Главная > Разное > Резьбовые и фланцевые соединения
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

5.3. Прочность стержня

В резьбовой части стержня болта (шпильки) осевые напряжения растяжения неравномерно распределены по площади поперечного сечения, причем наибольшая их концентрация отмечается во впадинах резьбы (см. рис. 4.11).

Однако при расчете прочности в условиях статического нагружения не следует брать за основу наибольшие напряжения,

Рис. 5.2. Схема распределения осевых напряжений растяжения: 1, 2, 3 - соответственно в упругой, упругопластической и пластической областях

Результаты опытов показали, что эти местные пики напряжений не оказывают существенного влияния на прочность стержня, т. е. его способность противостоять действию растягивающих нагрузок. Существуют несколько гипотез для истолкования этого факта, впервые изученного на образцах с надрезом.

На рис. 5.2 показана область действия (заштрихована) осевых напряжений растяжения в поперечном сечении резьбовой части с учетом пластических деформаций. Характер распределения напряжений зависит от механических свойств материала детали, его склонности к упрочнению и т. д. Отметим, что максимум напряжений в пластической области смещается к оси стержня.

В резьбовой части стержня наряду с осевыми действуют напряжения растяжения, направленные поперек болта, в результате чего образуется объемное напряженное состояние. Это затрудняет развитие пластических деформаций и увеличивает прочность стержня. Отметим, что поверхность впадин резьбы находится в условиях двухосного растяжения.

Наблюдается противоположное влияние двух факторов: неравномерность распределения напряжений снижает прочность стержня, а объемность напряженного состояния вызывает повышение прочности. Чем пластичнее материал, тем в большей степени сказывается влияние второго фактора. Малопластичные материалы (титановые сплавы, чугун и др.) весьма чувствительны к концентрации напряжений; их несущая способность может снижаться (в отличие от пластичных материалов) даже при статических нагрузках.

Следует отметить, что при малоцикловых испытаниях циклов) влияние концентрации напряжений сказывается заметнее.

При вычислении предела прочности разрушающую нагрузку обычно относят к площади резьбовой части стержня, соответствующей внутреннему диаметру резьбы. Предел прочности резьбового стержня в таком случае

Результаты испытаний болтов из разных материалов (за исключением малопластичных сталей, термически обработанных на очень высокую прочность) показали, что

где предел прочности гладкого образца. Под величиной понимается отношение наибольшей нагрузки при разрыве к начальной площади гладкого образца.

Значения отношения для ряда материалов приведены в табл. 5.1.

Если разрушающую нагрузку отнести к фактической площади поперечного сечения резьбы А, то а уменьшится.

Фактическая площадь поперечного сечения больше площади по внутреннему диаметру резьбы при этом

В стандартах ряда стран, а также в ГОСТ 1759-87 для болтов в качестве расчетной используют площадь, отнесенную к диаметру, равному половине суммы среднего и внутреннего диаметров резьбы:

В этом случае предел прочности резьбового стержня

отношение

Например, для резьбы при Из анализа данных, приведенных в табл. 5.1, следует, что для болтов из наиболее распространенных сталей и др.) при расчете по формуле (5.2) можно принимать Видно также, что малопластичные материалы (титановые сплавы и др.) чувствительны к концентрации напряжений даже при статических нагрузках.

(кликните для просмотра скана)

Таблица 5.2 (см. скан) Размеры наиболее распространенных резьб по ГОСТ 9150-81

Значения и для резьб наиболее распространенных размеров даны в табл. 5.2.

При расчете прочности болта следует обратить внимание на прочность переходной части от резьбы. Для повышения сопротивления усталости переходную часть иногда выполняют в виде проточки. Если наименьший диаметр проточки равен то разрушающая сила (по проточке)

где k - коэффициент упрочнения.

Для проточки в виде полукруглой канавки можно принять для проточки, имеющей цилиндрический участок,

Рис. 5.3. Резьба со сбегом (а) и проточкой

Если резьба кончается обычным сбегом х или проточкой (рис. 5.3, а, б), то статическому разрушению подвергнется участок о полным про» филем резьбы. Результаты исследования М. П. Марковцем влияния сбега резьбы и проточки на прочность болтов из стали даны в табл. 5.3, В числителе и знаменателе приведены значения при наличии соответственно сбега и проточки. Следует отметить, что в первом случае разрушение происходило всегда по резьбе, во втором — по проточке.

