Oktatási segédlet. Hegesztett szerkezetek költségszámítása. Dr. Jármai Károly. Miskolci Egyetem

Átírás

1 Okaás segédle Hegesze szerkezeek kölségszámíása a Léesímények acélszerkezee árgy hallgaónak Dr. Járma Károly Mskolc Egyeem 013 1

2 Kölségszámíás Az opmálás első sádumában és alkalmazásakor álalában a ömeg, vagy súlymnmumra örekedek. Mvel a munkaerő ára olyamaosan emelkedk, a pac versenyben onos a kölség. A kölségszámíás ehá a szerkezeervezés onos eleme. A hegeszés az uóbb évzedekben domnáló köésechnológává vál. A hegeszés kölségek nagysága olyamaosan növekszk a munkabér növekedésével. A hegeszés kölsége és deje elérő az egyes echnológáknál. Tapaszala adaok és számíógép programok segíségével megbecsülheő a hegeszés dőgénye. Ilyen program a COSTCOMP, mely a echnológa, a varraalak, varramére, elekróda smereében megadja a hegeszés dőgényé. Más gyárás elemeke gyelembevéve mn lemezegyengeés, elüle-előkészíés, lemezvágás, elekródacsere, salakolás, esés, sb. egy komplex célüggvény kapunk. Az anyag- és gyárás kölségen kívül még onos lehe a szállíás, szerelés, karbanarás kölség. A kölségelemek közül csak azoka célszerű gyelembevenn, melyek üggenek a szelvényméreekől, melyeke opmálunk. A gyárás dő álalában elég álalános és megbízhaó jellemzője az ado echnológának. A kölségek vszon üggenek az ország ejleségéől, a munkaerő áráól. Fajlagos anyag- és gyárás kölségeke bevezevekönnyen adapálhaó a számíás az egyes országokra. Az anyagkölségre k m = $/kg, a gyárás kölségre k =0-1 $/mn. (0-60 $/óra) arományoka veszünk el. A nulla érék jelen a számíás az anyagkölségre, ömegmnmumra. A k /k m arány 0 - kg/mn. közö válozk. A k /k m = 0 adja a ömegmnmumo. A k /k m =.0 a magas munkaerő-kölségű országoka jelen (Japán, USA), a k /k m = 1.5 és 1.0 nyuga-európa munkaerő-kölsége akar, a k /k m = 0.5 a ejlődő országoka jelen. Azonos echnológa adoságok, azonos gyárás dő melle s a különböző országokban a kölségek jelenősen elérnek. Számíásankban eleknünk az amorzácó, a szállíás, a szerelés, a karbanarás kölségeől, mer ezek nem üggenek jelenősen a szerkeze elemek méreeől. 1 Gyárás kölségek A kölségek a kövekezők K = K m + K = k m ρv + k T ( 1)

3 ahol K m és K az anyag- és gyárás kölségek, k m és k a ajlagos kölségényezők, ρ a sűrűség, V a szerkeze érogaa, T a gyárás dő. Feléelezzük, hogy k éréke állandó egy gyárónál. 1.1 Hegeszés kölségek Az ( 1) egyenle elírhaó a kövekező alakban K k m k = ρ V + ( T1 + T + T3 + + T5 + T6 + T7 ) k ( ) m Az egyes dőelemek egymásól üggelenül számíhaók a kövekező módon: T = C Θ κρ V ( 3) 1 1 d az előkészíés, az összeállíás, összeűzés deje, Θ d a bonyolulság ényező, κ az összeszerelendő szerkeze elemek száma. A ( 3) képle közelíően elírhaó Lharnkov (1968) szern. κ eleme aralmazó lemezszerkeze eseén a gyárás dőgénye arányos a P kerüleel. Az -edk elemre T =c 1 P. Az elem ömege arányos a kerüle négyzeével G = c P, így P = c 3 G és T = c 4 G. Feléelezzük, hogy a szerkeze elemek ömege nem érnek el jelenősen egymásól. A eljes szerkezere az álag G = κ és T = κt = c κ G / κ = c Gκ. G ábláza Javasol bonyolulság ényező erékek Θ d. Ferde szögű kapcsolaoknál hozzáadandó még 1, vagy Szerkeze Hegeszés os V-varra os sarokvarra Síkbel hosszú varra, síkbel pozícó Térbel rövd varra, lemez, laposacél Térbel U-,L-prolok, csövek Térbel I-, T-prolok A bonyolulság ényező a szerkeze komplexására ual. Néhány javasol éréké összeoglalva az 1 ábláza muaja T = C a L w w ( 4) 3

