ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Малоцикловая прочность резьбовых соединений из "Прочность конструкций при малоцикловом нагружении " В современных конструкциях сосудов высокого давления, энергетических установках, летательных аппаратах, судовых исполнительных механизмах, строительных конструкциях широко применяются резьбовые соединения, работающие в условиях переменного механического и теплового воздействия. Из-за ограничений по компоновке, габаритам и весу конструкций дополнительное увеличение размеров этих соединений во многих случаях не представляется возможным. Такие конструктивные ограничения, а также условия внешнего нагружения могут в определенных случаях приводить к упругопластическому циклическому деформированию резьбовых соединений с последующим их выходом из строя при малом числе циклов нагружения. От несущей способности таких соединений зависит надежность не только узла, но и установки в целом. В связи с ростом рабочих параметров конструкций увеличились и размеры применяемых в них резьбовых соединений, диаметры которых зачастую теперь достигают значений 150—200 мм. Разъемные резьбовые соединения (рис. 10.1) можно условно разделить на две группы крепежные соединения (шпилечные, болтовые — рис. 10.1, я, 6) и резьбовые соединительные элементы (соединения тяг, штоков и труб — рис. 10.1, в). [c.191] Крепежные резьбовые соединения являются разъемными, скрепляющими между собой отдельные детали и узлы машин и установок, обеспечивая надежное их соединение, герметичность и т. д. В процессе сборки такие соединения получают предварительное монтажное усилие (затяг), обеспечивающее иераскрытие стыка. Дальнейшее циклическое нагружение болта (шпильки) обусловливается режимом работы конструкций и нщсткостью скрепляемой системы. Оптимальные режимы работы таких соединений осуществляются при больших значениях уровней напряжений предварительной затяжки. В связи с этим крепежные соединения работают в условиях только положительных значений коэффициента асимметрии нагрузки. [c.191] Резьбовые крепежные и соединительные элементы в основном воспринимают осевые нагрузки. Из-за погрешностей изготовления сопрягаемых деталей резьбовых соединений и скрепляемых ими деталей (перекос резьбы, опорных поверхностей, несоосность деталей сборки) уже в процессе монтажа (технологические перекосы) резьбовые элементы, кроме осевых усилий, могут также воспринимать изгибные доля последних может возрастать в процессе нагружения конструкций из-за поворота опорных плоскостей (эксплуатационные перекосы). Поворот опорных плоскостей происходит из-за упругих деформаций скрепляемых деталей, возникающих при приложении к ним усилий и деформаций элементов присоединения. [c.192] В проведенных исследованиях реализовывались все виды разрушения (рис. 10.2). Так, по гладкой части разрушались шпильки из стали 10Х11Н23ТЗМР (рис. 10.2, а). Зарождение и дальнейшее развитие усталостной трещины в этих шпильках происходили по месту клеймения (электроискровым карандашом). Разрушение по проточке или переходной части происходило в случае нарушения геометрии сопряжения или радиуса перехода, нарушении технологии изготовления (рис. 10.2, б). В зоне сопряжения резьб для соединений, имеющих крупные шаги (рис. 10.2, в), разрушение происходит от усталостных трещин, развивающихся по поперечному сечению шпильки (чаще всего по первому витку, находящемуся в сопряжении с гайкой, считая от ее опорной поверхности). Разрушение резьбы от циклического среза наблюдается у соединений, изготовленных из материалов, имеющих низкие значения характеристик прочности, а также в связи с уменьшением шага резьбы (рис. 10.2, г). [c.193] В процессе монтажа повреждения могут вноситься за счет превышения прикладываемого осевого усилия или крутящего момента над требуемыми по условиям затяги. Анализ разрушений шпилек в тепловой энергетике показал, что разрушения имели место из-за превышения усилий затяга как при посадке шпилек в корпусе, так и при завинчивании гаек [4]. [c.194] Возможное ослабление затяга в процессе эксплуатации конструкции может привести к разгерметизации конструкции и раскрытию стыка. Ослабление усилия затяга приводит к увеличению доли переменной составляющей нагрузки, возникновению ударного нагружения шпильки при раскрытии стыка и ее разрушению. [c.194] В зависимости от характера эксплуатационных повреждений осуществляются различные мероприятия по обеспечению работоспособности резьбовых соединений (дополнительный затяг, замена поврежденных шпилек и т. д.). [c.194] Учитывая конструктивные требования и ограничения, характер нагруженности и условия эксплуатации, приводящие часто к условиям малоцик.