Работа и расчет болтовых соединений

Расчет одноболтовых соединений. В соединениях на болтах с грубой, нормальной и повышенной точностью (с неконтролируемой силой затяжки гайки) сила стягивания пакета болтами неопределенна и в большинстве случаев недостаточна для полного восприятия этих сил. Работу такого соединения можно разбить на четыре этапа (рис.2).

На 1-м этапе, пока силы трения между соединяемыми элементами не преодолены, болты не испытывают сдвигающих усилий и работают только на растяжение, все соединение работает упруго. Так работает сдвиго–устойчивое соединение на высокопрочных болтах. При увеличении внешней сдвигающей силы силы внутреннего трения оказываются преодоленными и наступает 2-й этап – сдвиг всего соединения на величину зазора между поверхностями отверстия и стержня болта. На 3-м этапе сдвигающее усилие в основном передается давлением поверхности на стержень болта. Стержень болта и края отверстия постепенно обминаются, болт изгибается и растягивается, так как головка и гайка препятствуют свободному изгибу стержня. Постепенно силы трения уменьшаются и соединение переходит в 4-й этап работы, характеризующийся его упругопластической работой. Разрушение соединения происходит от среза болта, смятия и выкола одного из соединяемых элементов или отрыва головки болта.

Расчет болтовых соединений ведут исходя из возможного вида разрушения соединения по срезу болта при толстых соединяемых листах или по смятию поверхности отверстия при тонких листах.

Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом на срез,

,

где – расчетное сопротивление материала болта на срез, кН/см²; – площадь сечения стержня болта (по ненарезанной части); n_s – число расчетных срезов одного болта; – коэффициент условия работы соединения;  – коэффициент условия работы конструкции.

Расчет болтового соединения на смятие носит условный характер, так как в местах передачи усилия с болта на соединяемые листы развивается сложнонапряженное состояние (рис.3).

Расчетное усилие, которое может быть воспринято одним болтом по смятию элементов, рассчитывается по формуле

,

где – расчетное сопротивление материала соединяемых элементов на смятие, материал стержня, как правило, имеет большее значение расчетного сопротивления па смятие, чем материал соединяемых элементов; – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; – коэффициент условия работы соединения;  – коэффициент условия работы конструкции.

Если внешняя сила, действующая на соединение, направлена параллельно (рис.4) продольной оси болтов, то они будут работать на растяжение. При статической работе такого соединения качество отверстий и поверхности болта не играет никакой роли, и болты нормальной и повышенной точности работают на растяжение одинаково (их расчетные сопротивления равны). Таким образом, прочность соединения определяется прочностью материала болтов на растяжение.

В соединениях, работающих на растяжение, применяются болты из тех же сталей, что и для соединений, работающих на сдвиг. Усилие, которое может быть воспринято одним болтом, определяют по формуле

,

где – расчетное сопротивление материала стержня болта на растяжение; – коэффициент условия работы соединения;  – коэффициент условия работы конструкции; – площадь сечения болта нетто с учетом нарезки

Расчет многоболтовых соединений. При расчете многоболтовых соединений без контролируемого натяжения коэффициент условия работы соединения  при работе на срез и смятие учитывает качество обработки поверхности отверстия и расположение отверстий для болтов в соединяемых элементах.

Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N, приложенной в центре тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой

,

где N_bmin – наименьшее из значений расчетного усилия (на срез и смятие) для одного болта, вычисленного раннее.

Болты, работающие одновременно на срез и растяжение, проверяют отдельно на срез и на растяжение. Болты, работающие на срез от одновременного действия продольной силы и момента, проверяют на равнодействующее усилие.