4 a ényleges hegeszés dő, a w a varra méree, L w a varra hossza, C az ado hegeszés echnológára vonakozó konsans. Kéz ívhegeszésre C = 0.8*10-3, CO -es hegeszésre C = 0.5*10-3 mn/mm T = Θ C a L 3 d 3 w w a pólólagos gyárás evékenységekhez szükséges dő, mn elekródacsere, salakolás, sorjázás. C 3 = 1.*10-3 mn/mm.5. A ( 3, 4, 5) ormuláka Pahl és Beelch (198) javasola és használa. O & Hubka (1985) javasola a paraméerekre ( 5) C 3 = (0.-0.4)C álagban C 3 = 0.3C. Így az összevon T +T 3, elhanyagolva kövekező 1 5. T + T = 13. C a L 3 w w Θ d a ( 6) Θ d elhanyagolása az jelen, hogy a bonyolulság ényező csak T 1 -re vonakozk. A COSTCOMP (1990) programo a Holland Hegeszés Inézeben ejleszeék k. Különéle hegeszés echnológák, varraalakok és méreek eseén megadja a hegeszés dő becsül éréké elméle és ksérle vzsgálaokra alapozva. A ( ) képle elhasználásával a T 1 és más dők meghaározása egy álalánosío képleel örénk, ahol a varramére a w 1.5,, vagy n- dk haványa szerepel. n T + T3 = 13. Caw Lw ( 7) Az egyes hegeszés echnológáka a. ábláza muaja. A varrapusok a 3. áblázaban alálhaók.. ábláza Alkalmazo hegeszés echnológák SMAW SMAW HR GMAW-C GMAW-M FCAW FCAW-MC SSFCAW ( ISW ) SAW GTAW Bevonelekródás kéz ívhegeszés Bevonelekródás mélybeolvadású kéz ívhegeszés CO védőgázas ívhegeszés Kever védőgázas ívhegeszés Porbeles elekródás ívhegeszés Fémbeles elekródás ívhegeszés Önvédő porbeles elekródás ívhegeszés Fedőporos ívhegeszés Wolram elekródás ívhegeszés 4

5 3. ábláza Varraalakok. A varra dolgozó mére kéoldal ompavarrara a w =, egyoldal ompavarrara a w = Sarokvarra =0-15 mm a w = 0.7 mn a w α. V-varra =4-15 mm j α=40-90 =1- mm j=0- mm α 3. X varra j =10-40 mm α=40-60 =-3 mm j=-3 mm α j 4. K varra =10-40 mm α=40-60 =0-3 mm j=-3 mm 5. T varra =-8 mm =/ 5

6 α α j j 6. 1/ V varra =4-15 mm α=40-60 =0- mm j=0- mm 7. U varra =0-40 mm α=10-0 =-3 mm j=-3 mm α j 8. Kéoldal U varra =0-40 mm α=10-0 =-3 mm j=-3 mm Az 1. ábrán és a Függelék F1-F9 áblázaaban alálhaók a különböző varraalakokra, varra dolgozó méreekre vonakozó hegeszés dők. 6

7 Hegeszés dő SMAW SMAWHR GMAW-C GMAW-M FCAW FCAW-MC ISW SAW A V-varra méree [mm] 1. ábra Hegeszés dők T (mn/mm) a varramére a w (mm) üggvényében hosszrányú V- varrara. A COSTCOMP programmal meghaározuk a hegeszés dőke T (mn), mn a varramére a w (mm) üggvényé hosszrányú sarokvarranál (F1 ábláza), 1/ V- és V-varrara (F ábláza), K- és X-varraokra (F3 ábláza), T-varrara (F4 ábláza), U- és keős U- varrara (F5 ábláza) normál pozcóban. A haványkevők éréke n a ( 7) képleben üggvényközelíésekből adódnak. Függőleges és ejele hegeszésre a hegeszés dő T (mn/mm) a varramére üggvényében a w (mm) sarokvarrara az F6 áblázaban, V-varrara az F7 áblázaban alálhaó. Az 1 ábra az muaja, hogy a hosszrányú V-varranál a hegeszés dő csökkenő sorrendben a kövekező: SMAW, SMAW-HR, GMAW-C, GMAW-M, FCAW, FCAW-MC, ISW a legkevesebb a SAW alkalmazása eseén. Más varraokra s hasonló sorrend adódo (F1- F7 ábláza). 7