лового деформирования, для изготовления резьбовых соединений и промежуточных деталей (шайбы) применяют специальные стали, выплавляемые в мартеновских печах, электропечах, а также методами электрошлакового вакуумно-дугового переплава. [c.194] В зависимости от степени ответственности и условий эксплуатации устанавливаются соответствующие группы качества элементов резьбовых соединений, виды и объем контроля, перечень сдаточных характеристик, состояние на разных стадиях изготовления. [c.194] В связи с более широким применением гибких световодов в конструкциях эндоскопов возможно их размещение в охватывающей детали для обнаружения трещин в резьбе шпильки. Применение обзорно-поискового волоконно-оптического устройства может позволить осуществить измерение параметров изображения. Однака и практике диагностики резьбовых соединений этот метод еще не волучил широкого применения. [c.195] Для обнаружения трещин в резьбовых участках шпилек, болтов, штоков также применяют феррозондовые дефектоскопы, позволяющие контролировать резьбы с шагом резьбы 2—12 мм диаметром резьбы более 25 мм. Наименьшие размеры выявляемых трещин по глубине 1,0 мм, по длине 20 мм [6]. [c.195] Метод магнитопорошковой дефектоскопии (с использованием порошков Люмагнор) позволяет получать достаточно точные результаты по длине трещины даже на резьбах меньше М12 (при применении суспензии с пониженной концентрацией порошка). Достаточно сложная технология контроля при применении магнитно-люминесцентных порошков не позволяет ее использовать для крупных шпилек и резьбовых концов штоков в связи со сложностью их демонтажа [5]. [c.195] Выполняя свою основную функцию по обеспечению плотности стыка, его герметичности и жесткости (резьбовые крепежные соединения) и по передаче осевых усилий (резьбовые соединительные элементы), резьбовые соединения должны обеспечивать надежную и безопасную эксплуатацию конструкции в целом. На стадии проектирования на первом этапе проводится расчет соединения на статическую прочность. Основная задача этого расчета состоит в обоснованном определении расчетных усилий, действующих на соединение. Для резьбовых соединительных элементов исполнительных механизмов расчетное усилие равно величине усилия передаваемого на рабочие органы. Для крепежных резьбовых сое динений расчетные усилия зависят от взаимодействия усилий пред. [c.195] Величина Р определяется зависимостью Р = ХР х — коэффициент внешней нагрузки, определяемый в зависимости от распределения жесткостей деталей соединения). Вопросы определения коэффициента внешней нагрузки подробно рассмотрены в [1]. Условия малоциклового деформирования резьбовых соединений не вносят каких-либо специфичных особенностей в методику определения 7, так как упругопластическое деформирование витков резьбы (при упругом деформировании сравнительно длинной гладкой части стержня) несущественно влияет на величину податливости шпильки П1. В правильно сконструированном соединении в процессе его нагружения, несмотря на ослабление затяга, вызываемого местными пластическими деформациями на сопрягаемых поверхностях, явлениями релаксации напряжений, не должно нарушаться условие герметичности узла и не должно происходить раскрытие стыка. [c.196] Определение коэффициента внешней нагрузки х проводят с использованием аналитических зависимостей. Для сложных конструктивных форм стягиваемых деталей (уплотняющие и герметизирующие кольца и др.) вместе с аналитическим расчетом проводят определение деформаций элементов систел1ы экспериментальным путем. Величина % также зависит от конструктивного исполнения и технологии изготовления элементов резьбового соединения, так как смещение места приложения внешней силы может существенно изменить величину коэффициента внешней нагрузки, которая для оптимально сконструированного соединения изменяется в диапазоне 0,2—0,3. [c.196] Ранее в работе [1] предлагалось принимать = 1,57, однако в дальнейшем на основании работы [7] предложено уменьшить/ 1 до значения 1,1, что хорошо соответствует данным теоретического и экспериментального анализа, проведенного в [8]. [c.198] В работе [1] показано, что при изменении диаметра резьбы от 6 до 14 мм коэффициент уменьшается от 1 до 0,65. По данным [9], при изменении диаметра от 16 до 80 мм е меняется от 1 до 0,5. При дальнейшем увеличении диаметра до 200 мм значение е может снизиться до 0,4. Коэффициент конструктивного упрочнения (3(г зависит от типа соединения и принимается для соединений шпилька—гайка (гайка нормальной высоты) равным 1,0, а для соединений типа стяжки — 1,5—1,6. Коэффициент технологического упрочнения Рт принимается равным 1 для соединений с нарезанной резьбой и 1,2—1,3 для соединений с накатанной резьбой. [c.198] В приведенных выше формулах (10.1)—(10.12) в явном виде не учитываются особенности перераспределения напряжений в связи с образованием и развитием неупругих деформаций в зонах и вне зон концентрации напряжений. [c.199] Расчет на циклическую прочность [11, 12] проводится по амплитудам приведенных условных упругих напряжений цикла Оа) равным половине произведения размаха местной деформации на модуль упругости при расчетной температуре. [c.199] Уравнения (10.19) (10.20), применимы для расчета резьбовых соединений, изготовленных из низколегированных сталей с аь = = 700 -1- 1200 МПа, по критерию разрушения при жестком нагружении для значений коэффициента асимметрии цикла г + 0. Для сталей, имеющих щ = 400 -1- 700 МПа, постоянный коэффициент, равный 1,2, во втором члене правой части уравнений (10.19), (10.20) может быть понижен до 1,1—1,15. [c.201] Вернуться к основной статье