2.9. Расчет винтов при переменной нагрузке

50

2.10. Способы повышения несущей способности разьбовых соединений

напряжений, учитывающий кроме концентрации напряжений в резьбе, шероховатость поверхности и масштабный фактор (для углеродистых сталей Kσ∑ = 3,3…3,6, для низколегированных сталей

Kσ∑ = 3,6…4, 0); [S]a = 2,5 4,0 — допускаемый коэффициент за-

паса по амплитуде напряжений; 2) коэффициент запаса прочности по максимальным напряже-

ниям

S т = σт σmax = σт (σmin + 2σa ) ≥ [S]т,

где σт — предел текучести материала винта; [S]т = 1,25 —

минимальное значение допускаемого коэффициента запаса прочности по пределу текучести.

2.10. Способы повышения несущей способности резьбовых соединений

Нарушение работоспособности резьбовых соединений, нагруженных постоянной и переменной силой происходит, как правило, в результате разрушения винтов, реже гаек. Поэтому при конструировании резьбовых соединений особое внимание должно быть обращено на повышение несущей способности этих деталей. Рассмотрим основные приемы, позволяющие повысить прочность резьбовых соединений.

1.Конструктив ные и технологические способы повышения прочности резьбовых деталей. При действии на соединение переменных нагрузок разрушение происходит, как правило, на резьбовом участке винта. Поэтому любые приемы, повышающие сопротивление усталости резьбового участка, должны рассматриваться как повышающие работоспособность соединения в целом. Основной причиной снижения предела выносливости является высокая концентрация напряжений во впадинах витков резьбы, осбенно в зоне первых рабочих витков (вблизи опорной поверхности гайки). Поэтому снижение местной нагрузки в зоне наибольшей

51

Глава 2. Резьбовыесоедин ения

концентрации позволяет повысить до 60 % циклическую прочность резьбовых соединений. На рис. 2.26 в качестве примеров приведены варианты выполнения гаек и винта в резьбовой зоне с улучшенным распределением нагрузки между витками резьбы ( — коэффициент повышения предела выносливости по сравнению с обычным исполнением). Некоторое повышение предела выносливости (до 20 %) можно получить путем выполнения отверстия под резьбу в гайке со стороны опорной поверхности на конус (рис. 2.27, а). В этом случае нагрузка F1 на виток винта со стороны опорной поверхности прикладывается на большем плече a (рис. 2.27, б), что увеличивает изгибную податливость витков резьбывинта иснижает долю приходящейся на нихнагрузки.

Рис. 2.26. Конструктивные способы повышения равномерности распределениянагрузки между витками резьбы

Рис. 2.27. Гайка с повышеннойподатливостью первых рабочих витков

Определенный эффект может быть достигнут в случае выполнениярезьбы гайки с шагом, немного большим, чем шагрезьб ы винта. Если разность шагов выбрать равной / z, где — средний

боковой зазор в резьбе, а z — число витков гайки, то после свинчивания гайки с винтом до приложения нагрузки в контакте будут находиться не все пары витков резьбы винта и гайки, а только ближайшие к торцам гайки (рис. 2.28, а). Нагрузка F, приложенная к винту, вызовет его растяжение и сжатие тела гайки. Вследствие

52

2.10. Способыповышения несущей способн остиразьбовых соедин ений

этого разность шагов будет уменьшаться и постепенно, по мере увеличения силы F, все витки подключатся к работе (рис. 2.28, б). При дальнейшем увеличении силы F рост нагрузки на нижние витки за счет деформации стержня винта и тела гайки будет происходить более интенсивно, в результате чего при рабочей нагрузке эпюра принимает вид, показанный на рис. 2.28, в. Эффект повышения прочности достигается за счет более равномерного распределениянагру зкимежду ви тками резьбы.

Из технологических приемов существенное повышение предела выносливостидает накатывание резьбы, при которомволокна материала не перерезываются. Кроме того, во впадинах резьбы после накатывания возникают напряжения сжатия, положительно влияющие на напряженное состояние во впадинах наиболее нагруженных витков. Для крупногабаритных резьбовых деталей повышение циклической прочности достигается, если после нарезки резьбы и термообработки используют обкатку впадин. Обкаткой роликом впадин резьбы удается повысить предел выносливости резьбовыхдеталей в2 раза и более.

