Uploaded by Sang Pyo Lee

Keevisliidete arvutus III

advertisement
Keevisliidete arvutus (3)
Martin Eerme
Pingete kontsentratsioon
keevisõmbluses
• Keevisõmbluste tugevusarvutuse valemid
on tuletatud eeldusel, et jõud jaguneb
õmbluse pikkusel ühtlaselt ja pinge
õmbluse ristlõikepinna igas punktis on
ühesugune.
• Tegelikult on jõudude ja pingete
jagunemine märksa keerulisem.
• Liite konstruktsiooni ja õmbluse kuju
ebaratsionaalsus ning tehnoloogilised
defektid – gaasimullid, räbupesad, praod,
läbikeevitamata kohad – tekitavad pingete
kontsentratsiooni.
• Teoreetiline pingete kontsentratsiooni
tegur
kt =
max
kus:
max
- pingete maksimumväärtus,
- pingete keskväärtus
• kt väärtusi saab määrata elastsusteooria
abil. Nii näiteks on elliptilise avaga
nõrgestatud laia riba puhul maksimaalne
teoreetiline pingete kontsentratsiooni tegur
2b
kt = 1 +
c
kus b – jõu suunaga risti oleva ellipsi telje pikkus
c – jõu suunaga paralleelse ellipsi telje pikkus.
Vaadeldes mikropragu ellipsina, näeme, et kitsa prao puhul
omandab kt väga suure väärtuse.
• Hästi läbikeevitatud põkkõmbluses, mille
tugevdus on eemaldatud, pingete
kontsentratsiooni pole. Eemaldamata
jätmise korral võib kontsentratsiooni tegur
ulatuda 1,6-ni. Oluliselt kontsentreerib
pingeid ka õmbluse põhja läbikeevitamata
jätmine.
• Külgõmbluses tekitab
pingete
kontsentratsiooni jõu
ebaühtlane jaotus piki
õmblust.
Võrdtugeva liite korral
tingimusel, et ’=0,62t
on teoreetiline
kontsentratsioonitegur
qmax
l
= 0,57
kt =
qk
0,5k
kus:
l – õmbluse pikkus
k – kaateti kõrgus.
• Kui ühendatavate elementide ristlõiked
pole võrdsed, A1<A2, siis jaotatud jõud qx
avaldub
F
qx =
2
A1ch x + A2 ch (l x )
2( A1 + A2 ) sh l
kus
=
2G ( A1 + A2 )
EA1 A2
• Tingimusel, et õmbluse tugevus võrdub
väiksema ristlõikega elemendi tugevusega,
1 µch l + 1
k t = 0,87
1 + µ sh l
kus
µ=A1/A2
• Laia sidelapiga lühikeste õmblustega
katteliite korral, kui õmbluse kaateti kõrgus
on võrdne lapi paksusega (k=:), on
teoreetiline pingete kontsentratsiooni tegur
sidelapi materjalis
cth(2,3a / l )
k t = 3,3
l/a
kus
2a – lapi laius
l – õmbluse pikkus
Kui a/l = 0,1; 0,5; 1,0; 2,0
Siis kt = 1,45; 2,01; 3,37; 6,61
Seega lühikeste külgõmbluste ja laia sidelapi korral on
tegemist üsnagi tugeva pingete kontsentratsiooniga sidelapi
materjalis. Pikkade külgõmbluste korral on olulisem pingete
kontsentratsioon õmbluste otstes. Praktikas esinevad
mõlemad koos.
• Punktkeevituse korral on samuti tegemist
pingete ebaühtlase jagunemisega
keevispunktide lähedases metallis.
Kontsentratsioonitegur kt on määratav valemiga
t
k t = 2,3 + 0,62
d
• kus t – kaugus üksikute punktide vahel
•
d – keevispunkti läbimõõt
• Mitmerealise liite korral jaguneb jõud
ridade vahel ebaühtlaselt. Kaks äärmist
rida võtavad kumbki vastu ~44% kogu
mõjuvast jõust. Vahepealsed read on vähe
koormatud.
• Paindepinged punktkeevisliites saab
määrata valemiga
p
3
=
1+
d
0
3 0
E
kus 20 – normaalpinge liite elemendis
: – ühendatavate lehtede paksus
E – materjali elastsusmoodul
Kui 20/E=0,001 ja d/:=3, siis 2p=2,6 20
• Kõik senine kehtib elastsete
deformatsioonide korral.
