Способ изгиба гофрированных металлических элементов

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в транспортном строительстве при возведении искусственных сооружений из металлических гофрированных элементов. Способ включает изгиб в плоскости, проходящей через продольную ось отдельной волны и перпендикулярной к поверхности, ограничивающей гребни волн. Изгиб гофрированных элементов осуществляют нагревом до степени каления полосами, расположенными на предварительно размеченных участках нагрева и ориентированными вдоль продольных осей волн, при разметке участков нагрева гофрированный элемент предварительно делят по ширине на гребневые участки, расположенные на гребнях волн со стороны, которая после изгиба должна быть вогнутой, и боковые участки нагрева. Вначале нагревают полосы на боковых участках для всех волн по ширине элемента, затем - на гребневых. Исключается потеря местной и общей устойчивости металлическим гофрированным элементом при изгибе его термическим способом. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в транспортном строительстве при возведении искусственных сооружений из металлических гофрированных элементов, например, водопропускных труб под насыпями железных и автомобильных дорог, труб-путепроводов и т.п.

Известен способ изгиба стальных элементов, заключающийся в том, что изгибаемый элемент прижимается к упорам пресса, а необходимое давление для изгиба создают ползуном, при этом расстояние между упорами пресса и расстояние между плоскостью упоров и ползуном устанавливают в соответствии с размерами и характером изгибаемого элемента [Рекомендации по правке стальных мостовых конструкций. ВНИИ транспортного строительства, М., 1988 г., с. 86].

Недостаток способа состоит в том, что при изгибе гофрированных элементов, особенно при большой кривизне, происходит местная потеря устойчивости в сжатой зоне, что либо существенно ограничивает область применения способа, либо резко усложняет и удорожает оборудование для изгиба.

Известен также способ правки изгиба стальных элементов, заключающийся в том, что изгиб осуществляют термическим способом путем нагрева серии продольных полос, причем вначале тех, которые расположены на боковых сторонах элемента, а затем на той, которая после нагрева должна укоротиться (быть вогнутой), причем нагрев осуществляют до температуры 700-900^oС [авт. св. 1256285, МКИ В 21 D 1/00, 3/00 "Способ правки изгиба листового и фасонного проката].

Недостатки способа следующие.

1. Указанный способ предназначен для изгиба линейных элементов (элементов ферм мостов и т.п.), а при изгибе тонкостенных пространственных элементов происходит общая потеря устойчивости с образованием, например, винтообразности, выправка которой практически невозможна.

2. Указанный способ предназначен для изгиба элементов из стали толщиной 10 мм и более путем нагрева серии продольных полос. При нагреве таким способом гофрированных элементов, толщина металла в которых практически всегда составляет 3-7 мм, вместо усадки металла, в процессе нагрева, происходит потеря местной устойчивости в пределах полос, что сводит на нет эффект нагрева и ухудшает внешний вид.

Известен способ изгиба гофрированных металлических элементов, включающий их изгиб в плоскости, проходящей через продольную ось отдельной волны и перпендикулярной к поверхности, ограничивающей гребни волн (авт. св. SU 481352, B 21 D 13/00, 25.11.1975). Указанный способ может быть использован в качестве прототипа.

Предлагаемым изобретением решается задача исключения возможности потери местной и общей устойчивости гофрированным металлическим элементом при изгибе его термическим способом.

Для получения такого технического результата предложен способ изгиба гофрированных металлических элементов, в плоскости, проходящей через продольную ось отдельной волны и перпендикулярной к поверхности, ограничивающей гребни волн, характеризующийся тем, что гофрированный элемент нагревают до степени каления полосами, ориентированными вдоль продольных осей волн шириной С_i=k₁δ, мм, для чего предварительно гофрированный элемент делят по ширине на гребневые участки нагрева, расположенные на гребнях волн со стороны, которая после изгиба должна быть вогнутой, и боковые участки нагрева шириной l_i= 0,25k₂L, мм, где k₁=5÷12 - коэффициент, характеризующий опасность потери местной устойчивости; δ - толщина стали, из которой изготовлен гофрированный элемент, мм; k₂=0,8÷1,2 - коэффициент условий работы; L - ширина полосы металла в пределах одной волны в развертке, мм; i - номер участка в поперечном сечении элемента, причем суммарная ширина трех смежных участков нагрева - двух боковых и одного гребневого А = 0,75L, мм, а центр участка А по ширине волны совпадает с продольной осью его гребня, при этом, в зависимости от требуемой кривизны элемента нагрев полос осуществляют одним или несколькими циклами, каждый из которых включает нагрев полос на боковых и гребневых участках, причем сначала нагревают полосы на боковых участках всех волн, по ширине элемента, затем на гребневых, при этом размеры участков, ширина полос и размещение полос в пределах участка должны быть одинаковыми для участков, симметрично расположенных относительно продольной оси гофрированного элемента.

