Стержни высокопрочных болтов и шпилек при статических нагрузках

В резьбовой части стержня болта (шпильки) осевые напряжения растяжения неравномерно распределены по площади поперечного сечения, причем наибольшая их концентрация отмечается во впадинах резьбы.

Несостоятельность метода расчета нагрузки на резьбовые крепежные изделия на основе наибольших напряжений
Однако при расчете прочности в условиях статического нагружения не следует брать за основу наибольшие напряжения. Результаты опытов показали, что эти местные пики напряжений не оказывают существенного влияния на прочность стержня, то есть его способность противостоять действию растягивающих нагрузок. Существуют несколько гипотез для истолкования этого факта, впервые изученного на образцах с надрезом.

Напряжения поперёк болта или шпильки
В резьбовой части стержня наряду с осевыми действуют напряжения растяжения, направленные поперек болта, в результате чего образуется объемное напряженное состояние. Это затрудняет развитие пластических деформаций и увеличивает прочность стержня. Отметим, что поверхность впадин резьбы находится в условиях двухосного растяжения.

Наблюдается противоположное влияние двух факторов:

неравномерность распределения напряжений снижает прочность стержня,
объемность напряженного состояния вызывает повышение прочности.
Чем пластичнее материал, тем в большей степени сказывается влияние второго фактора. Малопластичные материалы (титановые сплавы, чугун и пр.) весьма чувствительны к концентрации напряжений; их несущая способность может снижаться (в отличие от пластичных материалов) даже при статических нагрузках.

Вычисление предела прочности болтов и шпилек
Следует отметить, что при малоцикловых испытаниях (200..1000 циклов) влияние концентрации напряжений сказывается заметнее.

При вычислении предела прочности разрушающую нагрузку обычно относят к площади резьбовой части стержня, соответствующей внутреннему диаметру резьбы. Предел прочности резьбового стержня в таком случае

σ’в = 4F/(πd21). (1)

Результаты испытаний болтов из разных материалов (за исключением малопластичных сталей, термически обработанных на очень высокую прочность) показали, что

σ’в>σв,

где σв — предел прочности гладкого образца. Под величиной σв понимается отношение наибольшей нагрузки при разрыве к начальной площади гладкого образца.

В стандартах ряда стран, а также в ГОСТ 1759—87 для болтов в качестве расчетной используют площадь, отнесенную к диаметру, равному половине суммы среднего и внутреннего диаметров резьбы:

As =π(d1+d2)2/16.

В этом случае предел прочности резьбового стержня

σв* =F/As; (2)

отношение

σ’в/σв*= 1/4(1+d2/d1)2.

Например, для резьбы М10 при d2/d1 = 1,14, σ’в/σв= 1,15.

Видно также, что малопластичные материалы (например, титановые сплавы) чувствительны к концентрации напряжений даже при статических нагрузках.

При расчете прочности шпильки или болта следует обратить внимание на прочность переходной части от резьбы. Для повышения сопротивления усталости переходную часть иногда выполняют в виде проточки. Если наименьший диаметр проточки равен dп, то разрушающая сила (по проточке)

F = κσвπdп/4,

где κ — коэффициент упрочнения.

Для проточки в виде полукруглой канавки можно принять κ= σ’в/σв; для проточки, имеющей цилиндрический участок, —κ= 1.

В числителе и знаменателе приведены значения F при наличии соответственно сбега и проточки. Следует отметить, что в первом случае разрушение происходило всегда по резьбе, во втором — по проточке.

Высокопрочные крепежные изделия
Высокопрочные болты и шпильки
Высокопрочные болты из легированных сталей, термически обработанные на предел прочности σв = 1200 … 2100 МПа, позволяют уменьшить габариты резьбового соединения. Для таких болтов проводят специальную термическую обработку, устанавливая за ней тщательный контроль.

Снижения водородной хрупкости и уменьшения влияния дефектов поверхности достигают полированием и кадмированием.

Болты из высокопрочной конструкционной стали условно подразделяют на высокопрочные и сверхвысокопрочные.

Высокопрочные болты с σв= 1100 … 1600 МПа предназначены для восприятия больших осевых нагрузок. Их устанавливают в отверстия корпусных деталей с зазором, затягивая до напряжения затяжки σ0 = 0,7 … 0,8) σт. Высокопрочные болты с σв = 1100 … 1400 МПа применяют в ответственных соединениях, работающих при значительных переменных нагрузках и в условиях повышенной (до 400 °С) температуры. Болты из стали с σв = 1400 … 1600 МПа широко используют в металлоконструкциях, где требуется создание больших усилий затяжки взамен заклепочных соединений.

Свервысокопрочные шпильки и болты
Сверхвысокопрочные болты с σв = 1800 … 2100 МПа работают, главным образом, на срез. Допускаются кратковременные напряжения растяжения (максимальные), но, как правило, не более 1000 МПа, напряжения от затяжки — не более 400 МПа.

Заключение
Высокопрочные и сверхвысокопрочные крепежные изделия призваны отвечать самым высоким требованиям надёжности при эксплуатации, например, в составе соединений фланцев ответственного назначения. Экстремальные условия нагрузок на крепеж встречаются на технологических трубопроводах объектов энергетики, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности и техники.

Комментарии запрещены.