• Pingete kontsentratsioon avaldab olulist
mõju ainult vahelduval koormusel,
vähendades tunduvalt keevisliite
väsimuspiiri. Väsimuspiiri vähenemist
hinnatakse efektiivse pingete
kontsentratsiooni teguriga k2
• Keevisliite katsetamisel leitud väsimuspiir võib
olla 3 kuni 8 korda madalam samast materjalist
standardsete katsekehade väsimuspiirist.
Olulisemad väsimuspiiri vähenemise põhjused on:
–
–
–
–
–
pingete kontsentratsioon
mastaabiefekt
pinna kvaliteedi mõju
jääkpinged
keevitusdefektid – läbikeevitamata kohad, kuumad või
külmad praod, räbupesad jne
– metalli keemilise koostise ja struktuuri muutused
keevisõmbluses ja õmbluselähedases tsoonis
• Keeviskonstruktsioonides kasutatakse peamiselt
valtsmetalli, mille pinnakiht jäetakse tavaliselt
eemaldamata. Keevisliidete väsimuspiiri on
seetõttu otstarbekas võrrelda valtsmetallist
lõigatud katsekehade väsimuspiiriga. Süsinik- ja
vähelegeeritud teraste puhul võib kasutada
empiirilist seost
• 2-1=(0,32.....0,38)2B.
• Lihvitud pinnaga katsekehade väsimuspiir on
sellest 20....35% suurem.
• Põkkliidete väsimuspiir loomuliku sujuva üleminekuga,
märgatava tugevduseta õmbluse korral erineb vähe
valtskoorikuga põhimetalli väsimuspiirist.
• Tehnoloogilise režiimi rikkumine toob aga kaasa 2 ja
enama kordse väsimuspiiri languse. Defektide
parandamisega saab seda tõsta endisele tasemele.
• Õmbluse mehaaniline töötlemine suurendab väsimuspiiri
30...70% ja viib selle lihvitud katsekehade väsimuspiiri
tasemele.
• Õmbluse pinna külmdeformeerimine suurendab
väsimuspiiri ~2x, kusjuures pole oluline kas õmblus on
eelnevalt mehaaniliselt töödeldud või mitte.
• Põkkliidete absoluutmõõtmed mõjutavad samuti
väsimuspiiri. Nii näiteks väheneb süsinikterase puhul
väsimuspiir plaadi paksuse suurendamisel 16-st 46mmni (laius 200mm) 30%. Tõepäraste tulemuste saamiseks
soovitatakse katsetada võrdlemisi suuri liitelemente
laiusega vähemalt 200mm.
• Mastaabiefekti tekkimise põhjused on keevisliidetel
samad mis mittekeevitatud detailidel. Efekt on siin
suurem, sest keevisõmbluse metall on heterogeensem.
Olulist rolli mängivad ka jääktõmbepinged
õmbluselähedases metallis, millede väärtus oleneb
omakorda keevisõmbluse mõõtmetest.
• Otsõmblusega liidetes esineb märgatav pingete
kontsentratsioon, mis oluliselt vähendab väsimuspiiri.
Mehaaniliselt töötlemata normaalõmbluste puhul on
sidelappidega katsekeha väsimuspiir 2,5x väiksem
põhimetalli katsekeha väsimuspiirist. Parendatud õmblus
(kaatetite suhtega 1:2) ja mehaanilise töötlemise korral
väheneb efektiivne kontsentratsiooni tegur 2-ni. Kaatetite
suhe 1:3,8 ja õmbluse mehaanilise töötlemise korral on
võimalik saavutada põhimetalliga võrdset väsimuspiiri,
kuid koos sellega kaob põhiline eelis – valmistamise
lihtsus.
• Põkkliitele lisasidelappide keevitamine vähendab
väsimustugevust 2x.
• Külgõmblustega keevisliidet iseloomustab eriti
suur pingete kontsentratsioon ja eriti väike
väsimuspiir. Külgõmblusega keevisliite
väsimuspiir sõltub palju ka liite konstruktsioonist.
Nii näiteks suurendab otsõmbluse lisamine
väsimuspiiri 1,5x. See seletub jõujoonte
ratsionaalsema asetusega keevisliite ristlõikes.
Poolkumerad väljalõiked külgõmbluse otste
lähedal vähendavad pingete kontsentratsiooni ja
suurendavad väsimuspiir 40...50%.
Külgõmbluse mehaaniline töötlemine olulist
efekti ei anna.
