Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

Описание устройства и основные принципы работы паровозов, фотографии паровозов

Боковыми связями и анкерными болтами взаимно укрепляются лишь те участки стенок топки и кожуха, которые расположены непосредственно один напротив другого. Есть однако места топки и кожуха, которые не могут быть укрепленными таким способом.

Лапчатые связи

В топке имеется один участок плоской стенки,-то место переднего листа топки, которое расположено против верхнего загиба борта ухватного (смычного) листа кожуха, которое всегда приходится укреплять особым способом-лапчатыми связями. Если рассматриваемая топка не имеет камеры догорания, укреплять нужно участок решеточного листа, расположенный между верхними распорными связями и нижними рядами дымогарных и жаровых труб. На рис. 40 (правая проекция) между прочими деталями показано расположение всех лапчатых связей; расстояние между ними для паровозов сер. «Э» выбрано в ПО мм, наибольшая ширина укрепляемого ими искривленного участка решетки тоже около 110 мм; это-расстояние между серединами участков, расположенных с одной стороны между лапчатыми связями и ближайшим рядом обычных распорных связей и с другой стороны-между лапчатыми связями и ближайшими дымогарными трубами.

Заметим, что сравнительно большая длина лапы значительно облегчает работу рассматриваемых связей на изгиб,.который имеет место при расширении огневой решетки.

Расчет лапчатой связи ведется по отдельным ее элементам, а именно:

а) собственно связь рассчитывается на разрыв с допускаемым напряжением #,=£=600 кг/см2;

б) лапу при обычной ее конструкции рассчитывают на эксцентричное растяжение, т. е. на изгиб плюс растяжение с допускаемым суммарным напряжением Яг<(600^-700) кг/см2;

в) заклепки, укрепляющие лапу к барабану, рассчитывают на срез с допускаемым напряжением /?г<(650н-750) кг/см2.

Материал связи-ст.-1; материал лапы-ст.-3, заклепок-ст.-2. Диаметр лапчатых связей берется обнчно большим, чем диаметр, всех остальных распорных, а именно-21-25 мм

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 94.

На фиг. 94 показана лапчатая связь паровозов сер. «Эм» последних выпусков. Лапа сделана приварной к барабану. Характер приварки и тип шва показаны на чертеже, размер сечения лапы-60 х 15 мм, что обусловливает совершенно незначительный изгиб самой лапы эксцентричным растяжением. Заметим, что размер сечения сохранен одинаковым с таковым у паровозов сер. «Э» и «Эу», у которых лапы приклепывались к заднему барабану котла, при чем рассчитывать лапы приходилось по самому слабому их месту,-по отвер-

7 1 8297 245/2 97

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 95.

стию для заклепок (6 = 22 мм). В этом случае лапа на всем остальном протяжении оказывалась заведомо прочна и на эксцентричное растяжение.

Самая связь делается с глубоким контрольным каналом во всю длину связи. Только в этом случае оказывается возможным узнать обрыв связи у того ее конца, который ввертывается в лапу.

При наличии камеры догорания такую конструкцию лапы осуществить не удается, так как вся внутренняя поверхность заднего барабана котла занята отверстиями для боковых связей камеры догорания. Связи здесь употребляются исключительно подвижные, с большим диаметром отверстий в листах барабана котла (под втулки). Поэтому лапчатые связи, укрепляющие верхнюю часть ухватного листа топки, располагаются, как показано на фиг. 46. Лапы в этом случае выполняются очень большой длины-1,6-1,8 м. Конечно необязательно лапы приклепывать всегда ко второму, считая от топки, барабану, как это сделано у паровозов сер. «ФД» и «ИС»; если задний барабан имеет достаточную длину за пределами камеры догорания, то лапу удается разместить в передней части заднего барабана. При выборе длины лап и их расположения относительно барабанов нужно помнить об обязательной постановке промывательного люка в нижней части барабана, в непосредственной близости к камере догорания.

Г'-Ч Для получения достаточной собственной жесткости самых лап при очень большой их длине (из-за наличия камеры догорания) они выполняются очень массивными, при чем задний конец их, обращенный к топке, снабжают цельно-кованной поперечиной под две связи. Такое устройство сокращает вдвое число массивных и длинных лап. Лапы выполняются в виде круглого прута диаметром 30_35 мм. Укрепление лапы к барабану делают не жестким, а подвижным- для обеспечения свободных деформаций топки. Подвижность осуществляется шаровой обточкой торца гайки, прилегающего к шаровой же расточке отверстия в угловой скобе, приклепанной к барабану. Выступающий за гайку торец лапы расклепывается, что предохраняет гайку от отвертывания.