Высокопрочные болты из легированных сталей, термически обработанные на предел прочности позволяют уменьшить габариты резьбового соединения. Для таких болтов проводят специальную термическую обработку, устанавливая за ней тщательный контроль (табл. 5.4).

Снижения водородной хрупкости и уменьшения влияния дефектов поверхности достигают полированием и кадмированием.

Таблица 5.3. Разрушающая нагрузка для болтов со сбегом и проточкой при испытании на растяжение

Болты из высокопрочной конструкционной стали условно подразделяют на высокопрочные и сверхвысокопрочные.

Высокопрочные болты предназначены для восприятия больших осевых нагрузок. Их устанавливают в отверстия корпусных деталей с зазором, затягивая до напряжения затяжки Высокопрочные болты с применяют в ответственных соединениях, работающих при значительных переменных нагрузках и в условиях повышенной (до температуры. Болты из стали с широко используют в металлоконструкциях, где требуется создание больших усилий затяжки взамен заклепочных соединений.

Сверхвысокопрочные болты работают главным образом на срез. Допускаются кратковременные напряжения растяжения (максимальные), но, как правило, не более

Таблица 5.4. Механические свойства высокопрочных конструкционных сталей

1000 МПа, напряжения от затяжки — не более

Высокопрочные и сверхвысокопрочные болты необходимо устанавливать без перекоса под гайкой или под головкой.

Болты из конструкционных высокопрочных сталей обладают высокой чувствительностью к концентрации напряжений, поэтому все переходы сечения следует проектировать с максимально возможными радиусами закругления, особенно в месте перехода от гладкой части к головке.

Болты следует изготовлять с проточками за резьбовым участком, а сверхвысокопрочные — и под головкой (рис. 5.4). Такие проточки способствуют уменьшению концентрации напряжений в наиболее нагруженных частях болта»

Резьбу следует выполнять с гарантированным минимальным радиусом впадины.

Для изготовления болтов используют также высокопрочные коррозионно-стойкие стали которые после закалки в воздухе с температуры растворения карбидов ( имеют в основном аустенитную структуру. Упрочнение достигается обработкой холодом, в процессе которой аустенита превращается в мартенсит. Болты из таких сталей обладают высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Как следует из анализа табл. 5.4, указанные стали по пластичности (относительному удлинению) и ударной вязкости значительно превосходят обычно применяемые для болтов конструкционные стали. Отметим, что сталь сохраняет высокую ударную вязкость и пластичность до температуры в то время как ударная вязкость высокопрочных конструкционных сталей, из которых изготовляют болты, не превышает Благодаря указанным свойствам болты из сталей

Рис. 5.4. Болт из высокопрочной стали

Рис. 5.5. Зависимость механических характеристик болтов (а) и стандартных образцов из стали от температуры испытаний

применяют в динамически высоко-нагруженных соединениях.

Болты из этих сталей можно также использовать в конструкциях, нагруженных в плоскости стыка. Минимальные значения сопротивления срезу составляют для них соответственно Для сравнения отметим, что сопротивление срезу болтов из стали при равно

Вследствие высоких пластичности и ударной вязкости болты из этих сталей нечувствительны к перекосу (до 8°) и концентрации напряжений. Благодаря этому отпадает необходимость проведения специальных конструктивных мероприятий, снижающих концентрацию напряжений (галтели и др.).

Болты из сталей сохраняют высокую прочность до (рис. 5.5). Сопротивление усталости болтов из этих материалов значительно выше, чем из конструкционных коррозионно-стойких сталей, применяемых обычно для изготовления высокопрочных болтов.

Для повышения прочности болты из сталей изготовляют по следующей технологии: изготовление заготовки с головкой, полная термическая обработка, накатка резьбы, отпуск при

Титановые и бериллиевые болты широко применяют в конструкциях, к которым предъявляют жесткие требования по массе, габаритам, прочности.

Титановые сплавы с плотностью около имеют высокие механические характеристики. В табл. 5.5 приведены отечественные марки титановых сплавов, применяемых для изготовления болтов.