Полосы могут нагревать последовательно одну за другой и каждую последующую симметрично относительно предыдущей по отношению к продольной оси гофрированного элемента.

Кроме того, можно сначала нагреть одновременно боковые полосы всех волн элемента, а затем одновременно - все гребневые.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено поперечное сечение гофрированного элемента; на фиг.2 - схема расположения участков нагрева.

Способ изгиба заключается в следующем.

Гофрированный элемент 1 укладывают на стеллажи, после чего мелом намечают границы участков нагрева а, б, в, г, д, е, ж, з, и (фиг.1 и 2). При укладке на стеллажи поверхность гофрированного элемента, которая после изгиба должна быть вогнутой, располагают сверху. Вначале размечают осевые линии 2 и 3 отдельных волн, при этом осевая линия 2 одновременно является осью симметрии гофрированного элемента. Следует отметить, что изгиб термическим способом целесообразно осуществлять симметричных гофрированных элементов. При наличии несимметрии возможны дополнительные трудности в связи с появлением вероятности потери устойчивости элемента с появлением, например, деформаций винтообразности. Несимметрия листа должна быть тогда компенсирована соответствующей несимметричностью нагрева.

Длину волны L делят на 4 части. Для этого от оси гребня 2 или 3 откладывают в обе стороны величину А/2, где А=0,75L, мм. Это дает возможность очертить границы 4 участков, в пределах которых осуществляется нагрев полос. После этого в пределах общих границ 4 намечают границы внутренних участков 5, 6, 7. Ширина этих участков l_i определяется формулой l_i=0,25k₂L, мм. При этом между собой в пределах зоны А ширина участков l_i может быть неодинаковой, но сумма их длин должна равняться А. Кроме того, симметрично расположенные участки относительно оси симметрии 2 элемента должны быть равны. Например, l_а=l_б, l_г=l_в, l_ж=l_з и т.д. Коэффициент k₂ принимают из условий удобства работы (технологических соображений) равным 0,8÷1,2.

После проведения разметки участков в пределах границ 8 этих участков намечают расположение полос 9. Ширина и положение полос должны быть симметричны относительно оси 2 гофрированного элемента.

Ширину полос C_i принимают равной C_i=k₁δ, мм, где k₁ - коэффициент, характеризующий опасность потери местной устойчивости,принимаемый равным k₁= 5÷12, δ - толщина стали, из которой изготовлен гофрированный элемент, мм.

После проведения разметки осуществляют нагрев полос. Принцип нагрева полос следующий: вначале нагревают полосы на боковых участках (а, г, д, е, в, б), а затем после остывания металла в нагретой зоне до 200-400^oС осуществляют нагрев гребневых полос (ж, и, з). Нагрев осуществляют до температуры 700-900^oС в зависимости от марки стали, т.е. до той температуры, при которой в данной марке стали не происходит разупрочнение.

Нагрев может быть осуществлен двумя вариантами. По первому варианту вначале сразу нагревают все боковые полосы, затем - все гребневые. Однако этот способ требует более мощного, громоздкого и труднорегулируемого оборудования, т.е. содержащего количество нагревателей, равное количеству полос. Если нагреватели будут иметь разброс по мощности, то возникнут сложности как технологические, так и возможность потери устойчивости элемента, например, образование винтообразности из-за несимметричности интенсивности нагрева. Второй вариант более предпочтителен и предполагает последовательный нагрев полос одной горелкой. Оборудование в этом случае содержит одну горелку (нагреватель). При этом необходимо обязательно соблюдать симметричность нагрева относительно продольной оси 2 гофрированного элемента. При этом возможный порядок нагрева отдельных полос представлен на фиг.1 и 2: сначала полоса "а", затем "б" и далее в, г, д, е, ж, з, и.

