Сдвигоустойчивыв соединения на высокопрочных болтах.

Если болтам придать большое предварительное натяжение, то возникающие вследствие значительного сжатия силы трения по контактирующим плоскостям способны полностью воспринять внешние Усилия, приложенные к соединению.

Создание сильного натяжения в болтах возможно только в том случае, когда болт имеет высокую прочность, на порядок превышающую прочность обычных болтов. Впервые высокопрочные болты были применены в конструкциях стальных железнодорожных мостов в 1948 г. (США) и 1959 г. (Россия). Тот факт, что использование соединений на высокопрочных болтах началось в наиболее ответственных видах сооружений, говорит о том, что к тому времени был ясен вопрос о благоприятных условиях работы фрикционных соединений на выносливость и накоплен опыт замены ослабленных заклёпок в мостах высокопрочными болтами.

Комплект крепежных деталей для устройства соединений на высокопрочных болтах включает болт, гайку и шайбы (см. рис. 4.28, г). В связи с различными условиями эксплуатации этих деталей для их изготовления применяют разные стали.

Для изготовления высокопрочных болтов применяют легированные стали, так как они обладают хорошей прокаливаемостью, что обеспечивает более равномерное распределение механических свойств по сечению болта после его термической обработки (закалка и отпуск).

Условия работы гаек и шайб существенно отличаются от условий работы болтов. Наиболее нагруженной частью гайки является резьба, а шайбы - поверхность изделия. Поэтому для изготовления гаек и шайб используют углеродистые марки стали, которые подвергают термической обработке.

В болтовом соединении на высокопрочных болтах необходимо устанавливать две шайбы - под головку болта и гайку, так как основное назначение шайб заключается в уменьшении трения по торцевой поверхности головки болта или гайки при закручивании.

Отсутствие шайб увеличивает сопротивление закручиванию в связи с пластическими деформациями стали соединяемых элементов при вращении гайки.

Характерная особенность фрикционного соединения - стабильное напряженное состояние высокопрочных болтов, которое формируется на стадии начального напряжения. Освобождение болтов от работы на срез и смятие достигается благодаря их свободной постановке в отверстия при соответствующем ограничении деформаций сдвига. Соединения на высокопрочных болтах мало чувствительны к разности в размерах отверстий и болтов, что является одним из важных показателей при выполнении монтажных работ и определяет дополнительные преимущества таких соединений.

Прочность соединений на высокопрочных болтах зависит от сил трения, возникающих по соприкасающимся плоскостям соединения под влиянием натяжения болтов. Соединение будет тем более, эффективно, чем выше коэффициенты трения. Повышение коэффициентов трения может быть достигнуто за счет увеличения сил молекулярного притяжения, что требует тонкой обработки поверхностей (шлифовки), или за счет увеличения сил сопротивления деформациям на поверхностях контакта, что требует повышения шероховатости поверхностей. Очевидно, что для строительных стальных кон­струкций реальным является второй путь.

Поверхность горячекатаной стали покрыта слоем окалины, имеющим относительно невысокую шероховатость, поэтому окалина на контактных поверхностях уменьшает силы трения из-за ослабления влияния факторов деформирования поверхностей и молекулярного притяжения. Резкое ухудшение фрикционных свойств наблюдается также при окраске контактных поверхностей или их случайном загрязнении.

Таким образом, высоких значений коэффициентов трения можно достичь при неокрашенных, чистых, шероховатых и свободных от загрязнений поверхностях. Приведение поверхностей фрикционных соединений в такое состояние осуществляется специальной обработкой.

По степени удаления окалины обработку различают глубокую и поверхностную. Окалина удаляется полностью при пескоструйной, дробеструйной или химической обработке. При поверхностной обработке металлическими щетками удаляются загрязнения, в то время как окалина сохраняется почти полностью. Промежуточное положение занимает огневая чистка: окалина удаляется частично, причем в большей степени с проката углеродистых сталей и в меньшей - с проката низколегированных сталей.

