автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Технология изготовления сварных мостовых балок с учетом теплового взаимовлияния отдельных операций

о

На правах рукописи

Гребенчук Игорь Викторович

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ МОСТОВЫХ БАЛОК С УЧЕТОМ ТЕПЛОВОГО ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени канди дата технических наук

Москва-2006 г.

На правах рукописи

Гребенчук Игорь Викторович

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ МОСТОВЫХ БАЛОК С УЧЕТОМ ТЕПЛОВОГО ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006 г.

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пассек Вадим Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Габбасов Радек Фатыхович

Ведущая организация

кандидат технических наук Орлов Владимир Григорьевич

ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»

Защита состоится «01» декабря 2006г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 303.018.01 в Научно-исследовательском институте транспортного строительства, адрес: 129329, г.Москва, ул. Кольская, д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС. Автореферат разослан «01» ноября 2006г.

Отзывы просим направлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Петрова Ж.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одним из основных конструктивных элементов стальных мостов является балка, которая в большинстве случаев изготавливается сварной конструкцией. Все технологические операции при изготовлении сварных балок (при различной организации технологического процесса они могут меняться) можно разделить на основные (например, сборка и сварка), и на вспомогательные(например, предварительный подогрев перед сваркой, транспортные операции, правка после сварки). Особенностью вспомогательных операций является их повторяемость на различных этапах изготовления балки. В настоящее время в России ежегодно изготавливаются сотни тысяч тонн сварных балочных металлоконструкций и при их изготовлении тратятся большие ресурсы на выполнение вспомогательных операций.

Актуальность работы определяется, с одной стороны, большими объемами выпускаемых металлоконструкций, и, с другой стороны, значительными затратами на повторяющиеся вспомогательные операции.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности изготовления сварных балок стальных мостов путем снижения затрат на вспомогательные операции.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1) Совершенствование методов расчета температурных деформаций и напряжений;

2) Исследование закономерностей формирования температурных деформаций при сварочных процессах и термической правке и нахождение принципиальных схем совершенствования процессов изготовления сварных мостовых балок;

3) Разработка оборудования для изготовления сварных балок;

4) Разработка способа совмещения процессов предподогрева, сварки и термической правки грибовидности;

5) Исследование влияния термической правки на комплекс механических свойств стали;

6) Выявление путей дальнейшего расширения областей использования результатов, полученных при проведении данных работ.

Методика исследований базировалась на сочетании математического моделирования процессов теплопроводности и формирования температурных деформаций и напряжений, экспериментов в лабораторных условиях и наблюдений за технологическими процессами в заводских условиях.

Научная новизна работы определяется выявленными новыми закономерностями формирования температурных напряжений и деформаций при высокотемпературных нагревах стальных элементов в процессах сварки и термической правки:

- выявлен эффект снижения величины угловых деформаций грибовидности при наличии начального напряженного состояния от наложения сварных швов по сравнению с элементом без начального напряженного состояния. Определены

зависимости величины этого снижения от толщины элемента, марки стали и других параметров;

- установлены зависимости изменения величины предварительного нагрева зоны сварного шва в процессе перемещения газовой горелки от величины эффективной мощности горелки и других параметров;

- выявлен характер изменения механических свойств металла при различной последовательности сварки и термической правки грибовидности и определены некоторые количественные характеристики этого изменения;

- разработана математическая модель процесса формирования температурных деформаций и напряжений при высокотемпературных нагревах за пределами области упругой работы материала. Разработанная математическая модель использована при разработке программы методом конечных элементов.

Практическая значимость работы. На основании выполненных автором исследований разработаны положения, позволяющие повысить эффективность изготовления сварных мостовых балок.

Предложены пути совершенствования технологии изготовления сварных балок стальных мостов. Разработана новая методика расчета деформаций грибовидности. Разработаны две компьютерные программы <«8й"а-2В» для двумерных и «¡Б^а-ЗО» для трехмерных расчетов температурных напряжений и деформаций.

Выполнены теоретические и экспериментальные обоснования новой технологии изготовления сварных балок стальных мостов. Разработан стенд для заводского изготовления сварных балок. Разработан способ заводского изготовления сварных мостовых балок. Использование предлагаемого стенда и способа изготовления сварных мостовых балок даёт возможность упростить сборочные операции, снизить затраты времени на изготовление и тем самым повысить выпуск продукции с метра полезной производственной площади завода.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции ОАО ЦНИИС (2005г.), а также на секции Ученого совета ОАО ЦНИИС (2006г.).

Достоверность результатов теоретических разработок подтверждается их качественным и количественным совпадением с результатами экспериментальных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в т.ч. получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Подана заявка на получение патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы 107 страниц текста, 86 рисунков и 12 таблиц. Список использованных источников включает 128 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.В. Пассеку, коллективам Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС и Воронежской научно-исследовательской лаборатории сварки Филиала ОАО ЦНИИС НИЦ «Мосты» за помощь при проведении

исследований, а также сотрудникам отдела главного технолога ЗАО «Воронежстальмост» за консультационную помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе охарактеризовано состояние вопроса, определены актуальность работы, цель, задачи и методика исследований.

В России ежегодно выпускаются сотни тысяч тонн металлоконструкций в том числе мостовых. Значительная часть из них - сварные. В общем объеме по массе металлоконструкций сварные балки таврового, двутаврового, L-образного или коробчатого сечения составляют более 70%.

В современных сварных мостовых балках высота листа стенки может достигать 4 и более метров и длина балки заводской готовности 20-3 Ом. Изготовление сварных балок в мостостроении России регламентируется требованиями СНиП2.05.03-84*, СТПО12-2000* и технологическими Указаниями (ТУК) каждого завода. При изготовлении сварных мостовых балок выполняется ряд технологических операций: резка и обработка металлопроката, сборка, сварка, термическая или холодная правка.

Рассмотрен опыт изготовления сварных балок на некоторых мостовых заводах России(«Воронежстальмост», «Курганстальмост» и др.). Установлено, что в операциях предварительного подогрева кромок перед сваркой и термической правки деформаций грибовидности поясов имеются резервы для их объединения при учете взаимовлияния.

Вопросами изучения и устранения остаточных деформаций и напряжений при сварке занимались такие научные школы как МВТУ им. Н.Э. Баумана (Г.А. Николаев), Санкт-Петербургская (Н.О. Окерблом), Киевская (Е.О. Патон) и другие. Большой вклад в изучение процесса изготовления сварных балок внесли работы Г.А. Мамлина, К.П. Большакова, В.Ю.Шишкина, Б.М. Передереева, В.В. Пассека, В.М. Душницкого, В.Г. Орлова, B.C. Михайлова, Pfeiffer R. и ряда других ученых и инженеров.

С начала XX века известно три основных пути борьбы со сварочными деформациями:

1) предотвращение их появления;

2) компенсация при сборке;

3) правка уже образовавшихся остаточных деформаций.

В настоящее время наибольшее практическое распространение получил третий способ борьбы с остаточными деформациями - т.е. правка уже образовавшихся остаточных деформаций.

Предварительный подогрев осуществляется непосредственно перед сваркой до температур 100-120°С и преследует 2 цели: удаление из зоны сварки конденсата и снижения скорости охлаждения сварного шва с целью не допустить образования закалочных структур в металле.

Термическая правка грибовидности поясов балки осуществляется за счет пластических деформаций при местных высокотемпературных нагревах (до 700°С) металла газовой горелкой. Нагрев металла осуществляется с внешней

стороны пояса балки расположенного напротив зоны угловых швов и, следовательно, зоны предварительного подогрева. Таким образом, в течение изготовления балки выполняется многократный нагрев одних и тех же участков металла.

Можно выделить два пути повышения эффективности изготовления сварных мостовых балок:

1) совершенствование отдельных технологических процессов (сборки, сварки, правки);

2) совершенствование комплекса технологических операций путем учета их взаимовлияния.

В настоящей работе для достижения поставленной цели выбран второй путь - это совершенствование технологических операций предварительного подогрева и термической правки грибовидности путем учета их теплового взаимовлияния. Таким образом, предлагается объединить многократно выполняемые действия и делать их один раз.

Далее в первой главе приведена методика исследований, поставлены цель и задачи исследования.

Процесс формирования напряжений и деформаций при изготовлении сварных балок характеризуется рядом особенностей, отражение которых приводит к значительным математическим трудностям.

