Технические статьи

ГлавнаяТехнические статьиКрепежРасчёты → Нагрузки на крепеж

Нагрузки на крепеж

Нагрузка на крепеж фланцевого соединения

Нагрузка на крепеж фланцевого соединения

Причиной разрушения болтов и шпилек от напряжений может быть чрезмерная затяжка и длина шпилек, перекос опорных поверхностей, а также особенности условий эксплуатации крепежа. Для избежания поломок крепежных изделий требуется рассчитывать нагрузки и, при необходимости, использовать специальные конструкционные приёмы при их производстве.

Дата публикации: 28 марта 2011

Автор: Дроздов М.В., ООО «Инженерный Союз»

Разместите статью о трубопроводах в данном каталоге
Ваша информация на каталоге технических статей

Предварительная затяжка крепежа в резьбовых соединениях

В основоном, резьбовые соединения работают в крепежных узлах с предварительной затяжкой, вследствие которой внешняя нагрузка передается на крепеж лишь частично. Затянутое соединение в условиях динамических нагрузок является более прочным, чем незатянутое.

В большинстве конструкций, также и в соединениях стальных фланцев, затяжка крепежа создает определенное минимальное давление (контактное напряжение) на стыке соединяемых деталей, задавая требуемую плотность стыка.

Рабочие нагрузки

Кроме нагрузки предварительной затяжки, резьбовые соединения при эксплуатации воспринимают наиболее сильные рабочие сдвигающие или растягивающие нагрузки, а также другие силы.

Резьбовые соединения

Рис. 1. Резьбовые соединения:
а) фланцевое соединение;
б) шатунное соединение.

Максимальные растягивающие нагрузки связаны с назначением резьбового соединения. Часто их можно определить расчётным путем или на опыте. К примеру, основной нагрузкой для силовых болтов или шпилек (рис. 1, а) крепления крышек сосудов и аппаратов к фланцам является давление, действующее на крышку, а для шатунных болтов (рис. 1, б) двигателей внутреннего сгорания — сила инерции поступательно движущихся в цилиндре масс.

На резьбовую деталь иногда также действуют и большие растягивающие нагрузки, обусловленные температурными деформациями деталей.

Изгибающие нагрузки в резьбовом соединении могут появиться в результате перекоса опорных плоскостей деталей, опорных поверхностей гайки и головки болта, осей отверстий и шпилек и т. п., а также упругих деформаций соединяемых деталей в процессе работы, что наиболее опасно, так как они могут вызывать переменные напряжения   изгиба.

Расчёт напряжения изгиба в соединении шпилькой

Рассмотрим расчёт напряжения изгиба в соединении шпилькой при наклоне опорной поверхности под гайкой на угол α.

Схема напряжения резьбового соединения при изгибе

Рис. 2. Соединение (а) и схема (б) к расчету напряжения изгиба

 

Предположим,  что гайка полностью прилегает к опорной плоскости, а растягивающая сила Fn известна и направлена вдоль оси болта (рис. 2).

Уравнение изгиба стержня (без учета в крепежной детали деформаций сдвига) имеет вид

EJ y= M + Fn [ (l – x)sin α - (f – x)cos α ],              (1)

где f и α – прогиб и угол поворота в сечении x = l.

Проинтегрировав (1), получим:

y = А ch λx + B sh λx - M / (Fn cos α) – (l – x) tg α + f,         (2)

где lambda = sqrt{ {F_n cos alpha}/{EJ} }.

Применяя краевые условия, получаем

 f = M/{F_n cos alpha} {ch lambda l - 1}/{ch lambda l} + tg alpha (l - {tg lambda l}/l);         (3)

 sin alpha = {M lambda sh(lambda l)}/F_n.                (4)

Изгибающий момент M0 принимает максимальное значение в сечении x = 0:

M0 = M ch λl = Fn sin α / (λ th λl).

Для практических расчетов угол α  можно принять малым, тогда sin α≈ α, cosα ≈1 и

lambda =sqrt{F_n/{EJ}};         (5)

M0 = Fn α / (λ tg λl).          (6)

Исследуем влияние напряжения предварительной затяжки σ0. Считаем, что Fn = F0 = σ0 Ac (Ac – площадь сечения стержня диаметром dc). Тогда с учетом соотношений (5) и (6) находим

M_0 = sqrt{sigma_0} {pi {d_c}^2 alpha sqrt{E}}/{16 th({4l}/{d_c}sqrt{sigma_0/E})}.          (7)

 

Напряжение изгиба в стержне шпильки в сечении x = 0

sigma_i = 2 sqrt{sigma_0}{alpha sqrt{E}}/{th( 4l/d_c sqrt{sigma_0/E})}.          (8)

При малых значениях напряжения предварительной затяжки

th( {4l}/{d_c} sqrt{{sigma_0}/{E}}) approx {4l}/d_c sqrt{sigma_0/E},

sigma_i = {alpha E d_c}/{2l}.               (9)

Соотношение (9) можно использовать при упрощенном расчете.

