автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Новые технологические решения правки сварных элементов строительных металлоконструкций

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА (ЦНИИС)

На правах рукописи

Г Г Б 0 •

Черный Дмитрий Георгиевич " ¿3 А;(Р ¿л;.)

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПРАВКИ СВАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ.

Специальности: 05.23.05 «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

- 2000 г.

Работа выполнена в ОАО "Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС)"

Научный руководитель: доктор технических наук,

Пассек Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Стрелецкий Николай Николаевич, кандидат технических наук

Орлов Вадим Григорьевич

Ведущее предприятие:

ОАО Мостостройиндустрия

Защита состоится 17 марта 2000 г. на заседании диссертационного совета К. 133.01.01 в Научно-исследовательском институте транспортного строительства, адрес: 129329, Москва, Кольская ул., д. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦННИС.

Л. В. Крицберг

Ученый секретарь диссертацион» канд. техн. наук

К799.012^0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В России ежегодно выпускаются десятки тысяч тонн металлоконструкций, в том числе мостовых, значительная часть из которых - сварные. В процессе сварки в результате усадки швов возникают остаточные деформации и напряжения, усложняющие технологию изготовления и монтажа, а в некоторых случаях и уменьшающие работоспособность конструкции.

Исследование технологии изготовления конструкций непосредственно в заводских условиях показало, что при их сварке имеют место различные виды остаточных деформаций: грибоввдность, перекос, саблевид-ность, выгиб, волнистость, хлопуны и др. Эти деформации в большинстве случаев превышают существующие допуски и требуется выправка элемента конструкции. Наиболее распространены деформации грибовидности.

Правка деформированных элементов - это сложный и трудоемкий процесс, требующий до 20 % затрат труда от общих затрат на изготовление сварных элементов, при этом используются дорогостоящее оборудование и дополнительные производственные площади. Повышение эффективности правки является актуальной задачей.

Цель работы - снижение трудоемкости и стоимости правки сварных элементов путем разработки новых технологических решений с выявлением границ их рационального применения.

Методы исследований - изучение технологии изготовления сварных балок и Н-образных элементов на различных действующих заводах, теоретические исследования с использованием методов математического моделирования на аналоговых вычислительных устройствах и ЭВМ, экспериментальные исследования в лабораторных и заводских условиях.

Научпая новизна:

выявлены новые закономерности различных технологических процессов правки путем их сопоставительного анализа на действующих заводах;

установлены новые зависимости формирования температурных полей в сварных элементах при нагреве их газовыми горелками различного вида и различной мощности;

выполнены теоретические и экспериментальные обоснования новых технологических решений правки, проведено опытное применение ряда этих решений в условиях действующих заводов.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, позволяющие повысить эффективность правки сварных элементов путем рационального оп-

ределения границ правки и снижения технологических затрат. Разработан ряд новых конструктивных и технологических решений.

Разработки внедрены на Чеховском и Белгородском заводах металлоконструкций.

Апробация работы. Достоверность и эффективность разработок подтверждена практикой использования их непосредственно на заводах металлоконструкций.

Основные положения диссертации докладывались на секциях ученого совета ЦНИИСа в 1989,1990,1992,1998,1999 годах.

По теме диссертации опубликованы 5 статей и получено свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит: общее количество страниц - 190, таблиц - 11, рисунков - 56. Ссылки даны на 127 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается состояние вопроса, сформулированы цель и задачи работы, описана методика исследования.

Существует два способа борьбы с остаточными деформациями, образующимися при изготовлении сварных металлоконструкций - это их предотвращение и правка.

Вопросам изучения остаточных деформаций, их предотвращению, правке, методам расчета и учета при работе конструкций посвящены труды Большакова К.П. , Винокурова В.А., Глизманенко Д.П., Гребенчука В.Г., Григорьянца А.Г., Душницкого В.М., Михайлова B.C., Некрасова Ю.И., Николаева Г.А., Окерблома Н.О., Орлова В.Г., Пассека В.В., Пере-дереева Б.М., Платонова A.C., Потапкина А.А.,Рыкалина H.H., Стрелецкого H.H., Трочуна И.П., Шелестенко Л.ГГ., Шишкина В.Ю., Pfeiffer R., Wei-rich G., Jansen H., Brockenbrught R., Heydacher А. и др.

В главе дан подробный обзор технологий и оборудования для предотвращения и правки различных остаточных сварочных деформаций. К предотвращению остаточных деформаций относятся такие мероприятия, как сварка в кондуктррах, их компенсация при сварке, рациональное конструирование и т. д. Методы предотвращения остаточных деформаций имеют целый ряд недостатков, поэтому на практике не нашли широкого распространения. Основным видом борьбы с остаточными деформациями грибовидности является их правка, которая подразделяется на холодную и термическую.

Для осуществления холодной правки необходимо приложение значительных механических усилий к выправляемым элементам. Соответственно применяется громоздкое стационарное оборудование с высокой стоимостью и энергоемкостью, которое занимает большие производственные площади. Для обслуживания процесса холодной правки требуется крановое и транспортное оборудование.

