalioje plokštumose veikia momentai, tuomet turi būti tenkinama sąlyga (σx+σy) < [σ]t.

Sija turi tenkinti stiprumo sąlygą ir tur÷ti mažiausią masę, t.y. skerspjūvio plotas turi būti minimalus. Dvit÷jo skerspjūvio sijos aukštis, tenkinant šią sąlygą, gali būti surastas pagal:

h = (1,3 ÷ 1,4)tvs

M

][σ, (7.9)

d÷žinio skerspjūvio sijai:

h = tvs

M

][σ, (7.10)

čia sv – vertikalios sienel÷s storis. Projektuojant sijas, sienelių storis sv formul÷se 7.9 ir 7.10 yra nežinomas. Tod÷l iš pradžių jis yra laisvai

priimamas. Įvairių statybinių konstrukcijų sv keičiasi mažame intervale (7.3 b pav.). Galima priimti s = 5…10 mm:

sv = 5,12

10 vh , (7.11)

sunkioms konstrukcijoms:

sv=7+0,005hv , (7.12)

čia sv ir hv išreikšti milimetrais (7.3 b pav.).

94

7.3 pav. Suvirinta dvit÷jin÷ sija: a – sijos įlinkis nuo q; b – sijos skerspjūvis; c, d – koncentruotos j÷gos poveikis

h reikšm÷s paskaičiuotos pagal pakankamo standumo ir mažiausios mas÷s sąlygas, gali būti labai skirtingos. Iš gautų dviejų reikšmių reikia priimti tą kuri didesn÷, tačiau ne mažesnę negu reikalaujama pagal standumo sąlygą.

Toliau parenkamas sijos skerspjūvio plotas įvertinant lenkimo momentą M ir sijos aukštį h. Panagrin÷sime dvit÷jinio sijos skerspjūvio (7.3,b pav.) parinkimo tvarką.

Reikalingas sijos skerspjūvio atsparumo momentas:

Wreik.= M/[σ]t (7.13)

Reikalingas skerspjūvio inercijos momentas:

Ireik.= Wreik.h/2 (7.14)

Paskaičiuojame vertikalios sienel÷s inercijos momentą Iv. Priimame, kad hv= 0,95h. Dviejų horizontalių dvit÷jo juostų inercijos momentas:

Ih = Ireik – Iv (7.15)

Inercijos momentą dar galima išreikšti ir taip:

Ih = 2

+

2

10 2

hAI h , (7.16)

čia I0 – horizontalios juostos inercijos momentas savosios ašies atžvilgiu, kuris n÷ra didelis ir skaičiavimui supaprastinti galima priimti lygiu nuliui; h1 – atstumas tarp horizontaliųjų juostų svorio centrų, kuris lygus (0,96…0,98)h.

Iš formul÷s (7.16) randamas reikalingas horizontalios juostos skerspjūvio plotas:

Ah = 2Ih/(h1)2, (7.17)

Parinkus sijos skerspjūvio plotą, paskaičiuojame įtempimus ir tokiu būdu patikriname, ar parinkti skerspjūvio matmenys tenkina stiprumo sąlygas.

D÷l lenkimo atsiradę įtempimai:

σ = Mh/2I, (7.18)

D÷l skersin÷s j÷gos veikimo atsiradę tangentiniai įtempimai:

95

τ = QS/Isv , (7.19)

čia Q – didžiausia skersin÷ j÷ga sijoje; S – pus÷s skerspjūvio (simetriško) statinis momentas sijos svorio centro atžvilgiu (7.3 b pav.).

Ekvivalentiniai įtempimai, paprastai, tikrinami tais atvejais, kai maksimalios σ ir τ reikšm÷s per visą sijos ilgį sutampa viename pjūvyje. Jie nustatomi vertikalios sienel÷s viršutin÷s briaunos lygyje:

σekv = 21

21 3τσ + , (7.20)

Normaliniai įtempimai σ1 ir tangentiniai įtempimai paskaičiuojami pagal (7.21) ir (7.22) formules:

σ1 = Mhv/2I (7.21)

τ1 = QS1/I sv, (7.22)

čia S1 – horizontalios juostos skerspjūvio ploto statinis momentas sijos svorio centro atžvilgiu. Dažniausiai ekvivalentiniai įtempimai σekv.yra mažesni nei σ, kurie randami pagal 7.18 formulę. Tarkime, kad viršutin÷s sijos juosta apkraunama judančia apkrova. Taip būna krano arba tilto sijose.

Tada nustatomas vertikalios sienel÷s stiprumas, įvertinant vietinius įtempimus nuo krūvio:

σm = mP/sv z, (7.23)

čia m – koeficientas, kurio reikšm÷s skirtingos: m = (1,4…1,5) – esant sunkioms eksploatacijos sąlygoms (metalurginiai cechai), m = 1 – esant lengvoms eksploatacijos sąlygoms (remontiniai cechai); z – sąlyginis ilgis, kuriame koncentruotas krovinys pasiskirsto vertikaliame lakšte:

z = 3,25 3 / vh sI , (7.24)

čia Ih – horizontalios juostos inercijos momentas kartu su prie jo privirintu b÷giu (jei toks yra) xn ašies, einančios per bendrą svorio centrą, atžvilgiu (7.3 d pav.).

7.3. Bendrasis pastovumas

Aukštos sijos, kurių Ix > Iy, nuo vertikalios apkrovos veikimo gali prarasti savo bendrąjį pastovumą. Tam, kad būtų išvengtas pastovumo praradimas, reikia:

1. Apriboti lenkiamo elemento laisvąjį ilgį. Pvz., dvi lygiagrečias lenkiamas sijas 1 ir 2 reikia tarpusavyje sujungti. Atstumas tarp jungčių – l0 .(7.4 pav.).

7.4 pav. Jungtys tarp sijų horizontalioje plokštumoje

2. Patikrinti lenkiamos sijos įtempimus, įskaitant reikalavimus bendrajam pastovumui garantuoti:

σ = M/W ≤ [σ]t ϕ, (7.25)

čia ϕ – sijos leistinųjų įtempimų sumažinimo koeficientas leidžiantis užtikrinti jos pastovumą. Dvit÷jinio skerspjūvio sijai:

ϕ = ψ 3

2

0

10

l

h

I

I

x

y, (7.26)

čia Ix ir Iy – inercijos momentai atitinkamai x ir y ašių atžvilgiu; h – visos sijos aukštis; l0 – atstumas tarp jungčių horizontalioje plokštumoje; ψ – koeficientas.

96

Pagal 7.26 formulę gautą rezultatą reikia koreguoti pagal 7.1 lentelę.

7.1 Lentel÷. Koeficiento koregavimas

Koeficiento ϕ reikšm÷s, gautos pagal formulę (7.26)

Koeficiento ϕ reikšm÷s, priimamos skaičiavimui

0,85…1,0 1,0…1,25 1,25…1,55 1,55

0,85 0,90 0,96 1,0

Koeficientas ψ imamas kaip α funkcija (7.2 lentel÷ ir 7.3, b pav.), t.y.:

α = 8 [ ]332

0 2/1 hvh bshs

bh

sl+

, (7.27)

7.2 lentel÷je pateiktos dvit÷jinių sijų iš Cт3 plieno ψ reikšm÷s. Didesnio stiprumo plienui ψ reikšmes reikia dauginti iš 210/R santykio, čia R – duoto plieno skaičiuojamasis atsparumas.

7.2 lentel÷. Koeficiento ψψψψ reikšmių priklausomyb÷ nuo αααα

α 0,1 1,0 8,0 16,0 32,0 64,0

ψ 1,73 1,85 2,63 3,37 4,59 6,50

Projektuojant sijas pirmiausiai reiktų pasirinkti konkretų santykį l0/b = 10…20; po tuo pagal (7.27) formulę apskaičiuoti α ir rasti ψ reikšmę pagal 7.2 lentel÷ (b – juostos plotis).

7.4. Vietinis pastovumas

Patikrinus bendrąjį pastovumą, būtina tikrinti ir atskirų elementų vietinį pastovumą. Gniuždomos juostos praranda pastovumą, kai gniuždymo įtempimai viršija kritines reikšmes. Gniuždomų sijos juostų vietinis pastovumas garantuojamas šia sąlyga:

b ≤ 30svR

210 , (7.28)

čia b – juostos plotis; sv – juostos storis; R – skaičiuojamasis atsparumas. Sijos iš mažaanglio plieno, jei jos neveikia koncentruotos j÷gos, vertikalios sienel÷s pastovumas

garantuojamas sąlyga (σT – MPa):

hv/sv ≤ 110Tσ210

, (7.29)

Jei siją veikia koncentruotos j÷gos, tuomet:

hv/sv ≤ 80Tσ210

, (7.30)

Sijos vertikali sienel÷ gali prarasti pastovumą nuo normalinių gniuždymo įtempimų ir nuo bendro normalinių ir tangentinių įtempimų veikimo. D÷l tangentinių įtempimų veikimo įstrižuose pjūviuose susidaro normaliniai gniuždymo įtempimai σmaks. ir tempimo įtempimai σmin. Kritinius tangentinius įtempimus, d÷l kurių vertikali sienel÷ gali netekti pastovumo, galima paskaičiuoti:

τkrit = v0

2

21

− v

v

h

sE

µ , (7.31)

97

čia µ – Puasono koeficientas (µ = 0,3); hv – vertikalios sienel÷s storis; v0 – koeficientas, priklausantis nuo vertikalios sienel÷s atstumo tarp standumo briaunų santykio su jos aukščiu h. Jei sija yra ilga, o vertikali sienel÷ neturi standumo briaunų, tai v0 galima priimti lygiu 4,4.

Kritiniai normaliniai įtempimai vertikalioje sijos sienel÷je skaičiuojami pagal formulę, analogišką 7.31 formulei, tik esant kitoms koeficiento v0 reikšm÷ms, jos yra didesni nei skaičiuojant τkrit. Ilgoms sijoms v0 = 19. Tokiu atveju σkrit poveikis pastovumui yra ne toks pavijingas kaip τkrit. Nustatant vertikalios sienel÷s pastovumą paprastai reikia įvertinti kelių rūšių įtempimų kompleksinį poveikį.

7.5 pav. Vietinis vertikalios sijos sienel÷s pastovumas: a – σσσσ ir ττττ įtempimų susidarymas, d÷l kurių prarandamas pastovumas; b, c – standumo briaunos

Kad padidinti vietinį vertikalios sienel÷s pastovumą, t.y. padidinti τkrit esant tam pačiam sijos aukščiui,

reikia sumažinti a ir privirinti standumo briaunas. Jos būtinos, jei nesilaikoma (7.29) ir (7.30) sąlygų. Standumo briaunų plotis bst = (hv/30)+40 mm; storis sst ≥ bst/15; atstumas tarp jų nustatomas pagal įtempimus ir sijos dydį, bet ne mažesnis nei 1,2hv.

Be pagrindinių standumo briaunų, privirinamų per visą sijos vertikalios plokštel÷s aukštį, tarp jų kartais statomos trikampio formos sutrumpintos standumo briaunos. Jų aukštis maždaug hv/3. Sutrumpintos plokštel÷s montuojamos, kai siją veikia didel÷s koncentruotos mas÷s krūviai. Paprastai, jas virinant prie sijos, vertikalioje plokštumoje atsiranda išsikraipymai.

Didelio aukščio sijose h ≥ (2,5…3,0) m kartais montuojamos horizontalios standumo juostos jas išd÷sto c = (1/4…1/5)hv atstumu nuo horizontalios viršutin÷s juostos (7.5 c pav.).

7.5 Sijų sandūros

Sijų sandūrų stiprumas skaičiuojamas lenkimui. Įtempimai sandūroje nustatomi taip:

σ = M/W ≤ [σ]t , (7.32)

Jei leistinieji sujungimo įtempimai [σ’]t < [σ]t, tuomet sandūra yra nelygiareikšmio stiprumo lyginant su pagrindiniu metalu. Tokiu atveju sandūrą reikia nukelti toliau nuo maksimalių momentų srities, kad būtų tenkinama sąlygą σ ≤ [σ’]t. Jei σ ≥ [σ’]t, o sandūra turi būti srityje, kurioje momentas turi didžiausią reikšmę, tuomet leidžiamas vietinis sijos sustiprinimas privirinant papildomus lakštus, padidinančius inercijos momentą skaičiuojamame pjūvyje. Tuomet:

σ = M/W’ ≤ [σ’]t , (7.33)

čia W’ – sustiprinto sijos skerspjūvio atsparumo momentas.

98

Antd÷klai naudojami retai, nes d÷l jų atsiranda įtempimų koncentracija ir jie tik blogina sijos darbą esant kintančioms apkrovoms.