Так как момент М0 максимален в сечении х = 0, поломки в шпильках от напряжений изгиба происходят обычно в резьбовой части шпильки, ввернутой в корпус, а не в нижнем витке гайки, где резьба от осевых сил нагружается больше.

Анализ результатов расчёта напряжения изгиба шпильки (болта)

Напряжение изгиба резьбового соединения в зависимости от затяжки.

Рис. 3. Напряжение изгиба резьбового
соединения в зависимости от затяжки.

На рис. 3 приведена зависимость напряжения изгиба от напряжения затяжки, построенная по формуле (8) при а = 0,5° и Е = 200 ГПа, для l dс= 20 (кривая l) и l / dc= 5 (кривая 2). Из анализа графика следует,

    • что увеличение σ0 в соединениях с длинными шпильками оказывает сильное влияние на σi
    • и что чрезмерная затяжка может быть в отдельных случаях причиной поломок болтов (шпилек) от напряжений изгиба.

На рис. 4 дана зависимость напряжения σот отношения Z/dc, построенная по формуле (8) при тех же начальных условиях: а> =j0,5°, Е =5200 ГПа для напряжений затяжки а0 = 100 (кривая 1)и а0 =я 500 МПа (кривая 2). Видно, что увеличение l/dc свыше 12 для уменьшения напряжений изгиба болта неэффективно.

Кривые изменения напряжения изгиба в стержне шпильки

Рис. 4. Кривые изменения напряжения изгиба
в стержне шпильки (болта) в зависимости
от отношения l/dc

Перекос опорных поверхностей гайки и торца головки болта, несoосность резьбы гайки и наклон отверстия могут существенно снижать прочность соединений вследствие изгиба, особенно при переменных нагрузках. Методики расчёта напряжений изгиба при перекосе опорной поверхности гайки даны в работе [2].

Влияние дополнительных напряжений изгиба на прочность резьбовых крепежных соединений при статических и динамических нагрузках рассмотрено других статьях.

Особенности производства крепежа для снижения напряжений изгиба

Способы уменьшения изгиба в резьбе

Рис. 5. Способы уменьшения изгиба в резьбе
крепежных изделий

Остановимся на конструктивных и технологических мероприятиях снижения напряжений изгиба в крепеже.

Сферические шайбы

Наиболее широкое применение на практике находят сферические шайбы (рис. 5, а). Отметим, что такие шайбы не могут компенсировать перекос, возникающий при затяжке соединений, если он меньше угла трения. Но угол трения даже при f = 0,1 составляет около 6°, поэтому соответствующие ему напряжения изгиба будут заведомо превышать предел текучести (см. рис. 4). В условиях вибраций ориентированные силы трения уменьшаются и возможность компенсации перекоса возрастает.

Опорные поверхности

В некоторых конструкциях для уменьшения напряжения изгиба предусматривают специальные сферические и конические опорные поверхности (рис. 5, б, в).

Центрирующий участок без резьбы

Наиболее опасные напряжения изгиба возникают вследствие упругих переменных деформаций скрепляемых деталей. На рис. 5, г приведена конструкция соединения, в которой для освобождения резьбовой части шпильки от напряжений изгиба используется тщательно обработанный центрирующий участок, передающий угловой поворот торца гайки непосредственно на стержень болта.

Центрирующие бурты

Способ разгрузки резьбовых участков от изгиба с помощью центрирующих буртов показан также на рив. 5, д—ж.

Шайба на шарнире Гука

На рис. 5, з показана специальная шайба, в которой использована идея шарнира Гука. Внутреннее кольцо шайбы, изготовляемое из высококачественной стали, обладает большой упругостью, что способствует снижению переменных напряжений растяжения. Таким образом, шайба снижает не только изгибающую, но и растягивающую переменные нагрузки.

Допуски резьбы болтов и гаек

Напряжение изгиба можно снизить также путем введения строгих допусков на перекос поверхности, биение торца гайки и др.

Заключение

Таким образом, причиной поломок болтов и шпилек от напряжений изгиба может быть чрезмерная  затяжка и длина шпилек, перекос опорных поверхностей. Все данные сложности могут встречаться также и при скреплении соединительных деталей трубопроводов. Увеличивается устойчивость резьбы к изгибу использованием особых конструктивных элементов при производстве крепежных изделий.

Список литературы

  1. Якушев А. И., Мустаев Р. Х., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений.. – М. : Машиностроение, 1979. – 214 c.
  2. Illgner K.-H., Beelich K. H. Einflup Uberlagerter Biegung auf die Haltbarkeit von Schrubenferbindungen // Konstruktion. 1966. Ig. 18..
  3. Вольфсон А. С., Либерман Л. Я. Испытание на длительную прочность резьбовых соединений // Заводская лаборатория. 1968. № 11...

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

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100