При наличии большого наклона ухватного листа приходится отступать от общего правила расстановки связей нормально к укрепляемой ими стенке. На фиг 95 показана лапчатая связь паровозов сер. «ФД» и «ИС». Как видно, перекос связи здесь очень велик; число рабочих ниток незначительно (толщина ухватного листа топки у этих паровозов-13 мм).

Поперечные и наклонные связи

Для укрепления верхних участков боковых стенок выше потолка топки Бельпера, т. е. там, где невозможна постановка обычных распорных связей, приходится связывать солидными тяжами-связями правую и левую боковые стенки кожуха, как это показано на фиг. 40 и 42.

Эти тяжи, называемые поперечными связями, применяются на всех паровозах с топками Бельпера. Таких связей обычно бывает два ряда. Связи верхнего ряда ввертываются концами в отверстия верхнего (потолочного) листа-кожуха и внутреннюю накладку шва, соединяющего верхний лист с боковым. Связи же нижнего ряда ввертываются в обе накладки того же шва и в полуотверстия верхнего и бокового листов, так как оси этих связей совпадают с уровнем стыка этих листов. При такой конструкции шов совершенно разгружен от изгибающих усилий. Для уплотнения снаружи на концы связей надеваются шайбы (иногда из красной меди, чаще из мягкой стали), нажимаемые гайками (фиг. 42,. левая проекция).

В паровозах сер. «Эм» и «Су» последних выпусков эти связи поставлены на заварке, как это детально показано на фиг. 40-см. правую нижнюю проекцию. Связи эти дешевле и надежнее.

Материал поперечных связей-ст.-2.

Рассчитываются эти связи только на растяжение, хотя в действительности работают частично и на изгиб под действием собственного веса (тряска паровоза). Допускаемое напряжение в этих связях-/?г«^900 кг/см2.

Заметим, что допускаемое напряжение можно было бы поднять и выше этой величины-как из-за сравнительно спокойных условий работы, так и из-за несколько большей крепости материала (ст.-2 вместо ст.-1 у распорных и анкерных связей), но увеличения напряжений все же не делают для получения достаточной жесткости поперечных связей: имея свободную длину 1 800-2 ООО мм, эти связи несколько прогибаются под действием собственного веса, и толчки, испытываемые паровозом, вызывают дрожание этих связей. Последнее-нежелательно, так как может вызвать течь в местах соединения связей с боковыми листами.

Для получения достаточной прочности и жесткости поперечных связей они делаются диаметром 30-35 мм, при чем разбивка их производится, в зависимости от разбивки анкерных болтов, таким образом, чтобы поперечные связи располагались в промежутках между поперечными рядами анкерных болтов (обычно через один ряд).

Что касается «грузовых» площадей, укрепляемых поперечными связями, то (см. фиг. 93а) эта площадь, приходящаяся на одну связь верхнего ряда, равна:

а для одной связи нижнего ряда:

2

Другими словами, считается, что площадки за пределами поперечных связей укрепляются в равной мере как рассматриваемыми поперечными связями, так и потолочным листом (вверху) и распорными связями (внизу). Именно таким способом рассчитывались поперечные связи у наших паровозов.

Конечно этот способ, применяемый, например, к верхнему ряду связей, очень неточен, так как здесь не учитывается вовсе жесткость загиба потолочного листа кожуха. Исходя из этих предпосылок и рассчитывая связи на разрыв по элементарным формулам, мы должны получить большие напряжения в связях верхнего ряда, если все связи взяты одинакового диаметра.

По этому расчету в нижних рядах поперечных связей наших старых паровозов с бельперовскими потолками напряжение равно:

#г^800 кг/см2,

а в верхних:

Я2^950 кг/см2.

В виду затруднительности учета собственной жесткости листа и его загиба приходится рассчитывать связи изложенным способом.

Заметим, что при размещении поперечных связей нужно предусматривать зазор между нижним рядом связей и потолком топки по крайней мере в 75- 80 мм для удобства промывки.