Если достигнутая кривизна недостаточна, то можно повторить нагрев, наметив полный комплект полос по сечению (в данном случае 9 полос), при этом полосы можно располагать рядом с предыдущими (в пределах соответствующего участка, например, "г"), а можно и совмещать с предыдущими. Эффект изгиба будет примерно одинаковый. Но лучше (с точки зрения уменьшения остаточного внутреннего напряженного состояния и, как следствие, эффекта расширения элемента) полосы, размещенные рядом.

Для увеличения плавности протекания процесса деформирования целесообразно в ряде случаев прогрев полного комплекта полос по ширине поперечного сечения производить не на всю длину изгибаемого элемента, т.е. по длине элементы делить на участки и прогревать участки последовательно.

Оборудование для нагрева может быть различным: плазменные горелки, электрические нагреватели и др. Наиболее простым оборудованием является газовая горелка, работающая на природном газе, пропан-бутане или ацетилене. Мощность горелки подбирают, исходя из объемов работ и требуемой производительности. Кроме того, чем тоньше металл, тем более узкой должна быть полоса нагрева и тем, следовательно, может потребоваться меньшая мощность (размеры пламени).

Основные технические противоречия, которые возникли при попытке применить известные способы для изгиба гофрированных элементов, определялись следующими особенностями гофрированных элементов: - тонкостенность (толщина металла составляет 3-7 мм); - пространственность элементов (ширина и длина сопоставимы, а высота волны постоянно увеличивающаяся).

Рассмотрим это подробнее.

Как уже было сказано выше, известно два аналога способа, позволяющих изогнуть металлический элемент.

Способ первый: холодный изгиб в вальцах путем приложения усилий.

Недостатки: 1) при больших волнах возникают большие сжимающие напряжения, приводящие к потере устойчивости и образованию поперечных волн (волна в волне). Это приводит к тому, что при волне 140х380 мм кривизна изгибаемых элементов ограничивается радиусом 4,5-5,0 м, хотя область эффективного использования таких волн предполагает применение и большей кривизны; 2) опасность потери устойчивости можно уменьшить, применяя для изготовления гофрированных элементов более толстый металл, но тогда увеличивается расход металла; 3) при холодном изгибе элемент "расплющивается", т.е. стремится расшириться в плоскости элемента, что требует дополнительных приспособлений для сжатия; 4) оборудование для холодного изгиба гофрированных элементов, особенно при волне 140х380 мм и более становится очень дорогим, что снижает границу целесообразности изготовления малых серий.

Способ второй: изгиб термическим способом.

Исследованы и разработаны режимы изгиба, но это было сделано, во-первых, не для пространственных, а для линейных элементов, и, во-вторых, для стали толщиной более 10 мм. Гофрированные элементы рассматриваемого диапазона изготовлены из стали толщиной 3-7 мм, в поперечном сечении содержат несколько волн, так что длина отдельного элемента сопоставима с его шириной. В таких элементах при нагреве широкого участка до высоких температур возможна потеря местной устойчивости. Кроме того, нагрев отдельных участков в пространственных элементах может привести к потере общей устойчивости, образованию деформаций винтообразности, выправка которых практически невозможна.

Таким образом, исходя из описания аналогов, можно сформулировать основное техническое противоречие: с одной стороны для увеличения несущей способности от изгибающих элементов требуется увеличивать высоту волны, с другой стороны изготовить изогнутый элемент с высокой волной холодным способом становится труднее из-за потери устойчивости. Это требует увеличения толщины металла, что резко снижает эффект увеличения волны.

Для снижения расхода металла требуется увеличение жесткости, а увеличение жесткости из-за несовершенств технологии приводит к повышению расхода металла.

Это противоречие решается переходом на термический способ изгиба.

