Надежность резьбовых соединений

Вопрос о надежности резьбовых соединений обусловлен в основном рассеянием нагрузок, пределом выносливости болтов, разбросом их ударной прочности при низких температурах и недостаточной надежностью многих применяемых средств стопорения. Рассмотрим надежность болтов по критерию прочности при статических и переменных нагрузках.

Расчет резьбовых соединений на надежность может быть сведен к учету рассеяния начальной затяжки и уточненному расчету рассеяния концентрации напряжений. При расчете случайными величинами принимают внешнюю нагрузку, силу начальной затяжки, предел выносливости материала и эффективный коэффициент концентрации напряжений в связи с разбросом радиуса выкружки резьбы.

Напряжения в болте от силы затяжки.

Сильная затяжка повышает надежность работы резьбового соединения, так как при этом увеличивается жесткость стыка и существенно понижается доля переменной нагрузки, приходящейся на болт.

Для обеспечения требуемой затяжки болтов необходимо контролировать силу затяжки. Методы контроля основаны на замере: удлинения болта (шпильки), угла поворота гайки, крутящего момента при затяжке гайки. Первый метод наиболее точен, третий — наиболее распространен вследствие простоты и приспособленности для крупносерийного производства. Контроль в этом случае выполняют с помощью ключа предельного момента, или динамометрического ключа.

Считается, что при затяжке динамометрическим ключом разброс силы затяжки составляет ±(25…30) %, при затяжке на определенный угол поворота гайки — ±15%, при контроле затяжки по деформации тарированной упругой шайбы — ±10%, при контроле удлинения болта — ±(3…5) %. Этим значениям разброса соответствуют приблизительно следующие коэффициенты вариации силы затяжки: 0,09; 0,05; 0,04; 0,02.

Напряжения в болте от внешней нагрузки. В затянутом резьбовом соединении напряжения в болте от внешней нагрузки определяются с учетом того, что лишь х-я часть нагрузки передается на болты. Величина х, называемая коэффициентом основной нагрузки, может быть определена по формуле.

где А. д, Х₆ — податливость болта и деталей.

В рабочем диапазоне внешних нагрузок при достаточных силах затяжки болтов для стальных и чугунных деталей обычно X = 0,2…0,3. Предполагая, что стыки достаточно сильно затянуты и поэтому контактная жесткость мало меняется, можно принимать значение % детерминированной величиной. Отсюда коэффициент вариации номинальных напряжений в болте, обусловленный рассеянием внешней нагрузки, полагаем равным коэффициенту вариации внешней нагрузки.

Коэффициент концентрации в резьбе. Этот коэффициент в первую очередь определяется формой впадины резьбы, которая может быть не указана в чертеже или специально закругленной.

Для ответственных высоко нагруженных соединений при переменных и динамических нагрузках должна применяться резьба с закругленной впадиной. У этой резьбы радиус кривизны впадины не должен быть менее 0,1Я, где Р — шаг резьбы. У болтов с закругленной впадиной в конце их обозначений ставят букву R (например, М12 — 6g— R), где 6g характеризует степень точности резьбы болта. Рассеяние радиуса впадины составляет (0,1 …0,144)Я независимо от степени точности резьбы.

Эффективный коэффициент концентрации в резьбе определяют экспериментально или через теоретический коэффициент концентрации напряжений и коэффициент чувствительности. Теоретический коэффициент концентрации для наиболее распространенного сопряжения болта с гайкой, работающей на сжатие, связан с шагом Р и радиусом выкружки R следующей зависимостью:

Отсюда среднее значение а и коэффициент вариации v_a коэффициента концентрации напряжений.

Подготовленный для метрических резьб, применяемых в авиакосмических конструкциях, проект международного стандарта (документ ИСО) регламентирует радиус впадины в пределах (0,15…0,18)/^>. Болты с резьбой, изготовленной по этому стандарту, имеют повышенный предел выносливости. Для этой резьбы a = 3,70 и v_a = 0,011.

Вероятностный расчет работоспособности и надежности болтового соединения сводится к оценке вероятности р безотказной работы соединения, в простейшем предположении равной произведению Р= Р1Р2Р3 ••• вероятностей безотказной работы по основным критериям: нераскрытию стыка, несдвигаемости стыка, прочности болтов и т. д. Естественно, что число учитываемых критериев определяется в зависимости от их значимости.

Вероятность безотказной работы по критерию нераскрытия стыка р. Эта вероятность соответствует вероятности того, что наименьшее напряжение сжатия в стыке после приложения внешней нагрузки больше нуля.

Для простейшего случая, когда единичное болтовое соединение нагружено центральной отрывающей силой F (величина случайная), вероятность р, определяют из условия.

где г_ж — сила затяжки; р_с — коэффициент, учитывающий возможное ослабление затяжки вследствие обмятая стыков, (З_с = 1,1; 1 — X — множитель, характеризующий долю внешней нагрузки на стык.

Вероятность Р_х безотказной работы определяют по табл. 1.1 в зависимости от квантиля.

где я, — коэффициент запаса нераскрытия стыка по средним нагрузкам,.

F_y", F и v_F —_средние значения и коэффициенты вариации случайных сил F₃" и F соответственно.

Вероятность безотказной работы по критерию несдвигаемости стыка р₂. Вероятность безотказной работы по критерию несдвигаемости стыка р₂ единичного затянутого болтового соединения, нагруженного сдвигающей силой F,

Для определения значения р₂ вычисляют квантиль.

где п₂ — коэффициент запаса несдвигаемости стыка по средним нагрузкам,.

/и v_f-среднее значение и коэффициент вариации коэффициента трения /.