книги из ГПНТБ / Биргер И.А. Резьбовые соединения

Высокопрочные и сверхвысокопроч­ ные болты должны устанавливаться без перекоса под гайкой и под головкой.

Болты из конструкционных высокопрочных сталей обладают высокой чувстви­ тельностью к концентрации напряжений, поэтому все переходы между сечениями следует проектировать с максимально возможными радиусами закругления, осо­ бенно в месте перехода от гладкой части к головке.

17. Механические свойства высокопрочной -конструкционной стали, применяемой для изготовления болтов

Эти проточки уменьшают концентрацию напряжений в наиболее нагруженных частях болта. Резьба также должна выполняться с гарантированным минимальным радиусом во впадине.

Наряду с известными ранее сталями в последние годы распространение полу­ чили и новые высокопрочные нержавеющие стали марок СН-2а и ВНС-5 [23]. Стали

130

этого класса отличаются тем, что после закалки на воздухе с температуры раство­ рения карбидов (примерно 1000—1050° С) их структура в основном аустенитная. Упрочнение достигается обработкой холодом, в процессе которого 80% аустенита превращается в мартенсит.

Болты из указанных сталей обладают высокой прочностью, хорошей коррозион­

Ввиду высокой пластичности и ударной вязкости болты из этих сталей нечув­ ствительны к перекосу (до 8°) и к концентрации напряжений. В результате отпа­ дает необходимость введения специальных кон­ структивных мер, снижающих концентрацию на - #

пряжений (галтели и др.).

* Ударная вяэкоать высокопрочных конструкционных сталей, применяемых для изготовления болтов, не превышает 1,5—2 те • мцм*.

Долговечность болтов из отожженного титанового сплава ВТ14 и сплава ОТ4-1 значительно выше, чем у высокопрочных болтов из стали I6XCH. Однако предел прочности титановых болтов ниже, чем стальных.

20. Механические свойства термореактивных пластмасс

132

21. Прочность при растяжении резьбовых соединений с пластмассовыми

гайками

* Обрыв шпильки по р* зьбе.

Предел выносливости (по амплитуде) для болтов из титановых сплавов с нака­ танной резьбой, как правило, не превышает аап — 5-г-б кгс/мм2при а3 = (0,5-f-

0,7) 0 Г * .

Такое значение предела выносливости существенно ниже, чем для стальных соединений. Однако упругое удлинение при одних и тех же напряжениях в тита­ новых болтах приблизительно в 2 раза больше, что важно для сохранения перво­ начальной затяжки. Кроме того, вследствие высокой податливости дополнитель­ ная нагрузка на болт от рабочих усилий в случае применения титановых болтов вместо стальных в стальных узлах снизится также почти в 2 раза. Однако эти преимущества титановых болтов исчезают при их работе в титановых узлах.

Болты из титановых сплавов мало чувствительны к перекосу опорных поверх­ ностей при статических нагрузках и не обнаруживают склонности к замедлен­ ному хрупкому разрушению.

Из сплава ВТ9 изготовляют болты, которые могут продолжительное время ра­ ботать при температуре до 550° С.

Из сплава ВТ14 изготовляют болты, работающие длительное время при темпе­ ратурах до 400° С и кратковременно при температурах до 500 0 С.

Сплав ВТ16 может длительно использоваться при температурах до 350° С и кратковременно до 700° С. Применение титановых болтов может оказаться необ­ ходимым при работе в корродирующих средах, так как такие болты обладают высо­ кой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред.

Разрушение титановых болтов при статических нагрузках носит взрывной характер и происходит, практически, без образования шейки.

Бериллиевые болты приблизительно в 4 раза легче стальных и в 2,2 раза легче титановых болтов.

Предел прочности сплава бериллия с алюминием при нормальной температуре

ний и к качеству поверхности, поэтому изготавливаемые из них болты требуют тщательной обработки (выполнение резьбы накаткой, использования алюминиевых гаек и т. д.). Применение для таких болтов резьбы с пониженной высотой про­ филя (до 55% от нормальной) с соответствующим увеличением внутреннего диа­ метра и радиуса впадины (г = 0.28S) уменьшает концентрацию напряжений и при­ водит к повышению предела выносливости в два с лишним раза.