8 1. A lemezegyengeés dőgénye A lemezegyengeés dőgénye (T 4 [mn]) elsődlegesen a lemezvasagságól ( [mm]) és a lemezelüleől (A p [mm ]) ügg. Vállalaok adaa alapján üggvényközelíéssel meghaározhaó az dőgény maemaka alakja. 3 1 = Θ de ae + be + A 4 p ( 8) a e ahol a e =9.*10-4 [mn/mm ], b e = 4.15*10-7 [mn/mm 5 ], Θ de a bonyolulság ényező ( Θ de = 1, vagy 3). A ényező éréke a lemez alakjáól ügg. 1.3 Felüle-előkészíés dőgénye A elüle-előkészíés jelen a elüle szíásá, rozsdálaníásá, homokszórásá, sb. A elüleszíás dő éréke a elüle nagysága alapján A s [mm ] meghaározhaó a kövekező alakban: ahol T = Θ 5 dsasp A ( 9) s a sp = 3*10-6 [mn/mm ], Θ ds a bonyolulság ényező. I s a bonyolulság ényező érékének megválaszása esz leheővé a ervezőnek, hogy beláása szern gazísa a számíás a valósághoz. 1.4 Fesés dő A esés legalább ké részből áll, alapozás és edőesés. A esés dő arányos a elüleel (A s [mm ]), annak pozcójával. T = Θ ( dp a + 6 gc a ) c A ( 10) s ahol a gc = 3*10-6 [mn/mm ], a c = 4.15*10-6 [mn/mm ], Θ dp a bonyolulság ényező, Θ dp =1, vagy 3 vízsznes, üggőleges és ejele esésre. 8

9 3.5 Vágás dő [mn/mm] ACET(N) ACET(H) GÁZK(N) GÁZK(H) PROP(N) PROP(H) Lemezvasagság [mm] ábra Vágás dők 1 mm hosszú lemezre, (T 7 (mn/mm)) a lemezvasagság üggvényében 1.5 Vágás és élköszörülés dőgény A vágás és élköszörülés elvégezheő különböző echnológákkal, mn acelén, sablzál gázkeverék és propángáz, normál- és nagysebesség melle, lásd. F8 és F9 áblázaok. A vágás dő sznén számíhaó a COSTCOMP programmal. A normál sebességű acelénnek van a legöbb dőgénye és a propángázos vágásnak a legksebb dőgénye (. ábra). A vágás kölség a lemezvasagság ( [mm]) és a vágás hossz (L c [mm]) üggvényében az F8 és F9 áblázaokban láhaó: T n = C L ( 11) 7 7 c ahol a lemezvasagság [mm]-ben, L c a vágás hossz [mm]-ben. A havénykevő éréke üggvényközelíés számíásokból adódnak. 9

10 1.6 Összkölség Az összkölség az előzőekben smeree kölségelemek összegekén adódk. K k m k = ρv + ( T1 + T + T3 + + T5 + T6 + T7 ) k ( 1) m Számpéldák A kölségszámíás ké különböző szerkeze számíásánál muajuk be: hegesze szekrényszelvényű aró, lleve bordázo lemez. A hegesze szekrényszelvényű arónál a hegeszés kölség alacsonyabb az összkölségen belül, a bordázo lemeznél magasabb..1 Hegesze szekrényszelvényű aró A elada a hegesze szekrényszelvényű aró kölségmnmálása eszülségkorláozás és hely horpadás eléelek eseén, különböző hegeszés echnológák melle. Elhanyagoljuk a hosszrányú merevíőborda szerepé. A aró erhelése válozk az dőben, a maxmáls hajlíónyomaék 0 és M max közö válozk. A cklusszám N=*10 6. A hegeszés alakja vagy sarokvarra, vagy 1/ V-varra a 3 a) és b) ábráknak megelelően. A nyolc különböző hegeszés echnológából ö csoporo alakíunk k a kövekezők szern: SMAW, SMAW HR, FCAW-MC. GMAW-C, GMAW-M, SAW, SSFCAW ( ISW ), FCAW, A hegeszés dő az azonos csoporba arozó echnológáknál nem ér el jelenősen. 10

