5.1 Цель работы

Проведение теоретического исследования предельной несущей способности заклепочных соединений и экспериментального изучения распределения напряжений в заклепочном шве швах.

5.2 Задачи исследований

1. Изучение конструктивных исполнений и теоретических основ расчета заклепочных соединений.

2. Проведение расчета предельных нагрузок заклепочных соединений для наиболее распространенных случаев нагружения.

3. Знакомство с принципом работы экспериментальной установки и методикой измерения силовых параметров.

4. Экспериментальное определение напряжений в различных точках заклепочного шва.

5. Проведение сравнительного анализа теоретических и экспериментальных результатов.

6. Формирование отчета и выводы по результатам работы.

5.3 Ключевые слова и понятия

Соединения, силовое замыкание, неразъемные соединения, заклепка, нагрузочная способность.

5.4 Объект исследования и оборудование

Универсальная лабораторная установка «Механические соединения», набор гаечных ключей. Контрольно-измерительная система: персональный компьютер (Windows 2000/NT/XP, LabVIEW, APM WinMachine), датчики измерения усилий и напряжений.

5.5 Теоретическая часть

Заклепочное соединение относится к неразъемным. Детали крепятся посредством стержня с головками на концах (заклепкой). Первоначально одна из головок отсутствует, и заклепка свободно вставляется в отверстие, предварительно просверленное в соединяемых деталях. После расклепывания выступающего конца стержня происходит плотное прижатие деталей друг к другу. Заклепки позволяют создать прочное компактное соединение двух и более деталей, выполненных из любых материалов. Соединение обладает хорошей стабильностью свойств. К недостаткам относятся высокая трудоемкость сборки: все отверстия в деталях должны выполняться в сборе, необходимо клепальное оборудование. При этом большое число отверстий под заклепки ослабляет конструкцию и создает значительную концентрацию напряжений.

Различают следующие виды заклепок:

• стержневые с полукруглыми (рисунок 5.1а), потайными и полупотайными головками, применяемые для силовых соединений. В зависимости от условий работы возможно выполнение “прочного” соединения (в силовых конструкциях, например, рамах), либо “прочноплотного” соединения (восприятие внешних усилий и обеспечение герметичности соединения, например, в резервуарах);

• пистонные (рисунок 5.1б), применяемые для крепления мягких материалов;

• трубчатые и полутрубчатые (рисунок 5.1в), применяемые для слабонагруженных соединений;

• закладные, в которых головка формируется пуансоном (например, рисунок 5.1г) либо иным способом, не требующим доступа к заклепке одновременно с двух сторон;

• специальные виды заклепок.

Рисунок 5.1 – Виды заклепочных соединений

По конструктивному решению соединение может быть выполнено внахлестку (рисунок 5.2а) и встык с использованием одной или двух накладок (рисунок 5.2б).

Заклепки в соединении, как правило, устанавливаются группами по несколько заклепок, образуя при этом заклепочные швы, выполненные внахлест. Количество и размеры заклепок определяются расчетом, однако на практике диаметр заклепки d рекомендуют принимать не менее 10 мм.

Заклепочное соединение предпочтительно нагружать сдвигающей нагрузкой. В этом случае возможными отказами являются сдвиг соединяемых деталей вследствие недостаточности создаваемых сил трения, срез заклепки, либо обмятие ее боковых поверхностей (обычно материал заклепки пластичнее материала соединяемых деталей). При соединении деталей из менее прочного материала возможно разрушение самих деталей.

Материал заклепок должен быть достаточно пластичным для обеспечения возможности формирования головок. Заклепки изготавливают из алюминиевых сплавов, сталей, латуни, меди и сплавов на их основе.

Рисунок 5.2 – Конструкции заклепочных соединений

В соответствии с обычными условиями работы заклепочных соединений основными нагрузками для них являются продольные силы, стремящиеся сдвинуть соединяемые детали одну относительно другой. При нагружении прочного соединения нагрузка сначала воспринимается силами трения, затем в работе начинает принимать участие тело заклепки, подвергаясь смятию, изгибу и сдвигу. В прочноплотном соединении необходимо, чтобы вся внешняя нагрузка во избежание местных сдвигов (нарушения герметичности) воспринималась только силами трения. Таким образом, заклепки прочных соединений рассчитываются на срез и на смятие, а заклепки прочноплотных соединений только на срез.

При центрально действующей нагрузке F расчетная сила, отнесенная к одной заклепке

, (5.1)

где z – количество заклепок.

При более сложных случаях нагружения (изгибающий момент) силу, отнесенную к одной заклепке, находят по общим правилам статической механики.

Рисунок 5.3 – Расчетная схема заклепочного соединения

Нарушение работоспособности заклепочного соединения может происходить в случае среза или смятия тела заклепки, либо в случае разрыва стержней, соединяемых заклепками.

Допустимая нагрузка заклепочного соединения из условия прочности заклепки на срез

, (5.2)

где d – диаметр стержня заклепки; []_ср – допускаемое напряжение заклепки на срез, для стали рекомендуют , здесь– предел прочности материала (временное сопротивление растяжению – сжатию);i – число срезов (для соединения на рисунке 3а – i=1, на рисунке 3б – i=2).

Допустимая нагрузка заклепочного соединения из условия прочности заклепки на смятие

, (5.3)

где s – толщина самой тонкой из соединяемых деталей; []_см – допускаемое напряжение заклепки на смятие, для стали рекомендуют .

Допустимая нагрузка заклепочного соединения из условия прочности соединяемых пластин на разрыв

(5.4)

где – поперечная площадь соединяемой детали с вычетом площадей сверлений под заклепки; []_разр – допускаемое напряжение материала детали на растяжение, для стали рекомендуют , здесь– предел текучести.

Модельное заклепочное соединение в экспериментальной установки представляет собой заклепочный шов, который находится вдоль действия внешней силы и каждая заклепка имеет 2 плоскости среза. Внешняя нагрузка F стремится сдвинуть соединяемые пластины друг относительно друга. Материал соединяемых пластин – сталь 35, МПа; материал заклепок – сталь 3,МПа.

Если бы соединяемые детали были выполнены из абсолютно жесткого материала, усилия распределялись бы между заклепками равномерно. В действительности, вследствие упругой деформации пластин, характер распределения усилий получается более сложным.

Усилие в i-ой заклепке

, (5.5)

где и– усилия в соседних участках пластины справа и слева от рассматриваемой заклепки.

При этом пренебрегают силами трения, которые имеют место в соединениях при относительном сдвиге скрепляемых пластин.

В пластинах I и II они уменьшаются к центру заклепочного соединения и на свободных концах усилия становятся равными нулю. В накладке III усилия возрастают от краев к центру до значения силы F/2, так как заклепочное соединение имеет две накладки. То есть, если бы была одна накладка, тогда бы усилия в ней к центру достигали бы значения силы F.

Так, например, на участке пластины I между 2-ой и 3-ей заклепкой действует усилие

. (5.6)

На сопряженном ему участке накладки III

. (5.7)

При этом

. (5.8)

Величины деформации рассматриваемых участков соответственно равны

и , (5.9)

где t – шаг заклепок; E – модуль упругости материала соединяемых пластин; ,– площади неослабленных сечений соединяемых пластин на рассматриваемом участке, для модельного заклепочного соединения в экспериментальной установки.

Как видно из уравнений (5.9), участки пластин I и III, расположенные между соседними заклепками имеют неодинаковые деформации. В силу указанных причин шаги соседних отверстий становятся неодинаковыми, что вызывает различную деформацию заклепок, соединяющих пластину. Сила, передаваемая каждой заклепкой, определяется величиной суммарной деформации – δ_i (изгиб, сдвиг и смятие стержня заклепки, смятие стенок отверстия)

, (5.10)

где C – жесткость соединения. расчетная жесткость исследуемого заклепочного соединения Н/м.

Очевидно, что с увеличением разности упругих деформаций сопряженных участков соединяемых пластин должна увеличиваться и разность шагов отверстий на этих участках, что, в свою очередь, вызовет увеличение деформации заклепки и, следовательно, передаваемой ею силы. Разность упругих деформаций будет наибольшей на краях рассматриваемого соединения и наименьшей в средней его части. Поэтому и усилия, передаваемые заклепками, будут неодинаковыми.

Рисунок 5.4 – Характер распределения нагрузок

в заклепочном соединении в стык с накладками