ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА МАШИНОСТРОЕНИИ

Изыскание новых конструктивных форм и схем для железобетонных элементов машин

При проектировании первых железобетонных элементов ма­шин, в связи с отсутствием опыта, естественно копировались тра­диционные формы, что для нового материала не дает оптималь­ного решения.

Из железобетона, поскольку он формуется из подвижной (при вибрировании) смеси, можно получить изделия любых форм; при этом снимаются и ограничения в отношении размеров и весов элементов. Следовательно, при применении железобетона техно­логические факторы накладывают меньшие ограничения на формо­образование и мощность оборудования, чем, например, при изго­товлении металлических станин из прокатного металла. С другой стороны, особенности железобетона: хорошая работа бетона на сжатие и значительно меньшая его сопротивляемость растяжению накладывают специфические требования на армирование и кон­структивные формы.

Вопросы выбора оптимальной формы наиболее просто решаются в случаях, когда сечение железобетонных элементов назначается из условий жесткости или по конструктивным соображениям, как, например, в станкостроении.

В этих случаях определяющими факторами должны являться жесткость конструкции, технологичность ее изготовления, вес,

Простота обработки, надежность крепления закладных деталей. В таких малонапряженных элементах следует стремиться к наи­более простым формам сечений.

В элементах конструкций, воспринимающих большие много­кратно повторные нагрузки, как, например, в станинах прессов, вопросы выбора рациональной формы решаются сложнее, так как при этом требуется применять предварительное напряжение.

Во время исследования целесообразности создания гаммы • тяжелых и средних прессов с применением железобетона, а также проектирования и изготовления первых опытных образцов прес­сов, клетей прокатных станов и других станин, воспринимающих значительные эксплуатационные усилия, были рассмотрены, за­проектированы и частично испытаны станины разнообразных форм, которые определялись главным образом назначением машин.

Все изгибаемые и растянутые элементы станин проектировались предварительно напряженными, причем обязательным условием для всех элементов было отсутствие трещин в бетоне при эксплуа­тационных нагрузках.

Это основное требование диктовалось известным выводом о том, что предварительно напряженные конструкции (изгибаемые или центрально растянутые) могут выдержать неограниченно большое число нагружений, если многократно повторяющаяся нагрузка меньше нагрузки, вызывающей появление трещин, а также тре­бованием проектировать станины максимальной жесткости.

Так как элементы конструкции машин подвергаются во время эксплуатации многократно повторным нагрузкам с большим числом циклов и при этом допускаются небольшие деформации, то вынос­ливость и жесткость имеют первостепенное значение.

На фиг. 8—14 показаны некоторые осуществленные или за­проектированные железобетонные прессы и клеть прокатного стана, выполненные в соответствии с этими требованиями. Тех­нико-экономическими исследованиями были охвачены все прессы, выпускаемые нашей промышленностью. Из всей номенклатуры выпускаемых прессов были отобраны наиболее характерные представители. Для них разрабатывались эскизные проекты с при­менением железобетона, которые затем сравнивались с аналогич­ными осуществляемыми в практике проектами (в металлическом исполнении).

В результате проведенного анализа были сделаны выводы о целесообразности применения железобетона для всей гаммы прессов. В табл. 1 «Введения» приведены результаты сравнения стальных и железобетонных станин. В среднем в железобетонных станинах, по сравнению со стальными, расход металла снижается в 2,5—4 раза.

Рациональная работа двухосно напряженных железобетонных цилиндрических элементов, при различных и сложных видах воз­действия дает возможность запроектировать и осуществлять ряд 30

Железобетонных трубчатых прессов, в которых все базовые детали (станины, цилиндр, плунжер) или только станина могут быть выполнены с их применением.

Характерным представителем трубчатых прессов, в котором все элементы выполнены с применением железобетона, может слу­жить испытательный пресс усилием 8000 т. Станина пресса пред­ставляет собой трубу высотой 20,4 м с толстыми днищами-архитра­вами. Наружный диаметр цилиндра 6,3 м, внутренний — 4,3 м.