Крепежные детали из пластмасс находят широкое применение из-за высоких

н а п р я ж е н и я м р а с т я ж е н и я , поэтому шлифование резьбы болтов, работающих при пере­

133

Для изготовления крепежных деталей в основном применяют: волокнит, пресспорошки К-18-2 и К-21-22, стеклопластик АГ-4В, нейлон и полиамиды.

Прочностные характеристики этих материалов (а8 р —предел прочности при рас­ тяжении; а„с — то же при сжатии) различны для растягивающих и сжимающих нагрузок. При проектировании резьбовых деталей из пластмасс необходимо также иметь в виду снижение их прочности с увеличением времени действия нагрузки и температуры (табл. 20).

Особенности расчета резьбовых соединений из пластмасс, а также отдельные результаты эксперимен­ тального исследования прочности таких соединений

Широкое распространение получили также корпусы, изготовляемые из стекло­ пластиков и стягиваемые стальными или титановыми болтами. В таких конструк­ циях внешнюю нагрузку на болты следует уменьшать путем увеличения податли­ вости деталей системы болта (например, введением специальной упругой шайбы, рис. 148).

4. ПРОЧНОСТЬ ВИТКОВ РЕЗЬБЫ

Разрушение витков резьбы является весьма распространенным видом поломок резьбовых деталей. Основными конструктивными параметрами, определяющими прочность витков, являются диаметр d и шаг S резьбы, радиус закругления во впадинах резьбы г, высота гайки H (длина свинчивания I), соотношение механиче­ ских характеристик материалов болта (шпильки) и гайки (корпуса). В меньшей степени влияют поперечные размеры гайки (размер под ключ).

Влияние диаметра и шага резьбы. Необходимая длина свинчивания. Иссле­ дованиями прочности резьбовых соединений установлено, что при недостаточной высоте гайки происходит поломка соединения из-за разрушения резьбы. Для повы­ шения прочности витков резьбы увеличивают высоту гайки (длину свинчивания соединения). На рис. 149 приведена типичная зависимость несущей способности соединений от длины свинчивания. Здесь и далее светлыми точками на кривых обо­ значено разрушение резьбы, темными — обрыв стержня по резьбовой части вне корпуса.

Исследование влияния конструктивных параметров резьбы и соединений на статическую прочность проведено авторами *. Установлено, что с увеличением диаметра резьбы (при неизменном шаге и высоте гайки) несущая способность соеди­ нения, оцениваемая по усилию разрушения резьбы, возрастает либо пропорцио­ нально диаметру (для соединений стальных шпилек с корпусными деталями из алюминиевых и магниевых сплавов), либо нелинейно (для стальных соединений). В последнем случае интенсивность повышения несущей способности резьбы снижа­ ется при больших диаметрах. Однако указанное снижение несущей способности невелико, и в практических расчетах можно считать, что прочность резьбы увели­ чивается пропорционально ее диаметру.

Уменьшение шага резьбы (см. рис. 149) при неизменном наружном диаметре и высоте гайки снижает прочность соединения. Последнее связано с тем, что для

* Совместно 6 Ю. Г. Рысь.

134

мелкой резьбы труднее при том же классе точности обеспечить перекрытие питков, такое же, как и для крупной резьбы. Кроме того, радиальные деформации тела гайки при нагружении также сильнее сказываются на соединениях с мелкой резь­ бой. Понижение прочности соединения при уменьшении шага резьбы было обна­ ружено позднее Вигандом, Иллгнером и Штригенсом [60].

Степень влияния шага резьбы на прочность соединения в значительной мере зависит от материалов резьбовых деталей. При существенном различии в прочно­ сти материалов болта и гайки (ое^/авг > 1,4, где авб и аег — пределы прочности соответственно для материалов болта и гайки) и одинаковых модулях упругости

ß.fß-3

кгс

60

SO

40

30

20

70

Это можно объяснить улучшением условий деформирования и разрушения

Для соединения с гайками из материала с меньшим модулем упругости (на­

135

22. Необходимая длина свинчивания соединений при --=- < 10

* Равнопрочность стержня шпильки на разрыв и витков резьбы на срез обеспечить невозможно .

стержня болта на разрыв и витков на срез (смятие). Такую высоту называют необ­ ходимой. Необходимая высота гайки зависит от диаметра и шага резьбы, соотно­ шения механических характери­ стик материалов резьбовых деталей,

№1 а также типа соединения, влияю­ щего на характер распределения нагрузки между витками. Увели­ чение высоты гайки сверх необхо­ димой неэффективно, так как это не повышает прочности соединений, которая ограничена несущей спо­ собностью стержня болта. На рис. 150 приведена диаграмма измене­ ния необходимой высоты гайки (длины свинчивания) для различ­ ных материалов резьбовых деталей. Увеличение необходимой высоты

гайки существенным образом влияет на процесс деформирования и характер раз­ рушения витков резьбы. Поэтому даже для одного вида материалов болта и

136

гайки (одинаковые модули упругости) несущая способность соединений различ­ ная при разных отношениях ов6/аег.

На рис. 151 показана зависимость прочности резьбовых соединений от длины свинчивания для шпилек из сталей ЗОХГСА (а) и 45 (б). Как показано на рисунке, при увеличении прочности шпилек от ае = 74 кгс/мм2 до а„ = 166 кгс/мм2 можно более чем в 2 раза повысить несущую способность резьбы соединения. Это объяс­ няется улучшением условий деформирования витков гайки (смещением нагрузки к основанию витков гайки) и должно быть учтено при проектировании и изготов­ лении соединений литых, кованых или штампованных корпусов из пластичных и, как правило, малопрочных низкоуглеродистых сталей (например, соединения кор­

(смятия), которое нередко сопровождается выламыванием витков одной из дета­ лей *. Несущая способность соединений в таком случае значительно выше, чем при разрушении от среза витков шпильки. Отсюда следует важный практический вывод о том, что для более полного использования механических характеристик гаек (корпусных деталей) необходимо применять болты (шпильки) из более проч­ ного материала, желательно, чтобы о-е б -:> 1,3аа г .

При а„б > 2,0а„г соединения разрушаются, как правило, от среза витков гайки и имеют наибольшую прочность (см. кривая / на рис. 151, а). На рис. 152 показана схема деформаций витков соединения при ступенчатом нагружении до разруше­ ния (рисунки шлифов). Графики на этом рисунке иллюстрируют изменение отно­ сительной деформации соединения (по резьбовой части). Они показывают, что небольшие пластические деформации в резьбе появляются уже при напряжениях, составляющих 40% от разрушающих. Интенсивный рост пластических деформаций начинается при напряжениях а = (0,7-г-0,9)ав , a разрушение соединений носит

* Д л я соединений с большими диаметрами резьбы (d > 24 мм) наблюдалось одно­ временное выламывание витков болта и гайки в результате пластического изгиба .

137

S)

Рис. 152. Деформации витков при ступенчатом нагружении соединений стальных болтов М16 (оа = 88 кгс/мм2) с гайками из:

«взрывной» характер и сопровождается повышением температуры в соединении (до 60° С).

Если стальные шпильки свинчены с корпусами из легких материалов (алюми­ ниевых и магниевых сплавов), то несущая способность резьбы таких соединений также возрастает при увеличении прочности материала шпилек.

5.ПРЕДЕЛЬНОЕ ПЛАСТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ЦЕПНОЙ СРЕЗ ВИТКОВ РЕЗЬБЫ. ЭФФЕКТИВНАЯ ДЛИНА СВИНЧИВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ

Опасность среза витков возрастает для мелких резьб в соединениях с высо­ копрочными стальными болтами и корпусами (гайками) из сталей, а также лег­ ких материалов и пластмасс.

Между тем, в авиа- и автостроении мелкие резьбы признаются целесооб­

площадь стержня болта увеличивается и, как следствие, возрастает его проч­ ность. Резьбы с мелким шагом с отношением -^- > 15 широко применяют в аппа­ ратах высокого давления, где сосуды соединяют шпильками (болтами) с резьбой d^:120 мм при максимальном предусмотренном ГОСТом шаге резьбы S — 6 мм.

Исследования авторов показали, что при увеличении отношения -^- свыше 14

для стальных соединений и соединений стальных шпилек с деталями из алюми­ ниевых и магниевых сплавов условие равнопрочности стержня шпильки на раз­ рыв и витков резьбы на срез обеспечить не удается (см. кривую 1 на рис. 150 и рис. 153). При этом, начиная с некоторой длины свинчивания — предельной,

139