Мощность машин и её преобразование в механизмах 32 страница
Для стальных гаек с нормальной или большей высотой по ГОСТ 1759.5-87 установлено 7 классов прочности: 4; 5; 6; 8; 9; 10; 12. Число, умноженное на 100, показывает напряжение от испытательной нагрузки.
Техническое правило: разрыв в соединении всегда должен быть по резьбе болта. Отсюда число класса прочности гайки показывает наибольший класс прочности болта, с которым может использоваться гайка в соединении. Например, гайка класса 6 может применяться с болтами классов прочности не выше 6.8.
Для каждого класса прочности стандарт рекомендует определенные марки сталей, их механические свойства и технологические процессы изготовления деталей.
Для болтов классов прочности 8.8 и выше, гаек классов прочности 8 и выше в их обозначениях по ГОСТ после кдасса прочности полностью указывают марку легированной стали.
Крепежные изделия в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации могут быть изготовлены с защитным покрытием или без покрытия. Обозначение покрытий от 00 до 13. Например, 00 – без покрытия; 01 – цинковое с хроматированием; 02 – кадмиевое с хроматированием; 05 – окисное; 12 – серебряное; 13 – никелевое.
Таблица 11. Механические характеристики материалов резьбовых деталей
Класс прочности
σв, МПа
σт, МПа
Марка стали
Винт
Гайка
3.6
4
300 - 400
200
Ст 3, Ст 10
4.6
5
400 - 550
240
|
|
|
20
5.6
6
500 - 700
300
30, 35
6.6
8
600 - 800
360
35, 45, 40Г
8.8
10
800 - 1000
640
35Х; 38ХА; 45Г
10.9
12
1000 - 1200
900
40Г2; 40Х; 30ХГСА
Допускаемые напряжения определяются в общем случае:
где [S]i – допускаемый коэффициент запаса прочности.
Рекомендуемые в расчетах резьбовых соединений коэффициенты запаса приведены в таблицах 12 и 13.
Таблица 12. Значения коэффициентов запаса прочности [S] и допускаемых напряжений при расчете резьбовых соединений.
Вид внешней нагрузки
Затяжка
Запас прочности или
допускаемое напряжение
Статическая отрывающая
Отсутствует
[S]=1,6÷1,7
Статическая отрывающая
Контролируемая
[S]=1,2÷1,5
Не контролируемая
[S] по таблице 5
Переменная отрывающая
Контролируемая
[S] а ≥1,5÷2,5;
[S]=1,2÷1,5
Не контролируемая
[S] а ≥2,5÷4
[S] по таблице 5
Статическая сдвигающая, болты без зазора
Отсутствует
[τ]=0,4σт
[σ]см=0,8σт для стали
[σ]см=(0,4¸0,5)σв для чугуна
Статическая сдвигающая, болты с зазором
Контролируемая
[S]=1,2÷1,5
Неконтролируемая
|
|
|
[S] по таблице 5
Переменная сдвигающая, болты с зазором
Контролируемая
[S]=1,2÷1,5
Неконтролируемая
[S] по таблице 5
Переменная сдвигающая, болты без зазора
Отсутствует
[t]=(0,2÷0,3)σт
Прочность стыков при любой нагрузке
-
Для стали [σ]см=0,8σв
Для чугуна [σ]см=0,4σв
Для бетона [σ]см=1÷2 МПа
Для кирпича [σ]см=0,5÷2 МПа
Для дерева [σ]см=2÷4 МПа
Таблица 13. Значение коэффициента запаса прочности [s] при расчете болтов с неконтролируемой затяжкой
Материал болта
Постоянная нагрузка
Переменная нагрузка
М6-М16
М16-М30
М6-М16
М16-М30
Углеродистая сталь
5¸4
4¸2,5
12¸8,5
9,5
Легированная сталь
6,5¸5
5¸3,3
10¸6,5
6,5
Виды повреждений резьбовых соединений
При затяжке резьбового соединения и в процессе его последующей работы в деталях соединения действуют самые разнообразные напряжения. Так, например, под действием осевой силы в болтовом соединении сечение тела болта нагружено растягивающими напряжениями, в переходной области между телом и головкой возникают касательные напряжения, а в витках резьбы напряжения изгиба, смятия и среза одновременно. Таким образом, прочность элементов резьбового соединения является основным критерием работоспособности. Наиболее частым является обрыв тела винта в области первых одного-двух витков резьбы, считая от опорного торца гайки. У соединений с мелкими резьбами возможен срез витков резьбы.