Но здесь возникло новое противоречие: нагрев полос в тонких элементах (3-7 мм) приводил к потере местной устойчивости (в зоне нагрева), а нагрев полос в пространственных элементах приводил к потере общей устойчивости (появлению винтообразности).

Для обеспечения решения этого противоречия были проведены длительные экспериментальные и теоретические исследования, которые позволили установить допустимую ширину "С" полос и порядок нагрева этих полос, обеспечивающий отсутствие потери общей устойчивости.

Для изгиба термическим способом был выбран гофрированный элемент размером в плане 3260 мм (длина)х1280 мм (ширина). Поперечное сечение приведено на фиг.1: размер волны 150 мм (высота)х400 мм (длина волны), толщина стали 5 мм. Полосы нагрева намечены были по схеме фиг.1 и 2. Ширина С_i равна 30 мм. Порядок нагрева указан на фиг.1 и 2. Нагрев осуществлялся пропан-бутановой горелкой с наконечником 5. Нагрев всех 9 полос по сечению давал стрелу прогиба 3,0 мм/м. При этом образовалось уширение элемента на 10 мм (около 3 мм на 1 волну). Уширение можно учитывать при проектировании, если все элементы одинаково изготавливаются. Оно может быть снижено или ликвидировано соответствующим подбором расположения и ширины полос. Таким образом, эксперимент подтвердил осуществимость и практическую значимость предлагаемого способа.

Говоря о рациональных областях применения предложенного способа, следует отметить следующее: 1) метод рационален
- при толщине стали 3-7 мм;
- при больших волнах (высотой 100 мм и более);
- при симметричных по ширине гофрированных элементах;
2) для нагрева могут применяться различные нагреватели, но наиболее целесообразны газовые горелки;
3) весьма эффективным может оказаться применение предложенного термического способа в последовательном сочетании с холодным способом (см. аналог 1);
4) предложенный способ позволяет легко обеспечивать переменную кривизну по длине элемента;
5) предложенный способ позволяет осуществить обратный изгиб излишне изогнутого (например, холодным способом) элемента;
6) предложенный способ позволяет осуществить догиб недостаточно изогнутого элемента (например, холодным способом).

Формула изобретения

1. Способ изгиба гофрированных металлических элементов, включающий их изгиб в плоскости, проходящей через продольную ось отдельной волны и перпендикулярной к поверхности, ограничивающей гребни волн, отличающийся тем, что изгиб гофрированного элемента осуществляют его нагревом до степени каления полосами шириной "С", расположенными на предварительно размеченных участках нагрева и ориентированными вдоль продольных осей волн, при разметке участков нагрева гофрированный элемент делят по ширине на участки нагрева, шириной "1" - гребневые, расположенные на гребнях волн со стороны, которая после изгиба должна быть вогнутой, и боковые, суммарную ширину трех смежных участков А - двух боковых и одного гребневого, выполняют равной А=0,75L, мм, центр участка А по ширине волны совпадает с продольной осью ее гребня, нагрев полос в зависимости от требуемой кривизны элемента осуществляют одним или несколькими циклами, каждый из которых включает нагрев полос на боковых и гребневых участках нагрева, при этом вначале нагревают полосы на боковых участках для всех волн по ширине элемента, затем - на гребневых, при этом С_i = k₁δ, мм; 1_i = 0,25k₂L, мм, где k₁ = 5÷12 - коэффициент, характеризующий опасность потери местной устойчивости; δ - толщина стали, из которой изготовлен гофрированный элемент, мм; k₂=0,8÷1,2 - коэффициент условий работы; L - ширина полосы металла в пределах одной волны в развертке, мм; i - номер участка в поперечном сечении элемента, для участков симметрично расположенных относительно продольной оси гофрированного элемента, размеры участков нагрева, ширина полос и размещение полос в пределах участка, одинаковы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев полос осуществляют последовательно одну за другой и каждую последующую симметрично относительно предыдущей по отношению к продольной оси гофрированного элемента.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сначала нагревают одновременно боковые полосы всех волн гофрированного элемента, а затем - одновременно все гребневые.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2