В нижнее днище встроен железобетонный цилиндр, внутри кото­рого перемещается железобетонный плунжер.

В стенке цилиндрической станины сделаны два симметрично расположенных выреза, образующих проемы пресса шириной 2,8 м и высотой 9,2 м. Станина армирована вертикальной и коль­цевой предварительно напряженной арматурой. Кроме того, имеется ненапряженная арматура в виде сварных сеток и каркасов. Архитравы станины предварительно напряжены по периметру сплошными обоймами из высокопрочной проволоки диаметром 5 мм.

Цилиндр состоит из стальной рубашки толщиной 60 мм и желе­зобетонных стен и днища, воспринимающих полную нагрузку.

Стальная рубашка обеспечивает герметичность цилиндра и создает условия для правильного перемещения плунжера.

Плунжер представляет собой сплошной железобетонный эле­мент, обжатый спиральной предварительно напряженной прово­локой, который вставляется в стальной кожух, после чего кольце­вой зазор между ними заполняется бетоном.

Двухосное напряжение архитравов непрерывной спиральной арматурой целесообразно и при опирании их в отдельных точках, а также не только при круглом, но и ином их очертании в плане, например эллиптическом.

В тех случаях, когда по технологическим требованиям эксплуа­тации пресса рабочие проемы необходимы в двух взаимно перпен­дикулярных направлениях, цилиндрические архитравы могут опи-

А Б

Раться на четыре опоры. Такая схема принята, например, для четырехколонного пресса модели 4632 УЗТМ усилием 10 ООО т.

Колонны пресса рационально выполнять трубобетонными или с напрягаемой кольцевой арматурой.

Такие станины могут быть применены для разнообразных по условиям работы машин. С их применением были, например, разра­ботаны клети ряда прокатных станов, в том числе клети для про­катных станов 4200.

Целесообразная конструкция станин различного назначения (прессы, клети прокатных станов и др.) получается в случае двух - осно или объемно-напряженных железобетонных рам с ригелями в виде дисков ломаного или криволинейного очертания. Арматура располагается снаружи рамы в виде оплетки из высокопрочной тонкой проволоки или из толстых стержней, огибающих криволи­нейное или ломаное очертание ригелей.

Станины с такими ригелями, так же как и трубчатые станины, рациональны при широком диапазоне изменения нагрузок. В сбор­нике приведены данные, показывающие целесообразность такой конструкции для пресса усилием 600 т. Аналогичная конструкция была разработана и для других самых различных прессов. На фиг. 10 показан горизонтальный пресс для изготовления труб диаметром до 3000 мм усилием 50 000 т, запроектированный с такой станиной.

Одним из наиболее важных вопросов при проектировании и изготовлении станин с криволинейным очертанием ригелей является вопрос создания предварительного напряжения станины внешней арматурой.

Это предварительное напряжение можно вы­полнить специальной машиной, либо при помощи самого пресса.

При предваритель­ном напряжении арма­туры станины с по­мощью специальных ма­шин максимально устра­няются потери напря­жения за счет трения, в результате чего ригель станины обжимается более равномерно, чем при напряжении арма­туры самим прессом, так как при этом тре­ние существенно снижает эффект предварительного напряжения. Уменьшить потери напряжения за счет трения можно путем при­менения вибрирования при обжатии.

Следует указать, что большой радиус закругления проволоки и большая их длина обеспечивают надежную совместную работу проволок. Это подтвердилось, в частности, при испытании двух пучков, имеющих по торцам диски цилиндрической формы с радиусом закругления 250 мм (фиг. 11).

3 Сборник 1835

Длина пучков составляла 5000 и 7000 мм. Пучки состояли из четырех сплошных рядов проволоки диаметром 4,5 мм с преде­лом прочности 12 ООО—17 ООО кГ/см2.