|
|
|
Стандартные болты, винты шпильки, гайки с крупными шагами спроектированы по условиям равнопрочности, то есть таким образом, что разрушение по любому из видов напряжений может произойти приметно при одной и той же нагрузке на соединение.
Расчеты одиночных болтов
Методика и расчеты одиночных болтов зависят от вида и характера нагрузок, условий установки, условий работы резьбового соединения.
Факторы, влияющие на расчет.
1. Характер внешней нагрузки:
а) статическая (мало меняющаяся во времени) нагрузка,
б) переменная нагрузка, изменяющаяся по определенному циклу напряжений,
в) ударная нагрузка.
2. Направления внешних силовых факторов.
а) действующие параллельно стыкам соединений – сдвигающие внешние силовые факторы;
б) действующие перпендикулярно стыкам – отрывающие силы;
|
|
|
в) сжимающие или растягивающие силы;
г) действующие и в плоскости стыка и перпендикулярно стыкам – комбинированные силовые факторы.
3. Способ установки в отверстие:
а) болт ставят без зазора. Иногда такое соединение называют соединение чистыми или призонными болтами;
б) болт ставят с зазором. Иногда такое соединение называют соединение черными болтами;
в) болт с эксцентрической головкой.
4. Способ затяжки:
а) без затяжки болтов;
б) с предварительной затяжкой без действия внешних сил;
в) с подтяжкой болтов при действии внешних сил.
5. Затяжка без внешних сил бывает:
а) контролируемая, то есть выполняется специальным инструментом, который позволяет контролировать момент завинчивания (динамометрический ключ);
б) не контролируемая; выполняется стандартным инструментом, предназначенным для затяжки.
Расчет резьбового соединения на прочность при осевом и поперечном статическом нагружении
Замечено, что выход из строя болтов, винтов, шпилек и т. п. обычно происходит вследствие разрыва (или вытяжки) их стержня (рис. 47) по резьбе или переходному сечению у головки. Вследствие разрушения или повреждений резьбы резьбовые изделия выбывают из строя реже.
Рис. 47. Деформация болта при работе
Для обеспечения прочности резьбовых соединений для болта определяют диаметр ds в его опасном сечении (в дальнейшем для краткости под словом «болт» будем подразумевать и другие резьбовые изделия: винты, шпильки, стержни с резьбой и т. п.). Затем определяют его остальные размеры. Размеры болта, гайки, шайбы принимают в зависимости от диаметра резьбы по соответствующим ГОСТам.
Расчет незатянутого болта, нагруженного внешней растягивающей силой
Этот случай встречается редко. Примером служит нарезанный участок крюка для подвешивания груза. Опасным бывает сечение, ослабленное резьбой. На рис. 48 показан пример такого резьбового соединения. Стержень крюка работает только на растяжение. Резьбовое соединение, рассматриваемое в данном случае, называют ненапряженным. Такие соединения способны воспринимать только статическую нагрузку. Опасным будет сечение, ослабленное резьбой. Статическая прочность стержня с резьбой выше (в среднем на 10%), чем гладкого стержня с диаметром, равным внутреннему диаметру d1.
Рис.48. Грузовой крюк с обоймой
Проверочный расчет ненапряженного болтового соединения. Условие прочности на растяжение:
где σp и [σ]p — соответственно расчетное и допускаемое напряжения растяжения в поперечном сечении нарезанной части болта; F — растягивающая сила; d1— внутренний диаметр резьбы болта.
Проектировочный расчет ненапряженного болтового соединения сводится к определению внутреннего диаметра резьбы d1, из условия прочности (9):
где [σ]p=σT/[s]T — допускаемое напряжение на растяжение; σT — предел текучести материала болта; [s]T — допускаемый коэффициент запаса прочности. Для болтов из углеродистой стали принимают [s]T =1,5÷3,0. Большие значения коэффициента запаса [s]T принимают при невысокой точности определения величины нагрузки F или для конструкций повышенной ответственности.
Расчет затянутого болта, ненагруженного внешней осевой силой
Болт испытывает растяжение и кручение только от затяжки. Требуемую силу затяжки болта определяют в зависимости от характера нагружения резьбового соединения. В машиностроении такие болтовые соединения встречаются в клеммовых соединениях (рис.49), в креплениях люков, крышек и т. п. В таких соединениях стержень болта растягивается силой затяжки F3
Рис. 49. Клеммовое соединение
Проверочный расчет производят по σэ — эквивалентному (приведенному) напряжению для опасной точки.
Условие прочности
σэ≤[σ]p. (11)
Эквивалентное напряжение определяем по гипотезе энергии формоизменения:
Для резьбы
σэ≈1,3σp, (13)
где σp — напряжение растяжения в опасном сечении болта; τкр — наибольшее напряжение кручения; d1 — внутренний диаметр резьбы; Kз≈1,3 — коэффициент затяжки, учитывающий скручивание стержня болта.
Проектировочный расчет
С учетом формул (13) и (14) внутренний диаметр резьбы болта
[σ]p— допускаемое напряжение для болта.
Практикой установлено, что болты с резьбой, меньше М10, можно повредить при недостаточно квалифицированной затяжке. Поэтому в силовых соединениях не рекомендуют применять болты малых диаметров (меньше М8). На некоторых производствах для затяжки болтов используют специальные ключи предельного момента. Эти ключи не позволяют приложить при затяжке момент, больше установленного.
Расчет затянутого и дополнительно нагруженного внешней осевой силой болта
Этот случай является весьма распространенным (фланцевые, фундаментные и тому подобные болтовые соединения). Для большинства резьбовых изделий требуется предварительная затяжка болтов, обеспечивающая плотность и герметичность соединения и отсутствие взаимных смещений деталей стыка. После предварительной затяжки под действием силы предварительной затяжки болт растягивается, а детали стыка сжимаются. Помимо силы предварительной затяжки на болт может действовать внешняя осевая сила. Типичный случай показан на рис.50, где внешняя сила создается за счет давления Q. Расчет ведут по результирующей нагрузке болта.
Основные допущения.
1)Внешние нагрузки передаются с одной детали на другую локально, через зоны, расположенные вокруг болтов.
2) Болт и детали испытывают упругие деформации, и это учитывается в расчетах.
3) Расчет ведут на предотвращение раскрытия стыка, то есть условие, при котором напряжения в стыке всегда сжимающие и не равны нулю.
4) Затяжку болтов ведут в условиях отсутствия внешней отрывающей силы.
5) Основной критерий расчета болта – условие нераскрытия стыка.
6) Условие нераскрытия стыка в инженерном расчете учитывается расчетом необходимой силы предварительной затяжки болта. Здесь термин «предварительная затяжка» означает, что затяжку ведут до приложения внешней силы, т.е. при сборке.
A
Рис. 50. Болты крепления крышки к сосуду
Считаем, что усилие Q распределяется между болтами фланца равномерно. Введем обозначения - внешняя сила, где z – число болтов по фланцу; Fзат – усилие затяжки болтов; Fб – осевое усилие на болт; Fст – усилие, приходящееся на прокладку (стык) от одного болта.