Термическая правка осуществляется легким передвижным оборудованием, не требует специальных заводских площадей. Сущность термической правки заключается в местном высокотемпературном нагреве (до 900 °С) соответствующих участков металлических элементов, в процессе которых в металле формируются пластические деформации, противоположные по направлению имеющимся остаточным деформациям. Основными недостатками ручной термической правки является большая трудоемкость и вредность работы. В 70 - 80 годы в ЦНИИСе впервые в мировой практике были разработаны технология и оборудование для автоматической термической правки грибовидности элементов. Однако практически они нашли применение только при изготовлении крупных мостовых балок. Для малых и средних балок и Н-образных элементов (а их объем составляет более 90 % от общего объема выпуска сварных конструкций) в настоящее время практически повсеместно применяют холодную правку.

Другие виды деформаций (перекос, саблевидность, выгиб, хлопуны и пр.) в основном правят термическим способом вручную, затрачивая иногда огромное количество времени и снижая общую производительность технологического процесса изготовления сварных конструкций. В ликвидации этих видов деформаций основное место, как правило, занимает не правка а предотвращение.

Целью работы является снижение трудоемкости и стоимости правки сварных элементов путем разработки новых технологических решений и выявления границ их рационального применения.

Для достижения поставленной цели было намечено решить три задачи:

на основании изучения работы действующих заводов-металлоконструкций выявить границы рационального применения холодной и термической правки и определить требования к режимам и оборудованию, которые обеспечивали бы наиболее полное использование потенциальных возможностей термической правки;

на основании теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях исследовать режимы правки, выявить основные их закономерности, разработать рекомендации по повышению эффективности правки и требования к оборудованию, обеспечивающему это повышение, и в первую очередь к нагревателям;

по результатам решения первых двух задач разработать основные положения и практические рекомендации по созданию технологического процесса и оборудования по термической правке элементов с малой толщиной пояса.

Основное внимание предполагалось уделить правке грибовидности, как наиболее распространенному виду остаточных деформаций.

Во второй главе приведены результаты исследований по сравнению технологических процессов изготовления металлоконструкций с использованием холодной и термической правок грибовидности поясов балок и Н-образных элементов.

Сравнение проводилось по трем основным параметрам: возможности в принципе выправить данный элемент, стоимости работ и скорости процесса.

Возможность в принципе выправить данный элемент каким либо способом было предложено определять следующими основными факторами:

универсальностью оборудования для правки. В то время как термическая правка может быть использована во всех диапазонах работ по правке, применение холодной правки ограничивается геометрическими характеристиками конструкций (определенными шириной, толщиной, высотой пояса, высотой стенки, длинной элемента, характером поперечного сечения и т. п.);

приспособленностью цеха. Термическая правка может применяться практически во всех условиях в том числе и на полигонах, а применение холодной правки может ограничиваться недостаточностью или отсутствием транспортного или кранового оборудования, недостаточными размерами цеха и т. п.

Стоимость работ для удобства сравнения разделим на: стоимость оборудования. Стоимость оборудования для холодной правки более чем в 10 раз превышает стоимость оборудования для термической правки;

стоимость цеха занимаемого оборудованием. Оборудование для холодной правки занимает значительные площади, а для оборудования термической правки дополнительной площади не требуется;

стоимость энергозатрат. Стоимости электроэнергии необходимой для обеспечения работ при холодной правке и расходуемого газа при термической правке одного и того же объема продукции сопоставимы.

Для исследования скорости процесса правки было предложено разделить общее время процесса правки на время выполнения трех видов операций (рис. 1):

ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ ПО ПРАВКЕ ГРИБОВИДНОСТИ (Принципиальная схема)

/ - длина балки, т- время выполнения операции, ] - подготовительно-заключительные работы, связанные непосредственно с оборудованием для правки (вспомогательные работы первого вида); 2 - подготовительно-заключительные работы, связанные с крановым и транспортным оборудованием (вспомогательные работы второго вида; 3 - непосредственно правка

Рис.1

непосредственно правка. Процесс холодной правки по времени примерно в 5 раз быстрее термической правки;

подготовительно - заключительные работы первого вида, связанные непосредственно с оборудованием для правки (настройка и пр). Здесь затрата по времени сопоставимы;

подготовительно-заключительные работы связанные с транспортным и крановым оборудованием (транспортировка, установка на вальцы "и пр.). Эти работы присущи только холодной правке. Для термической правки они не нужны.

С учетом затрат времени на все три вида операций скорость холодной правки превышает скорость термической правки в 2-3 раза.

Таким образом, по первым двум параметрам сопоставления, которые определяют потенциальные возможности, термическая правка предпочтительней. Для осуществления потенциальных возможностей необходимо увеличение скорости термической правки в 2-3 раза.

Было предложено разделить объем выправляемой продукции на четыре группы (рис. 2):

СОПОСТАВЛ ЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (Э) ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ ХОЛОДНОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО СПОСОБОВ ПРАВКИ Э,% (Принципиальная схема)

1,2 - относительная эффективность применения термической правки соответственно до и после (предположительно) внедрения рекомендаций данной работы; V - объем работ, производимых в стране

Рис.2

1) более эффективно применение холодной правки. Эта область"^" характеризуется большими сериями однотипных элементов;

2) эффективность применения холодной и термической правки сопоставима (область "XT'). В этом случае могут быть достаточно болыдие серии элементов, но по условиям работы цехов крановое и транспортное оборудования перегружены;

3) более эффективно применение термической правки. Эта область" Г' характеризуется малым количеством элементов, перегруженностью кранового и транспортного оборудования, когда стесненные условия делают дорогой производственную площадь для вальцов и т. д.;

4) применение термической правки единственно возможно (негаба-ритносгь выправляемых элементов, отсутствие кранов и т. п.), - область " ТТ'п

Помимо указанных четырех групп можно выделить область "Др", поскольку существует ряд технологических операций, которые могут быть выполнены оборудованием для термической правки (правка других видов деформаций, сварка, предподогрев и др.).