Теоретическое разрывное усилие определялось на основании фактических результатов испытаний отдельных образцов прово­локи на разрыв.

В результате испытания было установлено фактическое разрыв­ное усилие пучков, их удлинение, а также характер разрушения каждого пучка (табл. 2).

Проведенные испытания показали, что принятая конструкция непрерывного пучка обеспечивает надежную работу арматуры. Криволинейные диски при испытании не показали признаков раз­рушения. Бетонная опорная поверхность выдержала значительные сжимающие напряжения от четырех рядов проволоки, причем деформации смятия оказались небольшими.

Для некоторых силовых рам целесообразна и прямоугольная форма (фиг. 12, а и б). Однако такое решение имеет и недостатки.

Так, например, при этом сложно создать двух - и трехосное пред­варительное напряжение, так как при небольших длинах стержней происходят значительные потери, что снижает эффект обжатия. Для таких конструкций может применяться только стержневая арматура, в то время как в станинах трубчатых прессов, а также в станинах с криволинейными ригелями в качестве предварительно напряженной арматуры применяется высокопрочная проволока, предел прочности которой примерно в 2 раза выше, чем у стержне­вой арматуры. При этом она навивается с помощью машин с мень­шими трудозатратами и меньшими потерями.

О конструкциях железобетонных гидравлических цилиндров и плунжеров. Как указывалось выше, железобетонные гидрав­лические цилиндры могут быть встроенными в станины прессов, или в виде отдельных элементов, причем они могут быть как моно­литно связанными с днищами, так и отрезанными от них.

На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований и проектных проработок разработана конструкция сборного железобетонного двухслойного гидравлического ци­линдра, состоящего из трех основных элементов: железобетонных предварительно напряженных стен, железобетонного днища и внутреннего стального тонкостенного цилиндра. В данном случае его сечение назначается по расчету, и он воспринимает часть рабо­чего давления. В результате достигается не только большая эконо­мия металла (в 2—4 раза), но увеличивается работоспособность цилиндров, так как при совместной работе с железобетоном резко уменьшаются перепад и концентрация напряжений в сталь­ном цилиндре, что обеспечивает его большую долговечность.

Такая составная конструкция цилиндра имеет ряд преиму­ществ перед цилиндрами, монолитно соединенными с днищем.

3* 35

Например, в монолитных цилиндрах при навивке напряженной спиральной арматуры может произойти скалывание стенок ци­линдра по линии сопряжения с днищем вследствие, разных жест - костей этих элементов. В составных цилиндрах эта опасность устраняется, так как навивка напряженной арматуры может осуществляться раздельно. Однако последующее соединение сте­нок и днища цилиндра с помощью предварительно напряженной вертикальной арматуры обеспечивает их совместную работу без нежелательных концентраций напряжений.

Для предварительного назначения толщин стен и днища сталь­ного и железобетонного цилиндра можно рекомендовать следую­щие соотношения: толщину стенки стального цилиндра принимать 6Х == 0,065d, толщину днища ht = 1,56х. Для железобетонного цилиндра толщина стенок может быть ориентировочно назначена б = 0,65d, а толщина днища 1,2d (d — внутренний диаметр сталь­ного цилиндра).

Что касается конструкции плунжера, то в зависимости от напряжений они могут быть как трубобетонными (см. фиг. 2, в), так и в виде двухосно предварительно напряженных элементов (см. фиг. 4).

Наиболее прочная и жесткая конструкция плунжера получается при сочетании этих двух видов армирования. Для плунжеров такой конструкции расчетные напряжения могут превышать 1000—1200 кГ/см2.

О жесткости железобетонных станин. Проведенные исследова­ния моделей и натурных образцов прессов показали, что железо­бетонные предварительно напряженные станины значительно жестче аналогичных стальных. Объясняется это тем, что они имеют большее поперечное сечение элементов и незначительную величину перепада напряжений.

В предварительно напряженных железобетонных силовых рамах прессов при действии многократно повторяющейся нагрузки достигается однозначность напряжений в бетоне и стали, причем амплитуда изменения напряжения в стали незначительна.

Расчеты и исследования показали, что, например, напряже­ния в вертикальной арматуре станины, воспринимающей все усилия, создаваемые прессом, изменяются на 400—600 кГ/см2, т. е. незначительно по сравнению с пределом прочности арматур­ной стали (10 000—20 000 кГ/см2). В металлических конструкциях пресса этот перепад был бы примерно в 2—3 раза больше, а следо­вательно, соответственно были бы больше и деформации.

Перепад напряжений в арматуре всего на 5—10% гарантирует большую выносливость железобетонных прессов. По действую­щим нормам при характеристиках цикла напряжений в арматуре Є = 0,9-^-0,95 расчетные сопротивления при расчете на вынос­ливость можно принимать такими же, как и при расчете на проч­ность, т. е. при действии статической нагрузки. 36

Силовые рамы прессов, прокатных станов и другие работают в сложных напряженных состояниях и представляют собой массив­ные элементы, трудно поддающиеся расчету, поэтому потребова­лось проведение значительных экспериментальных работ по опре­делению действительных условий работы элементов железобетон­ных рам и их жесткости. Как известно, она зависит не только от жесткостей отдельных элементов, но и от деформативности, соединений, режимов загружения и др.

Проведенные испытания показали очень хорошее совпадение теорети­чески определенных деформаций с фактически полученными при экспе­рименте. В качестве примера высокой прочности и малой деформативности железобетонных станин могут слу­жить результаты испытаний клетей прокатных станов.

При проектировании клети про­катного стана было поставлено усло­вие, чтобы при эксплуатации клети упругие деформации не превышали 90 мк. Следует отметить, что в строи­тельных конструкциях ранее не ста­вились задачи по созданию конс­трукций, размеры деформаций кото­рых при эксплуатации измерялись бы с такой точностью и изменялись на такую величину. Опытная клеть (фиг. 13) первоначально была испы­тана статической нагрузкой. При этом, в основном, интересовались величинами упругих деформаций. Экспериментальные исследования по­казали, что расхождения между фактически полученными дефор­мациями и расчетными находятся в пределах 5—1696. По рас­чету упругая деформация между опорами подушки станины получалась равной 88 мк, а фактически — 80 мк.

Затем эта клеть подвергалась испытанию многократно повтор­ной нагрузкой 18 млн. циклов.

В результате этих испытаний установлено, что упругая деформация между опытными подушками станины практи­чески не изменялась, а остаточная составила 0,078 мм, или 78 мк [2].

Аналогичная картина получалась и при испытании модели железобетонной клети для прокатных станов 4200, армированной не стержневой арматурой, как клеть стана «Кварто», а проволоч­ной.

Модель клети с внутренней высотой 800 мм была испытана повторной нагрузкой до 5-Ю6 циклов. Эти испытания показали, что уже после 500 тыс. нагружений упругие деформации стабили­зировались, причем после 5-Ю6 - - - • ■ циклов упругая деформация

Станины составляла 85 мк. Упругая деформация от кратковре­менной статической нагрузки была равной 66 мк.

Остаточная деформация после 5-Ю8 циклов нагружений со­ставила 48 мк, при этом намечались тенденции к стабилизации деформаций.

Испытание железобетонной станины пресса усилием 600 т (фиг. 14, а) с колоннами высотой 3,1 ж и двумя ригелями с расчет­ным пролетом 1,7 м при нагрузке 780 т, превышающей на 30% эксплуатационное усилие, показало, что упругая деформация колонн составляет 0,6 мм и ригелей 0,3 мм. Удельные деформации, отнесенные на 1 м высоты колонны, равны 200 мк, а отношение 38 упругой деформации ригелей к расчетному пролету составляет 1/7000. В металлических прессах эти отношения составляют обычно 1/1000—1/1250.

Испытание цилиндрической станины пресса такой же мощности (фиг. 14, б), имеющей следующие размеры: высота 2,80 м, рас­четный пролет архитрава 0,61 м, показало, что при нагрузке 600 т полная деформация станины равнялась 0,29 мм, а прогиб наружной поверхности верхнего архитрава равнялся примерно 0,07 мм, что составляет 1/8500 часть от расчетного пролета.

Из этих данных видно, что станины различных железобетонных конструкций достаточно жестки и, следовательно, могут быть применены как в случаях, когда требуется воспринять большие растягивающие усилия, так и при необходимости обеспечить большую точность в работе машин.

Стабильность и точность работы машин зависит не только от общей жесткости железобетонных станин, но также и от жесткости крепления закладных металлических деталей. В большинстве случаев закладные детали подвергаются механической обработке, при которой на них действуют значительно более невыгодные сочетания нагрузок, чем в период нормальной эксплуатации.

Жесткость крепления закладных деталей может быть обеспе­чена различными конструктивными мероприятиями, применением специальных типов анкеров. Закладные детали могут быть также предварительно соединены с жесткими арматурными каркасами и др.

Однако и обычная заделка стержневых анкеров в бетон может в большинстве случаев обеспечить достаточную жесткость креп­ления.

Проведенные исследования показали, что перемещение заклад­ных деталей в бетоне зависит от вида и величины силового воздей­ствия, конструкции анкеров, их профиля и диаметра, а также и состава бетона. Так, например, опыты показали, что напряжения при начале скольжения арматуры периодического профиля были в 5,5 раз выше, чем у гладких стержней того же диаметра и той же длины.

Способы расчета прочности и жесткости крепления металли­ческих деталей к бетону при разных видах силовых воздействий разрабатываются эмпирическим путем с учетом влияния указан­ных факторов.

Наряду с анкерами, закладываемыми в бетон до бетонирова­ния, широкое распространение могут получить крепления раз­личных закладных деталей к бетону посредством самозаанкери - вающихся болтов. Такие болты вставляются в круглое отверстие, выполненное в бетоне: при навинчивании гайки коническая го­ловка болта развальцовывает заклинивающую трубку, имеющую на конце вертикальные прорези, и вдавливает ее в стенки отвер­стия. С наружной стороны трубка для лучшего сцепления

С бетоном нарезается. Опыты показали, что при глубине заделки таких болтов в бетон, равной всего 5—6 диаметрам болтов, прочность анкеровки превышает расчетные усилия на болты из стали марки Ст. 3 при растяжении и срезе. Так, например, бол­ты диаметром 20 мм из стали марки Ст. 3, заделанные на глубину 100 мм, при выдергивании выдерживали усилия в 4000 кГ и на срез 2500 кГ, при соответствующих расчетных усилиях на болт 3590 кГ и 2460 кГ.

При незначительном дополнительном увеличении глубины заделки болтов марка стали может быть принята повышенной; следовательно, могут быть увеличены и усилия на болты. Сверле­ние отверстий осуществляется при помощи пневматических буриль­ных молотков, как обычными сверлами, усиленными в режущей части победитовыми пластинами, так и инструментом с алмазными коронками.

Применение самозаанкеривающихся болтов позволяет точно и надежно осуществлять крепление к бетону предварительно обработанных металлических деталей. В этом случае железобетон­ные элементы могут в собранном виде и не подвергаться обработке на станках. Естественно, что при этом усилия в анкерах будут значительно меньшими, так как они должны соответствовать лишь эксплуатационным нагрузкам. \

Попутно отметим, что различные металлические детали, We несущие нагрузки, например предназначенные для крепления раз\^ водок, могут крепиться к бетону специальными дюбелями, за­гоняемыми в бетон с помощью особого пистолета.