Болты фланцевых соединений под нагрузкой в эксперименте

Крепеж в экспериментах

Крепеж: болты, шпильки и гайки – несет на себе большую статическую и динамическую нагрузку, которую бывает сложно рассчитать с большой точностью. Поэтому зачастую встает необходимость практической проверки качества крепежных деталей с приложением к ним различных растягивающих и изгибающих усилий.

Исследование усилий в стальных болтах

Экспериментальное исследование усилий в болтах выполнялось на соединении с кольцевыми контактирующими фланцами (рис. 1). Соединение с шестью болтами из стали 45 нормализованной (σ_в = 950 МПа) затягивалось предварительно с силой F_o и нагружалось в разрывной машине растягивающей силой F и изгибающим моментом М_и.

Изгибающий момент фланцевого соединения

Изгибающий момент создавался смещением линии действия силы F относительно оси фланцевого соединения на l_F.

Силы, действующие на болты, контролировались с помощью тензорезисторов (база 10 мм, сопротивление 90 Ом), включенных в плечо тензометрического усилителя 8АНЧ-7 по схеме с компенсацией изгиба.

Отдельные результаты исследования приведены на рис. 2, рис. 3. Анализ результатов показывает, что при нагружении фланцевого соединения осевой растягивающей силой, а также при совместном действии растягивающей силы и изгибающего момента (внецентренное растяжение) наблюдается нелинейное изменение дополнительных и, как следствие, полных усилий в болте. Это объясняется непрерывным смещением зоны контакта вследствие деформаций изгиба стягиваемых соединительных деталей трубопроводов.

Зависимость нагрузки на болт от предварительной затяжки болтов и жесткости фланцев на изгиб

С увеличением внешней нагрузки возрастает и сила, действующая на болт. Она оказывается тем большей, чем меньше сила предварительной затяжки болтов и жесткость фланцев на изгиб.

Из анализа зависимостей для соединений при растяжении (см. рис. 2) следует, что кривые изменения полных усилий в болтах (1) и сил предварительной затяжки (3) смещены относительно прямой 2 для незатянутого соединения и идут практически параллельно ей. Последнее свидетельствует об отсутствии полного раскрытия стыка, что связано со смещением зоны контакта стыков к периферийному диаметру. 

Интенсивное увеличение силы, действующей на болты, в этом случае объясняется «рычажным» взаимодействием фланцев. Это взаимодействие наиболее отчетливо проявляется при тензометрировании соединений с полосовым стыком (рис. 4). Кривые на этом рисунке построены по показаниям тензометров 1—8) при нагружении соединения силой F без учета деформации от затяжки, которая исключалась путем сведения показаний прибора на нуль при балансировке усилителя перед нагружением.

Для жестких на изгиб фланцев наблюдается полное раскрытие стыка (в точке А на рис. 2, а) при больших нагрузках, и кривая изменения полных усилий сливается с кривой для незатянутого соединения. 

Кривые распределения усилий в болтах при внецентренном растяжении (рис. 5) также имеют нелинейный характер (в основном для податливых на изгиб фланцев и при небольшой силе затяжки болтов).

Результаты исследований показали, что при возрастании силы предварительной затяжки существенно снижается  дополнительная нагрузка на болты.

Заказ и покупка фланцев большей жесткости (фланцев больших Ру) и снижение усилий в болтах

Увеличение жесткости фланцев (например, за счет толщины фланцев) также приводит к снижению усилия в болтах.

Этот факт говорит о нецелесообразности попыток экономии на фланцах. Заказ фланцев стальных должен выставляться с учётом внешних нагрузок на фланцевое соединение, что зачастую приводит к необходимости делать заказ и покупку фланцы больших Ру. Закладываемая таким образом прочность фланцев обеспечивает надежность фланцевого соединения в целом.

Уменьшение силы предварительной затяжки болтов при увеличении внешней нагрузки на соединение стальных фланцев

Опытами установлено, что при увеличении внешней нагрузки наблюдается необратимое уменьшение силы предварительной затяжки болтов соединения (см, кривые 3 на рис. 2). Это связано с пластическим смятием микронеровностей по поверхности стыка.
При повторных затяжках снижение усилия становилось меньшим.

Исследования болтовых соединений с полосовыми стыками

Результаты исследования изменения дополнительной силы, действующей на болт в соединении с полосовыми стыками (рис. 6), аналогичным результатам испытаний круглофланцевых соединений.

С увеличением внешней нагрузки на эти соединения становится заметным рычажное взаимодействие пластин. Сравнение экспериментальных и расчетных значений усилий в болтах растягиваемых соединений показывает, что расчет постоянной податливости удовлетворительно согласуется с экспериментом для жестких (толстых) стальных фланцев, а также для податливых на изгиб фланцев при сильной предварительной затяжке и небольшой внешней нагрузке.

 

Заключение

Характер распределения усилий между болтами при действии на фланцевое соединение изгибающих и растягивающих нагрузок ближе к тому, что дает расчет по переменной податливости. Этот метод можно использовать при определении усилий в жестких фланцах, а также в болтах, крепящих жесткие стыки к жестким основаниям.  При расчете сил, действующих на податливые на изгиб фланцы, по обоим методам получают значения, которые часто меньше экспериментальных. В этом случае целесообразнее использовать метод расчета по постоянной податливости.

При выборе фланцев ответственного назначения следует оформлять заказ с повышенным значением Ру для снижения плотности напряжений во всех деталях фланцевого соединения.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.