7.6. Atramin÷s dalys

Sijų atramin÷s dalys konstruojamos išgaubtos plokšt÷s formos, kad sijos tvirtinimas būtų šarnyriškas. Plokščių atramų projektavimas neracionalus. Esant labai didel÷ms apkrovoms, atramin÷s plokšt÷s suvirinamos. Išgaubtos atramin÷s plokšt÷s pavyzdys pateiktas 7.6 pav. Ant vienos atramos sija turi išilginį paslankumą, ant kitos ji paprastai tvirtinama varžtais arba kaiščiais. Atramin÷s plokšt÷s plotis b0 = (1,1…1,2)b, ilgis a = (1,0…1,5)b.

Plokšt÷s gaminamos iš plieno: jų storis ties galais s0 = (10…15) mm, išgaubto paviršiaus spindulys R = (1…2) m. Plokšt÷s storis ties ašimi parenkamas pagal jos atsparumą lenkimui. Apkrovas, veikiančias į plokšt÷s ilgio vienetą, pažym÷sime q. D÷l apkrovos q ties plokšt÷s ašimi susidaro skersin÷ j÷ga:

Q = 2

qa = 2

A (7.34)

Plokšt÷s lenkimo momentas ties ašimi:

M = 8

2qa=8

Aa, (7.35)

7.6 pav. Sijos atramos

Varžtais susilpninto plokšt÷s skerspjūvio atsparumo momentas nustatomas:

W = (b0 – 2d)6

2s, (7.36)

Reikalingas plokšt÷s storis:

S =db

W

2

6

0 −, (7.37)

7.7. Sijos nuovargio atsparumas ir jo padidinimo būdai

Geriausias nuovargio atsparumo padidinimo būdas yra įtempimų koncentracijos pašalinimas arba bent sumažinimas.

Statiškai apkrautų suvirintų sijų stiprumas pakankamas, tačiau įtempimai jų skerspjūvyje pasiskirsto netolygiai. Plačiajuosčių dvit÷jų sijų horizontalių juostų simetrijos ašyje įtempimai didesni nei pakraščiuose. Jei juostos privirintos trūkiąja siūle, tai sijos skerspjūvis nedirba kaip vientisas elementas. Vertikalios sienel÷s briaunų srityje gaunama įtempimų koncentracija. Kai juostų siūl÷s ištisin÷s, įtempimų koncentracija mažesn÷. Apkrovus siją koncentruota j÷ga, taip pat susidaro įtempimų koncentracija. Kuo didesnis sijos su privirintu prie juostos b÷giu standumas, tuo didesniame vertikalios sienel÷s ilgyje pasiskirsto koncentruota j÷ga ir tuo mažesn÷ įtempimų koncentracija.

99

7.7 pav. Sijų, apkrautų kintančiomis apkrovomis, konstrukcinis apiforminimas

Jei racionaliai parinkta konstrukcijos forma ir suvirinimo technologinis procesas, tuomet suvirinta sija gerai atlaiko kintamas apkrovas. Visi sijos sandūros elementai turi būti suvirinti sandūrin÷mis siūl÷mis nenaudojant antd÷klų. 7.8 a pav. pavaizduoti skirtingo storio ir pločio sklandžių horizontalių juostų sandūros pavyzdžiai. Papildomų juostos lakštų galai turi būti tokie kaip parodyti 7.8, b pav.Standumo briaunas tikslinga privirinti taip, kaip pavaizduota 7.8 c pav. Prie tempiamų juostų ir prie ištemptos vertikalios sienel÷s dalies standumo briaunos nevirinamos: a = (0,1…0,2)hv ; b ≈ ,05a.

7.8 pav. pavaizduoti suvirintų sijų pavyzdžiai iš mažaanglio plieno ir jų patvarumo ribos esant pulsuojančioms apkrovoms. Bandymai parod÷, kad antd÷klų naudojimas sumažina konstrukcijos nuovargio atsparumą. Didžiausią nuovargio atsparumą turi sijos be sandūrų ir kurių sandūros mechaniškai apdirbtos.

7.8 pav. Suvirintų sijų patvarumo ribos

7.8. Sijų skaičiavimo ir projektavimo pavyzdys

Užduotis. Paskaičiuoti ir suprojektuoti l = 16 m ilgio laisvai atremtais galais suvirintą siją iš S 235 plieno (LST EN 10027 – 1) . Leistinieji šio plieno įtempimai [σ]t = 160 MPa. Pokranin÷ sija apkraunama tolygiai pasiskirsčiusia apkrova nuo nuosavojo svorio q = 2,5 kN/m ir dviem koncentruotom apkrovomis P = 50 kN (nuo vežim÷lio ir krūvio svorio), kurios gali jud÷ti sija. Atstumas tarp vežim÷lio ašių d = 2 m, didžiausias sijos įlinkis f/l neturi viršyti 1/500 (7.10, a pav.).

Pradžioje nustatome skaičiuojamąsias įražas M ir Q.Paskaičiuojamos momentų influent÷s įvairiuose sijos pjūviuose (7.9, b pav.). Didžiausios influenčių ordinat÷s ymaks. įvairiuose pjūviuose x bus:

x 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ymaks. 0,09⋅l 0,16⋅l 0,21⋅l 0,24⋅l 0,25⋅l

100

Nustatykime momentus nuo vežim÷lio svorio kiekviename pjūvyje įvertinant tai, kad viena koncentruota apkrova yra virš influent÷s maksimumo, o antra – yra žemiau, kaip 7.9, b pav. Momentas nuo koncentruotų j÷gų skaičiuojamas pagal:

MP = Σ Pyi, (7.38)

čia yi – influenčių ordinat÷, t.y.:

MP = ymaks. [1 + (l – x – d)/(l – x)]P (7.39)

Pjūvyje x momentas nuo tolygiai pasiskirsčiusios apkrovos:

Mq = (qlx/2) – (qx2/2) (7.40)

Suminiai momentai pjūviuose nuo koncentruotų j÷gų ir tolygiai pasiskirsčiusių apkrovų:

MΣ = MP + Mq, (7.41)

Skaičiavimų rezultatai pateikti 7.9, c…e pav. Tokiu atveju skaičiuojamasis momentas bus:

MΣ = 430 kNm = 0,43 MNm,

7.9 pav. 16 m ilgio sijos influent÷s: a – sijos schema; b – momentų influent÷s; c – didžiausi momentai M nuo judančios apkrovos įvairiuose pjūviose; d – momentų epiūra nuo q; e – didžiausias skaičiuojamasis momentas M nuo P ir q; f – skersin÷s j÷gos Q influent÷s; g – didžiausios Q reikšm÷s nuo judančios apkrovos įvairiuose p-jūviuose; h – Q epiūra nuo q; I – didžiausios skaičiuojamos Q reikšm÷s įvairiuose pjūviuose

Šiam lenkimo momentui atlaikyti reikalingas sijos atsparumo momentas:

101

Wreik = MΣ / [σ]t = 0,43⋅/ 160 = 0,002688 m3 = 2688 cm3.

Nustatome skersin÷s j÷gos influentes (7.9, f pav.). Skirtingiems pjūviams x ordinat÷s Q bus:

x 0 0,1l 0,2l 0,3l 0,4l 0,5l Q ordinat÷ 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Nustatome skaičiuojamąsias įražas nuo koncentruotų j÷gų kiekviename nurodytame pjūvyje įvertinant

tai, kad viena iš jų yra influent÷s viršūn÷je:

QP = Σ Pyi, (7.42)

arba:

QP = P

−−−

+xl

dxl1 , (7.43)

Skersin÷s j÷ga Q nuo paskirstytos apkrovos q.:

Qq = 2

ql – qx, (7.44)

Sumin÷s skersinių j÷gų nuo koncentruotų ir tolygiai pasiskirsčiusių apkrovų reikšm÷s:

QΣ = QP + Qq, (7.45)

Skaičiavimų rezultatai pateikti 7.9, g…i pav. Nustačius skaičiuojamąsias įražas, galima paskaičiuoti mažiausią sijos aukštį tenkinantį standumo sąlyga fmaks./l = 1/500 veikiant koncentruotom apkrovoms P. Čia reikia atkreipti d÷mesį į tai, kad įlinkis vertinamas tik nuo koncentruotų apkrovų P veikimo. Įtempimai nuo suminio momento MΣ = 430 kN⋅m veikimo gali siekti [σ]p, o įtempimai nuo koncentruotų j÷gų momento M = 350 kN⋅m sudarys tik 0,8[σ]t. Tod÷l nustatant sijos aukštį h šiuos įtempimus reikia imti vietoj [σ]t.

Įlinkis nuo dviejų simetriškai išd÷stytų koncentruotų j÷gų P:

f = EI

laPal

8

])/(3/41[ 22 −, (7.46)

Įstačius Pa=M į (7.46), gausime:

f = EI

l

aMl

8

3/412

2

−

, (7.47)

Jeigu M formul÷je (7.47) išreikšti per 0,8[σ]p ir padauginti iš atsparumo momento W = 2I/h, tai gausime:

f = Eh

l

alt

8

3/41][6,12

2

−σ

, (7.48)

tuomet sijos aukštis tenkinantis standumo sąlygą bus:

l

h=

Ef

lalt4

])/(3/41[][8,0 2−σ.

arba h = 0,912 m.

102

7.10 pav. Suvirintos sijos l = 16 m skaičiavimas: a – sijos aukščio h nustatymas pagal standumo sąlygą; b – parinktas sijos profilis; c – horizontalių ryšių išd÷stymas; d – vietinio koncentruotos j÷gos poveikio vertinimas; e – išilginių siūlių skaičiavimas; f – standumo briaunų išd÷stymas

Nustatant reikalingą sijos aukštį pagal mažiausio skerspjūvio sąlygą, reikia užduoti vertikalaus lakšto storį. Galima pasinaudoti šiuo santykiu:

sv = h10 /12,5 = 7,64 mm, Priimame h = 8 mm. Reikalingas aukštis pagal mažiausios mas÷s sąlygą nustatomas pagal (7.9) formulę:

h=1,33101608

43,0−⋅⋅

=0,753 m.

Kadangi pagal (7.48) formulę rastas aukštis didesnis nei pagal (7.9), tai jį reikia naudoti parenkant skerspjūvį. Priimame, kad vertikalaus lakšto aukštis h = 90 cm, o sijos aukštis h = 92 cm (7.10, b pav.).

Reikalingas dvit÷jo profilio suvirintos sijos skerspjūvio inercijos momentas:

Ireik = Wreik

2

h = 2688⋅46 = 123648 cm4.

Parinkto vertikalaus lakšto (900×8 mm) inercijos momentas:

Iv = 903

12

8,0= 48600 cm4.

Reikalingas sijos horizontalaus lakšto inercijos momentas:

Ih = Ireik - Iv = 75048 cm4.

Horizontalių lakštų inercijos momentas užrašomas tokiu būdu:

Ih = 2

+

2

10 2

hAI h .

Kadangi I0 mažas, tuomet reikalingas vienos lentynos skerspjūvio plotas:

Ah=Ih /

2

1

22

h=

25,452

75048

⋅ = 18,1 cm2.

Priimame horizontalaus lakšto matmenis 180×10 mm. Nustatome parinkto sijos skerspjūvio patikslintą inercijos momentą:

I = 903⋅0,8/12 +2

⋅⋅+ 23 5,4518112

181 = 123132 cm4.

103

Didžiausi normaliniai įtempimai sijoje:

σmaks. = I

Mymaks = 810123132

43,0−⋅

0,46 = 160,7 MPa.

Skaičiuojamieji įtempimai viršija leistinus 0,5 %, kas yra leistina. Nustatome tangentinius įtempimus

sijos svorio centre atraminiame pjūvyje pagal formulę τ = vIs

QS:

S = 1⋅18⋅ 45,5 + 0,82

452 = 819 + 810 = 1629 cm3;

Q = 113,75 kN;

τ = 28

6

108,010123132

10162911375,0−−

−

⋅⋅⋅

⋅⋅=19 MPa.

Nustatome ekvivalentinius įtempimus pjūvyje, kuriame didžiausias lenkimo momentas M = 0,43 MN⋅m ir skersin÷ j÷ga Q = 43,7kN. Ekvivalentiniai įtempimai skaičiuojami vertikalaus lakšto viršutin÷s briaunos lygyje, staigaus pjūvio pločio pasikeitimo srityje. Paskaičiuojami įtempimai nuo momento M veikimo:

σ1 = I

Mhv

2=

00123132,02

92,043,0

⋅⋅

= 157,2 MPa.

Tame pačiame pjūvyje įtempimai nuo skersin÷s j÷gos:

τ = vIs

QS=

2

6

108,000123132,0

10819437,0−

−

⋅⋅

⋅⋅= 3,65 MPa.