B
Рис.51. Расчетная модель болтового соединения
На рис.51 показана расчетная модель болтового соединения деталей Ф1 и Ф2 с прокладкой. Слева показано соединение при Fвн=0. В этом случае Fб=Fст=Fзат. При приложении внешней нагрузки (Fвн>0) в направлении указанном на рисунке справа, уменьшается деформация сжатия прокладки и зоны фланцев деталей, расположенных у прокладки, но т.к. усилие затяжки не изменилось, значит уменьшилось усилие на стыке, т.е.
Fст<Fзат , (16.1)
иначе стык раскроется.
По условию равновесия соединения
Fб=Fст+Fвн . (16.2)
Учитывая неравенство (16.1), получим
Fб<Fзат+Fвн , (16.3)
следовательно, только, часть внешнего усилия Fвн, которую обозначим Fвн', прибавляется к усилию затяжки
Fб=Fзат+Fвн'. (16.4)
Отношение x= Fвн'/ Fвн называется коэффициентом внешней нагрузки.
Следовательно, имеем
Fб=Fзат+xFвн. (16.5)
Из уравнения(16.2) получаем
Fст=Fб-Fвн=Fзат-(1-x)Fвн. (16.6)
Для предупреждения раскрытия стыка надо выполнить условие
Fст >0, т.е. Fзат>(1-x)Fвн. (16.7)
В расчетной практике принимают
Fзат=k(1-x)Fвн, (16.8)
где k – коэффициент затяжки.
По условию нераскрытия стыка: k=1,25÷2 – при постоянной нагрузке;
k=2,5÷4 – при переменной нагрузке.
По условию герметичности в стыке: k=1,3÷2,5 - при мягкой прокладке;
k=2÷3,5 – при фасонной металлической;
k=3÷5 – при плоской металлической прокладке.
Следовательно, растягивающая сила Fδ, действующая на болт, после предварительной затяжки и приложения внешней силы Fвн равна
F𝛿=Fзат+ xFвн =k(1-x)Fвн+ xFвн
или
F𝛿=[k(1-x)+ x]Fвн. (16.9)
При отсутствии последующей затяжки болт рассчитывают с учетом его кручения от момента трения в резьбе Тр по расчетной силе
Fp =1,3Fзат+ xFвн
или
Fp=[1,3k(1-x)+ x]Fвн. (16.10)
Для расчета по формуле (16.10) необходимо знать х. Задача о распределении нагрузки между винтом и стыком является статически неопределимой и решается с помощью условия совместности перемещений. Очевидно, что под действием внешней нагрузки в пределах до раскрытия стыка болт удлиняется настолько, насколько уменьшается сжатие деталей, т.е. δδ=δд, где δδ - деформация болта, δд - деформация деталей.
δδ=λδxFвн; δд=λд(1-x)Fвн;
λδxFвн= λд(1-x)Fвнδ;
где λδ - податливость болта, равная деформации болта под действием силы в 1Н;
λд - податливость соединенных деталей и стыка между ними.
При отсутствии упругих прокладок коэффициент внешней нагрузки х=0,2÷0,3. При наличии упругих прокладок х может быть близок к единице.
Дополнительные условия повышения герметичности стыка:
1. Высокая чистота (малая шероховатость) соединенных поверхностей, т.к. шероховатости поверхности в процессе работы сминаются и остаточная затяжка стыка уменьшается. Для ответственных соединений поверхности стыков деталей рекомендуют шлифовать;
2. Чем меньше число стыков, тем больше гарантирована остаточная затяжка;
3. Высокая чистота обработки поверхности резьбы болта для уменьшения смятия шероховатостей и ослабления остаточной затяжки;
4. Контровка резьбового соединения;
5. Повышение упругости прокладок. Пружинные шайбы играют роль упругих прокладок. Необходимо помнить, что наличие прокладок увеличивает коэффициент основной нагрузки.
Определение податливости болтов и соединяемых деталей
Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 208; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!