Для того, чтобы «редкое» расположение поперечных связей не вызывало излишнего перенапряжения материала самого бокового листа, в зоне расположения поперечных связей размещается стык потолочного и бокового листов кожуха. Стык этот, как мы знаем, осуществляется с двумя накладками,-наружной и внутренней при клепаном кожухе (показано на фиг. 42), или с одной внутренней,-при сварном кожухе, как показано на фиг. 40. Располагая нижний ряд поперечных связей по самой стыковой линии и накладки симметрично по отношению к стыку, мы тем самым создаем достаточную жесткость участков листов, расположенных в промежутках между смежными связями. Рассматривая правую проекцию фиг. 40, мы замечаем, что участок, расположенный под нижним рядом поперечных связей, укреплен внутренней накладкой на значи-

'тельно большем протяжении, чем участок, расположенные над верхним рядом. Это создает дополнительную жесткость ■ плоской стенке в промежутке между поперечными и боковыми связями.

В плоских бельперовских потолках кожуха имеется еще одно место, требующее специального укрепления,-передние части потолка и боковых листов. Действительно, рассматривая сопряжение шинельного листа кожуха со смычным листом (фиг. 40 и 42), мы видим, во-первых, в части потолка не укрепленное место перед анкерными болтами, расположенное примерно в плоскости решеточного листа (немного впереди этой плоскости). В то время как верхняя передняя кромка смычного листа выгнута по радиусу и для потолка не требуется никакого укрепления, задний верхний борт смычного листа имеет плоскую форму и поэтому должен быть как-то укреплен. С другой стороны, и боковая часть заднего борта смычного листа, являясь плоской стенкой, имеет недостаточную жесткость. В средней части этого борта, расположенной на одном уровне с осью барабанов, получить достаточную жесткость оказывается возможным посредством специального выступа на боковом листе, как показано на фиг. 42 (выступ имеет трапецевидный контур, он показан пунктиром на основной проекции фиг. 42). Участок зад- * него борта смычного листа, расположенный непосредственно над этой средней частью, оказывается все же недостаточно укрепленным. Поэтому в передних верхних углах кожуха Бельпера необходимо ставить две наклонные связи: одну в правом верхнем углу кожуха, другую в левом. Эти наклонные связи показаны на правой проекции фиг. 40 и левой проекции фиг. 42. На фиг. 42 между прочими деталями показано типовое расположение наклонной связи, на фиг. 96-ее распространенное конструктивное выполнение. Наклонная связь имеет диаметр средней части 35-40 мм; верхним и нижним концами она ввертывается в фасонные накладки, приклепанные или лучше приваренные снаружи кожуха.

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 96.

На фиг. 40 показана новая конструкция наклонных связей из полосовой стали (сечения 14 х 50 мм), приваренных к косынкам на боковых листах и к поперечной полосе, проходящей поперек всего потолка.

Продольные тяжи и контрфорсы

Нам осталось рассмотреть укрепление плоской стенки в верхней части лобового листа кожуха.

Здесь в старину употреблялось крепление одними контрфорсами, т. е. железными клепаными балками, укреплявшимися с помощью заклепок на всем протяжении плоской стенки. Простейший вид контрфорса-два уголка, сложенных и склепанных смежными полками и приклепанных двумя другими своими полками к плоской стенке. В этом случае контрфорс и лист представляют собой как бы цельную балку, работающую на изгиб.

Такие контрфорсы могли иметь применение только в небольших котлах, когда «пролет» такой балки оказывался незначительным, да и самое давление пара не превосходило 10-11 атм. Уже в более или менее крупных котлах такие контрфорсы оказывались недостаточно жесткими и надежными.

Поэтому естественным развитием простых контрфорсов явилось изготовление их из горизонтально расположенного листа, снабженного обносными угольниками, приклепываемыми как к листу контрфорса, так и к лобовому и боковым листам кожуха. Здесь жесткость лобового листа увеличивается в несколько раз. Еще лучшей конструкцией контрфорса является применение широких листов с загнутыми краями. Последние и являются «фланцами» контрфорса, приклепывающимися к лобовому и непременно к обоим боковым листам.

При конструировании кожухов с потолками'Бельпера, когда размеры верхней части лобового листа увеличиваются еще более,-и такой контрфорс оказывается недостаточным для укрепления средних участков верхней плоскости лобового листа (здесь изгибающий момент достигает наибольших значений). Поэтому целый ряд наших котлов с потолками Бельпера имеет комбинированный способ укрепления верхней части лобового листа; во-первых, имеется горизонтально расположенный контрфорс, склепанный из двух листов с загнутыми бортами, как это показано на фиг. 42, а над этим контрфорсом расположены два двойных раскосных листа по типу наклонной связи, соединяющие в одно жесткое целое верхние участки лобового листа с потолком. Раскосы дополнительно укрепляются тяжами (продольными). Кроме того верхний правый и левый углы лобового листа также укрепляются длинными сквозными тяжами, пропущенными своими другими концами через плоские стенки верхних углов смычного листа. Эти тяжи, таким образом, работают в тех же условиях, и так же конструктивно выполняются, как и поперечные надпотолочные связи.