Следующие главы посвящены решению задач по повышению скорости термической правки.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям процесса термической правки.

Процесс теплопередачи в стальных элементах при нагреве их горелкой протекает по очень сложным закономерностям в связи с переменностью всех теплофизических характеристик (теплопроводность, теплоемкость, теплоотдача) и с подвижностью источника нагрева (рис. 3). Математически процесс описывается нелинейным дифференциальным уравнением в частных производных 2-го порядка, характеризующим трехмерный процесс:

с^^-к^.)!).^.^^«-)!} о»

где С - объемная теплоемкость, кал

см3 - град

к - коэффициент теплопроводности,

кал

см • сек ■ град' г - время, сек, t - температура, град, x,y,z - координаты в пространстве, см.

В зоне нагрева горелкой имеют место граничные условия 2-го рода: задается на нагреваемой поверхности значение производной функции, равной притоку тепла от горелки:

q(t) = -Л(х, у, z,t)~ | _=0 = f(x, у, г). дт

В зоне, где горелка не находится, имеют место граничные условия третьего рода:

dt

- — пи Irl —

я

dz

:=0 = 4ПМ-'?Дг)]

где и - температуры соответственно поверхности металла и окружающего воздуха, град;

а - коэффициент теплоотдачи, —--каз--

см -сек-град

Для решения данной задачи в работе использован метод элементарных балансов. При этом уравнение (1) записывается следующим образом:

(СГА. •Ы Ъ = " 1''к I I | км,к~1ук [

'1к ' 1 к ^,1./

^ 1 ~ ^ ~ Цк

РАСЧЕТНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ОТ НАГРЕВА ПОЛКИ БАЛКИ

Распределение удельных тепловых потоков по радиусу пятна нагрева:

фахттеское ¡расчетное

Рис.3

Д ,, = ——— н—— (другие термические сопротивления определяются аналогично),

где С^.^-Дд - соответственно объемная теплоемкость, температура, коэффициент теплопроводности блока с индексами

Л - термическое сопротивление между блоками;

К //А - размеры блока с индексами у, к.

С использованием указанного метода в ЦНИИСе д.т.н. В.В. Пассеком был разработан комплекс программ для расчета различных случаев нагрева при термической правке. Этот комплекс был использован в данной работе. Применительно к условиям данной работы автор принимал участие в разработке ряда процедур. Основы процесса теплопередачи автором осваивались с использованием разработанного в ЦНИИСе проф. В. С. Лукьяновым метода гидравлических аналогий, который позволяет наглядно представить протекающие тепловые процессы и составить образ физического явления.

В основу расчета температурных деформаций и напряжений при термической правке, были заложены положения разработанные проф. Н. О. Окербломом. Эти положения позволяют на основе знания температурного режима нагреваемого горелкой стального элемента рассчитать напряженное состояние и деформации с учетом нелинейности механических свойств металла (предела текучести, модуля упругости и др.). На основе этого метода в ЦНИИСе была предложена следующая формула для расчета деформаций грибовидности:

(3)

где р - угловые деформации грибовидности, град; В - ширина полосы нагрева, см;

ДI- разность средних температур нагреваемой и обратной стороны листа на ширине полосы нагрева, град; 8 - толщина листа, см, к - эмпирический коэффициент.

Для выявления влияния величины удельного теплового потока на характер формирования перепада температур по толщине элемента, была проведена серия расчетов на ЭВМ по разработанной с участием автора методике. По этой методике осуществлялось численное моделирование процесса нагрева листа горелками с различной величиной удельных тепловых потоков.

Чтобы выявить оптимальные удельные тепловые потоки для разных толщин, было введено понятие температурной сдвижки во времени (Дг), моментов нагрева верха листа до 700°С (г.) и низа до 100°С (г,),

Дг = г, - г„. Значение Д г может быть положительным, когда низ листа нагревается до 100°С быстрее, чем верх до700°С, и происходит его перегрев, и отрицательным в обратном случае, тогда происходит "обжиг" его поверхности т. к. он не успевает прогреться по всей толщине . Оптимальным является случай, когда Дт = 0. На рис. 4 представлена зависимость изменения Лгот удельного теплового потока д для различных толщин листов. Из рисунка видно, что если для толщин 30 мм оптимальным является удельный тепловой поток порядка 50 кал/см2сек, что соответствует пропановой горелке, то для листов толщиной 14 мм и ниже целесообразен переход на ацетилен.

Для ответа на вопрос, во сколько раз увеличится скорость правки, если перейти от пропана к ацетилену, было предложено ввести понятие коэффициента эффективности к, = —. Расчет этого коэффициента приведен

в таблице 1, из которой видно, что при переходе от пропана

I q=60—^— ] к ацетилену I д = 100—^— , для диапазона толщин 6-14 ^ см -сек) ^ см •сек)

мм кэ увеличивается в 3 - 4 раза. Однако, при переходе с пропана на ацетилен, мы переходим на более дефицитный и дорогой газ. В связи с этим был произведен сопоставительный анализ расходов двух газов при достижении одного и того же результата. Для этого были исследованы: А/ - отношение объемов газа потребляемых ацетиленовой и пропановой горелкой при одной и той же общей эффективной мощности пламени горелок; к„- отношение времени нагрева указанными горелками поверхности листа до 700"С; крд - отношение перепада температур по толщине листа при достижении нагреваемой поверхности температуры 700"С.