11 w / w / h L b a w a) b) 3. ábra Hegesze szekrényszelvényű aró a) sarokvarraal, b) 1/ V-varraal A mnmálandó célüggvény a kövekező ( 1) szern: K LA k n = ρ + ( Θ d κρla C a wlw + T + T + T + T ) k k ( 13) m m ahol A=h w +b, Θ d =, κ = 4, L w =4L, ρ=7.85*10-6 kg/mm 3. Méreezés eléelek az Eurocode 3 szern a) Fáradás eléel M σ c σ = γ W x ( 14) ahol a hajlíónyomaék arománya M = M max, M = 15*10 8 Nmm és γ =1.5 a áradás bzonság ényező. Az N=*10 6 cklusszámhoz meghaározzuk a eszülségaromány σ c - a áradás kaegóra alapján. Hosszrányú varraoknál, ahol kezdő és véghelyek vannak a hegeszésnél (SMAW, GMAW, FCAW) σ c =100 MPa, mközben auomazál ompavarra hegeszésnél, 11

12 ahol egyk oldalról aláélemez alkalmazunk, nncs kezdő és véghely (SAW) σ c =11 MPa. Az nercanyomaék és a kereszmesze ényező éréke a kövekezőek: I x W x 3 h w = + b 1 = I ( h ) h +, ( 15) x + /. ( 16) b) Hely horpadás eléelek A gernclemezre: w wh β ( 17) β = 1 w 14ε A nyomo övlemezre: ( 18) δ b ( 19) δ = 1 4ε ( 0) Azér, hogy elkerüljük a úl vékony övlemezeke, a kövekező eléel vezejük be ( 19) helye: 1. δ b. ( 1) A horpadás eléelnél a maxmáls normáleszülsége használjuk ( σ ) ε = 35 σ / γ ( ) Az opmálás során smerelenek a h, w /, b és a éréke. A célüggvény a ( 13) képlenek megelelő. A válozók mérearománya a kövekezők: h = mm, w / = 5-15 mm, b = mm, = 5-5 mm. A kölségüggvény eleme a hegesze szekrényszelvényű aróra a kövekezők Varramére a w = w /4 sarokvarrara, a w = w /, 1/ V-varrara, 1

13 Kereszmeszeerüle A aró ömege A = h w / + b ρv = ρla A aró gyárás kölsége k /k m T T = C Θ κρ V, ahol ρ = 7.85*10-6, C 1 = 1, κ= 4, Θ d = 1 1 d (a 1.ábláza szern) T + T3 = 13. Caw Lw ahol C = , SMAW eseén, L w = 4 L 3 1 = Θ de ae + be + A 4 p ahol a e =9.*10-4, b e = 4.15*10-7, = w /, vagy, a e A p = hl, vagy bl T5 = Θ dsasp As = 5*10-7 ahol a sp = 3*10-6, A s = 4 hl + 4 bl (kívül és belül) T6 = Θ dp ( a gc + ac ) As ahol a gc = 3*10-6, a c = 4.15*10-6, A s = h L + b L T (kívül) = C L ahol C 7 = , = w / or, n = 0.5, L c = (h +L) 7 7 n c vagy (b +L) Az opmálás a Rosenbrock-éle Hllclmb eljárással örén. A program személy számíógépen u és mnd olyonos, mnd dszkré érékeke meghaároz. A 4. ábláza muaja a hegesze szekrényszelvényű aróra vonakozólag sarokvarra eseén a dszkré opmumok éréké különböző hegeszés echnológa melle. Az eredmények muaják, hogy jelenős haással van a válaszo hegeszés echnológ a kölségekre, de kcs a haása a méreekre, mvel az anyagkölség domnál.. Bordázo lemez A elada bordázo lemez kölségmnmumának megkeresése eszülség, khajlás és hely horpadás eléelek melle, különböző hegeszés echnológák eseén. A bordázo lemezeke széleskörűen alkalmazzák híd- és hajószerkezeeknél. Mvel a hegeszés kölség az összkölség nagy részé esz k, ezér onos a kölségmnmálás. A kölségüggvény ( 13) szern a írhaó el, ahol A=b 0 +ϕh s s, θ d =3, κ=ϕ+1, L w =Lϕ és ϕ a merevíők száma. 13