В первую очередь, это особенности, связанные со спецификой нагрева подвижным высококонцентрированным источником тепла. При таком нагреве температура в теле распределяется по достаточно сложным законам в пространстве и времени и, кроме того, меняется в широких пределах (от температуры окружающей среды до температуры плавления материала).

Математически процесс теплопереноса описывается нелинейным дифференциальным уравнением в частных производных 2-го порядка:

где с — объемная теплоемкость материала, Дж/м3трад; Т - температура, град.; х - время, с;

Х - теплопроводность материала, Дж/мхтрад; x,y,z — координаты, м;

Коэффициент теплопроводности X, объемная теплоемкость с, коэффициент теплоотдачи с поверхности (X зависят от температуры.

Аналитически решить данную задачу практически невозможно. Поэтому, для расчета распределения температур по сечению таврового элемента использовались программы, разработанные в лаборатории инженерной теплофизики ЦНИИС и программа Cosmos/M.

Широкий диапазон изменения температуры сопровождается значительными изменениями физических и механических свойств материала в зоне нагрева. Причем эти изменения также распределяются достаточно сложно

в пространстве и времени и зависят от температуры металла. В расчетах учитывалось изменение коэффициента линейного расширения(а), модуля упругости(Е) и предела текучести (стт) стали от температуры.

Другой особенностью является то, что процесс нагрева и охлаждения при сварке, термической правке всегда сопровождается неупругими деформациями материала в зоне интенсивного нагрева; механизм этих пеупругих деформаций может меняться по мере нагрева или охлаждения данного участка среды.

Учет пластических деформаций производился согласно теории малых упруго-пластических деформаций по механизму деформации мгновенной пластичности. Для расчета температурных напряжений и деформаций использовались программы, разработанные в лаборатории инженерной теплофизики ЦНИИС, и программы «¡51га-2Б»(для расчета плоских задач: выгиба) и <а8йга-ЗВ»(для расчета пространственных задач: грибовидности), разработанные автором с использованием метода конечных элементов.

На распределение напряжений и деформаций влияет также ряд факторов геометрического происхождения, отражающих размеры и форму изготавливаемых балок. Здесь особенно следует отметить пространственную многомерность деформационных процессов при изготовлении сварных балок.

Во второй главе разработана методика двумерного расчета напряжений и деформаций тавровых элементов, из которых состоит сварная мостовая балка. Данная методика расчета позволит проанализировать процессы формирования деформаций выгиба при изготовлении сварных балок и перейти к разработке решения трехмерной задачи.

Существующие методики можно разделить на две группы. К первой группе относятся методики (В.Ю.Шишкин, П.А.Храмов и др.), позволяющие определить аналитически средние по сечению элемента деформации от положения сварных швов. Недостатком методики является практически невозможность учесть неравномерность распределения температур по сечению при формировании термонапряженного состояния. Поэтому для моделирования процессов термической правки они не пригодны. В 70-х-80-х г. прошлого века в ЦНИИСе под руководством В.В. Пассека был создан комплекс методик по расчету температурных деформаций и напряжений в линейных элементах. Этот комплекс позволял производить расчет термонапряженного состояния и деформаций при различном по сечению элемента распределении температуры, учитывать изменение термомеханических характеристик (предела текучести, модуля упругости, коэффициента линейного расширения) от температуры, учитывать начальное напряженное состояние. Комплекс методик включал два разработанных впервые метода (метод механических аналогий и метод гидравлических аналогий) и программы на ЭВМ. В основу моделирования процесса были заложены принципы теории сопротивления материалов и подход к моделированию термонапряженного состояния при высокотемпературных нагревах, разработанный проф. Н.О.Окербломом. Комплекс методик позволял решать широкий круг задач в области не только термической правки, но и других процессов (например, расчет термонапряженного состояния пролетных строений мостов при воздействии на

них температурно-влажностных климатических воздействий). Однако область применения методики ограничивалась линейными элементами. Для пространственных процессов она применялась, но с использованием переходных коэффициентов, получаемых из экспериментов.

Автором разработана новая методика за основу, которой был принят ряд принципов, заложенных в методике ЦНИИС. Новое — это использование метода конечных элементов (МКЭ) для данной методики. Математическая постановка задачи заключалась в поиске численного решения системы уравнений при заданных начальных и граничных условиях. В работе рассматривается метод конечных элементов в форме метода перемещений. В этом случае разрешающие уравнения получены путем минимизации полной потенциальной энергии рассматриваемой системы, выраженной через поле

перемещений. Взаимосвязь глобальных матриц определяется соотношением

[*]{«> = {*■}

где: {q} — вектор узловых перемещений;

{F} — вектор внутренних сил;

[К] - глобальная матрица жесткости, определяемая в общем случае

для отдельного элемента соотношением [к]' =\[B]T[D][B]dV

где: [D] -матрица упругости;

[В] - матрица, определяемая функциями формы элемента.

В настоящей работе решение глобальной системы уравнений выполнено методом исключения Гаусса с учетом ленточного характера матрицы жесткости. Таким образом, было получено решение для упругой области деформирования элементов сварной мостовой балки при ее термической правке.

Расчет в области пластичности материала также опирается на МКЭ с учетом метода начальных напряжений. Для определения начала пластичности материала использовалось соотношение Мизеса

de. „ = Я-

где: Я, — неопределенный коэффициент пропорциональности.

Метод начальных напряжений, впервые примененный для задач теории пластичности Зенкевичем О.С. и др., представляет собой итерационный процесс для решения системы уравнений, определяющих изменение напряжений через изменения деформаций

d{a) = [D]'vd{e}

где: [D]*ep — упруго-пластическая матрица.

Таким образом, снова определяется глобальный вектор искомых узловых перемещений {q}. Итерационный процесс заканчивается, когда достигается точность решения ^<10" .

Таким образом, на основе теоретических исследований была разработана компьютерная программа «iStra-2D» расчета по МКЭ напряженно-

деформированного состояния сварной металлоконструкции. Программа «iStra-2D» написана на языке MS Visual С++ и позволяет проводить расчеты деформаций выгиба при термической правке балки. Программа позволяет задавать характеристики материала и температурное поле в любых частях конструкции и изменять его неограниченное по количеству моментов времени раз. В результате расчета, для каждого момента времени получают поля временных напряжений и деформаций.

В третьей части второй главы приведены данные по сопоставлению результатов, полученных по разным программам расчета: по программе РЗ, Р5 (по существующей методике ЦНИИС) и «iStra-2D». Сопоставление результатов производилось в области расчетов, доступной для существующих программ РЗ и Р5: на модели, представляющей собой прямоугольный лист постоянной толщины.

Таким образом, проведено несколько серий расчетов плоских задач выгиба для различных режимов термической правки. Моделирование термической правки выгиба таврового элемента методом нагрева сплошной полосы шириной 100мм проведено на двумерной модели с учетом плосконапряженного состояния. Параметры модели были выбраны одинаковыми для расчета по программе «РЗ» и по программе «iStra-2D», что позволило провести сравнение результатов расчета напряжений и деформаций. В расчет использовались 4 характерных последовательных распределения температуры по сечению модели (рис.1).

Сравнение результатов расчета двумя методами показало, что распределение напряжений стх по высоте пластины практически совпадает (рис.2). Разность максимальных остаточных угловых деформаций, полученных по разным программам составила менее 3%. Таким образом, результаты решения данной задачи по программе «iStra-2D» можно признать достоверными.

Моделирование термической правки выгиба элемента нагревом методом «клиньев» было проведено на плоской модели с начальными и граничными условиями одинаковыми для программ Р5 и «iStra-2D». Исследовалась двумерная плосконапряженная задача. Модель имела размеры 1500x300x12мм со свойствами проката марки 15ХСНДА. В работе представлены результаты расчетов по двум программам «Р5» и «iStra-2D» для 7 вариантов нагрева модели. Оценка эффективности термической правки производилась по значениям остаточной угловой деформации(ф) и по коэффициенту эффективности правки(К,ф). Коэффициент эффективности правки определяется как отношение угловой деформации к площади нагрева. Сравнение результатов, полученных по разным программам, показано в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, значения коэффициентов эффективности правки, полученные разными методами, имеют удовлетворительную сходимость, что говорит как о достоверности полученных данных по программе «iStra-2D», так и о подтверждении полученных ранее результатов с помощью программы «Р5».

Таким образом, расчеты показали удовлетворительную точность по сравнению с существующими методами расчетов.