Показатель соотношения расхода газовой смеси при достижении одного и того же эффекта для пропановой и ацетиленовой горелок равен

Значения этого показателя приведены в таблице 2. Из этой таб-

кр»

лицы видно, что при переходе от пропана к ацетилену расход газа снижается в 4 —5 раз.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса термической правки в лабораторных условиях, где исследовались отдельные параметры режимов термической правки, и в заводских условиях, где осуществлялось наблюдение за внедряемыми опытными разработками и проводилась их корректировка.

В процессе этих исследований были выполнены следующие работы:

Разработка и изготовление новой газовой горелки - линейной. Используемая в настоящее время для термической правки горелка ГЗУ-2-62 является универсальной. Автором была разработана новая горежа приме-

ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СДВИЖКИ ( Ат ) ПО ВРЕМЕНИ МОМЕНТОВ НАГРЕВА ВЕРХА ЛИСТА ДО 700°С И НИЗА ЛИСТА ДО 100'С ОТ ВЕЛИЧИНЫ УДЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКА (?) ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТОЛЩИН ЭЛЕМЕНТОВ

д, кал/см. сек

200 . ! 4 , 160 \ 1 8=30 мм { НО _ ^ 120 . \ 100 -^/5 <=6 ми А \л \\ Ацетилен

1 ^ 80 . V лл V Пропан

ч

40*""^ 20 . | 1 ________Метан 1 1 1

-20 -10 0 10 20 30 Ат, Рис.4

Таблица I

Расчет коэффициентов К3 эффективности правки

Удельные тепловые потоки, д,кал / см2 сек Толщина листов, 3, мм

6 14 30

ди град. т„ сек кэ, град/сек мм ¿Л, град. т», сек град/сек мм дь град. сек град/сек мм

200 100 50 25 440 240 140 70 1.5 3.5 8.5 19.0 48.9 11.4 2.7 0.6 540 320 180 4.8 15.0 38.0 8.0 1.5 0.3 600 320 18.0 60.0 1.1 0.2

Таблица 2

Соотношение расхода газовой смеси при достижении одного и того же эффекта для пропановой и

ацетиленовой горелок

Толщина листа, ми Поправочные коэффициенты (5/р)

к, КИ КуЦ Р

6 1,0 2,43 0,58 4,18

14 1,0 3,13 0,59 5,31

30 1,0 3,75 0,86 4,36

нительно к условиям правки тонких листов. Для этого были использованы результаты теоретических исследований, проведенных в ЦНИИСе с участием автора, где в пределах общей эффективной мощности пламени горелки ГЗУ-2-62 проварьированы распределения удельных тепловых потоков в плане по различным формам (круговое, линейное, поперечное и продольное, Т- образное и др.) и выявлено наилучшее. Далее было разработано техническое задание на проектирование. Горелка была запроектирована с участием ВНИИ АВТО ПЕНМАШа, и изготовлена опытная партия. Схема отверстий в мундштуке и общий вид двух горелок приведен на рис. 5.

Исследование эффективной мощности пламени горелки. Эффективная мощность измерялась калориметрическим путем с помощью нагреваемых стальных образцов разного диаметра и формы, что позволило получить распределение удельных тепловых потоков по радиусу пятна нагрева. Исследования показали, что в ряде случаев для термической правки эффективно использование сдвоенных горелок ГЗУ-2-62. При сближении горелок выявились два взаимосвязанных процесса. С одной стороны, ухудшаются условия притока тепла в металл из пламени, так как рядом работающая соседняя горелка снижает градиент температур, а с другой, увеличивается концентрация максимальных (расположенных в центре пятна нагрева) тепловых потоков, и при этом снижается возможность растекания в стороны поступившего в металл тепла. Экспериментально выявлена закономерность изменения суммарной эффективной мощности в зависимости от изменения расстояния между горелками. Для разработанной линейной горелки выявлен характер распределения удельных тепловых потоков в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Исследование эффективности регулирования положения пламени горелки относительно нагреваемого металла. Пламя газовых горелок имеет три зоны: внутреннее ядро, восстановительную зону и факел. Наибольшую температуру пламени имеет средняя зона на расстоянии 2-3 мм от конца ядра. Это позволяет предположить, что именно в этом месте должна располагаться нагреваемая поверхность металла, (т. е. на расстоянии 20 мм от сопла до поверхности). Однако проведенные исследования показали, что при правке грибовидности эффективно располагать сопло на расстоянии 10-12мм от поверхности. Здесь происходит расплющивание восстановительной зоны пламени из цилиндрической диаметром 22 мм в кольцеобразную диаметром 40 мм. Было исследовано влияние на эффективность правки грибовидности наклона пламени горелки по отношению к нагреваемой поверхности. Эффект от него заключается в том, что при наклоне пламени вперед по ходу движения горелки факел прогревает металл впереди при малых удельных тепловых потоках, и перепад температур по толщине листа уменьшается. А при наклоне пламени назад перепад температур увеличивается. Поэтому для тонких листов целесообразно рекомен-

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ДЛЯ ПРАВКИ ГРИБОВИДНОСГИ ПРОПАН-БУТАНОВЫЕ ГОРЕЛКИ

а,б-расположение отверстий в мундштуках соответственно в горелке ГЗУ-2-62 и в линейной ЛГ; в,г - общий вид соответственно горелок ГЗУ-2-62 и линейной ЛГ; 1- наконечники, 2-мундштуки, 3 - автономный водяной охладитель

Рис. 5

доватъ наклон пламени горелки назад. Проведенные экспериментальные исследования показали, что эффективность наклона составила примерно 10 % по сравнению с вертикальным расположением горелки.

