Условие прочности болтового соединения
Во фрикционном соединении болт, устанавливаемый в отверстие с зазором (рис. 15.14, а), передает нагрузку с помощью сил трения. При монтаже болт затягивают до усилия , которое задается как
или
. Это обеспечивает силу трения между соединяемыми деталями
(15.24) |
Здесь — количество поверхностей трения;
— площадь сечения болта по минимальному диаметру резьбы;
— коэффициент трения, который зависит от способа очистки поверхностей: при дробеструйной обработке
= 0,58, при газопламенной обработке
= 0,42, при обработке стальными щетками
= 0,35, без обработки
= 0,25 [6, 7].
Прочность фрикционного соединения будет обеспечена, если наибольшее усилие, приходящееся на самый нагруженный болт ( или
), будет удовлетворять условию:
(15.25) |
Здесь [ ] =
— допускаемое напряжение;
— временное сопротивление болта разрыву.
При специальной очистке и консервации стягиваемых поверхностей принимается n = 1,2 и , безобработки поверхностей —
и
(меньшие значения для соединений с количеством болтов менее10);
=0,95.
Болты, устанавливаемые в отверстие без зазора, передают усилия за счет контакта с соединяемыми элементами по цилиндрическим поверхностям в отверстии (рис. 15.14, б). Сдвигающее усилие, которое способен передать один такой болт, ограничено условиями среза болта и смятия боковых контактных поверхностей. По условию среза возможна передача усилия
(15.26) |
По условию смятия, как правило, более слабым оказывается металл соединяемых листов, поэтому предельное усилие вычисляется как
(15.27) |
Здесь - диаметр болта по посадке; t∑ —меньшая суммарная толщина листов, сминаемых в одном направлении;
— предел текучести металла соединяемых деталей при смятии,
= крат; для соединения с одной поверхностью среза
, при нескольких поверхностях —-
.
При этом условия прочности соединения на срез и смятие имеют вид:
В СРДН
(15.28) |
В СРПС
Здесь =0,85, значения остальных коэффициентов даны выше.
В условия (15.25) и (15.28) для расчета болтов на поясе подставляется (15.22), а на стенке —
(15.23), вычисленные по правилам, установленным в СРДН или СРПС для расчетов на прочность.
Расчет на прочность балки в зоне размещения болтового соединения производится по условиям (7.1) и (7.3). Расчетные номинальные напряжения [ , (7.6)] для фрикционных соединений на высокопрочных болтах вычисляются по сечению брутто (без учета отверстий), а для соединений на болтах, установленных без зазора, — по сечению нетто. При равномерном распределении болтов по сечению элемента балки (пояса или стенки) с шагом
площадь и момент инерции сечения нетто можно вычислять по известным формулам (13.5), (13.6), но с использованием эквивалентной толщины листов
, (здесь d — диаметр отверстий; t — толщина листа). Расчет на сопротивление усталости болтового соединения производится по методике, изложенной в п. 10.3.
Шарнирные соединения
Шарнирные соединения разделим на два класса: подвижные, в которых соединяемые детали в процессе работы совершают значительные угловые перемещения (стреловые шарниры), и условно неподвижные, которые совершают весьма малые относительные перемещения (крепления оттяжек, балансиров и пр.).
Подвижные соединения выполняются на подшипниках качения или скольжения. Для компенсации упругих деформаций конструкции обычно используются сферические подшипники качения шариковые или роликовые либо шарнирные подшипники скольжения. Для шарниров, в которых относительное перемещение соединяемых элементов происходит с небольшими скоростями, целесообразно использовать сферические или цилиндрические подшипники скольжения. Они имеют существенно меньшие габаритные размеры и достаточно большую грузоподъемность и долговечность. Есть подшипники с контактом типа сталь— сталь, требующие подвода смазки, и самосмазывающиеся подшипники, в которых контактирует сталь с композитным (металлофторопластик, тефлон и пр.) или порошковым (например, из пористого стале-медного сплава) вкладышем. При небольших нагрузках применяют вкладыши из бронзовой ленты с перфорацией для смазки, полимерное напыление и др. Допустимое удельное давление в таких подшипниках зависит от используемых материалов.