температура, "С

Рис. 1 Три характерных последовательных распределения температуры по высоте листа при нагреве сплошной полосой

напряжения ох, М1а

Рис. 2 Остаточные напряжения стх, полученные по разным программам

Таблица 1

Оценка эффективности термической правки по разным программам

№ вар. нагрева Программа «¡Бй-а» Программа «Р5»

9(1*10"4) К,ф(1*10-6), мм"2 ср(1 "»Ю-4) КЭф (1*10"6), мм"2

1 44,7 0,45 53,2 0,43

2 29,4 0,3 41 0,37

3 30,2 0,15 37 0,17

4 31 0,44 33 0,46

5 32 0,46 37 0,49

6 66,1 0,4 63,6 0,43

7 -4,9 -0,05 0 0

Далее в главе 2 проведен ряд двумерных расчетов по программе «¡Бй-а-21)», которые невозможно было провести по программам РЗ и Р5 и определена наиболее эффективная ширина полосы нагрева при совмещении процессов предварительного подогрева и термической правки.

В третьей главе проведена разработка методики трехмерного расчета температурных напряжений и деформаций элементов.

В начале главы дан обзор существующих методик расчета напряжений и деформаций грибовидности тавровых элементов. При нагреве пояса балки в процессе правки грибовидности формируется перепад температур по толщине пояса. В этот момент образуются пластические деформации. Они усиливаются тем, что впереди по ходу движения горелки расположена холодная зона.

Таким образом, процессы формирования температурных напряжений и деформаций, протекающие при термической правке грибовидности, являются трехмерными. По методике ДНИИС эти процессы рассматривались как двумерные. Трехмерность учитывалась ведением поправочных коэффициентов, полученных экспериментально.

Автором была разработана программа «¡Б^а-ЗЭ» для расчета трехмерных температурных напряжений и деформаций при термической правке грибовидности поясов сварных балок. Математическая база программы «¡Б^а-ЗБ», также как и программы «¿51га-2В» основана на методе конечных элементов и приведена во второй главе.

Далее проведена серия трехмерных расчетов деформаций грибовидности при термической правке таврового элемента.

На рис.3 в качестве примера приведена модель таврового элемента с размерами 200x200x50мм с толщинами листов стенки и пояса по 16мм. Одно из распределений температуры показано на рис.4. Проведенные расчеты показали

■ 800-900 Р 700-800

■ 600-700 И 500-600

■ 400-500

□ 300-400

□ 200-300

■ 100-200 ■ 0-100

расстояние от оси нагрева

Рис.4 - Распределение температуры при нагреве горелкой

удовлетворительную точность при сравнении результатов по методикам ЦНИИС и предложенной методике. Расхождение результатов не превышали 20%.

Выполнен ряд трехмерных расчетов с помощью программы «¡51га-30'> для определения закономерностей взаимовлияния технологических процессов предварительного подогрева и термической правки при изготовлении сварных тавровых элементов балки. Установлен характер формирования деформаций грибовидности при каждой технологической операции.

В четвертой главе проведена разработка принципиальной схемы технологического процесса и оборудования для совмещения предподогрева и термической правки остаточных деформаций.

В начале главы для уточнения принципов учета взаимовлияния различных тепловых процессов в технологическом процессе изготовления балок рассмотрены эксперименты, проведенные в ЦНИИС и дающие значительный вклад в понимание физики процесса рассматриваемых явлений, а также проведены собственные эксперименты.

Установлено, что величина деформаций, получаемая при нагреве нейтральных листов (т. е. листов, где нет никакого начального напряженного состояния), может отличаться от деформаций, полученных в листах с начальным напряженным состоянием (рис.5). Соотношение эффективности нагрева чистого листа (КЭф]) и листа с начальным напряженным состоянием (Кэф2) обозначено коэффициентом К.

К=К*1

Кзф1

Из рис.5 видно, что эффективность нагрева чистого листа при термической правки выше в 1,1-1,8раз по сравнению с эффективность нагрева листа с начальным напряженным состоянием.

Далее приведено экспериментальное обоснование целесообразности совмещения предподогрева и правки деформаций. Существующий технологический процесс изготовления сварной двутавровой (тавровой) балки включает в себя следующие основные стадии:

- сборка двутаврового (таврового) элемента;

- предварительный подогрев кромок перед сваркой;

- сварка угловых поясных швов;

- правка, изготовленной металлоконструкции.

Предлагается следующая технология изготовления тавровых элементов сварных мостовых балок:

- сборка двутаврового (таврового) элемента;

- подогрев зон свариваемых кромок перед сваркой за счет нагрева пояса балки с внешней стороны для создания предварительных деформаций грибовидности;

- сварка угловых поясных швов.

В лабораторных условиях выполнено несколько вариантов нагрева таврового элемента по технологии термической правки перед сваркой и после

сварки. Данные, полученные в ходе экспериментов хорошо согласуются с представленной зависимостью.

В этой главе проведено теоретическое исследование совмещения процессов предподогрева и правки деформаций. Теоретические расчеты выполнены с помощью, ранее разработанной программы «¡Зй-а-ЗБ».

Для расчета была принята модель таврового соединения размерами 200x100x200мм с толщинами листов по 16мм и свойствами стали марки 15ХСНДА. Рассматривалась трехмерная нестационарная упругопластическая задача. Граничные и начальные условия соответствовали предлагаемой в настоящей работе технологии изготовления тавровых элементов сварных мостовых балок. Так, предварительный подогрев перед сваркой выполняется с внешней стороны листа полки таврового элемента по технологии термической правки до температур 700-750°С. Затем выполняется сварка двух угловых поясных швов катетом 8мм.

Ансамбль конечных элементов для данной задачи насчитывает 6803 конечных элемента и 5439 узловых степеней свободы. Нагрев при предварительном подогреве проводился мощностью 2,9кВт. В задаче использовано 5 временных отрезков:

1) нагрев при предварительном подогреве до температуры плюс 700°С;

2) охлаждение до температуры плюс 120"С;

3) нагрев при выполнение 2-х угловых швов;

4) охлаждение до температуры плюс 250°С;

5) охлаждение до температуры плюс 20°С.

Характер изменения максимальных деформаций грибовидности модели на протяжении всего расчета показан на рис. 6.

Таким образом, остаточные деформации грибовидности практически равны 0,05мм. Таким образом, совмещение процессов предварительного подогрева и термической правки является рациональным и позволяет исключить правку деформаций грибовидности после сварки элементов балки.

Далее в этой главе представлено описание принципиальной схемы и конструкции стенда для изготовления сварных мостовых балок. Схема стенда показана на рис. 7.

Стенд для сварки балок 1 содержит опоры с наклонными опорными элементами, на которых смонтированы упоры для установки собранных на прихватках балок 2, устройство 6 для сварки швов между стенкой 3 и поясом 4 балки 2 и механизированное нагревательное устройство 5, которое производит нагрев с внешней стороны пояса.

В качестве механизированного нагревательного устройства 5 рекомендуется использовать модернизированный вариант устройства для термической правки грибовидности АТПГ-2(а.с. №580027), разработанный в ЦНИИСе и в течение многих лет оправдавший себя в практике мостостроения.

Рис. 5. - Зависимость коэф. К от скорости правки и толщины металла

1,5

I 1,0

х

Ь 0,5 о

X Ч

о

(О

е-

О) "=1

-0,5

"I" -1,0

-1,5

Временной этап, №

Рис. 6. — Зависимость величины деформации грибовидности от времени нагрева

Рис. 7 - Схема стенда для сварки балок - стенд для сварки балок; 2 - балка; 3 - стенка балки; 4 - пояс балки;5 - нагревательное устройство; 6 - сварочный автомат

Использование автомата АТПГ-2 позволило обеспечить стабильность положения механизма для нагрева даже при усложненных условиях работы -при обратном наклоне пояса балки. Для эффективного использования автомата АТПГ-2 сформулированы дополнительные требования к зажимной системе.

В качестве устройства 6 для сварки может использоваться обычный сварочный автомат.

Стенд предлагаемой конструкции позволяет исключить одну из трех технологических операций. В предложенном стенде предварительный подогрев делается по другой схеме, что позволяет создать предварительный выгиб пояса. После сварки остаточных деформаций грибовидности либо нет, либо они находятся в пределах допуска.