Исследование режимов правки горелками линейной и ГЗУ-2-62. Первым вопросом, который решался в данном разделе, было выявление, насколько эффективность правки непосредственно в зоне шва отличается от эффективности правки в нейтральной части (в удалении от шва), поскольку величина угловых деформаций зависит от того, имеется ли со стороны, противоположной нагреву, приваренный элемент (стенка) или лист свободный (нейтральный). Эта зависимость определялась наличием остаточных напряжений от усадки сварных швов и была установлена в ЦНИИСе при правке толстых ноясов сварных мостовых балок. Автором эти исследования были продолжены применительно к тонким элементам (8-14 мм), и установлено, что этот эффект усиливается при правке тонких элементов (рис. 6), но только при применении горелки ГЗУ-2-62. При использовании линейной горелки, разницы в угловых деформациях не обнаружено. Было исследовано влияние на эффективность правки различного расстояния сопла горелки до нагреваемого металла. При увеличении расстояния эффективность резко снижается. Оптимальным расстоянием является расстояние 10-12 мм для горелки ГЗУ-2-62 и 8-10 мм для линейной горелки. Одной из наиболее важных сторон производственного процесса является его устойчивость, а она в свою очередь определяется степенью "крутизны" кривой зависимости какого-либо определяющего результата от неизбежного колебания условий работы. В данном случае можно отметить два таких параметра: место расположения полосы нагрева н расстояние от сопла горелки до нагреваемого металла. Для горелки ГЗУ-2-62 место расположения полосы нагрева имеет существенное значение, например, для элементов толщиной 10 мм при расположении в зоне сварных швов остаточные деформации в 2.4 раза меньше, чем при расположении полосы нагрева в нейтральной зоне. Для линейной горелки проведенные эксперименты не выявили неустойчивости процесса, при расположении полосы нагрева по шву и в нейтральной зоне. Расстояние сопла до металла для горелки ГЗУ-2-62 резко сказывается в нейтральной зоне и незначительно в зоне шва. Поэтому правка для нее в пределах шва менее эффективна, но по результатам более устойчива. Объясняется это тем, что в зоне шва наличие приваренной стенки эквивалентно увеличению толщины элемента. Эффективность правки линейной горелкой по шву примерно в два раза выше, чем горелкой ГЗУ-2-62. Эксперименты в заводских условиях давали возможность использовать более мощное , чем лабораторное производственное оборудование - рампы, газовые разводки и т. п. Кроме того, более полно учитывалась вся заводская специфика. Эти эксперименты позволили выявить целый ряд совершенно новых зависимостей и явлений. В частности, сопос-

ЗАВИСИМОСТЬ СООТНОШЕНИЯ "К" ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРАВКИ В НЕЙТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОЯСА И В ОБЛАСТИ СВАРНОГО ШВА ОТ ТОЛЩИНЫ " А" ПОЯСА

Рис.6

тавление эффективности применения пропана и природного газа показало в последнем случае снижение эффективности примерно в два раза Удалось также достичь эффективной работы сдвоенной горелки.

Пятая глава посвящена исследованию особенностей внедрения разработанных в диссертации рекомендаций по термической правке непосредственно в условиях различных заводов.

Для исследования особенностей технологических участков по сборке, сварке и правке балок на различных заводах автором были организованы опытно - экспериментальные работы, в процессе которых был сделан ряд конструктивно - технологических разработок.

Была разработана и изготовлена новая модификация автомата, найдены более простые решения отдельных узлов. В результате удалось снизить вес автомата с 40 до 15 кг. Специфика правки тонких элементов потребовала разработки нового узла горелкодержателя для сдвоенных горелок. Общая схема автомата представлена на рис. 7. Проектирование осуществлялось автором, а изготовление и внедрение на Белгородском заводе.

Был сделан ряд других разработок - устройство для обеспечения возможности осуществления автоматической термической правки грибовид-ности поясов при наличии уже приваренных ребер жесткости, устройство для правки грибовидности поясов нестандартного поперечного сечения и ДР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Выполненный в условиях заводов анализ различных сборочно - сварочных процессов при изготовлении сварных балок показал, что предотвращение деформаций грибовидности, как правило, не производят, а осуществляют правку готовых изделий. При этом применяются два известных способа правки: холодный и термический. Выделено 4 области в зависимости от эффективности применения того или иного способа.

Другие виды деформаций (перекос, саблевидность, выгиб и др.) в основном предотвращают, а те, которые не удалось предотвратить правят термическим способом. Для правки хлопунов, кроме термического способа, используют термомеханический.

