CC BY
31
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 624.21.093.001.24
КЛЮКИН АНТОН ЮРЬЕВИЧ, аспирант,
ФИМКИН АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ,
ШЕЙКИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, aukmiit@gmail.com
Московский государственный университет путей сообщения МГУПС (МИИТ),
127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЁСТКОСТИ ФРИКЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ВЫСОКОПРОЧНЫХ БОЛТАХ В СТАДИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО СДВИГА
В статье дан обзор экспериментов по определению жёсткости предварительного сдвига. Приведены результаты статистической обработки полученных данных и основные характеристики предварительного сдвига.
Ключевые слова: высокопрочные болты, эксперимент, математические модели.
KLYUKIN, ANTON YURYEVICH, P.G.,
FIMKIN, ALEKSANDER IVANOVICH,
SHEIKIN, ALEKSANDER ALEKSANDROVICH, Cand. of tech. sc., aukmiit@gmail.com
Moscow State University of Railway Engineering,
10 Institutskiy lane, fl. 77, Moscow, 127055, Russia
THE EXPERIMENTAL DEFINITION OF RIGIDITY OF FRICTIONAL JOINTS IN HIGH-STRENGTH BOLTS ON THE STAGE OF PRIOR-SHEARING
The article describes the experiments on definition of rigidity of prior-shearing. The results of statistic processing of the obtained data and the main characteristics of prior-shearing are given.
© А.Ю. Клюкин, А.И. Фимкин, А. А. Шейкин, 2010
Keywords, high-strength bolts, experiment, mathematical models.
Работа фрикционных соединений в целом изучалась в [1, 2]. Для выяснения же особенностей работы фрикционного соединения необходимо знать его жесткостные характеристики. Именно ими определяется распределение усилий по рядам болтов, диапазон упругой стадии в работе соединения и его деформативность. В работе фрикционного соединения можно выделить следующие этапы:
1. Упругая работа соединения в стадии предварительного сдвига.
2. Макросдвиг в соединении.
3. Работа высокопрочного болта на срез и на смятие.
Эта статья посвящена определению параметров упругой работы соединения в первой стадии. Выяснив характеристики предварительного трения, можно решать многочисленные задачи по распределению усилий по рядам болтов, распределению напряжений в сложных составных соединениях и рассчитывать металлическую конструкцию в целом с учётом жёсткости узлов [3]. Со временем сцепление между соединяемыми листами может увеличиваться, но минимальную жёсткость соединение имеет в начале своей работы. Именно этот минимум и необходимо учитывать при детальных расчётах узлов.
Для определения сдвиговой жёсткости фрикционных соединений в стадии предварительного сдвига были произведены следующие группы экспериментов:
1. Растяжение/сжатие образцов с разной обработкой поверхности, контроль усилия в болтах.
2. Сжатие образцов с разной толщиной пакета и разными усилиями прижатия.
Для первой группы экспериментов каждый образец представлял собой пакет из трех пластин с отверстиями, скрепленных между собой высокопрочным болтом. Болт затягивался динамометрическим ключом до величины заданного усилия - 22,4-24 тс. Пакеты изготавливались двух типов. Первый тип моделировал работу соединения в условиях сжатия; он изготавливался в соответствии с рис. 1. Второй тип образца моделировал работу соединения в условиях растяжения и изготавливался в соответствии с рис. 2.
40
о
(N
100
12
12
Рис. 1. Конструкция образца при испытании на сжатие
16
-а
40
В*
,12
Рис. 2. Конструкция образца при испытании на растяжение
Испытанию подвергались шесть образцов каждого типа. Три образца имели поверхности с пескоструйной обработкой, поверхности других трех образцов были обработаны шлаком.
Экспериментальная часть работы включала в себя два этапа. На первом этапе определялось усилие прижатия пластин друг к другу, на втором - жесткость соединения на сдвиг.
Сдвигающая нагрузка при проведении испытания на сжатие определялась с использованием испытательной машины БИ-40. Процесс нагружения сопровождался построением диаграммы «нагрузка-перемещение активного захвата». Использовался диаграммный аппарат испытательной машины.
В ходе эксперимента были получены зависимости усилия в стержне болта от приложенного момента, коэффициенты трения и графики деформаций для разных образцов.
На рис. 3-5 представлены полученные зависимости перемещений в соединяемых листах от усилия на пакет. Отдельно на рис. 3, 4 показана деформация пакета без учёта податливости предварительного сдвига (нижняя линия). Необходимо отметить, что из-за неплотного контакта в прессе возникает нелинейная часть в начале графика. При повторных нагружениях она исчезнет.
