CC BY
12
УДК 621.88.097
И.С. АНТОНОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОСНОВНОЙ НАГРУЗКИ В ОДНОБОЛТОВОМ СОЕДИНЕНИИ
Одной из актуальных задач прикладной механики является задача о распределении внешней нагрузки между элементами резьбового соединения. Обычно этот вопрос сводят к нахождению усилий, приходящихся на крепежные элементы (болты, винты, шпильки), поскольку именно они, как правило, чаще всего выходят из строя.
Автор провел вычислительный эксперимент по определению влияния места приложения внешней нагрузки, раскрытия стыка соединения и некоторых других факторов на изменение коэффициента основной нагрузки, пока-
Вестник УлГТУ 4/2000
11
зывающего,. какая часть внешней силы приходится на болт. Расчетная схема резьбового соединения, представляющего собой две цилиндрические втулки, стянутые центрально расположенным болтом, изображена на рис. 1.
Напряженно-деформированное состояние соединения анализировали методом конечных элементов. Коэффициент основной нагрузки определяли по изменению осевого усилия в сечении болта V- V (см. рис. 1).
FB!2 А
I
и
III
IV
V
kFB/2
0 2с
0 2 а
0 2 Ь
X"
Рис.1. Расчетная схема одно-
Г болтового соединения:
11 а - внутренний радиус втул-
III ки; Ь - наружный радиус
—IV втулки; с - радиус головки
— V болта; е - высота головки
болта; Iff - высота втулки
Установлено, чте массив стягиваемых втулок следует условно разделить на две зоны цилиндрической формы: внутреннюю (зону влияния) и внешнюю. Диаметр цилиндрической поверхности, разделяющей эти области, следует принимать равным 2+ а). Внешняя нагрузка, приложенная во внешней зоне, на болт не передается до тех пор, пока зона раскрытия стыка стягиваемых деталей не коснется окружности диаметром, равным диаметру головки болта (в проекции головки болта на плоскость стыка). При приложении нагрузки внутри зоны влияния часть ее передается на болт. Усилие в крепежном элементе зависит от места приложения внешней силы (рис. 2), причем оно увеличивается по мере приближения к оси болта и удаления от стыка соединения. На рис. 2 четко прослеживается граница, при переходе через которую болт на внешнюю нагрузку не «реагирует».
При приложении внешней нагрузки непосредственно к болту все закономерности классических представлений [1] остаются справедливыми. Коэффициент основной нагрузки растет по мере приближения внешней силы к плоскости заделки болта (в плоскости V- V(см. рис. 1) он равен единице).
Основные закономерности, выявленные вычислительным экспериментом, подтверждаются результатами лабораторной работы по определению коэффициента основной нагрузки [2].
Рис. 2. Влияние места приложения внешней силы, находящейся внутри зоны влияния, на величину коэффициента основной нагрузки % : 1. 2, 3, 4, 5. 6 — соответственно уровни приложения силы; г/1д=\\ 0,8; 0,64; 0,48; 0,32; 0,16;
7 - нагрузка распределена равномерно по цилиндрической поверхности втулки
Выявленные закономерности имеют принципиальное значение при проектировании резьбовых соединений, работающих в условиях действия отрывающих нагрузок. Конструктор должен располагать несущие элементы стягиваемых деталей на расстояниях от осей болтов, превышающих величину (¡¿) + а). При этом резко упрощается расчет соединения, поскольку он сводится к простой проверке крепежных элементов на прочность под действием усилия предварительной затяжки, а акцент при исследовании надежности смещается в сторону обеспечения заданного уровня затяжки и" его сохранения. Кроме того, можно использовать резерв затяжки, доведя ее до уровня (0,8- 0,9) от ((7Т - предел текучести материала болта), и повысить тем самым нагрузочную способность соединения в целом.
Если условие г > а) непосредственно выполнить не представляется возможным, практически всегда можно предложить прием, приводящий в конечном счете к удовлетворению указанного неравенства, - применение цеко-вок под болты, использование болтов меньшего диаметра и более высокого класса прочности, создание цилиндрических ниш вокруг болтов и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. 368 с.
2. Основы конструирования машин: Сборник лабораторных работ / И.С.Антонов, И.А.Мусорин, А.В.Олешкевич и др. Ульяновск: УлГТУ, 1993. 124 с.
Антонов Иван Степанович, доктор технических наук, доцент кафедры «Основы проектирования машин и автомобилестроение» УлГТУ, окончил Волгоградский политехнический институт. Область научной деятельности — иследование напряженно-деформированного состояния деталей и узлов машин.