Таблица 5.5. Механические характеристики титановых сплавов, применяемых для изготовления болтов

Таблица 5.6. Разрушающая нагрузка, для болтов из титановых сплавов и легированных сталей

Сплавы используют для изготовления болтов (шпилек) взамен сталей Эти болты на легче стальных. После термообработки на они обладают такими же свойствами при растяжении, как и болты из легированных сталей (табл. 5.6).

Таблица 5.7. Значения предела прочности, термореактивных пластмасс при растяжении и сжатии

Прочность титановых болтов при срезе даже выше прочности стальных болтов.

Упругое удлинение титановых болтов при одних и тех же напряжениях приблизительно в 2 раза больше упругого удлинения стальных болтов, что важно для сохранения первоначальной затяжки. Кроме того, вследствие высокой податливости дополнительная нагрузка на болт при действии рабочих сил в случае применения титановых болтов взамен стальных в стальных узлах снижается также почти в 2 раза. Однако эти преимущества титановых болтов исчезают при их работе в титановых узлах.

Болты из титановых сплавов малочувствительны к перекосу опорных поверхностей при статических нагрузках и не обнаруживают склонности к замедленному хрупкому разрушению. Однако ввиду высокой чувствительности титановых сплавов к остаточным напряжениям растяжения шлифование резьбы болтов, работающих при переменных напряжениях, недопустимо.

Из сплава изготовляют болты, которые могут длительно работать при температуре до 550 °С. Сплав можно использовать длительно при температуре до и кратковременно до Титановые болты необходимы при работе в корродирующих средах, так как они обладают высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. Разрушение болтов из этих сплавов при статических нагрузках носит взрывной характер и происходит практически без образования шейки.

Бериллиевые болты приблизительно в 4 раза легче стальных и в 2,2 раза легче титановых.

Предел прочности сплава бериллия с алюминием при нормальной температуре составляет модуль упругости удлинение при разрыве

Однако изделия из бериллиевых сплавов очень чувствительны к концентрации напряжений и качеству поверхности, поэтому бериллиевые болты требуют тщательной обработки, выполнения резьбы накаткой, использования алюминиевых гаек и т. д. Применение для таких болтов резьбы с пониженной высотой профиля

Таблица 5.8. Нагрузка разрушающая резьбу пластмассовых гаек в соединений с болтами из стали резьба

(до нормальной) с соответствующим увеличением внутреннего диаметра и радиуса впадины уменьшает концентрацию напряжений и повышает предел выносливости более чем в 2 раза.

По прочности бериллиевые болты уступают стальным и тита-. новым. Однако удельная прочность (прочность, отнесенная к массе) болтов из бериллия в раза выше прочности стальных к титановых болтов при статических нагрузках, а при переменных нагрузках их долговечность в 2 раза больше титановых и почти в 10 раз больше стальных. Необходимо иметь в виду, что берил-лиевая пыль, образующаяся при механической обработке, токсична.

Крепежные детали из пластмасс широко применяют благодаря высоким электро- и теплоизоляционным, а также противокоррозионным свойствам.

Основные материалы для изготовления крепежных деталей; волокнит, фенопласты пресс-материал найлон и полиамиды.

Механические характеристики этих материалов невысоки, они различны для растягивающих и сжимающих нагрузок. При проектировании резьбовых деталей из пластмасс необходимо также иметь в виду снижение их прочности с увеличением продолжительности нагружения и повышением температуры (табл. 5.7).

Распространение получили антивибрационные пластмассовые гайки, в которые для усиления (повышения несущей способности) иногда монтируют резьбовые спиральные вставки. В табл. 5.8 приведены результаты испытания таких гаек.

Успешно применяют стопорные кольца и. гайки из найлона и полиамидов, а также шайбы из полиамидов, которые при затяжке сильно деформируются, заполняют зазоры и впадины резьбы, одновременно способствуя герметизации. Для восприятия основных осевых сил предусмотрена металлическая основа.

Детали корпусов из стеклопластиков стягивают с помощью, стальных или титановых болтов. В таких конструкциях внешнюю

Рис. 5.6 Зависимость растягивающих сил, разрушающих соединения, от относительной длины свинчивания болтов и гаек

нагрузку на болты следует уменьшать путем увеличения податливости деталей системы болта (например, введением специальной упругой шайбы).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление