Теория болтового соединения. Закон Гука

Резьбовые соединения используются в промышленности для сборки различной продукции от трубопроводов до тяжелых землеройных машин, кранов, мостов и много другого. Принцип их работы заключается в создании усилия зажима между концами соединения, которое способно выдерживать условия эксплуатации, не расшатываясь.

При правильной затяжке болтов работают их упругие свойства, чтобы обеспечить надлежащую работу, соединения должны вести себя как пружины. Под нагрузкой болт растягивается и стремится вернуться к своей первоначальной длине, что создает сжимающее усилие между составными частями соединения.

Поведение болтов и гаек
Эластичность определяется физическим законом Гука: сила упругости, возникающая при деформации болта, прямо пропорциональна его удлинению. Растяжение болта имеет область упругой деформации и область пластической деформации. Закон Гука действует для области упругой деформации.

При прекращении действия нагрузки  любое удлинение, лежащее в пределах области упругой деформации,  снимается. Чем выше нагрузка, тем больше величина удлинения.   Если нагрузка на болт превышает его допустимую нагрузку (максимальная нагрузка, при которой удлинение болта происходит в пределах области упругой деформации), упругое удлинение переходит в пластическую деформацию, когда вытяжение перестает быть пропорциональным усилию.

При пластической деформации удлинение частично сохраняется после прекращения действия нагрузки. Точка, в которой происходит такое постоянное удлинение, называется пределом текучести. Дальнейшее приложение нагрузки приводит болт в точку, где он начинает разрушаться, и которая называется предел прочности на растяжение (ППР). Если приложить к болту дополнительное усилие в точке ППР, он будет удлиняться пока, в конце концов,  не сломается. Точка, в которой болт ломается, называется пределом текучести при растяжении.

Следует обращать особое внимание на класс прочности применяемых болтов, так как классы прочности различаются в зависимости от области упругой деформации.
     

Предварительная нагрузка
Главная цель болта и гайки – прижимать детали друг к другу с надлежащим усилием для предотвращения расшатывания при эксплуатации. Термин предварительная нагрузка применяется для обозначения нагрузки на болт непосредственно после того, как он был затянут.

Величина предварительной нагрузки (остаточная нагрузка) имеет ключевое значение, так как соединение может разрушиться при слишком высокой, слишком низкой или неравномерной нагрузке на каждый болт.

Неравномерная нагрузка на болты может привести к:

• Избыточной нагрузке на одни болты и недостаточной нагрузке (и расшатыванию) на другие.
• Разрушению прокладки с одной стороны, утечке с другой стороны.

Предварительная нагрузка обычно обусловлена моделью соединения, (см. Надежность болтовых соединений Scholz) обратитесь к вашему  местному представителю за информацией по типам соединений.

1. Болт расшатывается под действием повторяющейся нагрузки от вибрации.
2. Повреждение лицевой поверхности уплотнителя.
3. Отсутствие сжатия.
4. Образование трещин.
5. Искривление края.
6. Деформация болтов.
7. Чрезмерное сжатие прокладки.

Существует два способа затягивания болтов: "Неконтролируемый " и "Контролируемый".

Неконтролируемая затяжка
Использование оборудования и / или операций, которые не могут быть измерены. Предварительная нагрузка на болт и гайку обеспечеивается  с помощью молотка и гаечного ключа или других видов ударных инструментов.

Контролируемая затяжка
Использование калиброванного и измеряемого оборудования, соблюдение предписанных процедур и осуществление операций  обученным персоналом. Существует два основных метода: затяжка динамометрическим инструментом и натяжение болта.

1. Затяжка динамометрическим инструментом – предварительная нагрузка на болт и гайку достигается путем контролируемого использования инструмента.
2. Натяжение болта – предварительная нагрузка на болт и гайке достигается путем  натяжения болта в осевом направлении с использованием инструмента.

Преимущества контролируемой затяжки

Известная, контролируемая и  точная нагрузка на болт
Использование инструментов с регулируемым усилием и применение расчетов для определения требуемых параметров инструмента.

Равномерность нагрузки на болт
Особенно важно для соединений, уплотняемых прокладкой, поскольку для эффективности уплотнителя требуется равномерное сжатие.

Безопасность работы при соблюдении предписанных операций
Устраняется опасность, возможная при ручной неконтролируемой затяжке.  Операторы должны иметь соответствующую подготовку и следовать предписаниям.

Сокращение времени на выполнение операций и повышение производительности
Время выполнения операции сокращается, снижается утомляемость операторов, так как физическая сила заменяется использованием контролируемых инструментов.

Надежные воспроизводимые результаты
Использование калиброванного, проверенного оборудования, соблюдение предписаний и квалифицированные операторы устойчиво воспроизводят известные результаты.

Нужный результат с первого раза
Многие факторы неопределенности, сопровождающие процесс эксплуатации соединений, устраняются благодаря обеспечению надлежащей сборки и затяжки соединения с первого раза.