Болтовые и заклепочные соединения

В стальных конструкциях применяются точеные (чистые) болты из углеродистых сталей, плотно входящие в отверстия, и высокопрочные болты из легированных сталей, входящие в отвер­стия с зазором. В соединениях на точеных болтах усилия пере­даются телами болтов, а в соединениях на высокопрочных бол­тах - силами трения, возникающими по соприкасающимся плос­костям элементов от натяжений болтов. В настоящее время для особо ответственных монтажных соединений следует применять высокопрочные болты.

По принятому условному способу расчета болтовых и заклепочных соединений точеные болты и заклепки рассчитываются:

на срез N/(nn_cpπd² /4) ≤ m_KR_cp; (199)

на смятие N/(ndΣδ) ≤ m_KR_cм; (200)

на растяжение N/(nπd₀² /4) ≤ m_KR_p; (201)

где N - расчетные продольные силы, равномерно распределяемые между болтами или заклепками; п - число болтов или закле­пок в соединении; п_ср - число рабочих срезов одного болта или заклепки; d - наружный диаметр стержня болта или диаметр отверстия заклепки; d₀ - внутренний диаметр резьбы болта; Σδ – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении.

Осевое усилие натяжения высокопрочных болтов Р принимается в зависимости от механических свойств болтов после их термической обработки и определяется по формуле

Р = 0,7σ_В F_нт, (202)

где σ_В – нормативное значение временного сопротивления раз­рыву стали высокопрочных болтов после термической обработки в готовом изделии; F_нт - площадь сечения болта нетто (по резьбе); 0,7 – обобщенный коэффициент условий работы, перегрузки и надежности по материалу.

Рисунок 68 – Схема работы болтового (заклепочного) соединения, воспринимающего изгибающий момент.

Рисунок 69 – Болтовое фланцевое соединение

Расчетное усилие, которое мо­жет быть воспринято каждой по­верхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле

N = 0,9Pf, (203)

где коэффициент трения f зави­сит от способа предварительной очистки соединяемых поверхно­стей. Коэффициент условий ра­боты болтового соединения 0,9 учи­тывает возможность уменьшения натяжения болта, вызываемого неточностью затяжки, обмятием поверхностей контактов и нарезки болта, поперечными дефор­мациями пакета при его растяжении. Усталостные разрушения соединений на высокопрочных болтах происходят по соединяе­мым элементам вдоль границы накладок, так как передача усилия от одного элемента к другому происходит не через тела болтов, а по площади контакта сдвигаемых элементов.

Задача о распределении усилий между точеными (чистыми) болтами (заклепками) в стыковом соединении, работающем на изгиб, от момента, действующего в плоскости соединения, стати­чески неопределима, так как имеется только одно уравнение ста­тики. Простейшее, оправданное практикой допущение для стыков, высота накладки которых больше ее ширины, заключается в том, что усилия в горизонтальных рядах по высоте балки принимаются изменяющимися по линейному закону (рис. 68). Это допущение позволяет составить необходимое количество дополнительных уравнений.

N₁ = M_c y₁ / Σy_i² . (204)

Принимая, что усилие N₁между болтами (заклепками) одного ряда определяется равномерно, находим усилие на один болт N = N₁/n. Если имеется поперечная сила Q, то ее считают равномерно распределенной между всеми болтами, и равнодействующая усилий, приходящаяся на один болт крайнего ряда.

Т = . (205)

Аналогично, если на сое­динение кроме изгибающего момента Мс действует продольная сила Р, равнодействующая усилий, приходя­щаяся на один болт край­него ряда,

Т =N₁ / n + P/(mn). (206)

Монтажные стыки короб­чатых конструкций часто вы­полняют в виде фланцевых болтовых соединений, обра­ботанных по кондукторам, что обеспечивает взаимоза­меняемость отдельных частей и целесообразно при серийном изготовлении конструкций. При этом часто болты из стали 40 ставятся в отверстия с зазором в несколько миллиметров, а в два точно и чисто обработанных отверстия ставятся штифты. Исследованиями установлено, что от внешней нагрузки в болтах можно принимать линейный закон распределения усилий в предположении, что фланцы абсолютно жесткие и что раскрытие стыка будет происходить относительно осей поясов балки (оси х_l и у_l на рис. 69, а). Тогда, если на стык действуют продольная растягивающая сила N и изгибающие моменты, перпендикулярные к плоскости стыка, М_х и М_у, напряже­ние в болтах от внешней нагрузки определится зависимостью

σ = N / nF_б + M_yx_1i / J_y1 + M_xy_1i / J_x1, (207)

где nF_б – площадь сечения по резьбе всех п болтов стыка; J_y1= ΣF_б x_1i ²; J_х1= ΣF_б у_1i ²– моменты инерции сечений болтов стыка относительно осей х₁ и у₁.

Шарнирные соединения

Шарниры неподвижных или редко поворачивающихся соеди­нений отдельных частей стальных конструкций осуществляются на осях. На рис. 70 показана расчетная схема листовой про­ушины. Наибольшие напряжения возникают по сечению 1-1 на внутреннем и по сечению 2-2 на наружном волокнах. Наибольшие напряжения, имеющие место в се­чении 1-1 проушины толщиной t, можно определять в зависимости от номинальных напряжении σ_н по формуле

, (208)

где коэффициент концентрации напряжений k_α зависит от угла контакта α и размеров проушины B/d.

Рисунок 70 – Схема к расчету проушин

При закреплении осей в листах последние проверяются на смятие (сжатие) по диаметральной площади по формуле

σ = Р / (dδ), (209)

где δ – толщина сминаемых частей.

Шарниры со свободным касанием (по линии или в точке): цилиндр или сфера с плоскостью, два цилиндра по образующей, две сферы (выпуклая и вогнутая) проверяются на контактные напряжения. Как для вращающихся, так и для неподвижных осей широко применяются подшипники качения.

Литература: Основная: 6 [разд. 13: стр. 130÷136; 138÷155].

Контрольные вопросы.

1. В каком случае расчет элемента металлической конструкции может быть выполнен наиболее точно; назовите достоинство способа установления закономерностей внешнего нагружения для отдельных видов нагрузок и в чем заключается смысл приведения действующих нестационарных напряжений к стационарным и на основе чего она производится?

2. Какими методами производят расчет металлических конструкций, объясните их сущность; по каким нагрузкам производится расчет по методу предельных состояний?

3. Металлические конструкции ТТ требованиям каких групп предельных состояний должны удовлетворять; какое значение имеют расчеты по первому предельному состоянию и почему, а также в каких случаях и с учетом какого условия производят расчеты по второму предельному состоянию?

4. Как производится расчет на прочность по первому предельному состоянию и по каким нагрузкам производится расчет по методу допускаемых напряжений?

5. Как производится расчет на прочность по методу допускаемых напряжений и какое условие и в каком случае должно выполняться при расчете на сопротивление усталости, а также в чем заключается прогрессивность метода расчета по предельным состояниям?

6. Назовите основные виды сварных соединений, их применение и как производится их расчет на прочность; где применяются болтовые и заклепочные соединения и как производится их расчет?