18. Конструкции резьбовых соединений.

Резьбовые соединения осуществляются с помощью резьбовых крепежных изделий. К ним относятся болты, винты, шпильки, гайки, детали трубопроводов.

Резьбовые соединения делятся на: болтовое соединение; винтовое соединение; шпилечное соединение.

Болт – цилиндрический стержень с резьбой, имеющий головку. За головку болт вращают или, наоборот, удерживают от вращения при соединении деталей. Нарезной частью стержня болт ввинчивается в гайку.

Винт — отличается от болта только тем, что ввинчивается не в гайку, а в резьбовое отверстие одной из соединяемых деталей.

Головка болта имеет форму шестигранной призмы. Стержень болта входит в отверстие соединяемых деталей с зазором. На стержень болта навинчивается гайка. Между гайкой и соединяемыми деталями во избежание повреждения вращающейся детали, гайкой ставят кольцевую пластинку — шайбу.

Шпилька – цилиндрический стержень, имеющий винтовую нарезку с обоих концов. При соединении шпилькой ее ввертывают в одну из скрепляемых деталей, а на другой конец шпильки навинчивают гайку.

Гайка — деталь резьбового соединения или винтовой передачи, имеющая отверстие с резьбой.

Во избежание самоотвинчивания применяют гаечные замки. Примеры гаечных замков: контргайка— вторая гайка, навертываемая поверх основной гайки и создающая в резьбе дополнительную силу трения. Шплинт — проволока полукруглого поперечного сечения, сложенная вдвое и пропущенная через гайку и болт или только через болт. Концы шплинта разводят (отгибают).

19. Силовой расчёт резьбовых соединений.

Расчёт обычно проводят на основе двух условий: условия прочности соединения и условия плотности соединяемого стыка.

1. Определяются силы, действующие на наиболее нагруженный болт. Эти силы зависят от числа болтов, конструкции соединения, характера его нагружения и назначения. Действующая на болт сила F_б может быть разложена на две составляющие: возникающую от внешней силы F_а и обусловленную затяжкой болта F_з: F_б = F_а + F_з

Составляющая от внешней силы, действующая на каждый болт нагруженного

перпендикулярно плоскости стыка силой F соединения, определяется по формуле: F_а =F/z, где z - число болтов соединения. Сила Fa в этом случае проходит по оси болта. При нагружении соединений силой F, лежащей в плоскости стыка и проходящей через центр его тяжести, составляющая от внешней силы, приходящаяся на каждый устанавливаемый без зазора болт и нагружающая его на срез, определяется по той же формуле. В случае же постановки болтов с зазором сдвигающая соединение внешняя сила должна уравновешиваться силами трения в стыке, которые обеспечиваются предварительной затяжкой болта с силой F_з = FK/if,где i - число стыков, стягиваемых винтами, f - расчётный коэффициент трения в стыке.

При нагружении соединения с круглым стыком внешним моментом Т, действующим в плоскости стыка, на каждый болт, устанавливаемый без зазора на одинаковом расстоянии D_O от центра тяжести площади сечения стыка, действует сила F = 2T/D_O z

При установке болтов с зазором необходима затяжка болта, нагружающая его

осевой силой Fз = 2ТК/I f D₀ z

2. Проверяют на прочность болт действующего соединения. При нагружении болта осевой силой F_б условие прочности имеет вид: σ =4F_б/(πd₁²) ≤ [σ_р]

где d₁ – внутренний диаметр резьбы; [σ_р] – допускаемое напряжение при растяжении; [σ_р]=σ_т/[S], где [S] – предел текучести материала болта; [S]- требуемый коэффициент запаса прочности.

20. Расчёт болтов, поставленных без зазора.

В этом случае отверстие калибруют разверткой, а диаметр стержня болта d₀ выполняют с допуском, обеспечивающим посадку без зазора. Затяжка болта необязательна, а поэтому силы трения в стыке не учитывают. Поперечная (сдвигающая) сила Q воспринимается непосредственно болтом, который испытывает напряжение среза:

Откуда диаметр стержня болта:

где i — число поверхностей среза; z — число болтов; [τ_ср]—допустимое напряжение среза; [τ_ср] = (0,1..0,3)σ_т. В этом случае болты получаются значительно меньшего диаметра, чем болты, поставленные с зазором и работающие «на затяжку». Однако технологически конструкция с болтами, поставленными без зазора, значительно сложнее, что ограничивает их применение.

