Стержни высокопрочных болтов и шпилек при статических нагрузках
Болт стальной высокопрочный с шестигранной головкой. Для повышения сопротивления усталости переходная часть крепежного изделия выполнена в виде проточки.
Крепежные изделия работают при высоких статических нагрузках со стороны силы затяжки и внешних сил. При определении прочности болтов и шпилек в условиях статического нагружения не нужно брать за основу наибольшие напряжения, что подтверждают эксперименты.
Дата публикации: 15 апреля 2011
Распределение статической нагрузки на стержни болтов и шпилек
Впадины резьбы болтов и шпилек
В резьбовой части стержня болта (шпильки) осевые напряжения растяжения неравномерно распределены по площади поперечного сечения, причем наибольшая их концентрация отмечается во впадинах резьбы.
Несостоятельность метода расчета нагрузки на резьбовые крепежные изделия на основе наибольших напряжений
Однако при расчете прочности в условиях статического нагружения не следует брать за основу наибольшие напряжения. Результаты опытов показали, что эти местные пики напряжений не оказывают существенного влияния на прочность стержня, то есть его способность противостоять действию растягивающих нагрузок. Существуют несколько гипотез для истолкования этого факта, впервые изученного на образцах с надрезом.
Распределение осевых напряжения в резьбе болта
Рис.1. Схема распределения осевых напряжений растяжения;
1,2,3 – соответственно в упругой, упругопластической
и пластической областях
Осевые напряжения на болт
На рис. 1 показана область действия (заштрихована) осевых напряжений растяжения в поперечном сечении резьбовой части крепежного изделия с учетом пластических деформаций. Характер распределения напряжений зависит от механических свойств материала детали, его склонности к упрочнению и так далее. Отметим, что максимум напряжений в пластической области смещается к оси стержня.
Напряжения поперёк болта или шпильки
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,
- объемность напряженного состояния вызывает повышение прочности.
Чем пластичнее материал, тем в большей степени сказывается влияние второго фактора. Малопластичные материалы (титановые сплавы, чугун и пр.) весьма чувствительны к концентрации напряжений; их несущая способность может снижаться (в отличие от пластичных материалов) даже при статических нагрузках.
Вычисление предела прочности болтов и шпилек
Следует отметить, что при малоцикловых испытаниях (200..1000 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
σ'в = 4F/(πd21). (1)
Результаты испытаний болтов из разных материалов (за исключением малопластичных сталей, термически обработанных на очень высокую прочность) показали, что
σ'в>σв,
где σв — предел прочности гладкого образца. Под величиной σв понимается отношение наибольшей нагрузки при разрыве к начальной площади гладкого образца.
Значения отношения σ'в/σв для ряда материалов приведены в табл. 1. Если разрушающую нагрузку отнести к фактической площади поперечного сечения резьбы А, то σ'в уменьшится. Фактическая площадь поперечного сечения больше площади по внутреннему диаметру резьбы d1; при этом
πd12/4 < A < πd22/4.
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:
As =π(d1+d2)2/16.
В этом случае предел прочности резьбового стержня
σв* =F/As; (2)
отношение
σ'в/σв*= 1/4(1+d2/d1)2.
Например, для резьбы М10 при d2/d1 = 1,14, σ'в/σв= 1,15.
Из анализа данных, приведенных в табл. 1, следует, что для болтов из наиболее распространенных сталей (45, 38ХА, З0ХГСА и др.) при расчете по формуле () можно принимать σв** = σв.
Таблица 1
| Резьба | Марка материала | Температура закалки to,°C | Охлаждающая среда Qв* | Температура отпуска старения (to в градусах | σв MПа | Qв/Qв | Qв*/Qв | |
| Стали | ||||||||
| M10 | 30ХГСА | 890 | Масло | 400 | 1530 | 1,24 | 1,08 | |
| 500 | 1150 | 1,29 | 1,12 | |||||
| 600 | 930 | 1,36 | 1,18 | |||||
| 18Х2Н4ВА | 950 | Воздух | 170 | 1250 | 1,43 | 1,25 | ||
| 850 | Масло | 400 | 1100 | 1,37 | 1,19 | |||
| 37ХН3А | 860 | Масло | 560 | 1000 | 1,24 | 1,08 | ||
| 38ХА | 860 | Масло | 525 | 1050 | 1,33 | 1,16 | ||
| 860 | 560 | 1020 | 1,21 | 1,05 | ||||
| 840 | 450 | 1150 | 1,26 | 1,10 | ||||
| 840 | Вода | 550 | 900 | 1,29 | 1,12 | |||
| M12 *1.5 M6 | 40ХН2MA | 850 | Масло | 540 | 1330 1520 | 1,05 1,20 | 0,98 1,00 | |
| M12 *1.5 M6 | 45 | 860(нормализация | - | - | 860 | 1,19 | 1,00 | |
| M10 M8 M6 | 4Х12Н8Г8MФБ | 1140 | Вода | 800 | 1100 950 1100 | 1,18 1.21 1.24 | 1,02 1.04 1.06 | |
| M10 M6 | 16ХСН | 925 | 400 | 1200 | 1,10 1,25 | 1,04 1,05 | ||
| Титановые сплавы | ||||||||
| M6 M8 | ОТ4-1 | - | - | 750 отжиг на воздухе | 650 700 | 1,24 1,20 1,33 | 1,04 1,00 1,08 | |
| M6 M8 | ВТ14 | 840 | Вода | 600 | 950 1050 | 1,15 1,05 | 0,97 0,87 | |
| M6 M8 | ВТ14 | - | - | 825(отжиг с охлаждением с печью | 900 | 1,15 | 0,97 | |
Видно также, что малопластичные материалы (например, титановые сплавы) чувствительны к концентрации напряжений даже при статических нагрузках.