Čia S = 18⋅1⋅45,5 = 819 cm3 – horizontalios juostos skerspjūvio ploto statinis momentas svorio centro atžvilgiu.

Ekvivalentiniai įtempimai nustatomi pagal formulę:

σekv = 21

21 3τσ + = 157,4 MPa,

ir tai yra mažiau už didžiausius normalinius įtempimus. Išsiaiškinkim kaip garantuoti sijos stabilumą. Jei ji neįtvirtinama horizontalioje plokštumoje, tai reikia

žymiai sumažinti leistinuosius įtempimus. Tod÷l reikia numatyti viršutinio lakšto tvirtinimą poslinkiams išvengti, pavyzdžiui, sumontuoti horizontalius ryšius.

Užduokime atstumą tarp tvirtinimo taškų l0 = (10…20)b, pavyzdžiui 2,7 m (7.10 c pav.). Pagal (7.27) formulę nustatome:

α = 8⋅

⋅⋅

⋅+⋅

⋅⋅

3

32

1182

8,0901

9218

1270=0,49.

Pagal 7.3 lentelę parenkame koeficientą ψ: kai α = 0,49,tuomet ψ = 1,79. Sijos inercijos momentas vertikalios ašies atžvilgiu:

I = 0,83 12

90+ 2⋅183⋅

12

1= 976 cm4.

Koeficientas ϕ randamas pagal formulę (7.26):

ϕ = 1,792

270

92

123132

976

⋅

⋅103 = 1,64.

104

Koeficientas ϕ > 1,55. Tai reiškia, kad skaičiuojant galima parinkti ϕ=1. Sijos stabilumas, kai atstumas tarp horizontalių ryšių l0 = 2,7 m, užtikrintas.

Vertikalios sienel÷s stabilumui užtikrinti prie jos turi būti privirintos standumo briaunos. Užduokime atstumą tarp jų a = 1,5hv = 1,35 m. Stabilumui patikrinti reikia žinuoti šiuos dydžius:

1. Vertikalios sienel÷s kraštiniuose taškuose veikiančius normalinius įtempimus. Jie buvo nustatyti anksčiau σ1 = 157,2 MPa.

2. Vidutinius tangentinius įtempimus τ nuo skersin÷s j÷gos. Sijos viduryje Q = 43,7 kN, tuomet vidutiniai įtempimai:

τ = vv sh

Q=

2108,09,0

0437,0−⋅⋅

= 6,06 MPa.

3. Vietinius įtempimus σm nuo koncentruotos j÷gos (7.10, d pav.) pagal formulę (7.23). Priimame, kad m = 1:

σviet = P/svz.

Kad pagal (7.24) formulę nustatyti z, paskaičiuojame Ib – viršutinio lakšto su prie jo privirintu b÷giu inercijos momentas. Parenkame b÷gio skerspjūvį 50×50 mm 7,10, e pav.. Lakšto ir b÷gio svorio centro ordinat÷ viršutin÷s briaunos atžvilgiu:

y = (-18⋅1⋅0,5 + 5⋅5⋅2,5)/(18⋅1 + 5⋅5) = 1,2 cm.

Teigiama reikšm÷ reiškia tai, kad svorio centras yra aukščiau lakšto viršutin÷s briaunos. Iš naujo nustatome inercijos momentą atžvilgiu ašies, sutampančios su viršutine sienel÷s briauna (ši ašis

lygiagreti pagrindiniai ašiai):

In = 53

3

181

3

5 3+ = 214,3 cm4.

Dabar randame inercijos momentą atžvilgiu x0 ašies, einančios per lakšto su b÷giu svorio centrą (A = 43 cm2):

In = Inα - Ay2 = 152,4 cm4.

Apskaičiuojame sąlyginį atstumą:

z = 3,25 38,0

4,152=18,7 cm.

Pagal (7.23) randame σm nuo P = 50 kN:

σm=187,0008,0

105,0

⋅⋅

= 33,4 MPa.

Dabar skaičiuojame išilgines juostų siūles. Viršutinių ir apatinių išilginių siūlių statiniai K = 6 mm. Apatin÷se išilgin÷se siūl÷se veikia tangentiniai įtempimai:

τ=KI

QS

⋅⋅⋅ 27,0,

čia Q = 113,75 kN; S = 18⋅1⋅45,5 = 819 cm2; I = 123132 cm4. Iš čia:

τ = 006,07,0200123132,0

1081911375,0 6

⋅⋅⋅⋅⋅ −

= 9,2 MPa.

Nežiūrint į tai, kad darbiniai įtempiai yra nežymūs, technologiniu požiūriu vis tiek tikslinga palikti K = 6 mm. Skaičiuojant įtempimus viršutin÷s juostos siūl÷se, prie kurio privirintas b÷gis, reikia surasti:

S = 18⋅1⋅45,5 + 5⋅5⋅ 48,5 = 2031 MPa.

Manysime, kad inercijos momentas nepasikeit÷, kaip ir sijos svorio centras. Tuomet:

105

τ = 006,07,0200123132,0

10203111375,0 6

⋅⋅⋅⋅⋅ −

= 22,8 MPa.

Viršutin÷se juostų siūl÷se prie jau suskaičiuotų įtempimų prisideda ir τp nuo koncentruotos j÷gos P. Kaip jau buvo nustatyta, koncentruota j÷ga vertikalioje sienel÷je pasiskirsto ilgyje z = 18,7 cm (7.10, d pav.). Tokiu būdu, vietiniai įtempimai siūl÷je nustatomi pagal formulę τ = nP/(2zβK), čia K = 6 mm, n = 0,4:

τp=006,07,02187,0

005,04,0

⋅⋅⋅⋅

=12,7 MPa.

Sąlyginiai galutiniai įtempimai nustatomi pagal formulę τgal. = 22pττ + ≤ [τ′]:

τgal = 26,1 MPa.

Leistinus įtempimus išilgin÷se juostų siūl÷se nustatysime pagal [τ’] = 0,65[σ]t = 104 MPa. Siūlių, kuriomis privirinamos standumo briaunos, statinius parenkame tokius pačius, t.y. K = 6 mm.

Darbiniai įtempimai šioms siūl÷ms neperduodami, tod÷l stiprumo skaičiavimo nereikia. 8. Kolonos 8.1. Skerspjūvių tipai

Kolonos – tai stovai, į kuriuos remiasi stogų, tarpaukštinių perdangų, darbo aikštelių, estakadų ir kitos konstrukcijos. Kolonos sudarytos iš trijų dalių: liemens – pagrindinio laikančiojo elemento; galvenos, kuri į ją atremtų konstrukcijų atramines reakcijas paskirsto liemens skerspjūvyje; baz÷s, kuri liemens įražą paskirsto didesniame pamato plote ir kuria kolona įtvirtinama pamate. Jos skirstomos: pagal konstrukciją – į ištisines ir spragotas; pagal skerspjūvį – į pastovaus ir kintamo skerspjūvio; pagal apkrovimo pobūdį – į centriškai ir ekscentriškai gniuždomas.

Kolonų (stovų) skerspjūviai gali būti įvairios formos ir priklauso nuo paskirties, apkrovos dydžio, apkrovimo ekscentriškumo, kolonos ilgio, atramų tvirtinimo būdo, bendros objekto komponuot÷s ir kt. Gniuždomieji elementai turi būti ne tik stiprūs, bet pastovūs. Tod÷l gniuždomi elementai turi būti standūs visomis kryptimis. Gniuždomų elementų pastovumas pasiekiamas mažinant leistinuosius įtempius. Mažiausioji gniuždymo j÷ga, prie kurios prarandamas kolonos pastovumas, vadinama kritine j÷ga Nkr. Šarnyriškai abiejuose galose įtvirtintai ir centriškai apkrautai kolonai Nkr pagal Eulerį yra lygi:

2min

2

l

EINkr

π=

iš čia gauname:

2

2

2

0

2

20

22

20

2

λππππ

σE

r

l

E

l

Er

Al

EI

A

N krkr =

==== ,

čia λ – liaunis (žr. 8.2, 8.3, 8.4); r – inercijos spindulys (žr. 8.5). Kai σkr < σT leistinieji įtempiai nustatomi pagal formulę:

[ ]ats

krgn

K

σσ = ,

čia: Kats – atsargos koeficientas. Kai nedidel÷s ašin÷s apkrovos, nereikia didelio standumo , mažas stovo ilgis galima naudoti kampuotį

(8.1, a pav.). 8.1, b, c pav. pateikt skerspjūviai duoda gerą stovų standumą, nesud÷tinga gamyba. 8.1, d pav. skerspjūvis plačiai naudojamas, tarp kampuočių dedamos plokštel÷s padidina pastovumą, prie plokštelių jungiami kiti konstrukcijos elementai. Lengvai apkrautiems stovams tikslinga naudoti vamzdžius ir lenktus profilius, kurių sienelių storis 1…6 mm (8.1, c, i, j pav.). Kai kolonų apkrovos siekia kelis šimtus kN naudojami dvit÷jai skerspjūviai (8.1, e pav.), kurie daugeliu aspektų pranašesni už kitus. Didesniu pastovumu

106

pasižymi plačiajuosčiai dvit÷jai skerspjūviai. Naudojant sud÷tinius atdarus lovinius skerspjūvius (8.1,g, h pav.) , galima gauti didelius inercijos momentus, esant nedideliam skerspjūvio plotui. Kai ašin÷s apkrovos siekia tūkstančius kN, racionalu naudoti skerspjūvius pateiktus 8.1, k…m pav. D÷žinius skerspjūvius (8.1, n, o pav. tikslinga naudoti r÷mų konstrukcijoms. Kartais naudojami be siūliniai ir suvirinti vamzdžiai.

8.1 pav. Gniuždomų elementų skerspjūviai

8.2. Ištisinio skerspjūvio, centriškai gniuždomų kolonų stiprumas ir pastovumas

Centriškai apkrautų kolonų stiprumas ir pastovumas skaičiuojamas pagal formulę:

σ = – N/A ≤ [σ]t ϕ (8.1)

Panaudojus (8.1) formul÷je koeficientą ϕ < 1, užtikrinamas gniuždomo elemento pastovumas. ϕ < 1 dydis priklauso nuo gniuždomo elemento liaunio. Liaunis λ apibr÷žiamas laisvojo gniuždomo elemento santykiu su šio elemento skerspjūvio inercijos spinduliu r:

λ = l / r (8.2)

Kai kolona tvirtinama pagal 8.2, b pav. pateiktą schemą, tuomet:

λ = 2l / r (8.3)

Kai kolona tvirtinama pagal 8.2, c pav. pateiktą schemą, tuomet:

λ = 0,5l / r (8.4)

Inercijos spindulys:

r = AI (8.5)

Ta kryptimi, kuria inercijos spindulys mažiausias, elemento liaunis didžiausias. Kolonų liaunis priklauso nuo jų tvirtinimo būdo. Pavyzdžiui, 8.2, a pav. pateiktiems atvejams liaunis skaičiuojamas pagal formules (8.2), (8.3) ir (8.5) formules.

8.2 pav. Kolonų skaičiuojamosios schemos

Vietiniam pastovumo praradimui išvengti naudojamos standumo briaunos. Koeficiento ϕ reikšm÷s

priklausomai nuo elementų liaunio ir skaičiuojamojo atsparumo R pateiktos 8.1 lentel÷je (R ≈ 0,9σT. Įtempius gniuždomuose elementuose dažnai skaičiuoja pagal pakeistą (8.1) formulę:

σ = – N/Aϕ ≤ [σ]gn = [σ]t (8.6)

107

Aϕ vadina išvestiniu plotu. Parenkant gniuždomo elemento skerspjūvį susiduriama su tam tikrais sunkumais, nes leistinieji įtempiai priklauso nuo koeficiento ϕ, o koeficientas ϕ priklauso nuo skerspjūvio, kuris dar neparinktas.

Tokiu būdu, skerspjūvis parenkamas nuoseklaus art÷jimo būdu. Pradžioje priimame koeficientą ϕ1 = 0,5…0,8 priklausomai nuo konstrukcijos tipo. Galima priimti vidutinę reikšmę ϕ1 = 0,65 ir tuomet paskaičiuoti pagal (8.1) formulę reikalingą elemento skerspjūvio plotą. Suprojektuojamas skerspjūvio plotas ir įvardijamas kaip A2, surandamas mažiausias inercijos momentas Imin,. mažiausias inercijos spindulys rmin, didžiausias liaunis λmaks = l / rmin ir koeficientas ϕ2 pagal λmaks. Nustatomi įtempiai σ = N/ (A2ϕ2) suprojektuotame skerspjūvyje, kurie turi būti artimi [σ]t. Paskaičiuotieji įtempiai nuo leistinųjų gali skirtis nedaugiau kaip ± 5 %. Priešingu atveju, elemento skerspjūvio matmenys turi būti keičiami reikalinga kryptimi.