2.Сопоставление эффективности применения холодной или термической правки целесообразно проводить по трем группам параметров:

возможностью в принципе в конкретных условиях завода выправить конкретный элемент тем или иным способом. Эта возможность определяется универсальностью имеющегося оборудования, приспособленностью цеха, техническими условиями и другими специфическими требованиями;

скоростью процесса правки. При этом следует учитывать вспомогательные операции первого и второго рода;

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРАВКИ ГРИБОВИДНОСТИ

I - опорная плита, 2 — редуктор,

3 — электродвигатель, 4 - система управления, 5 — опорная рама, 6 — побо-ротньО Вал, 7- Вту-жи, 8 - огибающая рама, 9 — прижимная рамка 10 — горелка,

II — мундштук 12 - горелкодержатель, 13 — Ведущее колесо, 14,15— упорные и опорные ролики,16 опорные ролики,

17 — стенка балки, 18— прижимная пружина,19— упорный элемент, 20— пояс балки, 21,22- Ведущий и Ведомый шкиВы

Рис. 7

стоимостью работ (т.е. стоимостью оборудования, энергозатрат, площадей цеха).

По первой и третьей группам параметров термическая правка является более выигрышной. Термическая правка может быть осуществлена практически во всем диапазоне работ по правке грибовидности, в то время как холодная правка имеет области, когда ее осуществление невозможно. Кроме того, термическая правка может быть эффективно осуществлена еще и для правки других видов деформаций: перекоса, саблевидности, выгиба элементов и т. п.

Таким образом, потенциальные возможности термической правки выше, чем холодной. Однако малая скорость термической правки ограничивает область ее широкого использования. Разработка путей повышения скорости термической правки является одной го главных задач данной работы.

3.Теоретические исследования режимов правки, выполненные с использованием АВМ и ЭВМ, показали следующее:

одним из основных показателей оптимальности формирующихся температурных полей при термической правке является перепад температур по толщине нагреваемого элемента (при правке грибовидности, перекоса, волнистости он должен быть максимально возможным, при правке' саблевидности, выгиба, хлопунов - минимальным). В связи с этим предложено понятие температурной сдвижки - разницы во времени между моментами нагрева верха листа до 700°С и низа до 100°С, которая может принимать положительное и отрицательное значение. Введение понятия температурной сдвижки позволило выявить оптимальные значения тепловых потоков при термической правке элементов различных толщин. Установлено, что при правке грибовидности для толщин элементов 20 - 30 мм оптимальным является удельный тепловой поток 50 - 60 кал/см2сек, что соответствует пропановой горелке, а для толщин элементов 6 - 14 мм оптимальным является удельный тепловой поток 100 - 200 кал/см2сек, что соответствует ацетиленовой горелке и даже выходит за рамки ее мощности. При правке саблевидности, выгиба, хлопунов эффективно могут быть использованы любые горелки;

выявлены закономерности изменения эффективности правки грибовидности при переходе от пропана к ацетилену. Предложено два оценочных критерия для сопоставления: коэффициент эффективности правки, представляющий собой отношение перепада температур по толщине элемента ко времени нагрева верхней поверхности элемента до 700°С и толщине элемента; соотношение расхода общей газовой смеси для ацетиленовой и пропановой горелок Для толщин элементов 6 - 14 мм коэффициент эффективности при переходе от пропана к ацетилену увеличивается примерно в 4 раза, при обеспечении пропановой и ацетиленовой горелками

одного и того же эффекта расход газовой смеси в последнем случае снижается в 4 - 5 раз;

установлены закономерности формирования температурных полей при правке грибовидности в зависимости от формы распределения удельных тепловых потоков в плане. При этом установлено следующее. Во -первых, при правке элементов толщиной 8 - 14 мм колебание горелки (т. е. перемещение сопла горелки по синусоидальной траектории в плане) при движении автомата нецелесообразно, так как оно приводит к снижению средней величины удельных тепловых потоков. Для толщин 16 мм и более колебание горелки дает положительный эффект. Во - вторых, целесообразна разработка специальной многосопловой горелки с линейным расположением сопел.

4.Разработаны следующие конструктивно - технологические предложения:

разработан, запроектирован, изготовлен и внедрен на заводе опытный образец автомата облегченной конструкции для правки грибовидности поясов балок и Н-образных элементов с поясами толщиной 8-14 мм;

разработана, запроектирована с участием ВНИИАвтогенмаша, изготовлена в малой серии и испытана газовая горелка с линейным расположением сопел (горелка Л Г), предназначенная специально для правки грибовидности поясов балок и Н - образных элементов с поясами толщиной 8 -14 мм;

разработана, запроектирована, запатентована, изготовлена и испытана в заводских условиях нагревательная система из двух горелок, предназначенная к автомату для правки грибовидности;

разработан ряд конструктивно - технологических предложений, направленных на обеспечение термической правки грибовидности различных нетиповых элементов (содержащих фигурные или узкие пояса, приваренные до правки ребра жесткости и т. п.).

5. Выполнены экспериментальные исследования эффективной мощности пламени различных нагревателей: получено распределение удельных тепловых потоков для горелок ГЗУ-Д-62, ЛГ при использовании пропана и природного газа, выявлены закономерности изменения суммарной эффективной мощности сдвоенных горелок в зависимости от расстояния между ними, выявлено влияние наклона пламени и расстояния сопла горелки до нагреваемого металла.