После приварки пояса к стенке предлагаемая конструкция стенда позволяет также осуществить еще одну технологическую операцию. При установке нагревателя несимметрично относительно плоскости стенки 3 возможен нагрев непрерывных или прерывистых полос. Пластические продольные деформации металла, происходящие в процессе этих нагревов, позволяют искривить пояс в плоскости самого пояса, т. е. создать балку, криволинейную в плане. Для определения величины деформации выгиба используют программу «¡8(га-2В».

В пятой главе представлены данные по разработке способа изготовления сварных мостовых балок. Выполнено теоретическое исследование температурного режима в зоне нагрева горелкой стальной балки по предлагаемой технологии изготовления.

Описан предлагаемый способ изготовления сварных мостовых балок. На сборочном стенде собирают балку. Пояса и стенку соединяют согласно СТПО12-2000* с помощью коротких сварных швов — электроприхваток. Далее собранную на прихватках балку с помощью устройства для подъема и транспортировки устанавливают на стенд для сварки балок, описанный в главе 4. Затем с помощью механизированного нагревательного устройства выполняется нагрев определенной зоны металла с внешней стороны пояса балки. Нагрев с внешней стороны пояса балки может выполняться модернизированным автоматом АТПГ-2, при этом одновременно обеспечивается предварительный подогрев зон свариваемых элементов и создание предварительной деформаций обратной грибовидности. После выполнения угловых поясных швов по стандартной технологии сварки обратная деформация грибовидности ликвидируются. Таким образом, остаточные деформации грибовидности поясов отсутствуют и балка сразу может быть отправлена или на приемку службами ОТК и Мостовой инспекцией или на выполнение дальнейших сборочно-сварочных операций.

Прогрев нагревательным устройством и сварку осуществляют последовательно с некоторым разрывом «Б», определяемым по расчету. После наложения шва немедленно (не допуская остывания зоны сварки) перекантовывают балку и заваривают шов с другой стороны стенки, т. е. полностью приваривают один пояс, а далее в том же порядке приваривают второй пояс.

На рис.8 показана схема таврового элемента, на которой выделены характерные точки А и В, расположенные по оси стенки балки, соответственно на внешней и внутренней поверхности пояса 1 балки, точка С — в стенке 2 балки, на расстоянии 30 мм от внутренней поверхности пояса. На рис. 9 приведена зависимость, определенная экспериментально, температуры нагрева tA, tu, tc (соответственно в точках А, В, С на рис.8) , от времени в минутах с момента прохода соплом горелки расчетного сечения. Позициями тг, Ть х2 обозначены соответственно время максимального нагрева в точке А, максимально и минимально допустимого нагревов в точках В и С. Позициями tmax, tmj„, Atr обозначены максимально и минимально допустимые температуры нагрева в точках В и С, перепад температур между точками А и В в момент тг.

Технико-экономический выигрыш в данном способе определяется двумя моментами. Во-первых, тепловложение при создании предварительного выгиба меньше, чем при правке грибовидности той же величины. Во-вторых, тепловложение для предварительного выгиба используется одновременно и для предварительного подогрева (т.е. не вкладывается дважды).

Экспериментальное исследование процесса нагрева горелкой стального элемента перед сваркой проводилось в условиях Воронежской НИЛ сварки Филиала ОАО ЦНИИС НИЦ «Мосты». Были проведены несколько серий экспериментов с разными горелками (мощность 2,5кВт, 5,1 кВт, 9кВт) и разными толщинами тавровых элементов сварных балок (14мм, 16мм и 20мм).

Проведенные опытно-экспериментальные работы подтвердили, что температура металла в области сварных кромок элементов превышает 120°С и требуется некоторое время, чтобы она снизилась. Значения временных интервалов Дт для всех указанных толщин и мощностей нагрева, находятся в диапазоне от ~10мин до ~20мин.

Таким образом, получены зависимости температура-время, и установлено, что предварительный подогрев кромок под сварку с противоположной стороны листа полки возможен и имеется достаточный промежуток времени в среднем Ат=15мин для выполнения сварки.

Далее проведено теоретическое исследование режима нагрева горелкой стальной балки. Теоретический расчет был проведен с помощью программ Р1 и Cosmos/M. Для расчета использовались плоские модели таврового соединения размерами 160x80мм с по толщинами листов по 16мм и со свойствами стали марки 15ХСНДА. Исследовался нагрев тремя мощностями горелок: 2,5кВт, 5кВт, 10кВт. В ходе расчетов определялись значения температур в характерных точках А,В,С(рис.8). По результатам расчетов получены зависимости «температура-время» для точек А,В,С и для каждой мощности.

По полученным данным была выявлена зависимость мощность горелки^) от промежутка времени Дт в течение которого можно выполнять сварку угловых поясных швов балки. Зависимость приведена на рис.10. Таким образом, используя определенную мощность горелки для нагрева при предварительном подогреве сварных кромок можно сразу определить в течение какого промежутка времени необходимо выполнить сварку угловых поясных

Рис. 8- Схема таврового элемента для исследования способа изготовления сварных балок А,В, С—характерные точки для исследования; 1 - лист пояса; 2-лист стенки

Рис. 9- Экспериментально полученная зависимость температура - время для листов пояса и стенки по 16мм, мощность нагрева 5,1 кВт

-V

А

О 10 20 30 40 50

Дт.мин

Рис. 10— Зависимость мощность нагрева — отрезок времени Лт

швов и с каким разрывом «Б» должны двигаться нагревательное устройство и сварочный автомат.

В шестой главе выполнено исследование эффективности применения разработанного способа изготовления сварных балок стальных мостов. Проведено исследование влияния нагрева горелкой элемента балки, по предлагаемой технологии, на свойства стали.

Проведены три серии механических испытаний образцов металла листа пояса, нагретого газовой горелкой:

№1 - Металл листа пояса, нагретый с внешней стороны пояса балки;

№2 - Металл листа пояса после сварки двух угловых поясных швов;

№3 - Основной металл, взятый из данного листа пояса в том же направлении, что и термически обработанный металл.

Проводились исследования на прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость при отрицательных температурах (-40"С). Также выполнены металлографические исследования с целью определения структурного изменения стали.

По результатам исследований установлено, что при простом использовании термической правки после сварки таврового элемента сварной балки, механические свойства стали в зоне непосредственного воздействия пламени горелки снижаются па 8-10%; при этом увеличивается прочность, увеличивается твердость, снижаются пластические свойства.

При использовании предлагаемой в работе технологии изготовления сварных мостовых балок, механические свойства стали в зоне воздействия пламени горелки остаются практически (±3%) на уровне свойств металлопроката элементов сварной балки. Это обеспечивается за счет особенностей взаимовлияния тепловых процессов при выполнении основных технологических операций. Использование предлагаемой технологии изготовления сварных мостовых балок ставит процесс правки деформаций грибовидности перед сваркой. Таким образом, высокотемпературный сварочный нагрев является последним термическим циклом в технологическом процессе изготовления балки. Металл в зоне нагрева газовой горелкой испытывает новый нагрев до температур возврата (150-300°С) или даже рекристаллизации (400-600°С). Таким образом, свойства стали практически восстанавливаются до уровня свойств основного металлопроката: повышается пластичность, снимается наклеп металла, повышается ударная вязкость при отрицательных температурах.

Далее в главе 6 проведена оценка экономической эффективности сделанных в диссертации разработок и проведена оценка перспектив их внедрения:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненный в условиях мостовых заводов анализ технологии изготовления сварных балок показал, что па вспомогательные операции расходуются до 20% ресурсов. При этом зачастую операции повторяются на

протяжении изготовления одной балки. Один из эффективных путей повышения производительности — снижение повторяемости вспомогательных операций.

2. Установлено, что на термическую правку грибовидности затрачивается до 2-х раз более тепла, чем на предварительный выгиб листа путем нагрева, произведенного до приварки пояса к стенке балки. Поэтому предложено производить не термическую правку, а предварительный выгиб пояса термическим способом до приварки пояса к стенке. Операцию производить после прихватки пояса к стенке. При этом осуществлять предварительный подогрев стенки балки в зоне сварного шва.

3. Разработана принципиальная схема стенда для сварки балки. Основная трудность при разработке стенда для сварки определялась требованием обеспечить нормированный нагрев горелкой пояса балки с его внешней стороны, поскольку балка в это время наклонена под углом 45°. Стабильность работы стенда была обеспечена применением для нагрева стенки автомата АТПГ, разработанного в ЦНИИСе. Введенные дополнительные условия к прижимной системе позволили обеспечить точность регулировки расстояния сопла горелки до поверхности нагрева и точность регулировки положения сопла горелки по ширине пояса с точностью до 1 мм.