14 A merevíők a edőlemezhez kéoldal sarokvarraal vannak odahegeszve. A hegeszés kölség különböző echnológák eseén az F1-F9 áblázaoknak megelelően számíhaó. N s a h s N a w L b o = a 4 ábra Hegesze bordázo lemez A szerkeze ő jellemző a kövekezők: Az acél Young modulusza E =.1*10 5 MPa, sűrűség ρ = 7.85*10-6 kg/mm 3, Posson-szám ν = 0.3, olyáshaár y = 35 MPa, lemezszélesség b 0 =400 mm, lemezhosszúság L=4000 mm. A nyomóerő a kövekező 7 N = yb0 max = 35 * 400 * 0 = * 10 (N). ( 3) A bordázo lemez opmálás során válozó méree a 4 ábra muaja. Ezek: a edőlemez vasagság ( ), a merevíők magassága és vasagsága (h s, s ) és a merevíők száma (ϕ=b 0 /a). 14

15 4 ábláza Hegesze szekrényszelvényű aró dszkré opmáls méree sarokvarra eseén különböző hegeszés echnológa melle. Weldng k /k m h w / b ρv (kg) K/k m (kg) echnology SMAW SMAW HR FCAW-MC GMAW-C GMAW-M SAW ISW FCAW

16 Tervezés eléelek a) A khajlás eléel az API (1987) szern ogalmazzuk meg az egyenlő ávolságra bordázo, nyomo lemezre ( 4. ábra). N χ A, ( 4) y ahol, χ horpadás ényező, mely a redukál karcsúság üggvénye: χ = 1 ahol λ 0.5, χ = 1 5. λ ahol 0.5 λ 1, és és 0 5. χ = ahol λ 1, ( 5) λ b λ = 0 ( ν ) 1 1 Eπ k ( ) y, ( 6) kmn = mn kf, kr, ( 7) k R = 4ϕ. ( 8) k F = ( 1 α ) + + ϕγ α ( 1+ ϕδ ) P ( + + ϕγ ) 1 1 k F = 1+ ϕγ L ahol α = ϕγ ( 9) b 0 ahol α ϕγ ( 30) ahol δ P h = b s s 0, ( 31) γ = EI s, ( 3) b D 0 I s = 3 hs s 3, ( 33) 3 E D = 1 1 ν ( ). ( 34) ( 3) áírhaó a kövekező alakra 16

17 3 3 hs s hs s γ = 4( 1 ν ) = ( 35) 3 3 b b 0 0 ahol I s egy merevíő nercanyomaéka a edőlemezzel párhuzamos engelyre, D a edőlemez csavarás merevsége. b) A merevíők horpadása: h s 1 = β s s y ( 36) A mérearományok a kövekezők: = 6-0 mm, h s = mm, s = 6-5 mm, ϕ = 4-15 mm. A bordázo lemez kölség üggvénye a kövekező elemekből áll: A varramére a w = s Kereszmesze-erüle A = b 0 + ϕ h s s Anyagkölség ρv = ρla Gyárás kölség k /k m T T = C Θ κρ V, ahol ρ = 7.85*10-6, C 1 = 1, κ= ϕ+1, Θ d = 1 1 d (a 1 áblázanak megelelően) T + T3 = 13. Caw Lw ahol C = , SMAW eseén, L w = L ϕ 3 1 = Θ de ae + be + A 4 p ahol a e =9.*10-4, b e = 4.15*10-7, = s, vagy, A p = ϕ a e h s L vagy b 0 L T5 = Θ dsasp As = 5*10-7 ahol a sp = 3*10-6, A s = ϕ h s L + b 0 L T6 = Θ dp ( a gc + ac ) As ahol a gc = 3*10-6, a c = 4.15*10-6, A s = ϕ h s L + b 0 L T = C L ahol C 7 = , = s vagy, n = 0.5, 7 7 n c L c = (h s +L) vagy (b 0 +L) 17