6. Выполнены экспериментальные исследования режимов правки грибовидности:

подтвержден известный факт существования разницы эффективности при нагреве полосы непосредственно в зоне сварных швов соединения стенки с поясом и в нейтральной зоне. Получены значения коэффициента эффективности для рассматриваемого диапазона толщин применительно к

нагревам горелкой ГЗУ. Для новой линейной горелки ЛГ разницы в эффективности эксперименты не показали;

произведено сопоставление эффективности горелок ГЗУ и ЛГ. Оно показало, что горелка ЛГ примерно соответствует по эффективности горелке ГЗУ в нейтральной зоне и более чем в 2 раза эффективнее в зоне шва;

установлено, что наклон пламени горелки в сторону движения может быть эффективным при использовании горелок с высоким удельным тепловым потоком при толщине выправляемых элементов более 16 мм. При малых толщинах (8—14 мм) наклон пламени горелки следует осуществлять в обратную движению сторону. Эксперименты показали, что при обратном наклоне горелки по сравнению с ее вертикальным положением эффект составляет порядка 10%;

установлены два параметра устойчивости процесса правки. Первый параметр - для горелки ГЗУ резко (в 2,4 раза) сказывается смещение полосы нагрева от зоны шва к нейтральной зоне, а для горелки ЛГ этой разницы не обнаружено. Второй параметр характеризуется расстоянием сопла горелки до металла - в зоне шва изменение расстояния с 10 до 20 мм для горелки ГЗУ практически не оказывает влияния на результат, в то время как в нейтральной зоне эффективность падает до нуля. Таким образом для горелки ГЗУ зона шва является хотя и менее эффективной, но более устойчивой.

7. Для повышения эффективности правки в диссертации разработан комплекс различных мероприятий. Опыт правки на различных заводах металлоконструкций позволяет сделать вывод о том, что в связи с крайним разнообразием условий их работы, выпускаемой продукцией и т. п., целесообразно рекомендовать различные мероприятия, рациональность применения каждого та которых следует определять в каждом конкретном случае.

В современных условиях товарного производства, когда отсутствует монополия крупных предприятий, и создаются малые и средние предприятия, оперативно реагирующие на спрос, и быстро изменяющие сортамент, целесообразно, прежде всего, рекомендовать термическую правку, как более универсальный и быстро перенастраиваемый способ. Один из главных недостатков термической правки, - малая скорость, может быть в значительной степени устранен разработанными в диссертации мероприятиями, которые в ряде случаев позволяют увеличить скорость правки в 4 - 5 раз.

8. Проведенные в рамках данной работы теоретические и экспериментальные исследования позволяют также наметить некоторые перспективы дальнейшей работы: разработка технологии применения плазменных нагревателей для правки грибоввдности и перекоса; распространение методов правки саблевидности и выгиба на разработку технологии изготовле-

ния криволинейных конструкций (например, криволинейных в плане пролетных строений мостов); разработка специализированного оборудования (в частности, автоматов) для правки саблевидности, выгиба и создания криволинейных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Пассек В. В., Душницкий В. М., Черный Д. Г. Правка грибовидно-сти поясов балок и Н-образных элементов. - Транспортное строительство, 1992, №5, с 20-22.

2. Пассек В. В., Душницкий В. М., Черный Д. Г. Повышение эффективности термической правки металлоконструкций. - Транспортное строительство, 1993, № 5-6, с 42-45.

3. Черный Д. Г., Экспериментальные исследования газовых горелок, предназначенных для термической правки грибовидности стальных элементов конструкций. - В кн.: Сборник научных трудов ЦНИИСа, М., 1996, с. 112-117.

4. Пассек В. В., Душницкий В. М., Черный Д. Г. Свидетельство на полезную модель №10355, Нагревательное устройство.

5. Черный Д. Г. Выявление оптимальной величины удельных тепловых потоков пламени газовой горелки при правке грибовидности сварных элементов. - В кн.: Сборник научных трудов ЦНИИСа, М., 1999, с. 38-47.

6. Черный Д. Г. Сопоставление эффективности применения различных горючих газов при термической правке грибовидности сварных элементов. - В кн.: Сборник научных трудов ЦНИИСа, М., 1999, с. 47 - 57.

Лицензия ПЛД № 53-510 от 22.10.1999 г. Заказ 31. Объем 1,75 п. л. Тираж 70 экз. Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1. Существующие методы и оборудование для устранения остаточных деформаций.

1.2. Существующее нагревательное оборудование.

1.3. Актуальность, цель, задачи работы. Основные положения методики исследований.

2. ВЫЯВЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНИМОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРАВКИ.

2.1. Правка грибовидности в различных технологиях производства малых и средних балок.

2.2. Основные принципы сопоставления рациональности применения холодной и термической правки.

2.3. Соотношение областей эффективности правки холодной и термической.

2.4. Выводы по главе 2.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

ПРАВКИ.

3.1. Методика расчета на ЭВМ температурного режима стальных элементов при нагреве их газовой горелкой.

3.2. Основные принципы формирования угловых деформаций при правке грибовидности.

3.3. Основные закономерности формирования перепадов температур по толщине элементов при варьировании величины удельных тепловых потоков.

3.4. Анализ эффективности правки при использовании различных горючих газов.

3.5. Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ПРАВКИ.

4.1. Организация экспериментальных исследований.

4.2. Разработка и изготовление новой горелки - линейной.

4.3. Исследование эффективной мощности горелок.

4.4. Исследование эффективности регулирования положения пламени горелки относительно нагреваемого металла.

