Войти  |  Регистрация
Авторизация

Определение осевых усилий в высокопрочных болтах от действующих на них нагрузок



Работа предварительно затянутых болтов под действием внешней растягивающей нагрузки изучена достаточно хорошо. Расчет таких болтов приведен, с использованием которой и построено дальнейшее изложение этого вопроса.
Известно, если к болтовому соединению, затянутому с усилием Pbh, приложить внешнюю растягивающую нагрузку Nb, усилия в болте увеличатся на величину, меньшую, чем внешняя нагрузка. Это связано с тем, что часть внешней нагрузки Nb идет на уменьшение контактных усилий, возникших между соединяемыми деталями при затяжке болта и только некоторая доля внешней нагрузки Nb идет на увеличения усилий растяжения непосредственно в болте.
Вначале рассмотрим случай плоских фланцев, не имеющих остаточных сварочных деформаций.
Величина внешней нагрузки Nbad, передающейся на болт, определяется по формуле:

Так как коэффициент основной нагрузки ? всегда меньше единицы, усилие в болте Nbad растет медленнее, чем увеличивается внешняя нагрузка Р. Это происходит до тех пор, пока между соединяемым деталями сохраняется некоторое контактное усилие Pc

При Pc= 0 стык раскрывается и внешняя нагрузка передается на болт полностью. На рис. 4 а показан график изменения усилий в предварительно затянутом болте под действием внешней нагрузки. Отрезок AB соответствует работе болта при сохранении контактных усилий между деталями, участок BC — после раскрытия стыка вплоть до разрушения болта (точка С).
Раскрытие стыка крайне нежелательно, так как при этом «внешняя нагрузка полностью передается на болт, что при переменном нагружении приводит к появлению дополнительных напряжений ударного характера». Для фланцевых соединений, раскрытие стыка приводит, также, к изменению расчетной схемы фланца, снижая степень его защемления болтами, а следовательно и несущую способность.
Таким образом, при расчете болтов фланцевых соединений следует одновременно обеспечивать условия прочности болтов и условия сохранения контакта между фланцами в зоне установке этих болтов.
Для определения коэффициента основной нагрузки ? определим параметры, входящие в формулу (8).
Суммарная податливость системы болта ?b определится как

Коэффициенты ?b1 и ?b2 определятся как для растянутых стержней

Коэффициенты податливости резьбы и головки соответственно равны:

Податливость системы фланца ?fl1 определим как

Коэффициент податливости фланца определяется в предположении передачи давления либо через условный цилиндр, либо через конус давления (рис. 5).
В соответствии с работой, найдем:

Для более точного определения усилий в предварительно затянутом болте нагруженного соединения, необходимо учитывать характер приложения внешних нагрузок по толщине фланца. В случае приложения равнодействующей внешней нагрузки в каком-либо сечении «а—а» соединяемых фланцев (рис. 5 а), та часть фланца, которая расположена выше этого сечения будет уже относиться к системе болта, а не фланца. Принадлежность какой-либо детали к той или системе устанавливают следующим образом. Если напряжения в детали при действии внешней нагрузки увеличиваются, значит условно она принадлежит к системе болта, а если уменьшаются — к системе фланца.

Следовательно, прикладывая равнодействующую нагрузки Nb в различных сечениях по толщине фланца, будем получать различные дополнительные усилия, действующие на болт. Эти усилия имеют максимальное значение в случае приложения внешней нагрузки к верхней поверхности фланца и минимальны при ta = 0 (рис. 5 а). В случае передачи распределенных внешних нагрузок на участке от tf = 0 до ta = tfl (рис. 5 б), дополнительное усилие Nbad найдется следующим образом:

Считая, что нагрузка на болты передается через фланец касательными напряжениями, распределенных по толщине фланца симметрично (рис. 2 б), можно считать, что их равнодействующая приложена в середине толщины фланца. Таким образом, верхняя половина пластины будет принадлежать системе фланца, нижняя — системе болта, а растягивающая нагрузка будет приложена посередине толщины фланца, как это показано на рис. 2 б.
Исходя из вышеизложенного, податливость системы болта ?badd определим по формуле (14), подставляя вместо толщины фланца величину, равную 0,5tfl

Тогда формула (4) примет вид:

Податливость системы фланца с учетом смещения места приложения внешней нагрузки к середине пластины определим по аналогии с формулой (14). При этом диаметр верхней части конуса обжатия будет равен:

После элементарных преобразований, получим:

Диаметр ds, при отсутствии шайбы, равен диаметру опорной поверхности болта dsb. При наличии шайбы, толщиной tl величина ds определяется как

Коэффициент податливости шайбы найдем, заменяя, ввиду малой толщины шайбы, конус давления цилиндром давления. Тогда

Упрощенно суммарный коэффициент податливости системы фланца ?fl можно определять сразу прибавляя толщину шайбы tl к толщине фланца tfl.
В качестве примера, в табл. 2 приведена величина параметра ? для фланцев различной толщины и наиболее распространенных высокопрочных болтов M 24 из стали 40 X «Селект».

Как видно из таблицы, величина коэффициента основной нагрузки ? для болтов M 24 находится в пределах от 0,18 до 0,14. Таким образом, до момента раскрытия фланцев в зоне болтов, прирост усилий в них составляет от 13 до 18 % от внешней нагрузки. После раскрытия, усилия в болте растут со скоростью приращения внешней нагрузки.
Для фланцевых соединений, имеющих остаточные сварочные деформации (грибовидность), болты работают иначе, чем в соединениях с плоскими фланцами. В процессе затяжки болтов происходит изгибное деформирование фланцев, как это показано на рис. 6. При этом в средней зоне между фланцами возникают контактные усилия Pci, зависящие от парам фланца (толщины, расчетного пролета, расчетного сопротивления сталит...) и величины остаточных сварочных деформаций uin.
В дальнейшем будем считать, что при затяжке болтов происходит закрытие начального зазора между фланцами в зоне болтов.
В зависимости от величины грибовидности и парам фланцев, в них при затяжке возникают упругие или упругопластические деформации (рис. 6). Рассмотрим предельные случаи упругой и полной пластической работы фланцев. В силу симметрии будем рассматривать только половину Т-образного фланца.
Величина контактных усилий Pcel между фланцами при их упругой работе равна

При деформировании фланцев в пластической стадии, контактные усилия не зависят от начальной грибовидности и равны

При упругопластической работе контактные усилия Pcep имеют промежуточное значение, т. е. Pcel < Pcep < Pcpl.
Под действием внешней нагрузки, действующей на фланец, происходит уменьшение контактных усилий до тех пор, пока фланец не раскроется в средней зоне. Необходимо отметить, что наличие грибовидности фланцев приводит к уменьшению контактных усилий между фланцами в зоне болтов на величину, равную контактным усилиям между фланцами в их средней части До этого момента усилия в болтах остаются постоянными и равными усилиям предварительного натяжения. На рис. 4 б показан график изменения усилий в болтах фланцев с остаточными сварочными деформациями, имеющий три участка:

Участок 1 — от нуля до силы Pci (от точки А до точки D) на котором сохраняется контакт в средней части фланцев и не происходит изменение усилий в болтах при действии внешней нагрузки. Величина Pci определяется по формулам (22) и (23) в упругой или пластической стадиях соответственно;
Участок 2 — от момента раскрытия фланца в средней зоне до момента раскрытия фланцев в зоне болтов (от точки D до точки Е). Прирост усилий в болтах определяется также, как и для случая плоских фланцев, однако, из-за уменьшения начальных контактных усилий в зоне болтов, раскрытие фланцев по болтам происходит раньше, чем для плоских фланцев;
Участок 3 — раскрытие фланцев в зоне болтов и передача на них полной внешней нагрузки вплоть до разрушения (от точки E до точки С).
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. При увеличении внешней нагрузки от нуля до величины, равной контактным усилиям в средней части фланцев Pci, усилия в болтах не изменяются.
2. При дальнейшем росте внешней нагрузки происходит раскрытие фланцев в средней части. Раскрытие фланцев в зоне в зоне болтов происходит при нагрузке, меньшей, чем для гладких фланцев. В дальнейшем, усилия в болтах растут в соответствии с увеличением внешней нагрузки вплоть до разрушения болтов.
3. При определенных условиях остаточные сварочные деформации могут быть использованы для повышения циклической прочности болтов и самих фланцев, а также для уменьшения деформативности фланцевого соединения в целом. Для получения этого эффекта возможно специальное задание остаточных сварочных деформаций или предварительного выгиба фланцев.
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent