Болтовые соединения широко используются в машиностроении, строительстве, авиастроении и других отраслях промышленности. От правильности их расчета и изготовления зависит надежность и безопасная эксплуатация различных конструкций и механизмов.
Области применения болтовых соединений
Болтовые соединения применяются:
- В машиностроении для сборки узлов оборудования, соединения отдельных деталей между собой.
- В строительных металлоконструкциях для монтажа ферм, балок, колонн.
По сравнению с другими видами соединений, болтовые отличаются технологичностью изготовления и высокой ремонтопригодностью. Их основной недостаток - относительно невысокая несущая способность по сравнению, например, со сварными соединениями.
Виды нагрузок на болтовое соединение
Основные виды нагрузок, которые испытывает болтовое соединение:
- Работа болтов на срез - усилия, направленные перпендикулярно оси болтов, вызывающие срез поперек оси. Передаются равные силы от одного элемента к другому (см. рисунок).
- Работа на смятие - также поперечная нагрузка, вызывающая смятие и сдавливание материала в зоне контакта болта и детали.
- Работа на растяжение - продольная нагрузка, направленная вдоль оси болта, вызывает растягивающие усилия в стержне.
Далее мы подробно разберем расчет болта на срез, поскольку это наиболее распространенный и ответственный случай работы резьбового соединения.
Материалы для изготовления болтов
Расчет болта на срез неразрывно связан с механическими свойствами материала, из которого он изготовлен. Согласно ГОСТ 7798 к болтам предъявляются следующие требования:
Болты должны изготовляться из стали марок Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп и других, обеспечивающих требуемую прочность резьбового соединения.
Наиболее часто применяемые марки стали для болтов приведены в таблице:
| Марка стали | Предел прочности σв, МПа | Предел текучести σт, МПа |
| Ст3сп | 370 | 240 |
Как видно из таблицы, чем выше характеристики прочности и текучести стали, тем бóльшие нагрузки может выдержать болт до разрушения при прочих равных условиях.
Расчет болта на срез
Расчет болта на срез сводится к определению количества болтов в соединении, необходимого для восприятия заданной внешней нагрузки. Расчет ведется по формуле:
Формула расчета болта на срез:
где:
- N - внешняя расчетная нагрузка
- n - требуемое количество болтов
- τdop - допускаемое напряжение среза материала болтов
- d - диаметр болта
- γс - коэффициент условий работы (0,9)
Таким образом, зная допустимое напряжение для материала болтов и их диаметр, можно легко рассчитать нужное количество болтов в конструкции для обеспечения ее прочности и надежности при заданных нагрузках.
Пример расчета болта М16 на срез
Для наглядности приведем численный пример расчета срез болта М16 из стали 40X при следующих исходных данных:
- Расчетная нагрузка N = 50 кН
- Требуемое количество болтов n = ?
- Допускаемое напряжение среза τdop = 100 МПа
Подставляя значения в формулу, получаем:
Таким образом, для данной нагрузки требуется установить не менее 12 болтов М16. Далее необходимы проверочные расчеты их прочности.
Коэффициент запаса прочности соединения
Помимо расчета по несущей способности, в ГОСТ 7798 регламентировано введение коэффициента запаса прочности γ. Этот коэффициент позволяет учесть различные отклонения в изготовлении, неточности расчетных схем и методов.
Рекомендуемые значения коэффициента запаса:
- Для соединений ответственного назначения γ = 2-3;
- Для менее ответственных соединений γ = 1,5-2.
Повысить запас прочности можно также увеличением площади поперечного сечения болта, назначением большего количества болтов в соединении и т.д.
Типовые ошибки при расчете болтов на срез
К типовым ошибкам при расчете относятся:
- Неверный учет схемы нагружения, что ведет к неправильному определению расчетных усилий;
- Неучтенные потери предварительного натяга в процессе эксплуатации;
- Ошибки при подборе материала, его механических характеристик и класса прочности.
Контроль качества затяжки болтов
Важнейшим этапом является качественная затяжка болтов в соединении при монтаже с заданным моментом. Контроль осуществляется с помощью:
- Динамометрических ключей;
- Индикаторных гаечных ключей;
- Приборов ультразвукового контроля.
Расчет болтового соединения по действующим нормам
При проектировании и расчете болтовых соединений обязательно руководствуются действующими нормативными документами, такими как:
- СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции";
- СП 35.13330.2011 "Мосты и трубы";
- СП 53-101-98 "Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций".
В этих документах приведены необходимые коэффициенты, формулы и рекомендации для расчета прочности и выбора болтов в зависимости от типа конструкции и условий ее эксплуатации.
Влияние сил трения в резьбовом соединении
Помимо срезающего усилия, на болт действуют силы трения, возникающие в результате затяжки соединения с определенным крутящим моментом. Эти силы также передают часть внешней нагрузки и снижают ее долю, воспринимаемую непосредственно на срез болта.
Конструктивные способы повышения несущей способности
Для увеличения прочности болтового соединения применяют следующие конструктивные решения:
- Установка прокладок для увеличения площади опоры;
- Использование более прочных и износостойких материалов;
- Рациональный выбор длины болта и глубины его заделки в детали.
Прогноз методов расчета болтовых соединений
В перспективе ожидается внедрение более совершенных численных методов расчета с использованием моделирования методом конечных элементов. Это позволит более достоверно учитывать реальную картину напряженно-деформированного состояния в зоне контакта и резьбовом соединении.
Анализ результатов проверочных расчетов
После выполнения расчета количества болтов в соединении на следующем этапе проводят проверочные расчеты каждого болта на срез и смятие. Полученные значения напряжений сравнивают с допускаемыми по нормативным документам.
Возможны следующие ситуации:
- Фактические напряжения меньше допустимых - прочность обеспечена;
- Фактические напряжения больше допустимых:
- Увеличивают диаметр или класс прочности болтов; Устанавливают дополнительные болты; Изменяют конструкцию узла.
Корректировка расчетной схемы
Если результаты расчетов показывают недостаточную несущую способность соединения, рассматривают вопрос о корректировке расчетной схемы и уточнении сил, действующих на болты.
Расчет болтовых групп
Для повышения равномерности распределения нагрузки рекомендуется объединять болты в болтовые группы и вести расчет по суммарной несущей способности групп.
Коэффициенты условий работы
На этапах расчета необходимо корректное применение коэффициентов условий работы (надежности), которые учитывают возможное ослабление соединения при эксплуатации.
Особенности расчета высокопрочных болтов
При использовании высокопрочных болтов расчет имеет свои особенности. Это связано, в первую очередь, с передачей части нагрузки за счет сил трения по контактным поверхностям.
Учет сил трения в высокопрочных болтах
При расчете на срез используется формула, учитывающая коэффициент трения и снижающая расчетные усилия, воспринимаемые на срез.
Расчет предварительного натяга
Для высокопрочных болтов ведется расчет необходимой силы затяжки, создающей предварительное обжатие деталей и обеспечивающей трение. Затяжка производится по углу поворота гайки или с помощью динамометрических ключей.
Контроль натяжения
Контроль фактического усилия затяжки производится специальными приборами, измеряющими либо угол поворота, либо непосредственно силу в болтах. Это необходимо для подтверждения соответствия нормам.
Применение расчетов на ЭВМ
Расчет болтовых соединений может проводиться на современных вычислительных комплексах с использованием метода конечных элементов. Такой подход дает более точную и достоверную картину напряженно-деформированного состояния элементов соединений.