Vastakliide
• Vastakliite väsimustugevus sõltub läbikeevituse
sügavusest.
• a - Ettetöötlemata servadega ja täieliku
läbikeevituse puudumise korral on k2=2,5 ... 4,0
• b - Servade eeltöötlemine ja sügavama
läbikeevituse korral k2=1,1 ... 1,7
• c - Õmbluse mehaanilise töötlemise ja täieliku
läbikeevituse korral on k2=1.
• Täsinurkse sõlmpleki lisamisel (Sele a) põkkõmbluse
kasutamisega väheneb väsimuspiir 2...3,7x. Sõlmpleki
sujuva kuju või üleminekukoha mehaanilise töötlemise
korral (Sele b,c) väheneb väsimuspiir 1,6...1,9x.
• Sele d kujutatud lapi keevitamisel väheneb
konstruktsioonielemendi väsimuspiir 1,7...2x, vastakliitega
lisaelemendi korral (Sele e,f) 1,3...1,5x.
• Jääkpingete olemasolu mõjutab pingetsükli
asümeetrilisust ja koos sellega piirpingete
amplituudväärtust. Keevisõmbluse tsoonis
tekivad jääk-tõmbepinged, mille väärtus ulatub
mõnel juhul materjali voolamispiirini. Kui
väliskoormusest tingitud pinged muutuvad
sümmeetrilise tsükli järgi siis summaarsed
pinged muutuvad asümeetrilise tsükli kohaselt,
kusjuures keskmised pinged võrduvad
jääkpingetega.
• Jääk tõmbepinged vähendavad liite
väsimustugevust 20...50%.
• Keevisliidete lõõmutamine ja noolutamine,
mida kasutatakse mõnikord jääkpingete
vähendamiseks, avaldab kahesugust
mõju. Jääkpingete vähenemine suurendab
väsimustugevust, kuid samaaegne
õmbluselähedase tsooni tugevuse
vähenemine on vastupidise mõjuga.
Lõpptulemus sõltub mitmetest asjaoludest
ja ei ole ilma katsetuseta määratav.
• Suurte jääk-tõmbepingetega keevisliidete väsimuspiir
praktiliselt ei muutu, kui kasutatava metalli tõmbetugevus
kasvab. Legeerteraste kasutamine on seetõttu
õigustatud ainult pingetsükli suure asümeetria korral, kui
määravaks saavad peamiselt staatilised pinged.
• Väsimustugevust tõstetakse mitmel pindtugevdamise
moodusel, näit töödeldes toodet haavlite, rullide,
pneumovasarate vms-ga. Pinna kalestamine võib tõsta
keevisliidete väsimuspiiri 2 ja enam korda.
Keevisõmbluse pinna töötlemisel pneumovasaraga ei
kasva väsimuspiir üle 30...50%.
• Suurt pingete kontsentratsiooni tekitab ka õmbluse
läbikeevutamata jätmine. Kui läbikeevitamata jääb 50%
siis kt=23 (0,5...1mm kaugusel läbikeevitamata kohast
on tegelikud pinged 5,5...8x kõrgemad nominaalsetest).
Kui läbikeevitamata jääb 6...7% siis kt=4 (0,5...1mm
kaugusel läbikeevitamata kohast on tegelikud pinged
1,7...2x kõrgemad nominaalsetest).
• 20...30% ulatuses läbikeevitamata ristlõike korral on
täheldatud 2...3x väsimustugevuse langust. Eriti ohtlik on
kui selline koht satub jääk-tõmbepingete piirkonda.
Vahelduval koormusel töötavates keevisliidetes on
läbikeevitamata kohad lubamatud.
Keeviskonstruktsioonide
ratsionaalne projekteerimine
• Hoida kokku metalli
• Rakendada tüüplahendusi mis võimaldab
kasutada tegemisel voolkoostamist
• Suurtel dünaamilistel koormustel, agressiivses
keskkonnas või madalatel temperatuuridel
töötavate konstruktsioonide töökindlust ja
vastupidavust tõstetakse erivõtetega.
Keevisõmbluste hulka minimeeritakse,
paigutades nii, et ei tekiks kuhjumisi. Madalatel
temperatuuridel töötavaid ja paksuseinalisi
konstruktsioone töödeldakse termiliselt.
Keeviskonstruktsioonide
ratsionaalne projekteerimine
• Pöörata tähelepanu tehnoloogilisusele. Suurte
toodete puhul viia miinimumi montaažiõmbluste
maht. Kasutatakse rohkem põkk-, punkt- ja
joonkontaktkeevitust.