4. Разработаны программы «¡8й-а-20» и «¿Б^а-ЗО» для расчета температурных деформаций и напряжений методом конечных элементов. Эти программы позволяют существенно расширить возможности математического моделирования процессов сварки и термической правки. Они были широко использованы при разработке новой технологии.

5. Исследован температурный режим свариваемой балки в процессе образования обратного выгиба пояса, предварительного подогрева и сварки, а также термонапряженное состояние и деформации на этих этапах. В результате сформулированы основные положения нового способа сварки. В частности, установлено, что интервал, в течение которого рекомендуется выполнять сварку угловых швов после предварительного подогрева, составляет в среднем 15 мин.

6. Выявлен характер изменения механических свойств металла при различной последовательности сварки и термической правки грибовидпости и определены некоторые количественные характеристики этого изменения. Установлено, что увеличивается прочность, увеличивается твердость, снижается вязкость при отрицательных температурах в зоне нагрева горелкой по предлагаемой технологии изготовления сварной балки. В целом снижение свойств незначительное (до ~3%). Установлено, что при использовании стандартной технологии изготовления балок снижение механических свойств в зоне нагрева газовой горелкой достигает ~10%.

7. Разработаны принципиальные схемы дальнейшего развития технологии. На разработанном стенде с учетом предложенных усовершенствований возможно следующее:

- осуществлять изготовление криволинейных в плане балок. При этом сопло горелки смещается к краю пояса и производится нагрев «полосы» или «клина»;

- осуществлять сборку балки. Для этого стенд должен быть снабжен поворотным устройством по предложенной схеме. Это позволит не только снизить сроки изготовления балки, но и ликвидировать опасность формирования неравномерной по длине деформации «перекоса» поясов балки, которая формируется в процессе транспортировки собранной на «прихватках» балки от сборочного стенда к сварочному стенду;

- не производить во время сборки формирование «завала» или «развала» поясов относительно стенки балки, а производить предотвращение перекоса путем смещения полосы нагрева при образовании обратного выгиба.

8. Экономическая эффективность работы определяется возможностями широкого внедрения:

разработанной технологии изготовления балок не только в мостостроении, но и в гражданском, промышленном, гидротехническом строительстве. В результате можно вообще ставить вопрос об отказе от использования целых цехов по холодной правке грибовидное™ балок и Н-образных элементов;

- разработанные программы позволяют существенно повысить уровень прогнозирования деформаций и напряжений при изготовлении стальных элементов, поэтому могут быть рекомендованы к широкому использованию.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Пассек В.В., Гребенчук И.В. Методы расчета напряжений и деформаций при термической правке выгиба металлоконструкций стальных мостов. Труды ЦНИИС. Вып. №226 «Научное обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации мостов» - М., 2005, с.46-53.

2. Гребенчук И.В. Трехмерный расчет напряжений и деформаций при термической правке грибовидности мостовых балок. Труды ЦНИИС. Вып. №228 -М„ 2005, с.105-111.

3. Пассек В.В., Гребенчук И.В. О возможности использования предварительного выгиба перед сваркой тавровых элементов. Труды ЦНИИС. Вып. №228 - М„ 2005, с.95-100.

4. Гребенчук И.В., Пассек В.В. Расчет деформаций грибовидности при изготовлении мостовых тавровых элементов. Вестник Воронежского ГТУ Серия «Физико-математическое моделирование», т.2, №8, Воронеж, 2006, с. 104-106.

5. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Авторы Пассек В.В., Гребенчук И.В. «Стенд для сварки балок», Заявка №2006108295, ФГУ, ФИПС, 2006.

Подписано в печать 30.10.2006. Формат 60 х 84 1/1<5. Объем 1,75 п.л. Тираж 80 экз. Заказ 88.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.: (495) 180-94-65

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, АКТУАЛЬНОСТЬ, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Обзор существующих способов изготовления балок. Актуальность работы.

1.2. Возможные пути совершенствования способов изготовления балок. Цель и задачи работы.

1.3. Методика исследований.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПЛОСКОЙ ЗАДАЧЕ.

2.1. Анализ существующих методик расчета.

2.2. Численное решение двумерной задачи методом конечных элементов.

2.3. Сопоставление результатов расчета различными методами.

2.4. Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЗАДАЧЕ.

3.1. Анализ существующих методик расчета.

3.2. Численное решение трехмерной задачи методом конечных элементов.

3.3. Сопоставление результатов расчета различными методами.

3.4. Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

4.1. Экспериментальное обоснование целесообразности совмещения предподогрева и правки деформаций.

4.2. Теоретические исследования совмещения процессов предподогрева и правки деформаций.

4.3. Разработка принципиальной схемы и конструкции стенда для изготовления сварных балок.

4.4. Выводы по главе 4.

5. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНЫХ БАЛОК.

5.1. Разработка способа изготовления сварных балок.

5.2. Экспериментальное исследование процесса нагрева горелкой стального элемента перед сваркой.

5.3. Теоретическое исследование температурного режима в зоне нагрева горелкой стальной балки.

5.4. Выводы по главе 5.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ОБЛАСТЕЙ

ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОГО СПОСОБА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СВАРНЫХ БАЛОК.

6.1. Исследование влияние нагрева горелкой на свойства стали и определение области рационального применения.

6.2. Перспективы внедрения разработок диссертации и анализ экономической эффективности внедрения разработанного способа.

6.3. Выводы по главе 6.

Одним из основных конструктивных элементов стальных мостов является балка, которая в большинстве случаев изготавливается сварной конструкцией. Все технологические операции при изготовлении сварных балок (при различной организации технологического процесса они могут меняться) можно разделить на основные (например, сборка и сварка), и на вспомогательные (например, предварительный подогрев перед сваркой, транспортные операции, правка после сварки). Особенностью вспомогательных операций является их повторяемость на различных этапах изготовления балки. В настоящее время в России ежегодно изготавливаются сотни тысяч тон сварных балочных металлоконструкций и при их изготовлении тратятся большие ресурсы на выполнение вспомогательных операций.

Актуальность работы определяется с одной стороны, большими объемами выпускаемых металлоконструкций, и с другой стороны, значительными затратами на повторяющиеся вспомогательные операции.

Целью работы является повышение эффективности изготовления сварных балок стальных мостов путем снижения затрат на вспомогательные операции.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1) Совершенствование методов расчета температурных деформаций и напряжений;

2) Исследование закономерностей формирования температурных деформаций при сварочных процессах и термической правке и нахождение принципиальных схем совершенствования процессов изготовления сварных мостовых балок;

3) Разработка оборудования для изготовления сварных балок;

4) Разработка способа совмещения процессов предподогрева, сварки и термической правки грибовидности;

5) Исследование влияния термической правки на комплекс механических свойств стали;

6) Выявление путей дальнейшего расширения областей использования результатов, полученных при проведении данных работ.

Методика исследования базировалась на сочетании математического моделирования процессов теплопроводности и формирования температурных деформаций и напряжений, экспериментов в лабораторных условиях и наблюдений за технологическими процессами в заводских условиях.

Научная новизна работы определяется выявленными новыми закономерностями формирования температурных напряжений и деформаций при высокотемпературных нагревах стальных элементов в процессах сварки и термической правки:

- выявлен эффект снижения величины угловых деформаций грибовидности при наличии начального напряженного состояния от наложения сварных швов по сравнению с элементом без начального напряженного состояния. Определены зависимости величины этого снижения от толщины элемента, марки стали и других параметров;

- установлены зависимости изменения величины предварительного нагрева зоны сварного шва в процессе перемещения газовой горелки от величины эффективной мощности горелки и других параметров;

- выявлен характер изменения механических свойств металла при различной последовательности сварки и термической правки грибовидности и определены некоторые количественные характеристики этого изменения;

- разработана математическая модель процесса формирования температурных деформаций и напряжений при высокотемпературных нагревах за пределами области упругой работы материала. Разработанная математическая модель использована при разработке программы методом конечных элементов.

Практическая значимость работы. На основании выполненных автором исследований разработаны положения, позволяющие повысить эффективность изготовления сварных мостовых балок.

Предложены пути совершенствования технологии изготовления сварных балок стальных мостов. Разработана новая методика расчета деформаций грибовидности. Разработаны две компьютерные программы «iStra-2D» для двумерных и «iStra-3D» для трехмерных расчетов температурных напряжений и деформаций.

Выполнены теоретические и экспериментальные обоснования новой технологии изготовления сварных балок стальных мостов. Разработан стенд для заводского изготовления сварных балок. Разработан способ заводского изготовления сварных мостовых балок. Использование предлагаемого стенда и способа изготовления сварных мостовых балок даёт возможность упростить сборочные операции, снизить затраты времени на изготовление и тем самым повысить выпуск продукции с метра полезной производственной площади завода.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технической конференции ОАО ЦНИИС (2005г.), а также на секции Ученого совета ОАО ЦНИИС (2006г.).

Достоверность результатов теоретических разработок подтверждается их качественным и количественным совпадением с результатами экспериментальных работ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в т.ч. получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Подана заявка на получение патента на изобретение.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. t

В.В. Пассеку, коллективам Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС и Воронежской научно-исследовательской лаборатории сварки Филиала ОАО ЦНИИС НИЦ «Мосты» за помощь при проведении исследований, а также сотрудникам отдела главного технолога ЗАО «Воронежстальмост» за консультационную помощь.

6.3. Выводы по главе 6

Проведено исследование влияния нагрева горелкой элемента балки, по предлагаемой технологии, на свойства стали. По результатам исследований установлено, что при простом использовании термической правки после сварки таврового элемента сварной балки, механические свойства стали в зоне непосредственного воздействия пламени горелки снижаются на 8-10%; при этом увеличивается прочность, увеличивается твердость, снижаются пластические свойства.

При использовании предлагаемой в работе технологии изготовления сварных мостовых балок, механические свойства стали в зоне воздействия пламени горелки остаются практически (±3%) на уровне свойств металлопроката элементов сварной балки.

Оценка экономической эффективности сделанных в диссертации разработок показала хорошие перспективы внедрения, полученных разработок, не только на мостовых заводах, но и на заводах металлоконструкций РФ, что даст общий годовой экономический эффект в миллиарды рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 4

1. Выполненный в условиях мостовых заводов анализ технологии изготовления сварных балок показал, что на вспомогательные операции расходуются до 20% ресурсов. При этом зачастую операции повторяются на протяжении изготовления одной балки. Один из эффективных путей повышения производительности - снижение повторяемости вспомогательных операций.

2. Установлено, что на термическую правку грибовидности затрачивается до 2-х раз более тепла, чем на предварительный выгиб листа путем нагрева, произведенного до приварки пояса к стенке балки. Поэтому предложено производить не термическую правку, а предварительный выгиб пояса термическим способом до приварки пояса к стенке. Операцию производить после прихватки пояса к стенке. При этом осуществлять предварительный подогрев стенки балки в зоне сварного шва.

3. Разработана принципиальная схема стенда для сварки балки. Основная трудность при разработке стенда для сварки определялась требованием обеспечить нормированный нагрев горелкой пояса балки с его внешней стороны, поскольку балка в это время наклонена под углом 45°. Стабильность работы стенда была обеспечена применением для нагрева стенки автомата АТПГ-2, разработанного в ЦНИИСе. Введенные дополнительные условия к прижимной системе позволили обеспечить точность регулировки расстояния сопла горелки до поверхности нагрева и точность регулировки положения сопла горелки по ширине пояса с точностью до 1 мм.

4. Разработаны программы «iStra-2D» и «iStra-3D» для расчета температурных деформаций и напряжений методом конечных элементов. Эти программы позволяют существенно расширить возможности математического моделирования процессов сварки и термической правки. Они были широко использованы при разработке новой технологии.

5. Исследован температурный режим свариваемой балки в процессе образования обратного выгиба пояса, предварительного подогрева и сварки, а также термонапряженное состояние и деформации на этих этапах. В результате сформулированы основные положения нового способа сварки. В частности, установлено, что интервал, в течение которого рекомендуется выполнять сварку угловых швов после предварительного подогрева, составляет в среднем 15 мин.

6. Выявлен характер изменения механических свойств металла при различной последовательности сварки и термической правки грибовидности и определены некоторые количественные характеристики этого изменения. Установлено, что увеличивается прочность, увеличивается твердость, снижается вязкость при отрицательных температурах в зоне нагрева горелкой по предлагаемой технологии изготовления сварной балки. В целом снижение свойств незначительное (до -3%). Установлено, что при использовании стандартной технологии изготовления балок снижение механических свойств в зоне нагрева газовой горелкой достигает ~10%.

7. Разработаны принципиальные схемы дальнейшего развития технологии. На разработанном стенде с учетом предложенных усовершенствований возможно следующее:

- осуществлять изготовление криволинейных в плане балок. При этом сопло горелки смещается к краю пояса и производится нагрев «полосы» или «клина»;

- осуществлять сборку балки. Для этого стенд должен быть снабжен поворотным устройством по предложенной схеме. Это позволит не только снизить сроки изготовления балки, но и ликвидировать опасность формирования неравномерной по длине деформации «перекоса» поясов балки, которая формируется в процессе транспортировки собранной на 4 прихватках» балки от сборочного стенда к сварочному стенду;

- не производить во время сборки формирование «завала» или «развала» поясов относительно стенки балки, а производить предотвращение перекоса путем смещения полосы нагрева при образовании обратного выгиба.

8. Экономическая эффективность работы определяется возможностями широкого внедрения:

- разработанной технологии изготовления балок не только в мостостроении, но и в гражданском, промышленном, гидротехническом строительстве. В результате можно вообще ставить вопрос об отказе от использования целых цехов по холодной правке грибовидности балок и Н-образных элементов;

- разработанные программы позволяют существенно повысить уровень прогнозирования деформаций и напряжений при изготовлении стальных элементов, поэтому могут быть рекомендованы к широкому использованию.

1. Абаринов А.А. Состояние и перспектива развития технологии и организации изготовления стальных конструкций. " Известия вузов. Строительство и архитектура" 1978, № 9, с. 87 -101.

2. Абаринов А.А., Исаакян Г.А., Петров В.И. Влияние газопламенного нагрева на механические свойства некоторых строительных сталей. "Промышленное строительство", 1966, № 1, с. 32-34.

3. Абаринов А.А., Петров В.П. Технология изготовления металлических конструкций. М., «Высшая школа», 1966,321 с.

4. Алсуфьев П.А. Особенности одновременной двусторонней сварки угловых швов тавровых сечений. Тр. НИИ мостов, вып. 5, М., Трансжелдориздат, 1959, с. 86 -89.

5. Большаков К.П., Душницкий В.М., Пассек В.В., Боровиков В.Н., Реут З.В., Мамлин Г.А., Синявский А.И., Передереев Б.М., Леденев Д.Ф.Устройство для термической правки полок сварных элементов. А. с. СССР № 856612, опубл. 23.08.81, бюлл. № 31.

6. Большаков К.П., Пассек В.В., Душницкий В.М. Способ термической правки грибовидности полок сварных сварных элементов. А. с. СССР № 724239, опубл. 30.03.80, бюлл. № 12.

7. Большаков К.П., Пассек В.В., Душницкий В.М., Гурии Л.Я., Киселев А.В., Ананьев А.Ф. Передереев Б. М. Устройство для правки грибовидности полок сварных элементов. А. с. СССР № 493268, опубл. 30.11.75, бюлл. №44.

8. Большаков К.П., Пассек В.В., Душницкий В.М., Турин Л.Я., Шаферман И.М., Пасеков П.Х., Передереев Б. М, Синявский А.И. Устройство для правки грибовидности полок сварных элементов. А. с. СССР № 580027, опубл. 15.11.77, бюлл. № 42.

9. Большаков К.П., Шамстенко Л.П., Душницкий В.М. Влияниеправки на механические свойства листовой стали. " Транспортное строительство", 1971, № 12, с. 34 36.

10. Браблик Я., Шмелев А. Правка металла ацетилено-кислородным пламенем по методу Отакара Влаха. М, Профиздат, 1956,65 с.

11. Бурнштейн B.JL, Пассек В.В., Душницкий В.М. Устройство для измерения эффективной тепловой мощности пламени. А. С. № 544872.

12. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. М.: Машиностроение, 1968. - 235 с.

13. Винокуров В.А., Беспалый А.А. Зависимость пластичности угловых швов от направления силы //Сварочное производство. 1985. №6. с.30-32.