Рассмотренное устройство крепления верха лобового листа котла паровоза сер. «Су» является типовым. Вариаций может быть большое количество. Например, в паровозах сер. «Эу» раскосные листы остаются без дополнительного укрепления их тяжами, но зато тяжи поставлены для дополнительного укрепления самих контрфорсов. Число раскосов у паровоза сер. «Эу»-также два, но большие участки между ними укрепляются продольными тяжами. Такой способ крепления лобового листа применен и для некоторых паровозов сер. «Эм», в том числе и у изображенного на фиг. 4.

Контрфорс и раскосные листы в применении к паровозам сер. «Эу» и части паровозов сер. «Эм» показаны на фиг. 97 и 98. Здесь даны и главнейшие размеры деталей.

Эта комбинация элементов лучше, так как здесь лобовой лист укреплен более равномерно и в большем количестве точек.

Количество раскосных листов до самого последнего времени ограничивалось двумя, так как прежде полагалось нежелательным перегружать потолок кожуха дополнительными усилиями. В действительности же нагрузка потолка только в двух точках большими силами нерациональна, и выгоднее иметь большее число точек, но нагруженных меньшими силами; поэтому в части котлов паровозов сер. «Эм» сделано уже шесть приварных раскосов, как показано пунктиром на средней проекции фиг. 40 (см. наружный вид на лобовой лист).

Материал, из которого изготовляются все перечисленные детали, т. е. контрфорсы, раскосы и тяжи,-ст.-2.

Большое количество деталей крепления широких лобовых листов (при потолках Бельпера) является слабым местом котла. Уже не говоря о том, что всеэти детали утяжеляют топку,-и без того наиболее тяжелую часть котла, эти детали и по эксплуатационным соображениям (промывка) оказываются очень неудобными для современных паровозов. Наконец эти крепления создают общую жесткость кожуха, являющуюся нежелательной в особенности при стальных топках. Все эти "соображения заставили в корне пересмотреть конструкции укрепления верха лобового листа при переходе на мощное паровозостроение. Здесь было положено за основу сохранение необходимой эластичности кожуха (мы не говорим о жестком соединении кожуха с цилиндрической частью).

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

Наличие полукруглого потолка кожуха и сравнительно небольшие размеры плоской верхней части лобового листа даже у сверхмощных паровозов позволяют избегнуть применения различных раскосов и контрфорсов, ставя лишь нужное количество продольных тяжей. В дальнейшем мы увидим, что и" условия расчетов на прочность подобного укрепления лобового листа отличаются большей четкостью; это также говорит в пользу применения именно такого способа укрепления.

:. Продольные тяжи задним концом прикреплены тем или иным способом к лобовому листу, а передним к потолку кожуха или к верхней части заднего барабана. Вообще говоря, передний конец тяжей лучше укреплять к барабану котла,

как это и делается на наших старых типах котлов и в частности показано на фиг. 40 и 42, но в мощных котлах приходится отказываться от такого способа укрепления из-за большой длины кожуха и чрезмерного удлинения самих тяжей. Большая длина тяжей, как и всяких других горизонтально расположенных стержней, нежелательна из-за дрожания их на ходу паровоза. Поэтому в мощных котлах продольные тяжи делаются сравнительно небольшой длины и передним концом приклепываются к потолку кожуха.

Что касается заднего конца продольных тяжей, то наилучшим способом укрепления их нужно считать шарнирное соединение с таврами,■ приклепанными изнутри к лобовому листу. Тяжи снабжаются коваными вилками, охватывающими среднюю полку тавра. В зависимости от ширины укрепляемого тяжами участка лобового листа длина тавров делается различной. К каждому тавру крепятся от одного до трех тяжей, как показано на фиг. 46 и 47, изображающих топку котла паровозов сер. «ФД» и «ИС». На этих рисунках пунктиром нанесены радиально расположенные тавры в количестве восьми штук. Рассматривая фиг. 46 и 47, мы видим, что лобовой лист котла этих паровозов укреплен двадцатью тяжами.

На фиг. 99 показан один из этих тяжей.