8.1 lentel÷. Centriškai gniuždomų elementų išilginio įlinkio koeficientas ϕϕϕϕ

Skaičiuojamasis atsparumas R ≈ 0,9σT, MPa Elementų liaunis 200 240 280 320 400 480 520 600 30 939 931 924 917 900 895 891 883 40 906 894 883 873 854 849 832 820 50 869 852 836 822 796 775 764 729 60 827 805 785 766 721 672 650 608 70 782 754 724 687 623 568 542 494 80 734 686 641 602 532 442 386 90 665 612 565 522 447 380 349 305 100 599 542 493 448 369 309 286 250 110 537 478 427 381 306 258 239 209 120 479 419 366 321 260 219 203 178 130 425 364 313 276 223 189 175 153 140 376 315 272 240 195 164 153 134 150 328 276 239 211 171 145 134 118 160 290 244 212 187 152 129 120 105 170 259 218 189 167 136 115 107 94 180 233 196 170 150 123 104 97 85 190 210 177 154 136 111 98 88 77

PASTABA. Lentel÷je ϕ reikšm÷s padidintos 1000 kartų.

Skaičiavimo pavyzdys (8.3 pav.). Parinkti šarnyriškai įtvirtintos kolonos skerspjūvį. Jos aukštis l = 8 m., išilginio gniuždymo j÷ga P = – 1100 kN, pagaminta iš plieno (R = 240 MPa).

Priimame, kad ϕ = 0,6. Reikalingas kolonos skerspjūvio plotas nustatomas pagal (8.1):

Areik = 1,100/240 ⋅ 0,6 = 76,4 cm2

Kolonų darbo sąlygų koeficientas gali būti priimtas lygiu 1,0. Tuomet R = [σ]t. Pirmajam bandymui priimame, kad konstruojame suvirintą dvit÷jinio skerspjūvio koloną, susidedančią

iš dviejų juostų 280 x 10 mm ir vienos juostos 200 x 8 mm. Skerspjūvio plotas A = 72 cm2. Inercijos momentas:

108

8.3 pav. Skaičiuojamoji kolona

Ix = 2(13⋅28/12 + 28⋅1⋅10,52) + 203⋅0,8/12 = 6712 cm4;

Iy = 2⋅283⋅1/12 + 0,83⋅20/12 = 3659 cm4

Mažiausias inercijos spindulys:

ry = 72/3659 = 7,13 cm

Liaunis pagal formulę (8.2):

λ = 800/7,13 = 112.

Pagal lentelę 8.1 parenkame ϕ= 0,466. Įtempiai:

σ = – 1,100/0,466⋅72⋅10–4= – 327,8 MPa.

Įtempiai kolonoje didesni už leistinuosius.(240 MPa). Reikia didinti skerspjūvio matmenis taip, kad padid÷tų ir inercijos spindulys.ry. Priimame juostų matmenis – 320 x10 mm, o vertikalios sienel÷s – 250 x 8 mm (antras variantas), tuomet:

A = 2⋅32⋅1 + 25⋅0,8 = 84 cm2

Inercijos momentas:

Iy = 2⋅323/12 + 0,83 ⋅25/12 = 5462 cm4

Inercijos spindulys:

ry = 82/5462 = 8,1 cm

Liaunis:

λ = 800/8,1 = 99

ϕ = 0,549

Gniuždymo įtempiai:

σ = –1,100/0,549⋅84⋅10–4= – 239 MPa

Skerspjūvis parinktas teisingai.

109

8.3. Ekscentriškai apkrautų kolonų stiprumas ir pastovumas

Ekscentriškai gniuždomo elemento darbas yra labai sud÷tingas. Jei kolona apkrauta ekscentriškai, tuomet atliekami trys pastovumo patikrinimai.

Pirmas. Patikrinamas kolonos gniuždymo stiprumas nuo M ir N veikimo pagal (8.7) formulę:

σ = ± M/W – N/A ≤ [σ]t (8.7)

Antras. Patikrinamas kolonos pastovumas nuo j÷gos N momento M veikimo plokštumoje, kurioje dažniausiai skerspjūvio standumas didžiausias. Elementų pastovumas priklauso nuo jų takumo ribos; did÷jant takumo ribai koeficientas ϕ maž÷ja (žr. 8.1 lent.). 8.2 lentel÷je ši priklausomyb÷ vertinama sąlyginio liaunio koeficientu:

ER /λλ = (8.8)

Did÷jant plienų takumo ribai, did÷ja R ir λ , o ϕm maž÷ja. Ši aplinkyb÷ leidžia panaudoti 8.2 lentelę plienams su įvairiomis takumo ribomis.

Koeficientas ϕ pakeičiamas koeficientu ϕm:

σ = – N/Aϕm = [σ]t (8.9)

8.2 lentel÷. Ekscentriškai gniuždomų, vientiso skerspjūvio kolonų, apkrautų momentu, pastovumo tikrinimo koeficientai ϕϕϕϕm

mη

λ 0,1 0,25 0,50 0,75 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0

1,0 925 854 778 711 653 563 484 382 307 259 225 175 1,5 875 804 716 747 593 507 439 347 283 240 207 163 2,0 813 742 653 587 536 457 397 315 260 222 193 153 2,5 742 672 581 526 480 410 357 287 238 204 178 144 3,0 667 597 580 465 425 365 320 260 217 187 166 135 3,5 585 527 455 408 375 325 287 233 198 172 153 125 4,0 505 410 394 356 330 289 256 212 181 158 140 118 4,5 418 380 342 310 288 257 229 192 165 146 130 110 5,0 354 335 295 273 253 225 205 175 150 135 120 103 5,5 302 280 256 240 224 200 184 158 134 124 112 95 6,0 258 244 223 210 198 178 166 145 128 115 105 89 6,5 223 213 196 185 176 160 149 132 117 106 97 83 7,0 194 186 173 163 157 145 136 121 108 98 91 78 8,0 152 146 138 133 128 117 113 100 91 83 78 68 PASTABA. ϕ reikšm÷s lentel÷je padidintos 1000 katrų. η priklauso nuo naudojamo profilio ir gali būti priimamas 1…1,2.

Vientisiems skerspjūviams koeficientas ϕ nustatomas pagal λ ir mη (8.2 lent.). Santykinis ekscentricitetas:

m = (M/W)/(N/A), (8.10)

čia η –formos koeficientas, gali būti nuo 1 iki 2; λy – kolonos liaunis momento veikimo plokštumoje;

λ y – sąlyginis liaunis, λ = λy ER / . Trečias. Patikrinamas kolonos pastovumas didžiausio liaunumo kryptimi, dažniausiai statmena

momento veikimo krypčiai pagal formulę:

σ = – N/cϕminA ≤ [σ]t (8.11)

c = β/(1 + αm) (8.12)

Apytikriai galima priimti, kad β = 1, α = 0,7; d÷žiniams profiliams α = 0,6. Pagal liaunį λx didžiausio liaunio plokštumoje nustatome ϕmin.

110

Reikalingas skerspjūvio plotas nustatomas taip pat nuoseklaus priart÷jimo metodu. Jei nevertinti momento, tai reikalingas skerspjūvio plotas nustatomas pagal formulę:

Areik= N/ [σ]t ϕ (8.13)

Priimame sumažintas ϕ = 0,4…0,6 reikšmes ir nustatome Areik. Projektuojamas skerspjūvis ir patikrinamas jo stiprumas bei pastovumas pagal formules (8.7), (8.9),

(8.11). Jei paskaičiuotų ir leistinųjų įtempių skirtumas didesnis už ± 5 %, tai skerspjūvio matmenys keičiami ir iš naujo tikrinamas stiprumas bei pastovumas.

Skaičiavimo pavyzdys (8.4 pav.). Kolona, kurios aukštis l = 10 m ir galai šarnyriškai pritvirtinti,

centriškai apkrauta gniuždymo j÷ga P = 1000 kN ir ekscentriškai j÷ga p = 50 kN, ekscentricitetas e = 0,6 m; [σ]t = 160 MPa. Parinkti skerspjūvio elementus.

8.4 pav. Ekscentriškai apkrautos kolonos schema

Išilgin÷ gniuždymo j÷ga:

N = P + p = – 1050 kN

Apytikriai skaičiuodami ir nevertindami veikiančio momento, priimame ϕ = 0,5. Reikalingas skerspjūvio plotas nustatomas pagal (8.13):

Areik = 1,05/(160⋅0,5) = 0,0131 m2 = 131 cm2

Priimame d÷žin÷s formos skerspjūvį, susidedantį iš dviejų juostų 300 x 12 mm ir dviejų juostų 250 x 10 mm, kurių bendras skerspjūvio plotas A = 122 cm2.

Nustatome inercijos momentą ašies y atžvilgiu:

Iy = 2(303⋅1,2/12 + 25⋅13/12 + 25⋅1⋅15,52) = 17416 cm4

Nustatome inercijos spindulį pagal formulę (8.3):

ry = 122/17416 = 12 cm

Liaunis (8.2):

λy = 1000/12 = 83

Atsparumo momentas:

Wy = 17416/16 = 1088 cm3

Momentas My = p⋅ e = 30 kN⋅m. Suminiai didžiausi įtempiai nuo M ir N nustatomi pagal formulę (8.7):

σmaks. = – 0,03/1088⋅10–6 – 1,05/122⋅10–4= – 113,5 MPa.

111

Gautieji įtempiai mažesni už leistinuosius. Patikriname kolonos pastovumą momento veikimo plokštumoje (antrasis patikrinimas). Nustatome santykinį ekscentricitetą pagal formulę (8.8):

m = 0,03⋅122⋅10–4/1,05⋅1088⋅10–6 = 0,32

Priimame, kad η = 1,2. Tuomet m⋅η = 0,38. Pagal 8.2 lentelę randame ϕm = 0,649. Gniuždymo įtempimus randame pagal formulę (8.9): σ = –1,05/ 0,649⋅122⋅10–4 = 132,6 MPa Patikrinimas tenkina. Kolonos pastovumo tikrinimas statmenai momento veikimo krypčiai (trečiasis patikrinimas). Inercijos momentas x ašies atžvilgiu:

Ix = 2(253⋅1/12 + 30⋅1,23/12 + 30⋅1,2⋅11,92) = 12808 cm4

Inercijos spindulys rx = 122/12808 = 10,2 cm

Liaunis λx = 1000/10,2 = 98

Pagal 8.1 lentelę parenkame ϕmin = 0,556. Pagal formulę (8.12) c = 0,84. Gniuždymo įtempius randame pagal formulę (8.11): σ = – 1,05/0,84⋅0,556⋅122⋅10 –4 = 184 MPa Gauti įtempiai yra didesni už leistinuosius, nes buvo priimtas kolonos skerspjūvis mažesnis (A = 122

cm2) nei reikalingas (Areik = 131 cm2). Tod÷l reikia priimti didesnio skerspjūvio koloną sudarančius elementus ir iš naujo patikrinti.

8.4. Spragotų kolonų pastovumo skaičiavimas

Sud÷tinio skerspjūvio kolonų juostos sujungiamos ryšiais, dažniausiai tai būna plokštel÷s (8.5, a pav.). Sud÷tinio skerspjūvio kolonų pastovumo ašies x, kertančios ištisines juostas, atžvilgiu skaičiavimas atliekamas kaip ir ištisinio skerspjūvio kolonų. Tikrinant kolonos pastovumą y ašies, kertančio ryšio plokšteles (8.5, a pav.), atžvilgiu, koeficientas randamas ne kaip liaunio λy funkcija, o kaip skaičiuojamojo liaunio:

λ0 = 21

2 λλ +y (8.14)

λy paskaičiuojame kaip ištisiniam skerspjūviui. Ilgyje l vienos juostos liaunis:

λ1 = l1/r1 (8.15)

Rekomenduojama ryšio plokšteles išd÷styti taip, kad liaunis λ1 ≤ 40. Skaičiavimui naudoti didesniąją λx arba λ0 reikšmę.

8.5, b pav. parodyti sud÷tin÷s kolonos elementų ryšys tinkleliu.

112

8.5 pav. Kolonos elementų ryšiai. a – jungiamosios plokštel÷s; b – jungčių tinklelis.

