Резьбовые соединения

Резьбовые соединения

Основное условие правильной работы резьбовых соединений состоит в том, что резьба должна быть разгружена от изгиба и среза.

Болт (рис. 256, а), установленный с зазором в отверстиях деталей и подвергаемый изгибу поперечными силами, деформируется. При полной выборке зазора на участке болта, близком к плоскости стыка, возникают еще напряжения сдвига. Кроме того, болт растягивается вследствие его удлинения при смещении притягиваемой детали. Эти напряжения складываются с напряжениями растяжения, созданными в болте предварительной затяжкой. В результате возникает сложное напряженное состояние от одновременного действия изгибающих моментов, продольных и поперечных сил; прочность болта резко падает.

Еще тяжелее условия работы ввертного болта (рис. 256, б), когда на опасных участках (близких к плоскости стыка) нарезана резьба, являющаяся концентратором напряжений. Наиболее неблагоприятен случай изгиба шпильки, ввернутой до упора в торец отверстия (рис. 256, а). Здесь в опасном сечении возникают высокие напряжения растяжения, складывающиеся из напряжений от предварительной затяжки и напряжений, созданных при завертывании шпильки до упора в торец. Как и в предыдущем случае, происходит концентрация напряжений на участке выхода резьбы на плоскость опасного сечения.

Изгиб резьбовых деталей

Неблагоприятны и условия работы материала резьбовых отверстий стягиваемых деталей. Поперечные силы, действующие на соединение, расклинивая витки резьбового отверстия, создают местные повышенные напряжения смятия, которые с течением времени приводят к разработке резьбы и ослаблению посадки нарезного стержня, особенно при знакопеременной нагрузке.

Для упрочнения стяжных соединений необходимо устранить сложное напряженное состояние в крепежных деталях и создать условия, при которых они испытывали бы только растяжение. Поперечные силы должны восприниматься дополнительными силовыми элементами, нагруженными на срез.

Конструкция крепления консольного стержня, подвергающегося изгибу силой Р (рис. 257, 1), неудовлетворительна. Максимум изгибающего момента приходится на нарезной участок стержня, ослабленный впадинами между витками. Присущие консольному нагружению высокие нагрузки на участке заделки вызывают изгиб стержня и смятие витков резьбового отверстия и стержня. Мало помогает введение буртика на участке затяжки (конструкция 2), так как опорная поверхность буртика приблизительно параллельна направлению смешений стержня при изгибе, и деформации тормозятся только силами трения, возникающими на опорной поверхности при затяжке.

Разгрузка резьбовых соединений от изгиба и среза

В более правильных конструкциях стержень снабжен цилиндрическим 3 или коническим 4 пояском, плотно входящим в отверстие в корпусе и эффективно тормозящим поперечные деформации и смещения стержня. Обеспечить соосность резьбы и пояска трудно, поэтому посадку в резьбе следует делать свободной.

Наиболее целесообразны конструкции 5 и 6, где стержень установлен в корпус на цилиндре или конусе. В этом случае резьба полностью разгружена от изгиба и работает только на растяжение силой затяжки.

Конструкция 7 крепления литой стойки, нагруженной поперечной силой, ошибочна: крепежная шпилька подвергается изгибу. Немногим лучше конструкция 8, где стойка центрирована гладким пояском шпильки. В улучшенной конструкции 9 шпильке придан центрирующий цилиндр, входящий по посадке H7/js6 в отверстия корпуса и стойки. В конструкции 10 срезывающие силы воспринимаются контрольными штифтами, а в конструкции 11 — центрирующим буртиком стойку.

На рис. 257 показаны способы восприятия срезывающих сил в узле крепления противовеса (12—16), нагруженного центробежной силой Рцб, и во фланцевом соединении (17—21), передающем крутящий момент. Конструкции 12, 17 ошибочны; остальные в большей или меньшей степени обеспечивают правильные условия работы болтов.

Изгиб болтов часто является результатом неправильного их расположения относительно действующих нагрузок. В конструкции кронштейна 22 допущены две ошибки: отсутствует элемент, воспринимающий поперечную (сдвигающую) силу; стержни болтов испытывают изгиб в результате внецентренного приложения осевой нагрузки N. Под действием силы Р кронштейн стремится повернуться вокруг точки А. Сила, действующая да каждый болт, N = Pl/2b = 1,4Р. Болт подвергается изгибу моментом М = 0,5Nd, где d — диаметр головки болта.

При повороте фланца на 90° (конструкция 23) нагрузка на болт вследствие увеличения плеча b' становится практически центральной. Сила, действующая на левый болт (правый болт разгружен), N'= Pl/b' = 1,1Р. От среза болты разгружены центрирующим буртиком цоколя. Введение треугольного фланца (конструкция 24) не увеличивает прочность соединения, так как добавленные болты не принимают участия в работе. В целесообразной конструкции 25 работают два болта. Сила, действующая на болты, уменьшается до N" = Рl/2b" = 0,7Р.

В конструкции 26 (прямоугольный фланец) база цоколя увеличена, вследствие чего нагрузка на болты снижается до N"' = Pl/2b'" = 0,5Р, т. е. примерно в 3 раза по сравнению с исходной конструкцией 22.

Общее правило рационального конструирования болтовых соединений состоит в том, чтобы статический момент сечений болтов относительно оси поворота детали при изгибе был наибольшим.

Трудность заключается в определении оси поворота. Для жестких деталей можно считать, как это сделано в предыдущем примере, что ось поворота проходит через крайнюю (в плоскости действия изгибающего момента) кромку детали.

Изгиб крепежных деталей часто возникает из-за перекоса опорных поверхностей, вызывающего внецентренное приложение нагрузки (рис. 258). Если опорная поверхность имеет конструктивный уклон, то обязательно применение косых 1 или, лучше, сферических 2 шайб. Для предупреждения внецентренного нагружения плоские торцы нажимных, грузоподъемных и т. п. винтов 3 следует заменять сферическими 4.

Устранение изгиба резьбовых деталей

Внецентренный изгиб возникает также при несимметричной форме головки болта, например, в случае болта с лыской, фиксирующей болт от проворачивания при затяжке 5. Изгиб можно устранить снятием лыски с двух сторон 6 или уменьшением жесткости головки на участке 7, противоположном лыске.

Эффективное средство предупреждения изгиба — придание крепежным деталям способности самоустанавливаться. В конструкции 8 неизбежны перекос траверсы, изгиб болта и неравномерная затяжка угольников. В конструкции 9 эти недостатки устранены применением самоустанавливающейся траверсы.

На рис. 258 приведены неправильная 10 и правильная 11 конструкции узла притяжки смежных цилиндров к фланцу.

Изгиб возникает также в результате упругой деформации стягиваемых деталей. При затяжке клеммного соединения 12 концы клеммы перекашиваются, нагрузка становится внецентренной. В конструкции 13 изгиб стяжного болта устранен введением сферических подкладных шайб.

Во всяком соединении, где болты смещены с плоскости действия сил, например, во фланцевых соединениях, нагруженных силой внутреннего давления 14, неизбежен изгиб. В ответственных тяжелонагруженных соединениях применяют самоустанавливающиеся болты 15. Изгиб устраняется также при совмещении центров болтов с осью жесткости стенок, что достигается уменьшением вылета болтов и оребрением стенок 16.