Существует два способа прикрепления тяжей к лобовому листу: первый-только что разобранный и второй, сравнительно распространенный на' наших старых паровозах,- укрепление тяжа гайками; в этом случае тяжи пропускают в отверстия лобового листа и на нарезанную часть тяжа снаружи и изнутри надевают шайбы из красной меди, нажимаемые гайками. Этот способ предусматривает возможность нужного (небольшого) натягивания тяжа при навертывании гайки. Недостатками такого способа являются как необходимость сверлить большое отверстие в лобовом листе для пропуска массивного тяжа (диаметр средней части берется в 30-35 мм), так и, главное, недостаточная жесткость участков лобового листа, расположенных между тяжами.

Поэтому укрепление тяжей к таврам является предпочтительным: здесь тавр будет придавать нужную жесткость участкам лобового листа, расположенным между тяжами; в этом случае тавры являются как бы небольшими контрфорсами.

Для того, чтобы и в этом случае тяж был несколько натянут, хорошо его ставить в слегка нагретом состоянии: охладившись, он натягивается и хорошо удерживает лобовой лист от выпучивания котловым давлением.

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

Расчеты тяжей и контрфорсов

В виду того, что продольные тяжи и контрфорсы являются весьма ответственными частями котла, укрепляющими развитую плоскую стенку кожуха, к тому же выходящую в будку машиниста, на расчет этих частей на прочность нужно обращать серьезное внимание.

Материал, из которого изготовляются ковкой тяжи и штамповкой части контрфорсов,-ст.-2. Для того, чтобы получить минимальные прочные размеры названных частей, прежде всего выбирают способ укрепления листа. Для мощных котлов следует рекомендовать продольные тяжи и тавры.

Расчет тяжей на прочность производится в предположении, что переходные закругления к бортам лобового листа укрепления не требуют и удерживаютсяна листе заклепками шва лобового и шинельного листов. Таким образом, подлежащая укреплению площадка имеет вид примерно кругового сегмента, описанного сверху дугой (граница плоского участка) при полукруглом потолке кожуха, а снизу ограничена горизонтальной прямой, или тоже дугой, но описанной очень большим радиусом, соответствующим радиусу потолка топки. Нижняя граница площадки проводится несколько выше верхнего ряда распорных связей, укрепляющих лобовой и' шуровочный листы. Граница эта проходит на расстоянии примерно 50-60 мм выше связей, т. е. на расстоянии, равном примерно половине среднего расстояния (100 мм) между распорными связями.

Продольные тяжи, вообще говоря, должны быть расставлены так, чтобы участки листа, расположенные между ними, были примерно равны. По площади это не всегдаудается сделать, в частности не удалось сделать это и на паровозах сер. «ФД» и «ИС». Рассматривая фиг. 100, изображающую площадку и расположение тяжей на лобовом листе названных паровозов, мы видим неравномерность расстановки тяжей. Чтобы избежать неодинаковых напряжений в самих тяжах, последние сделаны различного диаметра (36 и 38 мм). При горизонтальном расположении тяжей и вертикальном лобовом листе расчетной формулой для тяжей является:

я. = -йг- s=Jwsss-^ (19)

в предположении, что напряжение во всех тяжах одинаково. Здесь:

rz - допустимое напряжение на разрыв в тяжах; /?s<700 кг/см2; Q - сила, нагружающая все тяжи; F_riema - вся площадь лобового листа, подлежащая укреплению (на фиг. 100*

заштрихована); Ртяжа - площадь сечения одного тяжа.

Но так как тяжи располагаются обычно под углом к горизонтали, как это показано на фиг. 101, то сила вдоль тяжа соответственно увеличивается; обо» значим;

- <грузовую» площадь одного из тяжей в см2; а - угол между осью тяжа и плоскостью лобового листа. Тогда сила вдоль этого тяжа будет:

Q1==^- кг

sin а и напряжение в нем.

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 100.

=-ЬЕ*- . (20)

Если угол наклона а всех тяжей к плоскости лобового листа один и тот же, то напряжение в них в среднем:

^ _ Рк 2Fi _ VKFлиста_ (20')

г sin а • 27 FmnMa Sin а • 2Ртяжа

Наклон тяжей должен быть возможно меньшим, чтобы избежать их перенапряжения; в практических условиях удается не превосходить наклона 75-Ve-

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

При расчете укрепления лобового листа можно итти и обратным путем. Задаваясь допускаемым напряжением /?г = 700 кг/см2 и зная всю площадку листа рлиета, находим суммарную величину сечения всех тяжей из формулы (20'):

■ср _ Р«Рлиста (ГН\"\

Выбирая затем диаметр тяжей, получаем их число. Если оно получается нечетным, то можно или изменить диаметр тяжа, придерживаясь конечно ОСТа, или расположить один ряд вертикальных тяжей по середине лобового листа, при чем в этом ряду надо поставить нечетное число тяжей. При постановке многоклапанного регулятора, имеющего, как известно, наружный привод, средняя часть лобового листа остается свободной, где и может быть расположен средний тавр.