8.5. Jungiamieji elementai

Jei kolona centriškai apkrauta gniuždymo j÷ga, tuomet skersin÷s j÷gos jos neveikia. Tačiau realiai kolonos ašis gali būti šiek tiek iškreipta, o taip pat nedidelis apkrovos prid÷jimo ekscentricitetas. Tod÷l, esant tokioms aplinkyb÷ms, gali atsirasti skersin÷ j÷ga. Kolonoms iš mažaanglio plieno ir kai kurių aliuminio lydinių skersin÷ j÷ga skaičiuojama pagal empyrinę formulę:

Qsąlyg = 200A, N, (8.16)

čia A – kolonos skerspjūvis, cm. Kolonoms iš padidinto stiprumo plienų:

Qsąlyg = 400A, N, (8.17)

8.6, a pav. pavaizduotoje kolonoje susidaro reali skersin÷ j÷ga, lygi horizontaliai reakcijos sudedamajai :

Q = Pe/l (8.18)

Jeigu reali skersin÷ j÷ga didesn÷ už sąlyginę, tuomet kolonos skaičiavimui naudojama reali skersin÷ j÷ga Q. Ištisinio skerspjūvio gniuždomų kolonų jungiamaisiais elementais priimamos virintin÷s siūl÷s. Jos turi

būti ištisin÷ (8.6, b pav.). Sujungimo siūlių skaičiavimui naudojamos skersin÷s j÷gos, t. y. ta skersin÷ j÷ga (sąlygin÷ arba reali), kuri yra didesn÷.

Tangentiniai įtempimai sujungimo siūl÷se nustatomi pagal formulę:

τ = QS/2IKβ, (8.19)

čia I – viso kolonos skerspjūvio inercijos momentas ašies atžvilgiu; S – juostos ploto statinis momentas (8.6, b,c pav.).

113

8.6 pav. Kolonos schema (a) ir skerspjūviai (b, c, d)

8.6, d pav. pavaizduotos konstrukcijos atveju,kirpimo įtempiai išilgin÷je siūl÷je nustatomi pagal formulę.

τ = QS/2Is, (8.20) čia S = A⋅e; A – pus÷s žiedo plotas; s – sienel÷s storis; e – pus÷s žiedo svorio centro atstumas iki

vamzdžio centro. Įtempiai nuo skersinių j÷gų veikimo paprastai būna nedideli. Tačiau nežiūrint į tai statinio aukštis turi

būti K ≥ 4 mm, jei sujungiamų elementų mažiausias storis yra didesnis už 4 mm. Skaičiavimo pavyzdys 8.3, 2 variantas. Nustatyti jungiamųjų elementų įtempius, jei K = 5 mm, A = 84

cm2, medžiaga – plienas 09Mn8, automatinis suvirinimas (β = 1,0). Pagal (8.17) nustatome:

Qsąlyg = 400⋅ 84 = 33600 N

Skerspjūvio inercijos momentas:

I = 253⋅(0,8/12) + 2(32⋅(13/12 + 32⋅1⋅132) = 11863 cm4

Juostos statinis momentas kolonos skerspjūvio ašies atžvilgiu:

S = 32⋅1⋅13 = 416 cm3

Įtempiai išilgin÷se siūl÷se nustatomi pagal (8.19):

τ = (0,0336⋅416⋅10–6)/(11863⋅10–8⋅2⋅0,5⋅10–2⋅1,0 = 14,95 MPa

114

8.7 pav. Kolonos ryšio elementų siūl÷s

Sud÷tinio skerspjūvio kolonų jungiančiąsias plokšteles tikslinga įvirinti sandūrin÷mis jungtimis į tarpą tarp juostų, nes gaunamos trumpesn÷s siūl÷s ir tuo pačiu mažesn÷s deformacijos (8.7, a pav.). Tačiau dažniau naudojamos užleistin÷s jungtys, nes taip paprasčiau privirinti (8.7, b pav.). Tarp sud÷tinio skerspjūvio juostų gali būti įvirintos diafragmos (8.5, a pav.). Diafragmos padidina kolonos susukimo atsparumą. Diafragmų skaičius priklauso nuo kolonos aukščio, tačiau turi būti mažiausiai dvi. Diagramų stiprumas neskaičiuojamas, jų geometriniai matmenys priklauso nuo atstumo tarp juostų. Diagramos storis priimamas kaip sujungimo plokštel÷s. Patikrinamas plokštelių atsparumas lenkimui:

M = Ql1/4, (8.21)

čia l1 – atstumas tarp plokštelių ašių; Q – skersin÷ j÷ga. Įtempiai plokštel÷je nuo lenkimo momento:

σ = M/W ≤ [σ]t, (8.22)

čia W = sh2/6 Mažiausias reikalingas plokštel÷s aukštis:

h= tsM ][/6 σ (8.23)

Jei plokštel÷ įvirinta į tarpą tarp juostų sandūrin÷mis siūl÷mis, tuomet įtempiai siūl÷se nustatomi:

σ = 6M/sh2 ≤ [σ’]t (8.24)

Jei plokštel÷s privirintos kampin÷mis siūl÷mis, tuomet stiprumas skaičiuojamas:

M = τh2βK + τβKa(h + K) (8.25)

Skaičiavimo pavyzdys (8.7 pav.). Išd÷styti sud÷tin÷s kolonos jungiamąsias plokšteles ir nustatyti jų stiprumą.

Kolonos skerspjūvis sudarytas iš dviejų lovių (22a nr.); leistinieji įtempiai [σ] = 210 MPa. Mažiausias 22a nr. lovio inercijos momentas jo vertikalios (y) ašies atžvilgiu I1 = 187 cm4, Jo

skerspjūvio plotas A = 28,8 cm 2, inercijos spindulys r1 = 2,55 cm. Priimame, kad juostos liaunis λ1 = 40. Atstumas tarp ryšio plokštelių centrų l1 = λ1⋅r1 = 102 cm. Kolonos skersin÷ j÷ga nustatoma pagal formulę (8.17):

115

Q = 400⋅2⋅28,8 = 23040 N

Lenkimo momentas nustatomas pagal formulę (8.21):

M = 0,02304⋅102⋅10–2 /4 = 0,005875 MN⋅m

Priimame plokštel÷s storį s = 0,8 cm.

h = 2108,0210/(6005875,0 −⋅⋅⋅ = 0,145 m

Priimame h = 15 cm. Horizontalių siūlių ilgis a = 5 cm, K = 0,8 cm, β = 0,7. Įtempimai siūl÷se nuo lenkimo.

τ = 0,005875/(0,7⋅0,008⋅0,05(0,15+0,008)) + 0,7⋅0,008⋅0,152 / 6 = 132,8 MPa < [τ′] = 0,65 [σ]t = 136,5 MPa.

8.6. Sandūros

Kolonų sandūras galima suvirinti keliais būdais. 8.8, a, b pav. sandūros paviršiai statmeni kolonos ašiai. Įtempiai σ suvirintose jungtyse paprastai žymiai mažesni už leistinuosius, nes pagal pastovumo sąlygą σ ≤ [σ]t ϕ, tod÷l jungties stiprumas užtikrinamas. Sandūrin÷ jungtis su antd÷klu naudojama sud÷tin÷ms kolonoms (8.8, c pav.). Antd÷klas čia atlieka taip pat ir ryšio plokštel÷s funkcijas. 8.8,d pav. parodyta sandūra per tarpinę plokštelę, pagerinančią sandūros darbo sąlygas, tod÷l skaičiuojant jungties stiprumą leistinieji įtempiai gali būti padidinti iki [σ]gn:

L ≥ N/βK[σ]gn , (8.26)

čia L – siūl÷s, jungiančios kolonos skerspjūvį su plokštele, perimetras.

8.8 pav. Kolonų sandūros

8.7. Kolonos galvenos ir pagrindas

8.9 pav. pateikiamas kolonos galvenų ir pagrindo pavyzdys. Pagrindas yra plokšt÷, prie kurios t÷jine jungtimi privirinta kolona. Plokšt÷ remiasi į pamatą, prie kurio pritvirtinama keturiais varžtais. Kad tolygiau sl÷gis būtų perduodamas į pamatą, prie kolonos pagrindo privirinamos šešios standumo briaunos vertikalios sienel÷s ir juostų plokštumose. Vertikalios kolonos siūl÷s 1 mažai apkrautos. Jos priima tik fiktyvias skersines apkrovas. Galvenos ir pagrindo horizontalias siūles tiksliai paskaičiuoti labai sunku. Siūl÷s turi būti ištisin÷s. Siūl÷s statinis K = (0,75…1,0)s, čia s – standumo briaunos storis.

Pramoninių pastatų kolonos pavyzdys pateiktas 8.10 paveiksle.

116

8.9 pav. Galvenos ir pagrindo

privirinimo prie kolonos pavyzdys 8.10 pav. Pramoninių pastatų suvirinta kolona

9. Lenkiamų elementų jungtys 9.1. Paprasčiausios jungtys

Paprasčiausias lenkiamos jungties tipas parodytas 9.1, a pav. Jei jungties briaunos buvo nusklembtos, tai siūl÷s skerspjūvis nesiskiria nuo juostos skerspjūvio ir įtempiai skaičiuojami pagal formulę:

σ = M/W ≤ [σ’]t , (9.1)

čia W = sh2/6; s – juostos storis; h – jos aukštis. Jei veikia išilgin÷ j÷ga N = P (9.1, c pav.) ir momentas M, stiprumas skaičiuojamas:

σ = M/W + N/A ≤ [σ’]t , (9.2)

Jei lenkiamas elementas privirintas kampin÷mis siūl÷mis (9.1, b pav.): τ = M/Ws ≤ [τ’], (9.3) čia Ws – kampinių siūlių atsparumo momentas.

117

9.1 pav. Paprasčiausieji jungties tipai: a – jungtis su nusklembtomis briaunomis, veikiama M; b – tokia pat jungtis, veikiama M ir N; c – jungtis kampin÷mis siūl÷mis, veikiama M; d – tokia pat jungtis, veikiama M ir N; e – kampin÷s siūl÷s darbo schema.

Atsparumo momentas plokštumoje O – O (9.1, e pav.) dviejų kampinių siūlių, kurių statinis K ir ilgis h:

Ws =2βKh2/6 (9.4)

Kampinių siūlių stprumas skaičiuojamas kirpimui, nes jungtis suyra keturiasdešimt laipsnių kampu: τ = M/( 2βKh2/6) ≤ [τ’] (9.5) Jei veikia išilgin÷ j÷ga N = P (9.1, d pav.) ir momentas M, skaičiuojami kampinių siūlų tangentiniai

įtempiai: τ = M/Ws + N/As ≤ [τ’], (9.6) čia [τ’] – leistinieji kirpimo įtempiai siūl÷je; As – kampinių siūlių kirpimo plokštuma.

9.2. Stiprumo skaičiavimas, skaidant į sudedamąsias

Priimame, kad momentą M atsveria j÷gų dvejeto momentas veikiantis horizontaliose siūl÷se Mh ir momentas veikiantis vertikalioje siūl÷je Mv (9.2, a pav.):

9.2 pav. Lenkiami plokštumoje M suvirintieji sujungimai

M = Mh + Mv (9.7)

Horizontaliose siūl÷se susidaro j÷gų dvejetas ir nuo jo momentas:

Mh = τβKa(h + K) (9.8)

Momentas vertikalioje siūl÷je:

Mv = τWs = τβKh2/6 (9.9)

Tuomet:

M = τβKa(h + K) + τβKh2/6 (9.10)

118

Iš (9.10) formul÷s paskaičiuojame τ: τ = M/(βKa(h + K) + βKh2/6 (9.11) Naudojant formulę (9.11) galima rasti reikalingą siūl÷s ilgį a arba siūl÷s statinį K.