18 5 ábláza A hegesze bordázo lemez opmáls méree mm-ben, sarokvarra eseén, különböző hegeszés echnológa alkalmazásával, k /k m =.0 Hegeszés echnológa k /k m h s ϕ s ρv (kg) K/k m (kg) SMAW SMAW HR FCAW-MC GMAW-C GMAW-M SAW ISW FCAW A 5 ábláza muaja a bordázo lemez dszkré opmáls méree különböző hegeszés echnológa eseén. 18

19 .3 Érékelés Az 5, 6 ábrák muaják az összkölség eloszlásá a ké szerkezenél. Láhaó, mennyre ügg a kölségeloszlás a hegeszés echnológáól, a varra ípusáól, az ajlagos anyag- és gyárás kölség arányól, valamn a szerkeze ípusáól. 5 ábra Az összkölség eloszlása a hegesze szekrényszelvényű arónál, különböző hegeszés echnológa melle, k /k m =.0 SMAW T+T3 18% 1% T5 % T6 T7 9% SMAW-HR T+T3 13% 1% T5 3% T6 T7 10% T1 T1 Mass 58% Mass 61% FCAW-MC T+T3 11% T1 1% T5 3% T6 T7 10% GMAW-C T+T3 9% T1 1% T5 3% T6 T7 10% Mass 63% Mass 65% SAW T+T3 T1 1% T5 3% T6 7% T7 11% Mass 6 19

20 A 5 és 6 ábrák muaják a különböző hegeszés echnológáka a hegeszés dő és kölség csökkenő sorrendjében. Nagy a közük lévő különbség. A legnagyobb a hegeszés dő és kölség a bevonelekródás kéz ívhegeszésre, a SMAW-ra, a legksebb a SAW, FCAW és ISW csoprora. A bordázo lemeznél a hegeszés kölség SMAW echnológánál az összkölség 4-a, a SAW echnológánál ugyanerre csak a 0%-a. A ké különéle szerkeze összehasonlíása muaja, hogy a bordázo lemeznél a gyárás kölség sokkal nagyobb, mn a hegesze szekrényarónál. Az ok a varraok nagy száma a bordázo lemeznél. 6 ábra Az összkölség eloszlása a hegesze bordázo lemeznél, különböző hegeszés echnológa melle, k /k m =.0 SMAW 4% T5 5% T6 1% T7 1% Mass 1% SMAW-HR T5 4% T6 14% T7 14% Mass 4% T+T3 4 T1 0% T+T3 38% T1 0% FCAW-MC T5 T6 14% T7 14% GMAW-C T5 7% T6 17% T7 1 4% T+T3 3 T1 0% Mass 5% T+T3 7% T1 0% Mass 8% SAW T6 18% T7 18% T5 8% 5% T+T3 0% T1 0% Mass 31% 0

21 Szekrényszelvény eseén ( 4 ábláza), k /k m =.0 arány és a SMAW echnológa melle, a szerkeze ömege ρla = 6318 kg. A gyárás kölség 100 ( ) / = 43 %-a az összkölségnek. A bordázo lemeznél a ömeg ρla = 358 kg (4. ábláza), a gyárás kölség 100 ( ) / = 79 %-a az összkölségnek. Kölségcsökkenés olcsóbb hegeszés echnológával érheő el, mn a SAW, a SMAW, vagy GMAW, ha leheséges az alkalmazása. A 6 ábláza muaja a kölségmegakaríásoka az ö csoporba sorol hegeszés echnológára. A hegesze szekrényszelvényre 13 %, a bordázo lemezre 3 %-a lehe az összkölségnek. Mnden összehasonlío eredmény opmum. 6 ábláza Kölségmegakaríás az egyes hegeszés echnológák eseén Hegeszés echnológa Hegesze szekrényszelvényű aró Kölség-megakaríás Bordázo lemez Kölség-megakaríás k /k m =.0 Összkölség %-ban Összkölség %-ban SMAW SMAW-HR FCAW-MC GMAW-C SAW Köszönenylváníás A kuaás a TÁMOP-4..4.A/-11/ azonosíó számú Nemze Kválóság Program Haza hallgaó, lleve kuaó személy ámogaás bzosíó rendszer kdolgozása és működeése konvergenca program című kemel projek kereében zajlo. A projek az Európa Unó ámogaásával, az Európa Szocáls Alap ársnanszírozásával valósul meg. 1