Огневую обработку поверхности соединяемых деталей разрешают применять при толщинах металла не менее 5 мм, при этом перегрев металла не допускается.

Наибольшую шероховатость дает пескоструйная обработка; менее эффективными являются химический и особенно огневой методы.

Необходимо отметить, что удаление окалины и повышение шероховатости происходит также при развитии коррозии поверхности металла.

Коррозионное разрушение поверхностей происходит естественным путем и как специальный метод обработки не применяется. Однако исследования показали, что для заржавленных поверхностей коэффициент трения изменяется в пределах 0,4...0,7.

Коэффициенты трения в прокатных поверхностях конструкционных сталей, применяемых в расчетах соединений на высокопрочных болтах, определяют на основании опытов (табл. 4.11). При одинаковых способах обработки поверхностей, значения коэффициента трения зависят от прочности стали соединяемых деталей. Для низколегированных сталей он выше, чем для сталей малоуглеродистых. Однако современные нормы этот факт не учитывают и значения коэффициентов трения приняты по экспериментам на ма­лоуглеродистых сталях.

Расчет прочности соединения на высокопрочных болтах выполняют в предположении, что внешнее усилие распределяется между болтами равномерно. Расчетное усилие Q_bh, которое может воспринять одна поверхность трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяют по формуле:

Q_bh = (R_bh*γ_b*А_п*μ) / γ_h, (4.26)

где

R_bh = 0,7 R_bun - расчетное сопротивление растяжению высоко­прочного болта (см. приложение 3); R_bun - наименьшее временное сопротивление высокопрочного болта разрыву, принимаемое равным временному сопротивлению σ_и по ГОСТу, т.е. браковочный минимум по σ_и. Значение R_bun в кгс/мм² наносится на головку высокопрочного болта выпуклыми цифрами; γ_b - коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов n необходимых для восприятия расчетного усилия, и равный: γ_b = 0,8 при п < 5; γ_b = 0,9 при 5 < п < 10; γ_b =1,0 при п > 10; А_п - площадь сечения болта нетто (см. табл. 4.8);

μ - коэффициент трения, принимаемый по табл. 4.11 в зависимости от принятого способа обработки поверхности;

γ_h > 1 - коэффициент надежности соединения, зависящий от характера нагрузки, воспринимаемой соединением (статическая или динамическая), разности номинальных диаметров отверстий и болтов, от способа контроля натяжения болтов (по крутящему моменту или углу поворота гайки) и от способа обработки поверхностей соединяемых деталей. Значения коэффициента γ_h, изменяются от 1,02 до 1,70.

Количество высокопрочных болтов в соединений, необходимое для восприятия продольной силы N, определяют по формуле:

n≥N/(Q_bh*k* γ_c), (4.27)

где

k - количество плоскостей трения соединяемых элементов; γ_c -коэффициент условий работы элемента конструкции.

Усилие натяжения Р высокопрочного болта определяют из выражения Р = R_bh*А_n и контролируют при помощи специальных динамометрических ключей (с контролем крутящего момента) или тарированным гайковертом (с контролем угла поворбта гайки). Расчет на прочность элементов, ослабленных отверстиями под болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящаяся на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. Поэтому проверку следует производить: при действии динамических нагрузок - по площади сечения элемента нетто А_n; при действии статических нагрузок - по площади сечения элемента брутто А, если А_п > 0,85 А, либо по условной площади А_с = 1,18, если А_n <0,85А

39. Конструирование болтовых и заклёпочных соединений.

При конструировании болтовых или заклепочных соединений следует стремиться к передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем при одновременном обеспечении удобства выполнения соединения.

Для удобства производства работ центры болтов и заклепок располагают в соединении по прямым линиям - рискам, параллельным Действующему на соединение усилию. Расстояние между двумя соседними рисками называют дорожкой, а расстояние между соседними по риске болтами - шагом (рис. 4.31). Расстояние между центрами болтов и заклепок нормируется исходя из прочности элементов соединения и удобства выполнения работ (табл. 4.12). Размещение болтов по рискам может быть рядовым (рис. 4.31, а) или шахматным (рис. 4.31, б).

Минимальное расстояние, указанное в табл. 4.12, определено из условия прочности основного материала между отверстиями, максимальное - из условия обеспечения плотности соединения при его работе на растяжение и устойчивости отдельных элементов соединения в промежутках между болтами - при восприятии сжимающих усилий.

В стыках и узлах прикрепления элементов для уменьшения расхода металла на накладки необходимо принимать минимальный шаг болтов. В слабо нагруженных соединениях (связующих или конструктивных) расстояние между болтами необходимо назначать максимальным для уменьшения их количества.

В фасонном прокате (уголки, двутавры, швеллеры) положение рисок и максимальные диаметры отверстий приведены в специальных нормалях исходя из прочности профиля и возможности постановки болтов в соединениях. Нормали опубликованы в справочной литературе.

При конструировании болтовых соединений следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах каждого конструктивного элемента и к наименьшему числу диаметров болтов в сооружении.

Стыки и прикрепления листового металла могут выполняться внахлестку и встык с применением односторонних или двусторонних накладок (рис. 4.32). Предпочтение следует отдавать соединениям с двусторонними накладками, обеспечивающим симметричный силовой поток при передаче усилия с одного элемента на другой (рис. 4.32, а). Применение стыков с односторонней накладкой, а также соединений внахлестку вызывает отклонение силового потока в одну сторону от оси действия усилия (рис. 4.32, б, в), что приводит к изгибу листов под нагрузкой. Поэтому в таких соединениях коли­чество болтов увеличивают на 10% против расчета.

Стыки фасонного проката (рис. 4.33) выполняют при помощи накладок. Уголковые соединения, как правило, стыкуются уголковыми накладками тех же профилей (рис. 4.33, а). При этом для плотного прилегания полок обушок стыкового уголка фрезеруется (снимается фаска). Неравнобокие, а также большие равнобокие уголки можно стыковать листовыми накладками, если на каждой накладке можно поставить болты по двум рискам (рис. 4.33, б ). Швеллеры и двутавры стыкуются при помощи листовых накладок (рис. 4.33, в, г).

При постановке болтов в стесненных условиях необходимо обеспечивать минимальные габариты для работы с гаечным ключом или головкой гайковерта (рис. 4.34).

Для нормальной работы соединения на высокопрочных болтах действительная сила трения должна строго соответствовать расчетной, что достигается определенной технологией контролируемого натяжения болтов.

После сборки соединения и установки сборочных пробок все свободные отверстия заполняют высокопрочными болтами. Затем пакет собранного соединения предварительно стягивают для закрытия зазоров между деталями. Так как в процессе постепенного уплотнения пакета натяжение ранее поставленных болтов неизбежно будет ослабевать, то гайки на всех болтах подтягивают многократно, пока они не перестанут вращаться с помощью ключа с рукоятью длиной 400...500 мм или легкого гайковерта марки ИП-3103 либо другого с крутящим моментом 0,2 кНм. В результате таких операций в болтах возникает осевое усилие 20...30 кН. Окончательное натяжение высокопрочных болтов производят гайковертом марки ИП-306. Он развивает крутящий момент 150 кгс-м, поворотом гайки на угол 180°, отсчитывая угол поворота от исходного, зафиксированного положения гайки, вне зависимости от толщины пакета (до 14° мм) и при числе деталей в нем не более пяти. Для удобства отсчета угла поворота с помощью кернера за один удар наносят метки на торец выступающей части болта и гайку, фиксируя тем самым их взаимное расположение.

При отсутствии гайковерта можно воспользоваться ключом с длинной рукоятью.

После этих операций постепенно заменяют сборочные пробки высокопрочными болтами, натяжение которых ведут также двумя гайковертами: сначала малым марки ИП-3103, а затем тяжелым марки ИП-3106.

---

Дата добавления: 2015-09-01