9.3. Stiprumo skaičiavimas polinio inercijos momento metodu

Jei jungties siūl÷s forma sud÷tinga, kartais stiprumą patogiau skaičiuoti polinio inercijos momento metodu. Tarkim, kad viekiant momentui jungties elementas pasisuka siūl÷s svorio centro O atžvilgiu. Elemente

dF susidaro reaktyvin÷ j÷ga

dT = τdF (9.12) Visos jungties reaktyvin÷s j÷gos momentas svorio centro O atžvilgiu:

M = ∫ dFrτ (9.13)

Kadangi siūl÷s taškų atstumas matuojamas nuo jungties svorio centro, tuomet įtempiai τ tuose taškuose taip pat proporcingi šiam atsumui:

τ /τ1 = r/1 (9.14) τ = τ1 r, (9.15) čia τ1 – įtempiai sąlyginiu vienetiniu atstumu nuo centro O.Kadangi τ1 nepriklauso nuo atstumo r, tod÷l

jį galima perkelti prieš integralo ženklą:

M =τ1 dFrF∫ 2 (9.16)

Integralas formul÷je (9.16) turi polinio virintin÷s siūl÷s taško O atžvilgiu inercijos momento išraišką:

p

F

IdAr =∫ 2 (9.17)

Ip = Iz + Iy

Iš formul÷s (9.15) randame:

τ = M/Ip (9.18)

Didžiausieji įtempiai:

τmaks = (M/Ip) rmaks (9.19)

9.3 pav. Jungtis stiprumui skaičiuoti poliniu inercijos momento metodu

119

Skaičiavimo pavyzdys (9.3, b pav.). Nustatyti įtempius jungties, suvirintos rankiniu būdu, siūl÷je. Nustatome virintin÷s siūl÷s, jungiančios t÷jinę siją su lakštu, svorio centro koordinates. Kadangi siūl÷

simetriška abscis÷s atžvilgiu, tuomet svorio centrą nustatome juostos galo vertikalios briaunos atžvilgiu.

zs= (2⋅10⋅1⋅5 – 30⋅1⋅0,5) / )2⋅10⋅1 – 30⋅1 = 1,7 cm

Siūl÷s inercijos momentas z ašies atžvilgiu:

Iz = 303⋅1/12 + 2(10⋅13/12 + 10⋅1⋅15,52) = 7057 cm4

Siūl÷s inercijos momentas y ašies atžvilgiu:

Iy = 2[103⋅1/12 / 10⋅1(5 – 1,7)2] + 30⋅13/12 + 1⋅30(1,7 + 0,5)2 = 532 cm4

Siūl÷s perimetro polinis inercijos momentas:

Ip = 7057 + 532 = 7589 cm4

Perskaičiuojame polinį inercijos momentą, įvertindami kampin÷s siūl÷s irimą

I’p= 0,7⋅7589 = 5312 cm4

Lenkimo momentas: M = 0,025⋅1 = 0,025 MN⋅m. Didžiausias atstumas rmaks parodytas 9.3, b pav., kurio koordinat÷s: (100 –17) = 83 mm ir (150 + 10) =

160 mm. Didžiausi tangentiniai įtempiai:

τmaks = (0,025 22 083,016,0 + ) / 5,312⋅10–5 = 84,7 MPa

Vidutiniai įtempiai vertikalioje siūl÷je nuo Q = P = 25kN, veikimo:

τQ = 0,025/ (0,3⋅0,7⋅0,01) = 11,9 MPa

Kadangi τmaks įtempių srityje τQ = 0, tod÷l atstojamųjų įtempių tikrinti nereikia. Tai pačiai jungčiai nustatome įtempius pirmuoju metodu – išskaidydami į sudedamąsias pagal formulę

(9.11).

τ = 0,025 / [0,7⋅0,01⋅0,1(0,3 + 0,01) + 0,7⋅0,01⋅(0,32/6)] = 77,6 MPa

Skaičiuojant šiuo metodu τ pastovus visame horizontalios siūl÷s ilgyje. Atstojamieji įtempiai vertikalios ir horizontalios siūlių susikirtimo taške:

τ = 22 9,116,77 + = 78,5 MPa

Įtempiai paskaičiuoti polinio inercijos momento metodu yra didesni ir duoda didesnę atsargą.

9.4 Stiprumo skaičiavimas ašinio inercijos momento metodu

Tarkim, kad įtempiai siūl÷se proporcingi pagrindinio metalo deformacijoms (9.4 pav.) ir did÷ja pagal linijinę priklausomybę did÷jant atstumui nuo neutralios linijos. Reakcin÷ j÷ga elemente:

dT = τdF (9.20)

Reakcinis momentas elemente:

dM = dTy (9.21)

Visas vidines j÷gas atsveriantis momentas:

M = ∫ ∫= dFydTy τ (9.22)

Priimame linijinę įtempių priklausomybę nuo atstumo iki ašies: τ/τ1 = y/1, čia τ1 – vienetiniu atstumu nuo z ašies. Tuomet:

120

M =τ1 ∫F

dFy 2 . (9.23)

Integralas išreiškia siūl÷s perimetro inercijos momentą ašies z atžvilgiu. Didžiausi įtempiai:

τmaks = My/Iz ≤ [τ’] (9.24)

9.4 pav. Suvirintoji jungtis

Įtempių skaičiavimas ašinio inercijos momento metodu nedaug skiriasi nuo pirmojo metodo, skaidant jungtį į sudedamąsias. Dažniausiai taikomas pirmasis metodas.

9.5. Įvairaus skerspjūvio sijų prijungimas

Nagrin÷sime jungtis tik su lygiašonio trikampio formos kampin÷mis siūl÷mis. Kampinių siūlių stiprumas visuomet skaičiuojamas kirpimui plokštumoje, sutampančioje su stataus trikampio pusiaukampio plokštuma βKa (K – siūl÷s statinis, a – jos ilgis).

9.5 pav. Sijų, privirintų kampin÷mis siūl÷mis pagal jų perimetrą, jungtys

Lenkiamos stačiakamp÷s formos sijos, privirintos pagal perimetrą, įtempiai kampin÷je siūl÷je (9.5, a

pav.). Normaliniai įtempiai sijoje, sudaro tangentinius įtempius siūl÷je:

τ = M/Ws ≤ [τ’] (9.35)

Atsparumo momentas:

Ws = Is / ymaks , (9.36)

čia Is – siūl÷s perimetro skaičiuojamasis inercijos momentas, nustatomas siūl÷s inercijos momentą padauginus iš β (h ir K parodyti 9.5, c pav.):

Is = 0,7[Kb((h+K)/2)2⋅2+(K3b/12)2+((h+2K)3/12)K⋅2] (9.37)

ymaks = h/2+K

121

Jei sijos skerspjūvis skritulys (9.5, b pav.):

Is = 0,7[π(d+2K)4/64 – πd4/64] (9.38)

ymaks = d/2+K

Jei siją veikia lenkimo momentas M ir ašin÷ j÷ga N, tai bendrieji įtempiai siūl÷je:

τ = ± M/Is ymaks+ N/As , (9.39)

čia As – skaičiuojamasis siūl÷s plotas, įvertinant β:

As = βKL, (9.40)

čia L – siūl÷s perimetras. Sud÷tingesnio skerspjūvio sijų (dvit÷jų, t÷jinių ir kt. ) privirinimo siūlių stiprumas skaičiuojamas

panašiai kaip ir prieš tai buvusiuose pavyzdžiuose:

τ = M/Is ymaks ≤ [τ’], (9.41)

čia Is – siūl÷s perimetro skaičiuojamasis inercijos momentas, skaičiuojamas įvertinant β. Jei sijos apkrautos skersin÷mis apkrovomis, tuomet susidaro lenkimo momentas M ir skersin÷ j÷ga Q.

Įtempiai siūl÷se nuo skersin÷s j÷gos nustatomi laikantis tokių prielaidų:: - skersinę j÷gą priima tik vertikalios siūl÷s; - įtempiai vertikalioje siūl÷je pasiskirsto tolygiai. Tokiu atveju, vidutiniai įtempiai siūleje nuo skersinių j÷gų:

τQ = Q/Av , (9.42)

čia Av – skaičiuojamasis vertikalių siūlių plotas. Vertikalaus lakšto viršutin÷s briaunos lygyje tikrinami atstojamieji įtempiai siūl÷je nuo M ir Q. Įtempiai nuo momento :

τ = Mya /Is , (9.43)

čia ya – atstumas nuo skerspjūvio svorio centro iki viršutin÷s horizontalios briaunos (9.5, c pav.). Jei ya = h/2, tuomet:

τ = Q/2βKh (9.44)

Atstojamieji įtempiai:

τatst = 22Qττ + ≤ [τ’] (9.45)

Siūl÷s stiprumo skaičiavimas pagal (9.41) dažniausiai būna apsprendžiantis.

Skaičiavimo pavyzdys (9.6 pav.).

9.6 pav. Lenkiama ir tempiama sija

122

Gembin÷ dvit÷jin÷ sija privirinta kampin÷mis siūl÷mis pagal perimetrą K = 6 mm, kurią veikia ašin÷ j÷ga P = N 50 kN, skersin÷ j÷ga Q = 25 kN, β =0,7.

Kampinių siūlių perimetro inercijos momentas:

I = 2⋅243⋅0,6/12+2(19⋅0,63/12+19⋅0,6⋅12,92)+2(2⋅8,6⋅0,63/12+2⋅8,6⋅0,6⋅11,72 = 8000 cm4

Skaičiuojamasis kampinių siūlių inercijos momentas, įvertinant β: Is = 0,7⋅8000 = 5600 cm4. Ordinat÷ ya = 12 cm. Visos kampin÷s siūl÷s perimetro plotas: A = 2⋅24⋅0,6+2⋅19⋅0,6+4⋅8,6⋅0,6 = 72,2 cm2. Skaičiuojamasis siūl÷s plotas, įvertinant β:

As = 0,7⋅72,2 = 50,5 cm2

Vertikalių siūlių skaičiuojamasis plotas, įvertinant β:

Av = 2⋅0,7⋅0,6⋅24 = 20,2 cm2

Vertikalaus lakšto kraštin÷s briaunos įtempiai nuo lenkimo:

τ = (25⋅10–3/5600⋅10–8)⋅0,12 = 53,6 MPa

Jungties kampinių siūlių įtempiai nuo ašin÷s j÷gos:

τN = N/A s = 50⋅10–3/50,5⋅10–4 = 9,9 MPa

Bendrieji įtempiai nuo ašin÷s j÷gos ir lenkimo ya =120 mm atstumu nuo skerspjūvio svorio centro: 53,6+9,9 = 63,5 MPa.

τQ = Q/Av = 25⋅10–3/20,2⋅10–4 = 12,4 MPa

Atstojamieji įtempiai atstumu ya = 120 mm nuo svorio centro:

τatst = 22 4,125,63 + = 64,7 MPa

Didžiausi įtempiai atstumu ymaks= 132 mm:

τ = Mymaks/Is = 0,02500/5600⋅10–8⋅13,2⋅10–2 = 58,8 MPa

Bendrieji įtempiai nuo lenkimo ir ašin÷s j÷gos atstumu ymaks= 132 mm nuo svorio centro:

τ∑ = 58,8+9,9 =68,7 MPa,

o tai mažiau už leistinuosius plienui St 2: 0,6⋅140 = 84 MPa. Tokiu būdu, nustatant gembin÷s sijos stiprumą svarbiausia patikrinti įtempius nuo lenkimo momento ir

ašinių j÷gų bendrojo poveikio siūl÷se labiausiai nutolusiose nuo skerspjūvio svorio centro.

9.6. Sijų tarpusavio jungtys su papildomu sustiprinimu

Dvit÷jų sijų jungčių konstrukcijos parodytos 9.7, a, b, c pav. Kartais neaukštos sijos privirinamos pagal skerspjūvio perimetrą prie aukštesnių kampin÷mis siūl÷mis, sustiprinant jungtį trapecin÷mis plokštel÷mis (9.7, a pav.). Plokštelių ir vertikalios sienel÷s storiai paprastai būna tokie patys. Kiti matmenys nustatomi remiantis jungties standumo ir privirinimo siūl÷s stiprumo reikalavimais. Tokio tipo konstrukcija rekomenduotina esant statin÷ms apkrovoms, taip pat gali būti naudojama kaip sijos atrama. Trapecin÷s plokštel÷s papildomai padidina jungties stiprumą ir patikimumą.

123

9.7 pav. Suvirintų sijų jungtys tarpusavyje ir su kolonomis

Pagrindinę lenkimo momento dalį priima kampin÷s siūl÷s, privirinančios skerspjūvį pagal perimetrą:

MP = τIs/ymaks , (9.46)

čia Mp – siūl÷s perimetro inercijos momentas, įvertinant β; ymaks – atstumas nuo pritvirtinamos sijos ašies iki siūl÷s krašto.

Jei tarpusavyje suvirintos sijų jungtys apkraunamos kintančiomis apkrovomis, tikslingiau naudoti 9.7, b pav. parodytą jungties tipą. Padidinus siūl÷s ilgį , galima ženkliai padidinti konstrukcijos laikančiąją galią. Svarbių konstrukcijų sandūrines jungtis būtina mechaniškai apdirbti.

Vienodo aukščio sijoms, apkraunamoms statin÷mis ir kintamomis apkrovomis, sujungti gali būti naudojamas sujungimo tipas parodytas 9.7, c pav. Ši jungtis pasižymi maža įtempių koncentracija ir yra pakankamai standi.

9.8 pav. parodyti lovių, dvit÷jų ir kampuočių tarpusavio jungčių pavyzdžiai. Mazgų paruošimas suvirinimui, reikalauja figūrinio pjaustymo.