2. Снижение коэффициента основной нагрузки χ. В соеди-

нениях, работающих при переменных нагрузках, снижение χ является эффективным способом повышения прочности резьбовых соединений. Это может быть осуществлено увеличением податливости винтов в нерезьбовой части (рис. 2.29), либо повышением жесткости стыка, например, за счет снижения шероховатости контактирующих поверхностей, лучшей их пригонки, увеличения жесткости прокладок( в случае необходимости их применения). Иногда для снижения под головку винта или под гайку устанавливаюттарельчатпружиные 1, 2 (рис. 2.30).

53

Глава 2. Резьбовыесоедин ения

Рис. 2.29. При мерывыполнения винтов с повышеннойподатливостью :

а — уменьшение диаметра стержня болта; б — сверление отверстия в стержне болта

емую либо неконтролируемую затяжку. Контроль силы при затяжке осуществляют чаще всего по значению момента завинчивания, используя для этого специальный динамометрический ключ или ключ предельного момента. Более точно затяжку можно контролироватьпо у длинению стержнявинта .

Использование контролируемой затяжки позволяет более точно определить расчетную нагрузку на винты. При этом коэффициенты запаса при расчетах по максимальным напряжениям снижают в1,5–2,0 раза по сравнению с неконтролируемой затяжкой, что

Пример 2.1. Кронштейн прикреплен к металлоконструкции с помощью шести болтов (см. рис. 2.16, а). Сила F 10 000 Н постоянна во вре-

мени и приложена под углом 30 . Размеры кронштейна: a 150 мм,

54

2.10. Способыповышения несущей способн остиразьбовых соедин ений

F2, перенесем их в центр масс стыка О, добавив момент T F1 l. Тогда

T5000 800 4 106 Н мм.

2.Из условия равновесия кронштейна определяем реакцию в каждом изшести болтов (см. рис. 2.16, б):

Рассчитываем диаметр болтов для одиночных соединений, нагру-

Вариант 1. Болт установлен с зазором (см. рис. 2.17, а). Необходимуюсилу затяжкиопределяем по условию (2.13):

Fзат Sсд Fmax 2 6480 86400 H.

f0,15

55

Глава 2. Резьбовыесоедин ения

d3 26, 2 мм.

Вариант 2. Болт установлен без зазора (см. рис. 2.17, б). В этом случае стержень болта работает на срез и смятие; диаметр стержня болта

определяемиз расчета на срез (см. с. 40):

Принимаемдиаметр стержня болта d с 9 мм (с резьбой М8). Проверка на смятие проводится для той детали (при одинаковых материалах), у кото-

[ ]см 0,35 т 0,35 240 84 МПа; предел текучести т для стали Ст3

равен 240 МПа. Прочностьобеспечена.

Сопоставление полученных размеровбо лтов (М30 и М8) показывает преимущества варианта2. Однако установка болтов без зазора связана с большей трудоемкостью выполнения отверстий (после сверления отверстия калибруют разверткой) и с более жесткими требованиями к шероховатости боковой поверхности винта, а также к точности его диаметрального размера. Поэтому на практике чаще используют комбинированный способ, когда дополнительно к болтам с зазоромназначают разгрузочные элементы( см. рис. 2.18).

56

2.10. Способыповышения несущей способн остиразьбовых соедин ений

Пример 2.2. Кронштейн, нагруженный постоянной силой F 20000 H,

закреплен на чугунном основании с помощью восьми болтов (см. рис. 2.24). Определить размеры болтов класса прочности 5.6, если коэффициент запаса

——————

* Этот расчет можно выполнить после определения диаметра болтов какпровероч ный, ноесли полученная изусловия нераскрытия стыка сила затяжки окажется недостаточной, следует повторно определить диаметр болтов, чтоувеличит объем вычислений .

57

Глава 2. Резьбовыесоедин ения

Как видим, это значение силы затяжки существенно больше полученного в предыдущем расчете (7280 Н), поэтому в дальнейшем расчете

используембольше еиз двух значений , т. е. Fзат 13 990 H.

3. Определяем расчетную силу, действующую на наиболее нагруженныйболт, по формуле (2.24):

Fmax 1,3Fзат (F1 z F1M )

1,3 13 990 0, 2(100008 3051) 19 047 Н,

где