14. Винокуров В.А., Куркин А.С. Прочность сварных соединений с угловыми швами и метод их расчета //Сварочное производство. 1984, №8, с.3-5.

15. Волынкин Г.М. Правка обшивки сварных конструкций местными нагревами электрической дугой." Сварочное производство", 1972, № 8, с. 2122.

16. Габбасов Р.Ф. О разностных уравнениях в задачах прочности и устойчивости плит. Прикладная механика, 1982, т. 18, № 9, с. 63 67.

17. Габбасов Р.Ф., Соломон Т. Д. Эффективность численного метода расчета ортотропных пластин. Известия ВУЗов, Строительство и архитектура, 2005, № 8.

18. Гривняк И. Свариваемость сталей. М.: Мир, 1978.

19. Гребенчук И.В. Трехмерный расчет напряжений и деформаций при термической правке грибовидности мостовых балок. Труды ЦНИИС. Вып. №228 М., 2005, с. 105-111.

20. Гузевич Ю.Д. Холодная правка грибовидности полок сварных двутавровых элементов. Автоматическая сварка, 1958, № 7, с. 18 20.

21. Душницкий В.М. Исследование, термической правки мостовых балок. Тезисы доклада Всесоюзной межвузовской конференции. МВТУ, М.,1973, с. 97-99.

22. Душницкий В.М. Характеристика зарубежных заводов металлоконструкций. Транспортное строительство, 1983, с. 12 -15.

23. Душницкий В.М., Пассек В.В. Исследование термической правки грибовидности. Труды ЦНИИС, М., "Транспорт". 1997 с. 78 94. Сб. Совершенствование технологии изготовления стальных мостовых конструкций.

24. Душницкий В.М., Пассек В.В. Рекомендации по правке стальных мостовых конструкций. М., ЦНИИС. 1988. 197 с.

25. Душницкий В.М., Пассек В.В. «Способ изготовления двутавровых балок» А.с. №1328125.

26. Душницкий В.М., Шелестенко Л.П. Влияние термической правки на механические свойства сталей марок 15ХСНД, 10Г2С1Д. "Транспортное строительство", 1971, № 2, с. 43-45.

27. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.-541 с.

28. Забудько А.А., Терещенко В.И. Об Угловых деформациях поясных листов тавровых соединений. Автоматическая сварка, 1965, №10, с. 26-30.

29. Горицкий В.М. Диагностика металлов, М.: Металлургиздат, 2004,408с.

30. Изготовление стальных конструкций. Справочник монтажника под ред. Краснова В.М, М., Стройиздат., 1978,

31. Иоффе С.Г., Сахновский В.В. Предварительная механическая обработка резанием с применением воздушно плазменного нагрева. "Судостроение", 1980, № 6, с. 36 - 37.

32. Казимиров А.А., Киреенко В.И. Новые направления в развитии сварных пролетных строений. «Сварочное производство», 1971, №5, с. 2225.

33. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969.

34. Коломогоров B.JI. Напряжения, деформации, разрушение. М.: Металлургия, 1970.

35. Корниенко B.C. Изготовление строительных металлических конструкций. М., Стройиздат., 1997,

36. Корольков П.М. Термическая обработка сварных соединений труб электронагревателями комбинированного действия. "Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях Москвы", М., 1980, с. 66-69.

37. Кузнецов А.Ф. Особенности технологических операций при изготовлении конструкций из высокопрочных сталей. В сб.: Совершенствование производства металлических конструкций. М., Стройиздат, 1971, с. 102-106.

38. Кузьминов С.А. Методика расчета общих сварных деформаций корпусных конструкций. Труды ЦНИИ судостроения, 1956, вып. 9.

39. Куценко В.Н., Ребрик П.Е. Завод металлических мостовых конструкций в Улан Удэ. "Транспортное строительство" 1972, № 9,20 - 22.

40. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1984, 359с.

41. Левитас В.И., Идесман А.В. Особенности решения термо-упругопластических задач методом конечных элементов // Проблемы прочности. 1986. №10, с.60-66.

42. Лифшиц Л.Н., Следков А .Я., Пихуля И. А., Дубовик В.Г., Крымов В.Г., Поляков 11.Ф., Малкус Б.Л., Кабалыюв B.C. Установка для непрерывной сварки изделий двутаврового сечения. А. с. СССР, кл. В23к 37/00, №733936, он. 15.05.80.

43. Лукьянов B.C. Применение гидравлических аналогий в научных исследованиях и расчетах. Техника железных дорог, № 7 1946.

44. Мамлин Г.А. Изготовление конструкций стальных мостов. М., «Транспорт», 1976, 357.

45. Махненко В.И. Расчетные методы исследования сварочных напряжений и деформаций. Киев.: Наукова думка. 1976. 320с.

46. Махненко В.И., Великоиваненко Е.А. Вопросы расчета сварочных деформаций и напряжений с применением ЭЦВМ. "Физика и химия обработки материалов", 1967, № 4.

47. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник, том 2, М., Металлургиздат, 1962, с. 1609 1624.

48. Металлы. Методы механических и технологических испытаний. М., Издательство стандартов, 1996, 82 с.

49. Методика статистической обработки эмпирических данных. РТМ 44-62. М., Издательство стандартов, 1967,262 с.

50. Михайлов B.C. Определение оптимальной температуры при правке конструкций методом местных нагревов. "Технология судостроения", 1965, № 3, с.

51. Михайлов B.C. Определение размеров нагреваемых участков при безударной горячей правке конструкций. Труды ЦНИИ технологии судостроения, вып. 62,1965, 32 с.

52. Михайлов B.C. Тепловая правка местных деформаций полотнищIсварных конструкций. "Сварочное производство", 1972, № 8,19-21.

53. Научно-технический отчет ЦНИИСа по теме 5М-ИС-75, р. 1а «Проведение исследований и испытаний образцов (опытных участков) новых конструкций и новых технологических процессов», М., 1976.

54. Научно-технический отчет ЦНИИСа по теме ИС-09-69, р. 5а "Предложения по допускаемым границам применения правки", М., 1969.

55. Научно-технический отчет ЦНИИСа по теме ВК X -1 - 77/78, р. 1а "Автомат для термической для термической правки грибовидности балок", М., 1978.

56. Научно-технический отчет ЦНИИСа по теме Р ИС - 04 - 79/80 "Совершенствование конструкции и режимов работы автомата АН 11-2 для термической правки грибовидности поясов балок", М., 1980.

57. Николаев Г.А. Деформации, вызываемые сваркой в элементах конструкций. "Автогенное дело", 1940, № 10.

58. Николаев Г.А. Исследование внутренних напряжений при сварке пластин встык. Сб. трудов ЦНИИТМАШ " Новые режимы сварки и прочность сварных соединений", М., Машгиз, 1937.

59. Николаев Г.А. Сварные конструкции. М, Машгиз. 1962.- 292 с.

60. Николаев Г.А., Рыкалин Н.Н., Деформации при сварке конструкций, Издательство АН СССР, 1948, 183 с.

61. Овчинников В.Н. Поточно-механизированная линия для4производства стропильных ферм стальных конструкций покрытий зданий с применением замкнутых крутосварных профилей прямоугольного сечения. Симпозиум JABSE, М., 1978.

62. Окара В.Г. О некоторых прогрессивных направлениях в области механизации и автоматизации изготовления стальных строительных конструкций. Симпозиум АИПК, М, 1978, с. 377-380.

63. Окерблом Н.О.Конструктивно-технологическое проектирование сварных конструкций. М. JI. "Машиностроение", 1964,420 с.

64. Окерблом И.О. Деформации и напряжения, вызываемые сваркой и методы их теоретического определения. "Вестник инженеров и техников", 1940, №11.

65. Окерблом И.О. Сварочные деформации и напряжения. М., Машгиз, 1948,209 с.

66. Окерблом Н.О. Термические и усадочные напряжения в сварных металлоконструкциях. М, ОНТИ, 1935. - 36 с.

67. Орлов В.Г. Исследование влияния холодной правки на механические свойства сталей. "Транспортное строительство", 1969, № 1, с. 44-45.

68. Орлов В.Г., Шелестенко Л.П. Остаточные напряжения в элементах мостовых конструкций от холодной и термической правки. Труды ЦНИИС, вып. 90, "Конструкции, расчет и технология изготовления стальных мостов", М., "Транспорт", 1974, с.