9.8 pav. Įvairaus tipo profilių tarpusavio jungtys

124

9.9 pav. parodyta sijos ir kolonos jungtis ir su papildomai privirintu kampuočiu, sustiprinančiu jungtį ir palengvinančiu privirinimo operaciją.

9.9 pav. Sijos jungtis su kolona 9.10 pav. Pramoninio pastato kolonos ir sijos standi jungtis

10. Santvaros 10.1. Santvarų tipai Ilgos, stogą laikančios, santvaros tur÷tų tur÷ti stovus (10.1, a pav.). Juostų ilgis tarp santvaros mazgų d =

1,5…3,0 m, santvaros aukščio santykis su atstumu tarp atramų h/l = 1/12…1/18. Šis santykis tiksliau parenkamas išeinant iš standumo reikalavimų. Kuo didesnis h/l, tuo mažiau santvara įlinksta veikiant apkrovai, tačiau tuomet aukštesnis turi būti cechas. Tiltų santvaros turi būti standesn÷s, tod÷l dažnai naudojamas santykis h/l =1/6…1/10.

10.1 pav. Didelio atstumo tarp atramų santvaros: a – stogą laikančios santvaros; b – kranų santvaros; c – juostos apkrovimo koncentruota apkrova schema.

125

10. 2. Santvaros elementų apkrovų ir įražų nustatymas

Daugeliu atvejų statybin÷s ir tiltų metalin÷s konstrukcijos apkraunamos, pridedant apkrovas santvarų mazguose. Santvaros elementuose išilgin÷s j÷gos nuo apkrovos ir nuosavo svorio nustatomos statybin÷s mechanikos metodais.

Jei apkrova prid÷ta tarpumazgyje (10.1, c pav.), tuomet tikslinga ją išskaidyti mazgams ir įprastiniu būdu nustatyti išilgines j÷gas elementuose. Tarpumazgio juostuose gali susidaryti lenkimo momentas ir skersin÷ j÷ga, kurie turi būti taip pat nustatyti. Tarkim, kad tarpumazgio juosta per vidurį apkrauta koncentruota j÷ga P. Tuomet apytikriai galime nustatyti skaičiuojamąjį momentą:

M = Pd/6 (10.1)

ir skaičiuojamąją skersinę j÷gą:

Q = P/2 (10.2)

Paskaičiavus išilginę j÷gą N ir momentą M, skaičiuojamieji įtempiai nustatomi:

σ = ± Mymaks/I + N/A ≤ [σ]t , (10.2)

čia I – juostos inercijos momentas horizontalios ašies atžvilgiu; A – juostos skerspjūvio plotas; ymaks – atstumas nuo svorio centro iki kraštinio paviršiaus, kur įtempiai turi tą patį ženklą kaip ir j÷ga N.

Gniuždoma juosta tikrinama išilginiam išlinkimui. Parinkus skerspjūvio matmenis apytikriu metodu, kartais atliekamas pakartotinis tikslesnis juostos skaičiavimas, įvertinant lenkimo momentą.

10.3. Elementų skerspjūviai Santvaros elementai turi tur÷ti pakankamą stiprumą ir standumą. Neleistina, kad skaičiuojamieji įtempiai

daugiau kaip 5 % viršytų leistinuosius. Ekonomiškai sukonstruotų elementų skaičiuojamieji įtempiai tur÷tų būti artimi leistiniesiems. Tačiau dažnai elementų, veikiamų nedidelių išilginių j÷gų, skerspjūviai parenkami pagal standumo reikalavimus. Tod÷l įtempiai juose gali būti nedideli.

10.1 lentel÷. Santvaros elementų ribinis liaunis λλλλ

Tempiami elementai Konstrukcijos elementai Gniuždomi elementai Statin÷ apkrova Dinamin÷ apkrova

Juostos, atraminiai spyriai 120 400 150…250 Kiti santvaros elementai 150 400 350 Pagrindin÷s kolonos 120 – – Antraeil÷s kolonos, jungiamieji jų elementai 150 300 300 Kiti jungiamieji elementai 200 400 400

Pramoninių statinių plieninių santvaros elementų didžiausias liaunis netur÷tų viršyti reikšmių pateiktų

10.1 lentel÷je. Liaunis apribuojamas ne tik gniuždomų elementų, bet ir tempiamų, kad neišlinktų nuo savojo svorio ir nevibruotų veikiant dinamin÷ms apkrovoms. Naudojamo elementų gamybai metalo sortimentas turi būti galimai mažesnis, nes tai supaprastina ir atpigina santvarų gamybą. Dažniausiai santvaros gaminamos iš valcuotų profilių, tačiau lenkti profiliai lengvesni, turi mažesnį skerspjūvį ir yra standesni lyginant su valcuotais.

Konstruojant santvaras tikslinga mažinti suvirinimo darbų apimtis, siūles elementuos pageidautina išd÷styti simetriškai ir numatyti, kad suvirinimą galima būtų atlikti gamyklos sąlygomis arba statybviet÷je.

Gniuždomų juostų skerspjūviai. Plačiausiai naudojamų skerspjūvių tipai parodyti 10.2 pav. Kampuočiai (10.2, a pav.) naudojami mažai apkrautos santvaroms arba pagalbiniams elementams gaminti. Elementai iš dviejų kampuočių naudojami lengvoms, mažai apkraunamoms santvaroms, tokioms kaip stogų santvaros ir kt. Uždaro skerspjūvio (10.2, c pav.)elementai naudojami tuomet, kai reikalaujamas didesnis elemento atsparumas sukimui. Skerspjūviai parodyti 10.2, d, e pav. naudojami kranų santvaroms, kai viršutin÷ juosta ir gniuždoma ir lenkiama. 10.2, f, g pav. parodyti skerspjūviai naudojami vidutiniškai ir labai apkraunamoms santvaroms (pvz., stogo ir krano santvaroms). 10.2, h pav. skerspjūvio elementus naudoja tiltų santvaroms. Vamzdinio skerspjūvio elementų konstrukcija racionali stiprumo ir ekonomiškumo požiūriais.

126

Reikalingas juostos gniuždomo elemento skerspjūvis, kai jo neveikia lenkimo momentas:

Areik = N/[σ]t ϕ (10.4)

Parenkant skerspjūvį pradžioje priimame apytikrį koeficientą ϕ = 0,5…0,7. Laisvąjį elemento ilgį parenkame atsižvelgdami į projektuojamą konstrukciją.

10.2 pav. parodytų skerspjūvių elementai suvirinti ištisin÷mis siūl÷mis automatiniu suvirinimu po fliusu, siūl÷s statinis K = (0,4…0,6)s. Kartais K = 4…5 mm.

10.2 pav. Gniuždomų santvaros juostų skerspjūviai

Elementų pastovumui padidinti naudojamos sujungimo plokštel÷s, diafragmos, standumo briaunos

išd÷stomos plokštumoje statmenoje elemento ašiai. Labai apkraunamų, ilgų santvarų tarpumazgių juostų elementai projektuojami skirtingo skerspjūvio ploto. Tačiau tai apsunkina gamybą.

Tempiamų juostų projektavimas lengvesnis nei gniuždomų, nes leistinieji įtempiai nepriklauso nuo elemento liaunio. Reikalingas tempiamo elemento skerspjūvis randamas pagal formulę:

Areik = N/[σ]t (10.5) Tempiamų juostų tipiniai skerspjūviai parodyti 10.3 pav. Virintin÷s siūl÷s čia nedarbin÷, Siūl÷s statinis

K = 4…5 mm.

10. 3 pav. Tempiamų santvaros juostų skerspjūviai

Spyrių ir statramsčių tipiniai skerspjūviai parodyti 10.4 pav. Kampuočiai naudojami tuomet kai ir kiti

santvaros elementai projektuojami iš kampuočių. Sudvejinti kampuočiai su tarpeliu naudojami dažnai, kai nedidel÷s arba vidutin÷s apkrovos. Skerspjūviai parodyti 10.4, c…g pav. tuomet kai juostos yra sud÷tingesnio skerspjūvio (pvz., 10.2, f, g). Tikslinga naudoti vamzdžius.

127

10.4 pav. Gniuždomų ir tempiamų santvaros spyrių ir stovų skerspjūviai

Tempiamų spyrių ir statramsčių reikalingas skerspjūvio plotas parenkamas pagal formulę (10.5), o

gniuždomų – pagal (10.4). Pradiniam skaičiavimui priimame ϕ = 0,4…0,7. Skerspjūvio parinkimo tvarka tokia , kaip 9 skyriuje.

Nustatant spyrių ir statramsčių liaunį santvarai statmenoje plokštumoje, laisvąjį ilgį l priimame lygų teoriniam, t. y. lygų atstumui tarp mazgų centrų. Skaičiuojant tų elementų liaunį santvaros plokštumoje, skaičiuojamąjį ilgį galime priimti lygų 0,8 teorinio jų ilgio, nes jie yra įtvirtinti mazguose. Jei elemento skerspjūvis sud÷tinis, sudarytas iš dviejų profilių (10.4, e, f pav.), tuomet nustatomi liauniai: λx – x ašies

atžvilgiu; λy – y ašies atžvilgiu; λ0 = 21

2 λ+yy , čia λ1 – sud÷tinio skerspjūvio vieno profilio liaunis, kuris

gniuždomam elementui priimamas nedidesniu kaip 40 (žr. 8 sk.). Koeficientui ϕ nustatyti priimama didžiausia rasta reikšm÷. Kiekvieno spyrio ir stramsčio skerspjūvio

plotai parenkamas nepriklausomai nuo kitų. Tačiau dažnai santvaros tinklelio kai kurių strypų (spyrių ir statramsčių) skerspjūviai specialiai suvienodinami tam , kad būtų supaprastinta gamyba

Tempiamų elementų jungiamųjų siūlių stiprumas neskaičiuojamas, gniuždomų elementų (10.4, c, d, g) stiprumas tikrinamas pagal 8 skyriaus metodiką. Siūl÷s statinis abiem atvejais priimamas lygiu 4…5 mm, tačiau neturi būti didesnis už 0,3s. Atstumas tarp jungiamųjų plokštelių turi būti toks, kad tempiamų sud÷tinių elementų vieno profilio liaunis būtų λ ≤ 200. Gniuždomų elementų (10.4, e, f pav.) jungiamųjų plokštelių stiprumas skaičiuojamas pagal 10 skyriaus metodiką.

10.4. Santvaros mazgai

Racionalaus santvaros mazgų konstravimo sąlygos: sujungiamų elementų geometrin÷s ašys turi kirstis viename taške – mazgo centre; turi būti galimyb÷ prieiti privirinti spyrius ir statramsčius prie juostų, užtikrinant gerą jungties stiprumą mazge.

Reikalingas kampin÷s siūl÷s, pritvirtinančios elementą mazge, ilgis apskaičiuojamas pagal formulę:

L = N/βK[τ′], (10.6)

čia N – išilgin÷ įraža elemente, [τ′] – virintin÷s siūl÷s leistinieji tangentiniai įtempiai. Jei prijungiamas kampuotis, tuomet siūlų ilgiai skaičiuojami pagal 2skyriuje pateiktą metodiką.

128

10.5 pav. Mazgai be plokštelių: a – juosta vienpus÷; b – juosta dvipus÷

Mazguose dažnai naudojamos plokštel÷s, kurios pridedamos įstatomos, o taip pat kaip tarpin÷s arba

antd÷klai. Jei virinant mazgus plokštel÷s nenaudojamos tuomet nesud÷tinga suvirinti. Šį mazgų suvirinimo būdą tikslinga taikyti, jei pavyksta išlaikyti pagrindinius racionalaus mazgų konstravimo principus (10.5, a pav.). 10. 5, b pav. pateikta mazgo konstrukcija , kai apatin÷ juosta sudaryta iš dviejų kampuočių. Pridedamųjų plokštelių mazge pavyzdžiai pateikti 10.6, a ir b pav. Pridedamųjų plokštelių jungtys sandūrin÷s arba t÷jin÷s. Siūlių, jungiančių spyrius prie pridedamųjų plokštelių,

10.6 pav. Santvaros mazgai su pridedamosiomis plokštel÷mis

129

stiprumo skaičiavimas įprastinis, siūl÷s ilgis skaičiuojamas pagal formulę (10.6). Siūl÷s, jungiančios plokštelę prie juostos, apytikris skaičiavimas atliekamas laikantis nuostatos, kad mazgo suma j÷gų projekcijų vertikalioje ašyje ∑Υ = 0. Tod÷l įražos spyriuose turi būti priešingų ženklų, pvz. 10.6, a pav. elementas N1 tempiamas, N2 – gniuždomas. Kadangi suma j÷gų projekcijų į horizontalią ašį ∑Χ = 0, tai prid÷ta plokštel÷ bus kerpama j÷ga:

T = N1 cosα1+N2 cosα2 (10.7)

Įtempiai siūl÷je:

τ = T/(βKl⋅2) (10.8)

čia l pridedamosios plokštel÷s ilgis. τ dažniausiai n÷ra didelis. Įstatomųjų plokštelių pavyzdys parodytas 10.7 pav. Vertikalios juostų sienel÷s toje vietoje išpjaunamos

ir į tas vietas įstatomos figūrin÷s plokštel÷s, prie kurių patogu privirinti spyrius ir statramsčius. Siūl÷s gali būti statmenos juostai arba įstrižos. Tokio tipo mazgai projektuojami, kai veikia kintamos apkrovos.