• Kasutada tänapäevaseid tugevusarvutuse
meetodeid, mis arvestavad keevituse termilist
mõju õmbluselähedasele metallile,
pingekontsentraatorite mõju keevisliite
väsimustugevusele ja töökindlusele, üldiste ja
kohalike jääkdeformatsioonide mõju ning
võimalusi nende kõrvaldamiseks.
Keeviskonstruktsioonide
ratsionaalne projekteerimine
• Keeviskonstruktsioonide tugevuse tõstmiseks
kasutatakse üldist või kohalikku termotöötlust,
kasulike jääkpingete tekitamist termiliste
meetoditega, õhukseseinaliste konstruktsioonide
puhul keevisõmbluste valtsimist, keevisõmbluse
mehaanilist töötlemist jne.
• Valmistamisel kasutada koosterakiseid ja muid
tehnoloogilisi seadmeid, mis vähendavad
koostamise töömahukust ja suurendavad
täpsust.
Materjali valik
• Materjalidel on erinevad omadused. Vajalik vähendada
massi, selleks peaks kasutama suure tõmbetugevusega
materjale. Need on aga tundlikud pingekontsentraatorite
suhtes. Osa vähelegeeritud teraseid on halvasti
keevitatavad ja nõuavad täpset kinnipidamist
tehnoloogiast. Osa materjale töötab hästi üheteljelise
tõmbe korral, kuid halvasti keerulises pingeolukorras.
Osad materjalid (süsinikuvaesed keevterased) on heade
omadustega toatemperatuuril, kuid kaotavad need
madalatel temperatuuridel.
• Materjali valiku puhul on vaja arvestada head
vastupidamist haprale purunemisele staatilisel
koormusel madalatel temperatuuridel.
Tehnoloogia ratsionaalne
projekteerimine
•
•
paigalduskohal on töötingimused ja automaatkeevituse
kasutamise võimalused halvemad kui tehases. Suured
tooted tuleb jagada võimalikult suurteks
veokõlbulikeks osadeks, mida on võimalik valmistada
tehases ja sellega viia miinimumini keevistööd
paigaldusel
Õmbluste ligipääsetavuse ja kontrollitavuse seiskohalt
on otstarbekas koostada toode alasõlmede ja sõlmede
kaupa, liites need järgemööda suuremateks
koostudeks. Selline kooste- ja keevistööde
vaheldumine kergendab suure tootlikkusega seadmete
kasutamist, võib aga üksikute sõlmede väikese jäikuse
korral suurendada keevitusdeformatsioone. Nende
vähendamise seisukohalt on sageli otstarbekas
koostada kogu toode ühekorraga.
Tehnoloogia ratsionaalne
projekteerimine
•
•
•
Keevistööd moodustavad tavaliselt kogu tooet
töömahukusest 30%. Seega võib suurt tootlikkust
saavutada ainult kogu tootmisprotsessi
ülevaatamisega.
Tehnoloogiiste rakiste projekteerimise ja valmistamise
vajadust tuleb alati põhjendada majanduslike
arvutustega, arvestades tootmismahtu.
Keevitatud toote vajalik kuju ja mõõtmetäpsus tuleb
kindlustada keevitusprotsessi ratsionaalse
projekteerimisega ja õgvendusega üksikute sõlmede
valmistamise käigus. Valmis toote õgvendamine on
tavaliselt ülimalt töömaukas operatsioon.
Tehnoloogia ratsionaalne
projekteerimine
• Termotöötlemine pärast keevitamist teeb
tehnoloogilise protsessi märgatavalt
keerukamaks, eriti seeriatootmisel. Selle
operatsiooni vajalikkust tuleb alati väga
põhjalikult kaaluda.
Ratsionaalsed
keeviskonstruktsioonid
Vaheseinte keevitamine
Keevisõmblused on
kitsast vahest välja
viidud
Distantstorude keevitamine
Keevisõmblused on
viidud lehtede
välispinnale
Ratsionaalsed
keeviskonstruktsioonid
Jahutussärgi keevitamine
Keevisõmblused on
viidud silindri äärikust
eemale
Ääriku keevitamine otsakule
Äärik on viidud
seinast kaugemale
Keevisõmblused on
viidud ääriku otspinnale
Ratsionaalsed
keeviskonstruktsioonid
Silindri ühendamine diafragmaga
Üks õmblus
tehakse
kaarkeevitusega
Download