4.5. Исследование режимов правки горелками линейной и ГЗУ-2-62.

4.6. Выводы по главе 4.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВНЕДРЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРАВКИ НЕПОСРЕДСТВЕННО В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ЗАВОДОВ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ.

5.1. Методика проведения работы.

5.2. Разработка и внедрение опытного образца нового устройства для правки грибовидности технических элементов.

5.3. Разработка и внедрение опытности образца горелкодер-жателя для двух спаренных горелок.

5.4. Разработка предложений по совершенствованию технологического процесса термической правки грибовидности.

5.5. Выводы по главе 5.

В России ежегодно выпускаются десятки тысяч тонн металлоконструкций, в том числе мостовых, значительная часть из которых - сварные. В процессе сварки в результате усадки швов возникают остаточные деформации и напряжения, усложняющие технологию изготовления и монтажа, а в некоторых случаях и уменьшающие работоспособность конструкции.

Исследование технологии изготовления конструкций непосредственно в заводских условиях показало, что при их сварке имеют место различные виды остаточных деформаций: грибовидность, перекос, саблевид-ность, выгиб, волнистость, хлопуны и др. Эти деформации в большинстве случаев превышают существующие допуски и требуется выправка элемента конструкции. Наиболее распространены деформации грибовидности.

Правка деформированных элементов - это сложный и трудоемкий процесс, требующий до 20 % затрат труда от общих затрат на изготовление сварных элементов, при этом используются дорогостоящее оборудование и дополнительные производственные площади. Повышение эффективности правки является актуальной задачей.

Таким образом, актуальность данной работы определяется следующим: правка является неизбежной и трудоемкой операцией при изготовлении сварных металлоконструкций; потенциальные возможности термической правки выше, чем холодной, однако существующие технологии и оборудование не позволяют эффективно ее использовать при изготовлении различных элементов. Поэтому требуется разработка новых технологических решений с обоснованием границ рационального использования различных методов.

Цель работы - снижение трудоемкости и стоимости правки сварных элементов путем разработки новых технологических решений с выявлением границ их рационального применения.

Методы исследований - изучение технологии изготовления сварных балок и Н-образных элементов на различных действующих заводах, теоретические исследования с использованием методов математического моделирования на аналоговых вычислительных устройствах и ЭВМ, экспериментальные исследования в лабораторных и заводских условиях.

Научная новизна: выявлены новые закономерности различных технологических процессов правки путем их сопоставительного анализа на действующих заводах; установлены новые зависимости формирования температурных полей в сварных элементах при нагреве их газовыми горелками различного вида и различной мощности; выполнены теоретические и экспериментальные обоснования новых технологических решений правки, проведено опытное применение ряда этих решений в условиях действующих заводов.

Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, позволяющие повысить эффективность правки сварных элементов путем рационального определения границ правки и снижения технологических затрат. Разработан ряд новых конструктивных и технологических решений.

Разработки внедрены на Чеховском и Белгородском заводах металлоконструкций.

Апробация работы. Достоверность и эффективность разработок подтверждена практикой использования их непосредственно на заводах металлоконструкций.

Основные положения диссертации докладывались на секциях ученого совета ЦНИИСа в 1989,1990, 1992, 1998,1999 годах.

По теме диссертации опубликованы 5 статей и получено свидетельство на полезную модель.

Работа выполнена в Центральной лаборатории инженерной теплофизики Научно - исследовательского института транспортного строительства (ЦНИИСф. Ряд вопросов решался в творческом сотрудничестве с ВНИИ-Автогенмаш, отделением мостов ЦНИИСа, Чеховским и Белгородским заводами металлоконструкций.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук В. В. Пассеку, ведущему научному сотруднику кандидату технических наук В. М. Душницкому, а также сотрудникам Центральной лаборатории инженерной теплофизики за огромную методическую и практическую помощь при работе над диссертацией.

5.5. Выводы по главе 5.

1. Особенности правки грибовидности тонких элементов существующими горелками связаны с отсутствием необходимости колебаний сопла горелки при движении автомата. Это позволило ликвидировать колебательную систему в автомате, перестроить общую компоновку его узлов, изменить некоторые узлы и существенно упростить и облегчить автомат, снизить вес с 40 до 15 кг. Автором был разработан эскизный проект автомата и на Белгородском заводе осуществлено его изготовление, испытание и внедрение опытного образца. Снижение веса автомата облегчает его дальнейшее внедрение при правке элементов малой толщины. В связи с тем, что объем правки этих элементов значительно выше и, следовательно, требования к использованию ручного оборудования прежде всего связаны со снижением веса.

2. Разработана новая конструкция горелкодержателя для двух спаренных горелок, в частности два его главных узла - устройство для регулировки расстояния сопла горелки до нагреваемого металла и отражатель пламени. При этом разработан принцип теплового расчета отражателя.

3. При проведении опытно - экспериментальных работ непосредственно в заводских условиях показано, что перестройку технологического процесса при появлении новых условий или конструкций гораздо проще произвести при применении термической правки, чем холодной. В частности, при этом был разработан и внедрен ряд технических решений: огибающая система в автомате для правки балок с поясами двутаврового сечения, вспомогательное устройство для правки балок с узкими поясами или при наличии ребер жесткости, вспомогательные элементы для рамп, технологические предложения для правки с применением природного газа и др.