Изложенный расчет тяжей чрезвычайно прост и дает надежные результаты, хотя в основу его и положены два допущения. Заметим, что после окончания расчета и расстановки тяжей необходимо графически определить наибольшую площадь, обслуживаемую тем или иным тяжем, и сделать для последнего индивидуальный проверочный расчет.

Расчет валика тяжа производится на изгиб, как балки, лежащей на двух опорах с равномерно распределенной нагрузкой по середине. Материал валика-■ ст.-2 или ст.-З.

При расчете укрепления лобового .листа совмести о тяжами, контрфорсами и раскосами приходится с самого ТГачалТ^ёшать*'^прос"*Ь распределении полной силы, действующей на лобовой лист, между контрфорсами, раскосами и тяжами. Делаем допущение, что заклепки, крепящие контрфорсы к боковым листам кожуха, заклепки и анкерные болты, крепящие раскосы к потолку, а также и валики в тягах-все работают с одним и тем же напряжением на срез. При этом считаем, что напряжение i

Я, ^1,25 Я,.

Задаваясь /?г и Я3, находим силы, действующие на контрфорсы, раскосы и тяжи.

Делая допущение, что все элементы крепления работают с соответствующими безопасными напряжениями, узнаем ту силу, которую воспринимают отдельные элементы. Хотя это допущение и условно, оно имеет реальную обоснованность в виду упругости всего лобового листа: если при сборке котла отдельные части будут поставлены с излишними «начальными» напряжениями, что часто имеет место, например, у контрфорсов, приклепываемых к трем стенкам (лобовой и двум боковым), находящимся в разных плоскостях, то эти части, будучи изготовлены из очень мягкого материала (непременно ст.-2), несколько деформируются и тем самым передадут нагрузку на другие элементы крепления. Конечно, деформации здесь могут измеряться долями миллиметра, но во всяком случае в работе котла все элементы крепления верхней части лобового листа будут нагружены.

Расчет излагаем с ориентировкой на типовое крепление по фиг. 97-98 (типовой клепаный контрфорс, оказавшийся в работе более надежным, чем позднейшие сварные контрфорсы).

Обозначим: п1 и йг-число и диаметр заклепок, крепящих продольные фланцы контрфорсов к боковым стенкам кожуха (с обеих сторон);

п2 и й%-число и диаметр заклепок, крепящих верхние фланцы всех раскосных листов к потолку кожуха;

щ и й3-число и диаметр анкерных болтов, проходящих через те же верхние фланцы раскосных листов;

п4 и й±-число и диаметр валиков, укрепляющих вилки тяжей, охватывающие горизонтальные листы контрфорсов (по одному валику на тяж). На фиг. 97-98 показаны два отверстия для валиков двух тяжей;

п5 и й5-число и диаметр дополнительных тяжей, укрепляющих непосредственно лобовой лист. На чертеже предусматриваются шесть тяжей. Эти тяжи работают на растяжение, в то время как все перечисленные раньше части работают на срез.

Сила, действующая на все эти отдельные элементы, будет вызывать в них напряжения, определяемые из уравнения:

Р - ПР "' • я ■ аг , Р | "» • " • -"«' , Р I "з • п • -V - Р |

1 Ун* листа . 1У$ I . . Д»Т

4 4 4

+ 2Щ ■ л ■ аг . к + п, • я • а* ш 1 25 д (21)

4 4

Пользуясь этой формулой, с достаточной степенью точности можно определить напряжение на срез в элементах крепления лобового листа существующих паровозов:

Р ____4 • Р лита, • Рк_(21')

8 л (Пг ■ + щ • + п3 • й32 + 2 ■ п4 • (1^ + 1,25 • л5 • 42) '

а затем и напряжение рг тяжей, зная диаметр последних. Далее можно рассчитать валики тяжей на изгиб, раскосы на растяжение и контрфорсы на изгиб.

При конструировании контрфорса нужно итти по другому пути: определить нужное общее сечение всех деталей и затем, согласно опытным данным, разбить это суммарное сечение по отдельным элементам, стремясь к тому, чтобы лобовой лист был равномерно по всей его площади укреплен.

Сила, приходящаяся на горизонтальный контрфорс, принимается равной:

Рк-Ф = ~-(п1-йг + 2-п,. й?) ■ Я, (22)

Напомним, что по фиг. 97--98 два продольных тяжа укрепляют горизонтальные листы (контрфорсы); у других паровозов, как, например, у паровозов сер. «Су» (см. фиг. 42), продольные тяжи укрепляют не контрфорсы, а раскосные листы, следовательно, для паровозов сер. «Су» формула (22) напишется в виде:

Рк_ф =--*-. лх • </х-• Я,. ' (22')

4

Для раскосных листов по фиг. 97-98:

Рра« = ^ •("■,• ^ + п3-42)-«, (23)

а по фиг. 42:

Рте. = - (и, • + п3 • й32 + 2 • п4 • й42) • К.. (23')

рас п ^

Затем определяем силу, растягивающую тяжи. Для тяжей, укрепляющих контрфорсы или раскосные листы:

Р'т-21 -п4.</4«.*.^ -п.-(*,»■*.. (24)

Сила, растягивающая тяжи, укрепленные в самом лобовом листе:

р» = ЬЪ1Лпв.(15*.Я,. (25)

На эти силы Рк.ф, Рраск, Р'т и Р;; и рассчитываем перечисленные детали.

Конечно изложенный способ определения сил в отдельных элементах ■-приближенный, так как в действительности лобовой лист представляет собой как бы балку, лежащую на нескольких опорах, т. е. статически неопределенную систему.

Вкратце изложим расчет листов контрфорса и раскосных листов.

На фиг. 102 показан план контрфорса. Рассматривая наиболее опасную среднюю часть его длиной I как балку, защемленную по концам и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой Рк-Ф, имеем расчетный изгибающий момент

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 102.

М=^/- (26) 12

Напряжение на изгиб контрфорса, если отбросить продольные, тяжи (показаны на фиг. 102 пунктиром):

о=М_ = _Р»4>1]-. (27) 5 и/ 12 • V/

Здесь V/-момент сопротивления сечения контрфорса в горизонтальной плоскости. В простейшем случае (приварной контрфорс в виде одиночного листа толщиной б и шириной /г):

и, следовательно:

с> _ Рк'Ф '1' 6 = Рк'ф ' 1 (27')

* ~ 12 • д . Л2 _ 2 • д ■ ІЇ1 '

В случае сложного составного контрфорса, укрепленного к лобовому листу отогнутым фланцем или обносным угольником, момент сопротивления подсчи-тывается для всего сложного сечения. Предварительно находим центр тяжести сечения, затем определяем момент инерции сечения по общеизвестной формуле:

1Ы = 2(1 + Р-Я*),

(28)

где:

1Ы- момент инерции сложного сечения; /_ момент инерции простейшего элемента сечения (обычно - прямоугольника);

' Б - площадь сечения элемента;

о - расстояние центра тяжести сечения элемента от центра тяжести сложного сечения всего контрфорса. Затем по формулам:

\¥%аст= -С£ (29)

и

№хсж = ^ (29')

находим моменты сопротивления для растянутых и сжатых волокон контрфорса; здесь е1 и е2-расстояния от крайних волокон контрфорса до центра тяжести сложного сечения.

II Определив ТЯгх9ает и Т¥хсж, подсчитываем напряжение изгиба Вь, которое считаем возможным допустить до 800-900 кг/см2*.

Если контрфорс имеет добавочное укрепление двумя (как показано пунктиром на фиг. 102) продольными тяжами, то момент

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

(30)

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы
Фиг. 103.

Здесь сила Рк.ф подсчитывается, естественно, только для самого контрфорса, т. е. без учета тяжей.

Чтобы найти выражение для Мт, т. е. момента, разгружающего контрфорс за счет постановки тяжей, представим схему работы этих тяжей, как показано на фиг. 103.

Момент в сечении А от действия однойближайшей (левой) силы ^ равен, как мы знаем из «Сопротивления материалов»

Здесь 11 и к обозначают расстояния от оси тяжа до концов «балки», т. е.

1 = 1г + к.

Момент в сечении А от действия другой (правой на фиг. 103) силы ^ равен:

М^=^.^А. (31')

А 2 Г- '

Сумма этих двух моментов М'А и м"А, изгибающих балку в сечении А, равна:

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

Итак, окончательно, момент, изгибающий контрфорс, выразится следующей формулой:

м= {Рк-ф +Рт') • I РТ' ■ кк 33) 12 2 • / }

Зная величину момента и задаваясь допускаемым напряжением Яъ = =800 кг/см2, находим нужный момент сопротивления:

IV = - (33') и путем подбора сечений контрфорса определяем нужные его размеры.