10.7 pav. Santvaros mazgas su įstatyta plokštele

Mazgai su tarpin÷mis plokštel÷mis naudotini, kai juostos sud÷tin÷s, suporintos iš dviejų kampuočių, tarp

kurių gali būti tarpelis (10.8,a pav.)

10.8 pav. Mazgai su tarpin÷mis plokštel÷mis: a – juosta ištisin÷; b, c – pertraukta juosta

Siūlių, pritvirtinančių plokštelę prie juostos, stiprumas skaičiuojamas taip pat kaip ir pristatomų

plokštelių. Įraža (10.8, c pav.) , kerpanti plokštelę juostos atžvilgiu, skaičiuojama pagal (10.7) ir pasiskirsto nevienodai T1 = 0,7T, o T2 = 0,3T. Nustatę T1 ir T2 , surandame įtempius siūl÷se.

Mazgo su antd÷klu pavyzdys parodytas 10.9 pav. Šiuo tipo mazgai projektuojami retai ir tai daugiausia lengvose santvarose.

130

10.9 pav. Mazgas su antd÷klu

Atraminių mazgų konstrukcijos priklauso nuo santvaros paskirties irtvirtinimo būdo. Projektuojant atraminius mazgus reikia įvertinti: atramin÷s reakcijos A kryptis turi eiti per atraminio mazgo centrą; gniuždoma juosta turi eiti virš atramos ir neišsikišti; mazgas turi būti pakankamai standus (10.10 pav.).

10.10 pav. Stogo santvaros atraminis mazgas

10.5. Juostų sandūrin÷s jungtys

Juostų sandūrin÷s jungtys skirstomos į tris tipus. 1. Technologin÷s jungtys. . Jas naudoja tuomet, kai profilių ilgis iš kurių gaminamos juostos yra

nepakankamo ilgio. Jos turi būti projektuojamos visuomet lygiareikšmio stiprumo, nes jų vietą ne visuomet galima nustatyti.

2. Konstrukcin÷s jungtys. Jos naudojamos juostose strypų skerspjūviui pakeisti pereinant nuo mazgo prie mazgo. Siūlių stiprumą projektuotojas gali paskaičiuoti pagal veikiančias skaičiuojamąsias įražas. Jų pad÷tis – 0,2…0,5 tarpumazgio strypo ilgio nuo mazgo centro.

3. Montažin÷s jungtys. Jos naudojamos atsižvelgiant į pervežimo sąlygas ir esamas k÷limo priemones. Montuojant elementai iš pradžių surenkami, sukabinami, paskui suvirinami. Montažines siūles nurodo visuomet projektuotojas

Racionaliausia naudoti statmenas strypo ašiai sandūrines jungtis, o kartais įstrižas (10. 11, a, b pav.). Šios sandūrin÷s juostų jungtys naudotinos ne tik kampuočiams ir t÷jiniams profiliams, bet ir dvit÷jams bei kitiems tempiamiems arba gniuždomiems, o ypač kintamomis apkrovomis apkrautiems profiliams, sujungti.

Lengvų santvarų tempiami elementai gali būti sujungti jungtimi parodyta 10.11, c pav., o gniuždomi – 10,11, d pav.

11. Kevalin÷s konstrukcijos

Kevalin÷s konstrukcijos skirstomos į dvi grupes. Pirmai grupei priskiriami rezervuarai ir kitos konstrukcijos, skirtos sprogimui nepavojingiems ir

nenuodingiems skysčiams ir dujoms laikyti, kurių sl÷gis p ≤ 0,05 MPa ir temperatūra T ≤ 100 °C. Šios

131

konstrukcijos gaminamos pagal bendrąsias projektavimo taisykles ir pramoninių statinių eksploatacijos reikalavimus.

Antrai grupei priskiriami aukšto sl÷gio katilai ir indai. Jų eksploataciją prižiūri Technin÷s priežiūros tarnybos. Šios konstrukcijos projektuojamos ir gaminamos pagal specialias technines sąlygas.

11.1. Vertikalūs cilindriniai rezervuarai su plokščiu dugnu

Pagrindiniai rezervuaro elementai yra šonin÷ sienel÷, stogas ir dugnas (11.1, a - d pav.). Šios konstrukcijos rezervuarų dugnas dažniausiai būna plokščias, o korpusas – cilindrinis. Šis konstrukcinis sprendimas racionalus stiprumo ir medžiagų ekonomiško naudojimo požiūriais. Rezervuarai gaminami iš mažaanglių, o taip pat iš mažai legiruotų plienų. Optimalus rezervuaro aukščio h ir jo skersmens D santykis metalo sąnaudų požiūriu gaunamas, kai stogo ir dugno metalo mas÷ lygi metalo cilindrin÷s dalies masei. 100 … 600 m3 tūrio rezervuarų h/D = 1,25 … 0,85; iki 10000 m3 tūrio rezervuarų h/D = 0,7 … 0,35.

Tipinių rezervuarų, kurių talpa nuo 100 iki 2000 m3, cilindrin÷s dalies aukštis būna nuo 5920 iki 11845 mm, stambesnių rezervuarų (50000 m3 ir didesnių) aukštis dažniausiai būna 18 m.

11.1 pav. 5000 m3 talpos rezervuaras (a – bendras vaizdas; b – dugnas; c – elemento schema; d – stogas)

11.2, a pav. schematiškai parodytos cilindrin÷s rezervuaro dalies virintin÷s siūl÷s. Apatin÷s cilindrin÷s dalies išilgin÷s siūl÷s sandūrin÷s ir išd÷stytos vienoje linijoje arba perstumtos (11.2, a, b pav.). 11.2, b pav. parodytas išilginis apatin÷s dalies pjūvis, kai lakštų storis iki 7 … 8 mm; 11.2, c pav. – užleistin÷s jungtys. Užlaidos dydis a ≥ 4s. Išorin÷s užleistin÷s jungties siūl÷s ištisin÷s, vidin÷s – neištisin÷s, kad būtų lengviau kontroliuoti siūlių sandarumą. Vertikalių ir horizontalių siūlių susikirtimo vietos pakalamos, kad geriau lakštai prigultų vieni prie kitų. Išilgin÷s siūl÷s sandūrin÷s (11.2, a pav.).

Cilindrin÷s dalies kevalo storis kintamas ir parenkamas pagal stiprumo skaičiavimą. Skaičiavimui kevalas priimamas kaip lankstus elementas, tod÷l vertinami tik membraniniai įtempiai. Pagrindin÷s darbin÷s jungtys yra išilgin÷s cilindrin÷s dalies jungtys. Pagal jų stiprumo skaičiavimą parenkamas sienelių storis.

11.2 pav. Rezervuaro sienel÷s suvirintos jungtys. a, b – juostų sandūrin÷s jungtys; c – užleistin÷s juostų jungtys.

132

Tarkim, kad sl÷gis p rezervuaro gylyje y (11.3, a pav.):

p = γ⋅y, (11.1)

čia γ – skysčio tankis.

11.3 pav. Rezervuaro cilindrin÷ dalis. a – įtempių nustatymas cilindrin÷je dalyje; b – kiaurym÷

cilindrin÷je dalyje; c – kiaurym÷s cilindrin÷je dalyje sustiprinimas Nustatome vienetinio aukščio juostel÷s įtempius. Perpjauname žiedą per pusę ir pridedame

atstojančiąsias j÷gas N:

N = σ⋅s⋅1,

čia σ – įtempiai žiede; s – žiedo storis. Pus÷s žiedo statin÷s pusiausvyros sąlyga:

– 2N + 0cos22/

0

=∫π

ααdpR , (11.2)

N = pR ∫ =2/

0

cosπ

αα pRd (11.3)

Įtempiai žiede:

σσσσ = pR/s (11.4)

Įtempių σσσσ kryptis lygiagreti cilindrinio paviršiaus liestinei. Jie veikia ir cilindrin÷s dalies išilgin÷se siūl÷se. Tod÷l:

σ ≤ [σ′]t

Reikalingas cilindrin÷s dalies sienel÷s storis nustatomas pagal formulę:

st = pR/[σ]t , (11.5)

čia p – sl÷gis nustatytas pagal formulę (11.1); R – rezervuaro spindulys pjūvyje 300 mm atstumu nuo apatinio skaičiuojamos juostos krašto (žr. 11.2,a pav.), t.y. y = h0. Kuo mažesnis sl÷gis, tuo mažesnis sienel÷s lakšto storis. Tačiau mažesnio kaip 4 mm storio lakštai rezervuarų gamybai paprastai nenaudojami. Įtempiai rezervuaro cilindrin÷s dalies žiedin÷se siūl÷se žymiai mažesni.

5000 m3 talpos rezervuaro cilindrin÷s dalies sienelių storio skaičiavimo ir parinkimo pavyzdžiai pateikti 11.1 lentel÷je.

11.1 lentel÷. Rezervuaro juostų storio s nustatymas

Juostos Nr. h, m h0, m sreik., mm s, mm VIII 1,48 1,18 0,88 4 VII 2,96 2,66 2,0 4 … … … … …

133

II 10,4 10,1 7,55 8 I 11,845 11,545 8,65 9

Pastaba. Cilindrinio rezervuaro spindulys R = 11,44 m.

Užleistin÷se siūl÷se įtempių pasiskirstymas nevienodas: užlaidos vietose įtempiai žymiai mažesni. Jei juostoje numatoma kiaurym÷ vamzdžiui prijungti, tai tokia vieta susilpninama (11.3, b pav.). Tuomet galimi du skaičiavimo variantai.

1. Įtempiai kiaurym÷s susilpnintoje vietoje gali būti paskaičiuoti:

σ = pRhn/[(hn – d)s] ≤ [σ]t, (11.7)

čia hn – juostos aukštis; d – kiaurym÷s skersmuo. Tačiau kiaurym÷ paprastai nedaug padidina įtempius. 2. Tačiau jei vis tik kiaurym÷s susilpnintoje vietoje įtempiai būtų didesni už leistinuosius, tuomet

įvirinamas storesnis žiedas susilpninimui kompensuoti (11.3,c pav.). Dugnas gaminamas iš 4…8 mm storio lakštų priklausomai nuo rezervuaro skersmens. Kartai dugno

išorin÷ dalis, esanti po cilindrine dalimi, daroma iš storesnio lakšto, pvz., jei dugno vidurin÷s dalies storis s = 6 mm, tai išorin÷ daroma s = 8 mm storio.

Cilindrin÷s dalies jungtis su dugnu yra svarbus rezervuaro stiprumo elementas (11.4,a pav.).

11.4 pav. Cilindrin÷s dalies jungtis su dugnu

Jungtyje susidaro lenkimo momentas M, kurio dydis priklauso nuo vertikalios sienel÷s ir dugno storio,

nuo pagrindo standumo koeficiento ir nuo dugno iškyšos į išorę dydžio. Apytikriai lenkimo momentas ilgio vienetui gali būti paskaičiuotas:

M1 = 0,1pRs (11.8)

Įtempiai rezervuaro sienel÷je:

σ = M1/W = 0,1pRs/(1⋅s2/6) = 0,6pR/s (11.9)

Pvz., jei p = 0,1 MPa (vandeniui), kai h = 10 m, R = 10 m, s = 1 cm, tuomet σ = 60 MPa.

134

Literatūra 1. Jon Lancaster Handbook of structural welding. Processes, materials and methods used in the

welding of major structures, pipelines and process plant, Abington publishing, Cambridge England,1997, 432 p

2. Г.А. Николаев Сварние конструкции. Расчет и проектирование. Москва 1990 3. Modern welded structures Clevlend Ohio, 1998 4. Металлические конструкциию. В 3 т. Т.1. Общая часть. Под общ. ред. В.В. Кузнецова –

М.:изд-во АСВ, 1998. – 576 стр.

SUVIRINTOS KONSTRUKCIJOS. Skaičiavimas ir Projektavimas

Documents

Transcript of SUVIRINTOS KONSTRUKCIJOS. Skaičiavimas ir Projektavimas