Условно неподвижные соединения выполняют с помощью осей без подшипников. Их применяют для соединения конструкции с балансирными тележками, шарнирной связи элементов конструкций, крепления стационарных оттяжек и пр. Такие шарниры не предназначены для восприятия знакопеременных нагрузок.
Опорные условно неподвижные шарниры выполняют с помощью опорных валиков, которые размещают между верхним и нижним корпусами (рис. 15.15, а). Валик подвергают термической обработке и шлифуют. Для страховки шарнира от разъединения ставят торцевые крышки. Смазку производят через канал по оси валика. Эти соединения рассчитывают только по контактным напряжениям. Условие работоспособности шарнира, загруженного центральной силой S и моментом М, записывают в форме ограничения максимальных контактных напряжений между осью и корпусами (рис. 15.15, б):
(15.29) |
Кроме этого, должно выполняться условие нераскрытаяшарнира
(15.30) |
Допускаемое напряжение целесообразно назначать из условия невыдавливания смазки. Для контакта стали со сталью
МПа, при использовании
бронзовых или латунных втулок МПа, вкладыши из полимерных или композитных материалов допускают
МПа и более в зависимости от свойств материала.
Другой вид шарнирного условно неподвижного соединения применяют для передачи растягивающих или сжимающих усилий. Эти шарниры состоят из подвижных и неподвижных проушин и оси, которая их соединяет (рис. 15.16, а, в, г). Зазоры между проушинами е должны быть минимальными для того, чтобы уменьшить изгибающий момент в оси. В этих зазорах размещаются шайбы 3 для центрирования внутренней проушины. Оседержатель 1 ставится вдоль направления усилия для того, чтобы на него не передавалась нагрузка от оси. При компоновке такого шарнира следует обеспечить прочность не только сварных швов 2, но и элементов, на которые передается усилие на конструкцию. Конфигурация стационарной проушины должна быть такой, чтобы сварной шов 2загружался по возможности равномерно и ось действия усилия Sпроходила через его центр.
Наибольшие напряжения в растянутой проушине возникают в поперечном сечении, в точке А, и в продольном, в точке С (рис. 15.16, б). Для обеспечения прочности продольного сечения обычно принимается . Расчет на прочность проушины в поперечном сечении производят по условиям (7.1) или (7.3), которые в данном случае принимают вид:
(15.31) |
Где — толщина проушины; остальные обозначения даны на рис. 15.16. При
коэффициент
. При плотной посадке оси в отверстие проушины коэффициент
можно снизить на 5-10 %.
Расчет контакта между осью и проушинами при центральном нагружении выполняют по условию
(15.32) |
где b — меньшая суммарная толщина проушин, сдвигаемых в одном направлении, (рис. 15.16, в) или
(рис. 15.16, г); [
] — допускаемое напряжение при расчете на контактную прочность.
Если перемещения в шарнире пренебрежимо малы, не приводят к износу и не влияют на работоспособность конструкции, то условие (15.32) является расчетом на смятие. При этом — допускаемое напряжение при расчете на прочность для менее прочного из материалов оси и проушины. Если же перемещения не велики, но регулярны, могут вызвать износ, а заедание может привести к нарушению работы конструкции, то узел должен быть обеспечен смазкой. В этом случае расчет (15.32) проводится по условию невыдавливания смазки (см. выше).
Ось рассчитывается на прочность как изгибаемая балка по условию (7.1), для которого действующие напряжения вычисляются по выражению
где — момент сопротивления сечения оси;
и
не более 0,2d. Остальные обозначения показаны на рис. 15.16, в, г.