* У некоторых наших старых котлов напряжения в контрфорсах достигают 1 500 кг/см3, что приводит к появлению трещин в листах контрфорсов.

Расчет на прочность раскосных листов производится иным способом. Каждый из раскосов должен безопасно выдержать нагрузку на лобовой лист, равную, согласно формуле (23):

Р раек ~ ' > (23 )

где п-число раскосов.

На эту силу и ведем расчет каждого раскоса. Напомним, что каждый раскос по фиг. 97-98 склепан из двух штампованных листов. Здесь, как и в предыдущих случаях, приходится сделать допущение, также, впрочем, незначительно искажающее действительные условия работы раскосов, а именно: предполагается, что раскосы жестко заделаны в потолочный лист. На самом же деле" потолок должен несколько прогибаться вниз под действием растянутого и изгибаемого в вертикальной плоскости раскоса; но так как потолок кожуха укрепляется на всем своем протяжении анкерными болтами и на него давит пар, с достаточной степенью точности можно предположить, что потолочный лист остается на месте, и допущение о защемлении раскоса достаточно реально.

3. Лапчатые, наклонные и поперечные связи; продольные тяжи и контрфорсы

На фиг. 104 показано разложение силы P'vam на две силы, одна из которых:

Q = Р'рат (34)

cos арастягивает раскос, а другая:

Я = PWtga (35)

нагружаетсяГна срезы заклепки, крепящие раскос к лобовому листу. Напряжение в раскосе на растяжение:

я.=А= р,рас: „' (36)

о • h cos а • о ■ пгде о° - толщина листа раскоса и h-ширина.

В существующих паровозах JRS<;600 кг/см2; эта величина свободно может быть поднята до Rz = 700 кг/см2.

Здесь необходимо упомянуть, что раскосные листы иногда рассчитывают и на изгиб, т. е. на сложное напряжение от растяжения и изгиба. Попытки дать такой расчет раскосов приводят*к необходимости допустить в них, согласно существующим десяткам типов паровозов, огромные напряжения, доходящие до 1500-2 ООО кг/см2. Конечно, в действительности таких напряжений быть не может как из-за работы заклепок лобового листа на срез, что как бы парализует изгибающие моменты, так и из-за наличия жестких подкладок А и Б под фланцыраскосов (см. фиг. 104, а также фиг. 97 и 98). Заметим, что подкладка Б (фиг. 104) является фланцем горизонтального контрфорса.

Во всех расчетах контрфорсов и раскосов, выполняемых согласно изложенным методам, для получения наиболее точных результатов желательно учитывать ослабление листов отверстиями для заклепок, соединяющих отдельные листы в одну монолитную конструкцию.

Кроме того при подсчете моментов сопротивлений должны учитываться и отверстия для стока воды, всегда делающиеся в горизонтальных листах контрфорсов.

В заключение этого несколько громоздкого расчета укрепления верхней части лобового листа укажем, что во всех изложенных рассуждениях не принималась вовсе во внимание собственная жесткость лобового листа в виду ее незначительной величины.

В случае цельносварной конструкции контрфорса расчет ведется в точности тем же способом; силы, действующие на отдельные элементы, определяются по условиям работы на срез сварных швов. При конструировании контрфорсов нужно итти обратным путем: вычислив общую силу, действующую на всю плоскую стенку лобового листа, и задавшись обычным допускаемым напряжением на срез в сварном шве, определяем общую площадь наплавленного в швах металла и необходимое суммарное сечение тяжей, располагая их между раскосами, и затем уже распределяем наплавку металла по отдельным элементам,-раскосам и контрфорсам. Согласно этим данным и производится расчет контрфорса и раскосов, а также и продольных тяжей. Достаточная неопределенность напряжений в элементах контрфорсов (что видно из предыдущего) может привести к перегрузке и даже разрушению отдельных участков их сварных швов. Поэтому клепаные контрфорсы являются пока предпочтительными.

Во всех случаях расчетов крепления лобового листа продольные тяжи рассчитываются только на растяжение силами Р'п [см. формулу (24)] и Р"т [см. формулу (25)]. Допускаемое напряжение У?г<800 кг/см2.

Считаем, что напряжение на простое растяжение 7?г = 800 кг/см2 должно быть признано наибольшим допустимым, так как в действительных условиях работы в тяжах возникают дополнительные напряжения на изгиб от собственного веса. Американцы, как общее правило, не допускают напряжения на разрыв в тяжах свыше 700 кг/см2.

ГЛАВА VI ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КОТЛА

⇐ | Анкерные болты || Конструкции паровозов || Барабаны котла | ⇒