ПРИ ВНЕШНЕЙ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКЕ

Выше в п.п. 10.1…10.5 была рассмотрена прочность единичного болта (винта, шпильки), подверженного воздействию внешней постоянной (статической) нагрузки. Однако кроме внешнего статического нагружения резьбовые соединения в узлах машин испытывают также и нагружение внешней переменной нагрузкой. При этом независимо от того, какое будет внешнее нагружение резьбового соединения (статическое или переменное), это соединение всегда испытывает статическую (постоянную) нагрузку от предварительной затяжки болта (винта, шпильки) силой затяжки F_зат .

Таким образом, большинство болтов (винтов, шпилек), нагруженных внешней переменной отрывающей силой, испытывают постоянную нагрузку от предварительной затяжки и переменную внешнюю нагрузку, изменяющуюся обычно по пульсационному (отнулевому) закону. Соответственно по такому же закону будет изменяться и напряжение σ в болте в зависимости от времени t (рис. 41).

Рис.41. Напряжения в болте (винте, шпильке), нагруженном постоянной силой затяжки и переменной внешней силой, изменяющейся по гармоническому закону [4]

Изучая ранее (см. п. 10.4) вопрос о том, как распределяется внешняя отрывающая сила F между болтом и стыком деталей, было установлено, что на болт приходится только часть этой силы, равная , здесь - коэффициент внешней нагрузки, определяемый по формуле (27).

Постоянная сила предварительной затяжки болта F_зат вызывает в опасном сечении резьбовой части стержня болта постоянные напряжения затяжки σ_зат:

Часть внешней переменной силы, равная , которая нагружает болт, изменяется по отнулевому циклу и вызывает в опасном сечении резьбовой части стержня болта переменные напряжения растяжения с амплитудой σ_а :

где - амплитуда внешней переменной силы , приходящейся на болт.

Единичный болт, находящийся под действием внешней переменной нагрузки рассчитывают на сопротивление усталости. Однако такой расчет может быть выполнен только тогда, когда известны размеры резьбового стержня.

Поэтому для осуществления этого расчета предварительно из условия статической прочности определяют размеры резьбового стержня (см. п.п. 10.1…10.5), а затем проверяют его на сопротивление усталости путем вычисления коэффициента запаса сопротивления усталости по амплитуде S_а :

(34)

где - предельно допускаемая амплитуда переменных напряжений; - предел выносливости материала болта (винта, шпильки); - масштабный фактор; - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

Расчет болта, нагруженного внешней переменной нагрузкой заканчивают определением коэффициента запаса статической прочности по текучести материала :

(35)

где - средние напряжения цикла.

Анализ выше приведенных зависимостей позволяет предложить некоторые способы повышения несущей способности резьбовых соединений:

1.Увеличение предварительной затяжки болта (винта, шпильки), при которой создаются напряжения растяжения в стержне . При этом повышается жесткость стыка (уменьшается и, следовательно ), что уменьшает амплитуду переменных напряжений.

2.Снижение коэффициента внешней нагрузки путем увеличения податливости болта в нерезьбовой части (см. рис. 42).

3.Применение контролируемой затяжки. Позволяет снизить в 1,5…2 раза коэффициент запаса при определении , что в свою очередь приводит к снижению диаметра болта на 20…30%.

Рис.42. Примеры выполнения болтов с повышенной податливостью

4.Снижение коэффициента концентрации путем накатывания резьбы, а не нарезанием. Накатывание резьбы также повышает предел выносливости материала резьбового стержня.

5.Использование болта более высокого класса прочности.

6.Выбор надежного способа стопорения.

7.Шлифование поверхности стыка деталей в ответственном соединении, что лучше сохраняет затяжку в процессе эксплуатации.

8.Повышение равномерности распределения нагрузки по виткам резьбы. Применение гаек с повышенной податливостью первых рабочих витков (см. рис. 32)

12. РАСЧЕТ ГРУППЫ БОЛТОВ (ВИНТОВ, ШПИЛЕК) [4,5]

В узлах машин чаще применяют резьбовое соединение деталей не единичными, а несколькими одинаковыми болтами, т.е. группой болтов.

Сущность расчета группы болтов заключается в выявлении наиболее нагруженного болта (винта, шпильки). Определение наибольшей нагрузки на болт выполняют, схематизируя соединение в виде группы единичных соединений (по числу болтов), связанных между собой недеформируемой реальной корпусной деталью. Затем рассчитывают прочность этого болта по формулам, приведенным в п.10 для соответствующего случая статического нагружения единичного болта. При внешней переменной нагрузке единичный болт, предварительно рассчитанный по статической нагрузке, равной наибольшему значению переменной нагрузки, дополнительно проверяют на сопротивление усталости (см. п.11).

Рассмотрим основные расчетные случаи резьбовых соединений группой болтов.