Помимо этого, сопряжение болт — деталь испытывает напряжение смятия:

где δ_min — минимальная длина сопряжения болта с деталью; σ_см =0,8σ_т — для стали, (0,4...0,5)σ_в — для чугуна.

21. Расчёт болтов, поставленных с зазором.

Во избежание сдвига деталей резьбовое соединение необходимо затянуть так, чтобы сила трения FT на стыке деталей была не меньше сдвигающей силы:

F_T = fFzi ≥ Q

где f — коэффициент трения (для сухих стальных и чугунных поверхностей f=0,15...0,2); F — необходимая сила затяжки; z — число болтов; i — число стыков. Тогда необходимая сила затяжки: F = kQ/fzi

где k — коэффициент запаса; k = 1,2...1,5 при статической нагрузке, k = 1,8...2,0 при переменной.

Внешняя нагрузка не передается на болт, поэтому, согласно зависимости, расчетное усилие F_p = 1,3F. Такое соединение несложно в изготовлении, однако размеры его получаются относительно большими вследствие необходимости большой силы затяжки F. Поэтому желательно применять специальные устройства, разгружающие болты от поперечной силы.

22. Расчёт болтов с эксцентрично приложенной нагрузкой.

Такой случай возможен либо при несимметричной головке болта, либо тогда, когда болт поставлен с перекосом из-за неровной или плохо обработанной поверхности детали.

При эксцентричном нагружении болта реакция опорных поверхностей равна усилию затяжки Q, но ее линия действия смещена от продольной оси болта на расстояние е. Под действием эксцентрической растягивающей силы в поперечном сечении болта возникает продольная сила Q и изгибающий момент M_u = Q_e

Расчет болта на прочность производят по эквивалентному напряжению

σ_э = σ_р + σ_u

напряжение растяжения в стержне

σ_р = Q / πd₁² / 4

напряжение изгиба при е=d (если угол а большой и не ограничивает деформацию изгиба болта)

σ_u = M_u/W_u = Q / 0,1d₁²

где M_u = Q_e , Wu = 0,1d₁³

Тогда

σ_u/σ_p ≈ 8 , σ_э = σ_р + 8σ_р ≈ 9σ_р

Из полученного соотношения следует, что эксцентричное нагружение болта сильно уменьшает его прочность. Во избежание эксцентричного нагружения болта необходимо тщательно обрабатывать опорные поверхности под гайки и головки болтов.

23. Условие герметичности стыков в резьбовых соединениях.

Герметичность резьбовых соединений достигается главным образом заполнением уплотнительным материалом зазора между внутренней и наружной резьбой. Для решения такой задачи применяют различные типы уплотнений. Используются следующие свойства уплотнительных материалов: способность создавать напряжения сжатия в упорном стыке, силу сцепления (когезию) и адгезию уплотнительного материала с телом резьбовой детали. Также учитывают структуру применяемой резьбы, коническую или цилиндрическую, качество и изношенность резьбовой части деталей.

При обеспечении герметичности стыка необходимо, чтобы остаточная сила затяжки Fg = 0. При обеспечении надежности принимают

F0 = kЗ (1 – c) F,

где kЗ – коэффициент запаса предварительной затяжки. В соединениях без прокладок при постоянной нагрузке принимают kЗ = 1,25…2,0; при переменной – kЗ = 2…4.

На герметичность резьбовых соединений значительное влияние оказывает момент свинчивания. При сборке труб на резьбе необходимо обеспечивать их соосность, а также прочность и плотность соединений.

Определение условий герметичности резьбового соединения для случая изношенной резьбы – более сложная задача.

Дело в том, что затяжка соединений подразумевает создание во всех деталях – и крепёжных, и соединяемых, некоторых напряжений. В упруго напряжённых телах проявляются некоторые механизмы пластических деформаций, ведущие к убыванию напряжений во времени. Поэтому по истечении некоторого времени усилие затяжки соединения несколько снижается без каких либо дополнительных силовых воздействий на него.