Значения d1 и А1 для резьб наиболее распространенных размеров даны в табл. 2.
Таблица 2
| d,мм | P,мм | d1,мм | А1мм2 | d,мм | P,мм | d1,мм | А1,мм2 |
| 3 | 0,5 | 2,459 | 4,75 | 20 | 2,5 | 17,294 | 235 |
| 4 | 0,7 0,5 | 3,242 3,459 | 8,24 9,40 |
2 1,5 1 |
17,835 18,376 18,917 | 250 265 281 | |
| 5 | 0,8 0,5 | 4,134 4,459 | 13,4 15,6 | 22 |
2,5 2 1,5 1 |
19,294 19,835 20,376 22,917 | 292 308 326 344 |
| 6 | 1 0,75 | 4,917 5,188 | 19,0 21,1 | ||||
| 8 | 1,25 1 0,75 | 6,647 6,917 7,188 | 34,7 37,6 40,6 | ||||
| 10 | 1,5 1,25 1 | 8,376 8,647 8,917 | 55,1 58,7 62,4 | 24 |
3 2 1,5 1 |
20,752 21,835 22,376 22,917 | 338 374 393 412 |
| 12 | 1,75 1,5 1,25 1 | 10,106 10,376 10,647 10,917 | 80,2 84,6 89,0 93,6 | 27 |
3 2 1,5 1 |
23,752 24,835 25,376 25,917 | 443 484 506 527 |
| 14 | 2 1,5 1,25 1 | 11,835 12,376 12,647 12,917 | 110 120 126 131 | 30 |
3,5 3 2 1,5 |
26,211 26,752 27,835 28,376 | 540 562 608 632 |
| 16 | 2 1,5 1 0,75 | 13,835 14,376 14,917 15,188 | 150 162 175 181 | 33 |
3,5 3 2 1,5 |
29,211 29,752 30,835 31,376 | 670 695 746 774 |
| 18 | 2,5 2 1,5 1 | 15,2944 15,835 16,376 16,917 | 184 197 211 225 | 36 |
4 3 2 1,5 |
31,670 32,752 33,835 34,376 | 787 841 899 928 |
При расчете прочности шпильки или 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 dп, то разрушающая сила (по проточке)
F = κσвπdп/4,
где κ — коэффициент упрочнения.
Для проточки в виде полукруглой канавки можно принять κ= σ'в/σв; для проточки, имеющей цилиндрический участок, —κ= 1.
Рис. 2. Резьба со сбегом (а) и проточкой (б) P=1.5мм, x≤2.2мм,
h=3 мм, R=1мм, R1=0.5 мм
Если резьба кончается обычным сбегом х или проточкой h (рис. 2, а, б), то статическому разрушению подвергнется участок с полным профилем резьбы. Результаты исследования М. П. Mapковцем влияния сбега резьбы и проточки на прочность болтов из стали З0ХГСА (σв = 1200...1300 МПа) даны в таблице 3.
Табл. 3. Разрушающая нагрузка Fдля болтов со сбегом и проточкой при испытании на растяжение.
| Резьба | d1,мм | dп,мм | F1kН |
| M10 | 8.14 | 7.60 | 73.9/66.8 |
| M14*1.5 | 12.14 | 11.56 | 168/153 |
| M18*15 | 16.14 | 15.56 | 285/274 |
В числителе и знаменателе приведены значения F при наличии соответственно сбега и проточки. Следует отметить, что в первом случае разрушение происходило всегда по резьбе, во втором — по проточке.
Высокопрочные крепежные изделия
Высокопрочные болты и шпильки
Высокопрочные болты из легированных сталей, термически обработанные на предел прочности σв = 1200 ... 2100 МПа, позволяют уменьшить габариты резьбового соединения. Для таких болтов проводят специальную термическую обработку, устанавливая за ней тщательный контроль.
Снижения водородной хрупкости и уменьшения влияния дефектов поверхности достигают полированием и кадмированием.
Болты из высокопрочной конструкционной стали условно подразделяют на высокопрочные и сверхвысокопрочные.
Высокопрочные болты с σв= 1100 ... 1600 МПа предназначены для восприятия больших осевых нагрузок. Их устанавливают в отверстия корпусных деталей с зазором, затягивая до напряжения затяжки σ0 = 0,7 ... 0,8) σт. Высокопрочные болты с σв = 1100 ... 1400 МПа применяют в ответственных соединениях, работающих при значительных переменных нагрузках и в условиях повышенной (до 400 °С) температуры. Болты из стали с σв = 1400 ... 1600 МПа широко используют в металлоконструкциях, где требуется создание больших усилий затяжки взамен заклепочных соединений.
Свервысокопрочные шпильки и болты
Сверхвысокопрочные болты с σв = 1800 ... 2100 МПа работают, главным образом, на срез. Допускаются кратковременные напряжения растяжения (максимальные), но, как правило, не более 1000 МПа, напряжения от затяжки — не более 400 МПа.
Заключение
Высокопрочные и сверхвысокопрочные крепежные изделия призваны отвечать самым высоким требованиям надёжности при эксплуатации, например, в составе соединений фланцев ответственного назначения. Экстремальные условия нагрузок на крепеж встречаются на технологических трубопроводах объектов энергетики, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности и техники.
Список литературы
- Ретшер Ф. Детали машин : в 2-х томах.. – М. : Госмашметиздат. 1933-1934г..
- Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
- Якушев А. И. Влияние технологии изготовления и основных параметров резьбы на прочность резьбовых соединений.. – М. : Оборонгиз, 1956.
Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.