В ходе исследования установлены следующие закономерности:
1. В упругой стадии сдвиговая жёсткость на растяжение пакета равна жёсткости на сжатие.
2. Жёсткость образцов с пескоструйной обработкой больше, чем в образцах, обработанных шлаком.
3. Образцы с пескоструйной обработкой дают меньший разброс прочностных и жесткостных характеристик.
4. Для образцов, обработанных шлаком, можно принять жёсткость, равную 3е— см/кг, в случае пескоструйной обработки - 4е— см/кг.
1
Рис. 3. Диаграмма «нагрузка-деформация» при испытании образцов болтовых соединений с обработкой контактных поверхностей кварцевым песком
Рис. 4. Диаграмма «нагрузка-деформация» при испытании болтовых соединений с обработкой контактных поверхностей шлаком
Во втором эксперименте по определению жёсткости фрикционного соединения варьировалась толщина пластин. Образцы представляли собой прямоугольные пластины, скреплённые по три высокопрочными болтами (рис. 5). При этом условия изготовления образцов отличались от условий 1-го эксперимента. Образцы для 1-го эксперимента были изготовлены в лабораторных условиях, для 2-го - на стройплощадке.
80
1ТТ1
о
00
Рис. 5. Образец для испытаний ко второму эксперименту
Было сделано 4 серии образцов.
1-я серия - пластины толщиной по 1,2 см, сила прижатия 22,4 т;
2-я серия - пластины толщиной по 1,6 см, сила прижатия 22,4 т;
3-я серия - пластины толщиной по 3 см, сила прижатия 22,4 т;
4-я серия - пластины толщиной по 1,2 см, сила прижатия 16,8 т.
В каждой серии было по три образца.
Определение сдвигающей нагрузки при проведении испытания на сжатие и определение жёсткости соединения производились аналогично с первым экспериментом.
В ходе эксперимента были получены зависимости перемещения/усилия в образцах от усилия преднатяжения в болтах и толщины пакета образца.
На рис. 6 отображены результаты 2-го эксперимента.
Работа в стадии предварительного сдвига
Перемещение, мм
Рис. 6. Графики перемещений в образцах в зависимости от усилия
По результатам 2-го эксперимента были сделаны следующие выводы.
1. Жёсткость соединения зависит только от материала и обработки поверхности.
2. Толщина пластин и, как следствие, распределение давления по плоскости сдвига не влияет на жёсткость соединения.
3. Сила обжатия пластин не влияет на жёсткость предварительного сдвига.
Сравнивая результаты первого и второго экспериментов, можно установить следующие значения податливостей предварительного сдвига.
Для двусрезных соединений:
- при пескоструйной обработке средняя величина податливости равна 3,39-10-6см/кг; верхний предел (с обеспеченностью 0,95) - 3,96-10-6см/кг; нижний предел (с обеспеченностью 0,95) - 2,20-10^см/кг;
- при обработке шлаком средняя величина податливости равна 4,34-10-6см/кг; верхний предел (с обеспеченностью 0,95) - 3,16-10-6см/кг; нижний предел (с обеспеченностью 0,95) - 5,25-10^см/кг.
Для односрезных соединений податливости будут в два раза меньше, чем для двусрезных.
Исследуя численные результаты эксперимента, можно заключить, что на жесткость влияет не только тип обработки соединения, но и качество изготовления. Так, образцы первого эксперимента, изготовленные в лаборатории, показали значительно меньший разброс результатов, чем образцы второго эксперимента, изготовленные в строительной организации. Также в первом эксперименте не было образцов с пониженным коэффициентом трения или дефектами соединения.
Полученные значения показывают, что жесткость фрикционных соединений на высокопрочных болтах нельзя определить, игнорируя предварительный сдвиг. Податливость таких соединений значительно больше податливости металла, поэтому её необходимо учитывать при детальном расчёте узлов.
Библиографический список
1. Осипов, В.О. Долговечность заклёпочных и болтовых соединений мостов : автореф.
дис. ... докт. техн. наук: 05.431: защищена 21.06.72: утв. 30.08.72. - М., 1972. - С. 36.
2. Расчёт болтовых соединений в стадии упругопластической работы / Б.М. Вейнблат,
В.М. Фридкин, Г.И. Бунеев [и др.] // Строительство и архитектура. - 1975. - № 12. - Новосибирск, 1975. - С. 30-33.
3. Клюкин, А.Ю. Расчёт узлов металлических мостов с учётом жесткости болтовых соединений / А.Ю. Клюкин // Вестник ТГАСУ. - 2009. - № 4. - С. 186-192.
