Результат интеллектуальной деятельности: Способ усиления имеющего трещину металлического тонкостенного элемента пролетных строений мостов

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано для предотвращения развития усталостных трещин и усиления стенок металлических главных балок пролетных строений и продольных балок проезжей части пролетных строений мостов, имеющих трещины.

Известен способ усиления имеющего трещину металлического элемента пролетных строений мостов (см. Инструкцию по содержанию искусственных сооружений ЦП-628, 1999 года [2, п. 6.13], а также Распоряжение №1783р вице-президента ОАО «РЖД» В.Б. Воробьева от 28 августа 2009 г.), включающий засверловку устья трещины с двусторонней раззенковкой отверстия и установку высокопрочного болта в это отверстие (для трещин длиной более 20 мм) с двухсторонними шайбами и натяжением с усилием до 20 тонн.

Недостатком данного способа является то, что отверстия под высокопрочные болты ослабляют сечение элемента.

Известен способ предварительно напряженного закрепления материалов (см. патент US 3270410 А, дата публикации 6 сентября 1966 г., авторы: Franklin S Briles, Salter Larry, Estates Palos Verdes), включающий засверловку конического отверстия в металлическом элементе рядом с трещиной и установку болта (заклепки) конического сечения, с целью создания благоприятно ориентированных сжимающих напряжений, создающих разгрузочный эффект для усталостных напряжений.

Недостатком данного способа является то, что конические отверстия под болты или заклепки ослабляют сечение элемента.

Известен способ усиления, имеющего трещину металлического элемента (см. патент US 8763229 В2, дата публикации 1 июля 2014 г., авторы: Leonard Frederick Reid, Kevin J. Dooley), включающий сверление отверстия так, чтобы отверстие было отделено от устья трещины, с установкой втулки в отверстие, используя конический сердечник с целью создания в металлическом элементе сжимающих остаточных напряжений, достаточных для того, чтобы существенно сократить рост трещины.

Недостатком данного способа является то, что отверстие под втулку ослабляет сечение элемента.

Известен способ усиления имеющего трещину металлического элемента пролетных строений мостов (см. патент RU №2562622), включающий зенковку трещины, после чего нанесение припоя, затем установку элементов усиления, прижимая последние к металлическому элементу и местный нагрев до температуры плавления припоя.

Недостатком данного способа является то, что концентратор напряжения, имеющийся в устье трещины, не ликвидирован.

Технической задачей является повышение эксплуатационной надежности пролетного строения с трещиной в стенке главной балки.

Для решения указанной задачи в способе усиления имеющего трещину металлического тонкостенного элемента пролетных строений мостов, включающем сверление отверстия в устье трещины, нанесение припоя, установку элементов усиления, прижимая последние к металлическому элементу и осуществляя местный индукционный нагрев до температуры плавления припоя, при этом элементы усиления имеют грибовидную форму и их поочередно устанавливают с обеих сторон металлического элемента. Отверстие в устье трещины сверлят диаметром не менее двух толщин листа, пастообразный припой наносят на поверхность накладки и устанавливают грибовидную накладку ножкой в отверстие, при этом зазор между ножкой накладки и стенкой балки в отверстии составляет 0,2-0,25 мм, усилие прижатия составляет не менее 0,2 МПа, а местный нагрев осуществляют до температуры плавления припоя.

Данная технология применяется для локализации средних (от 21 до 50 мм) и длинных (>51 мм) усталостных трещин. Отверстие в устье трещины снижает концентрацию напряжений, индукционный нагрев зоны пайки с центром в месте отверстия создает зону сжимающих напряжений внутрь отверстия, препятствующих дальнейшему развитию трещины. Накладки усиления снижают уровень напряжений в элементе и создают конструкционный барьер, препятствующий дальнейшему распространению трещины.

Индукционный нагрев позволяет не допускать плавления основного металла, при этом сечение металлического элемента не только не ослабляется, но и усиливается за счет увеличения сечения элементами усиления (накладками). Кроме этого, в зоне отверстия (расширение металла происходит в отверстии) создаются дополнительные сжимающие напряжения, замедляющие развитие трещины.

На фиг. 1 изображена трещина, выращенная в стенке опытного образца (опытной балки); на фиг. 2 представлена грибовидная накладка; на фиг. 3 изображена схема сборки соединения под пайку.

Способ осуществляется следующим образом: отверстие в устье трещины сверлят диаметром не менее двух толщин листа, пастообразный припой наносят на поверхность накладки и устанавливают грибовидную накладку ножкой в отверстие, при этом зазор между ножкой накладки и стенкой балки в отверстии составляет 0,2-0,25 мм, усилие прижатия составляет не менее 0,2 Мпа. Индукционный нагрев выполняют до температуры плавления припоя. Температура контролируется пирометром.

Пример 1. Осуществляли усиление опытного образца балки пролетного строения с выращенной трещиной (фиг. 1) с помощью грибовидных накладок (фиг. 2). Схема сборки соединения под пайку приведена на фиг. 3.

Шаг 1. В стенке балки, отступая от устья трещины 2-3 мм, просверлили отверстие диаметром 23 мм. Поверхность металла очистили механическим способом от коррозии и загрязнений не менее чем на 200 мм (по радиусу) во все стороны от отверстия.

Шаг 2. Подготовили накладки усиления - круглые грибовидные, диаметром 50 мм.; флюс, припой. Для удобства сборки соединения под пайку в накладках просверлили сквозное отверстие 4 мм (под шуруп).

Шаг 3. Пастообразный припой нанесли на поверхность накладок и стенку балки.

Шаг 4. Установили накладки ножкой в отверстие и стянули накладки при помощи шурупа.

Для местного нагрева металла использовали высокочастотную индукционную установку ВЧА-60АВ с выносным индуктором. Нагрев осуществляли до температуры 850°С в течение 1 мин. Контроль температуры, выдержка и автоматическое отключение ВЧА-60АВ осуществлялось при помощи пирометра Laser 03. Время выдержки при заданной температуре составило 5 с.

В заявляемом способе грибовидная накладка за счет сцепления припоя с основным металлом включается в совместную работу с основным элементом, при этом его сечение не только не ослабляется, но и усиливается за счет увеличения сечения накладками. Кроме этого при нагревании в зоне отверстия (расширение металла происходит в отверстии) создаются дополнительные сжимающие напряжения, замедляющие развитие трещины.