69. Отчет о служебной командировке в США группы советских мостостроителей. Соловьев Г.П., Силин К.С. и др., М., 1970, Минтрансстрой.

70. Пассек В.В. Расчет на ЭВМ температурных полей при термической правке деформаций элементов металлических конструкций, Труды ЦНИИС "Совершенствование технологии изготовления стальных мостовых конструкций". М., Транспорт, 1972.

71. Пассек В.В. Совершенствование методики расчета температурных полей при термической правке. М., Транспорт, 1975, с. 166 -170. В сб. "Исследования современных конструкций стальных мостов".

72. Пассек В.В., Гребенчук И.В. Методы расчета напряжений и деформаций при термической правке выгиба металлоконструкций стальных мостов. Труды ЦНИИС. Вып. №226 «Научное обеспечение проектирование, строительства и эксплуатации мостов» М., 2005, с.46-53.

73. Пассек В.В., Гребенчук И.В. О возможности использования предварительного выгиба перед сваркой тавровых элементов. Труды ЦНИИС. Вып. №228 М., 2005, с.95-100.

74. Пассек В.В., Гребенчук И.В. Расчет деформаций грибовидности при изготовлении мостовых тавровых элементов. Вестник ВГТУ Серия «Физико-математическое моделирование», т.2, №8, Воронеж, 2006, с. 104106.

75. Пассек В.В., Гребенчук И.В. Патент РФ №55661 на полезную модель «Стенд для сварки балок», бюлл. №24,27.08.2006.

76. Пассек В.В., Душницкий В.М. Подогрев при сварке мостовых конструкций. В кн. "Совершенствование конструкций и технологии изготовления металлических мостов. М., Транспорт, 1984, с. 76 84.

77. Пассек В.В., Душницкий В.М. Устройство для термической правки полок сварных элементов. А. с. СССР № 1558528, опубл. 23.04.80, бюлл. №15.

78. Пассек В.В., Душницкий В.М., Черный Д.Г. Повышение эффективности термической правки металлоконструкций. Транспортное строительство, 1993, №№ 5-6, с. 42 43.

79. Пассек В.В., Душницкий В.М., Черный Д.Г. Правка грибовидности поясов балок и Н образных элементов. Транспортное строительство, 1992, № 5, с. 20 - 26

80. Пассек В.В., Орлов В.Г. О влиянии повторного нагрева при правке грибовидности сварных Н-образных элементов. "Сварочное производство", 1970, №12, с. 32-33.

81. Патон Е.О. Усадочные напряжения при сварке цилиндрических сосудов. Автогенное дело, 1936. №5, с. 10-12.

82. Патон Е.О., Горбунов Б.Н. Стальные мосты. К., 1930.

83. Плаунов В.П., Перель JI.H., Фролов В.П., Шарыгин Н.Г. Газовая горелка. Кл. F 23 Д 13/26, №682732, сп. 30.08.79.

84. Положительное решение о выдаче патента на полезную модель. «Стенд для сварки балок», №2006108295, ФГУ, ФИПС, 2006.

85. Рыкалин Н.Н. Расчет тепловых процессов при сварке. М., Машгиз, 1951.

86. Рыкалин Н.Н., Шоршоров MX. "Распределение удельного потока сварочного пламени и его влияние на образование трещин при нагреве тонких листов стали ЗОХГС. "Автогенное дело", 1952, №2.

87. Савельев В.И. Расчеты сварочных деформаций при изготовленииэлементов сварных мостовых конструкций. Сообщение №31 НИИ мостов при ЛИИЖТе. М., Транспорт, 1964,10 с.

88. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. М., Машгиз, 1974.

89. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.:Мир,1979.

90. Сима М., Окавагари И., Сакино Э. Устройство для предварительного нагрева при автоматической сварке. Японский патент кл. В 23 к 37/00, №56-12233 оп. 19.03.81.

91. СНиП 2.05.03-84 Строительные нормы и правила мосты и трубы. Госстрой РФ, 1991.

92. Соловьев Г.П. Строительство металлических мостов в США. М., Оргтрансстрой, 1971, 64с.

93. СТП012-2000* Заводское изготовление стальных конструкций мостов, Транстрой, 2000.

94. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977.

95. Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения. JL: Машиностроение, 1973.-201с.

96. Терещенко В.И., Забудько А.А. Об Угловых деформациях поясных листов тавровых соединений. Автоматическая сварка, 1965, №10, с. 26 30.

97. Технические условия на металлические автодорожные мосты США. Highway bridger design. М: Оргтрансстрой, 1970, 225 с.

98. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.

99. Труды ЦНИИС, вып. 88, "Исследования стальных и сталежелезо-бетонных мостов", М, "Транспорт", 1972, с. 70 84.

100. Уманский С.Э., Романченко С.А. Эффективный абсолютно устойчивый алгоритм численного решения задач термовязкоупругости и термопластичности//Проблемы прочности. 1986, №7, с.82-89.

101. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Издательство физико-математической литературы, 1963.

102. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. 4.2. /Механические испытания. Конструкционная прочность. М.: Машиностроение, 1974, 360с.

103. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат,1956.

104. Холзнер С. Microsoft Visual С++ СПб.: Питер, 1998.

105. Черный В.А., Кляпицын В.А., Голяев В.И. Термообработка сварных соединений. "Сварочное производство", 1976, №12, с. 43.

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

107. Шатерин М.А, Попилов А.Г., Межко B.C. Эффективность нагрева заготовки при плазменно-механической обработке. "Сварочное производство' №1,1982, №5, с. 29-30.

108. Шатерин М.А., Коротких М.Г., Ярицын В.В. Фрезерование кромок листов с подогревом срезаемого слоя осцилирующей плазменной дугой "Обработка материалов резанием". М, 1980, с. 13 -17.

109. Шашков А.Н., Асиновская Г.А., Быков В.В., Баркан Б Б., Зайцева И.С, Фролова Н.Н. Деталь сопловой части газопламенной аппаратуры, А. с.СССР, кл. F 23 d 13/26, № 198267 от 28.07.67.

110. Шелепов Н.С., Дубодин В.Н., Орлов В.П., Нионов Н.Н., Клинов А.Д. Устройство для нагрева изделий. Кл. В 23 к 37/00, №593875, оп. 25.02.78.

111. Шишкин В.Ю. Итоги работ и основные задачи в области заводского изготовления и монтажа сварных пролетных строений. Тр. НИИмостов, вып.5, М., Трансжелдориздат, 1959, с. 5 34.

112. Шишкин В.Ю., Храмов П.А. Приближенный метод расчета укорочения элементов металлоконструкций. В сб. "Прогрессивные методы обработки металлоконструкций. J1., Ленинградский дом научно-технической пропаганды, 1968, 25 с.

113. Avent R.R. Effect of heat straightening on Material Properties of Steel, J. of Material in Civil Engineering, ASCE, vol.12, №3, 2000, p.p. 188-195.

114. Bhadeshia D., Cerjak, Mathematical Modelling of Weld Phenomena, Institute of Materials, London, 1995, p.p.71-118.

115. Flame buckled this steel and flame straightened it, "Welding Engineer", 1959, vol. 44, №2-3, p.p. 40-43, 31-34.

116. Gurnly and Trepkf Influence of local heating on fatigue behavior of welded specimens, Brit. Welding, 1959, №1, p.90-92.

117. Holt R.E. Flame straitening basics "Welding Engineer", 1965, vol.50, №9, p. 49 52.

118. Holt R.E. Primary concepts for flame bending "Welding Journal", 1971, 50, №6, p. p. 416-424.

119. Matthew W. 30Bridges, Watson-Guptill Publication, New York, NY 10003,2002.

120. Owen D, Hinton E. Finite elements in Plasticity.- Theory and Practive, Pineridge Press, Swansea, U.K., 1980.

121. Thierry L. Logiciels express de simulation d'emboutissage/ Usine nouv., 1991, №2312, Suppl., p.78.

122. Yang H.Q. Finite element simulation of residual stress and distortions during welding of pipe. AIAA-91-1151 -CP.

123. Zharkov V.A. Stiro-imbutitura di elementi di carrozzeria. Lamiera, 1997, p.64-70.

124. Zienkiewich O.C., Valliappan S.,( King I. Elasto-plastic solution of engineering problems. Initial-stress finite element approach. Int. J. Numer. Meth. Eng., 1969, v.l,№l,p.75-100.