Рис. 461. Влияние нагрева на параметры соединения

аЬ и сжатия be исходного соединения раздвигают на отрезок сс = <?,. Треугольник аЬс изображает состояние системы после нагрева. Далее построение ведут по предыдущему.

Силы затяжки, растяжения и сжатия при нагреве

Рзат ~ Рзат + Pf» Рраст - Рраст + Р( Рсж ~ Рсж + Pf.

Коэффициент затяжки Э = Э + РРраЪ, где Э - коэффициент затяжки в холодном состоянии.

Коэффициенты асимметрии циклов после нагрева возрастают:

PiaT Рзат + Pi

Рраст

г+Р,

Рзаг Рзат Pt

При охлаждении до минусовых температур термическая сила становится отрицательной, и силы Рза , Рраст и Рсж уменьшаются, т. е. соединение становится ослабленным.

Пример. Корпус из алюминиевого сплава {£j = = 7,5-10* МПа; а = 23-10<- 1/°С; р2 = бт мм), стягиваемый стальными болтами {E = 21 10* МПа; а, = И 10~« 1/°С; f, = 1100 мм% подвергается действию силы Рраб = 100 кН. Коэффициенты жесткости Xi = £,.1, = 2,3 10* Н: = £22 = 4,6 10" Н; фактор жесткости Х,/>.2 = 0,5. Коэффипиент затяжки 8 = 1. При работе соединение нагревается до 80 "С; температура болтов и корпуса одинакова. Температура сборки 20°С.

Температурный натяг по формуле (97) е, = = (80 - 20)(23-ll)lU" = 7,2-10-*. •

Термическая сила по формуле (96)

7,2-10"* 10 Р = ~-j-=110 КН.

2.3 4,6

Параметры соединения до и после нагрева приведены ниже.

Предположим теперь, что соединение подвергается охлаждению до - 30 "С (разность температур сборки и охлаждения 20-1-30 = 50°С). Тогда

Р, = -50-12-10

-6 2.3-10° 1,5

-92 кН.

Сила сжатия становится равной Рж = Рсж +Pi =

= 100- 92 = 8 кН, т. е. снижается до -100 =8 % первоначального значения.

Этот пример показывает, что для машин, эксплуатируемых на открытом воздухе, обязательна проверка на ослабление соединения при минусовых температурах.

Из формулы (96) следует, что термическая сила снижается с увеличением податливости болтов (уменьщение X,,) и корпуса (уменьшение Xj). При Xi = О или Хг = О величина Р, = 0. Однако возможности маневрирования этими параметрами ограничены, так как уменьшение X, вызывает повышение напряжений в болтах, а уменьшение Xj - в корпусах.

Действенным средством снижения термических сил является установка на болтах или корпусах упругих элементов. Установка упругих элементов на болтах и корпусах одинаково эффективна, но конструктивно проще устанавливать упругие элементы на болтах. В некоторых случаях задача решается гофрированием корпуса (см. рис. 459).

При установке упругих элементов на болтах термическая сила снижается в отношении

1 1

Ft X, Х2 l-l-Xj/Xj

+ XJX2

Рис. 462. Отиошеиие /-2 " зависимости от

Xj/Xj н и

•где X? - коэффициент жесткости болтов с упругими элементами; X, и Xj - исходные коэффициенты жесткости.

Коэффициент жесткости X*,, необходимый для получения заданного значения и,

(99)

1+(1-«)

Отношение /Xj приведено на рис. 462 в функции Xj/Xj и п.

Пример. Пусть X, = 610Н (£, = 21 10* МПа; f, = 290 мм); Xj = 12-10 Н {£j = 7,5-10* МПа; /-2 = 1600 мм); Рраб = 25000 Н; 9=1. Длина болта I = 200 мм. Термический натяг по-прежнему е, = = 7,2 10-".

Термическая сила

7,210-*-610

»30 кН.

Параметры соединения до и после нагрева приведены ниже.

Таким образом, напряжения в болтах при нагреве 275

повышаются в = 1,6 раза, а напряжения в кор-

пусе в -= 1,7 раза.

Снизим термическую силу в 5 раз (Р, = 6 кН) путем установки упругих элементов на болтах. Необходимый коэффициент жесткости Х\ болтов с упругими элементами определяем по рис. 462 или по формуле (94);

ХТ = --ттгт-:-=8-10 Н.

7,2-10-* 6000

12-10

Новое значение фактора жесткости 810 Х, ~ 12-10

= 0.075.

Сила затяжки в холодном соединении с упругими элементами

зат Рраб

fs-h--*----48 кН.

\ 1 + 0,075 /

Параметры соединения до и после нагрева приведены ниже.

Как видно, при нагреве соединения с упругими элементами напряжения в болтах повышаются толь-190 - 170

ко на---100= 12% по сравнению с напряжениями в холодном соединении без упругих элементов.

Необходимый коэффициент жесткости Xj упругого элемента определяем по формуле (94). Принимая 1э/1 = 0,1, находим

х. = -

= 1,06-10 и.

Xf X, 8-10» 6-10

Относительная деформация сжатия элемента при нагреве

6000

1,06-IC

= 0,0057.

Абсолютная деформация (при 1 = 20 мм) / = = 0,0057-20 = 0,114 мм.

Полная свободная деформация элемента при сжатии от нуля до Pjj.f = 54 кН

54000

= 0,05.

К, 1,06-Ю* Абсолютная деформация /э = 1э = 0,05 • 20 = = 1 мм.

С запасом на колебания силы затяжки и термической силы принимаем /,= 1,5 мм.

Таким образом, установка элементов достаточной упругости позволяет почти полностью устранить влияние термических сил и сделать соединение практически температур онезави-симым в широком диапазоне плюсовых и минусовых температур.

Релаксация

Стяжные соединения (особенно работающие при повышенных температурах) с течением времени ослабевают вследствие медленно развивающейся пластической деформации болтов (а иногда и стягиваемых деталей) под длительным воздействием напряжений, значительно меньших предела текучести материала при однократной и кратковременной нагрузке. Это явление называют релаксацией (ослаблением).

Обычное определение релаксации как «самопроизвольного изменения во времени напряжений при неизменной деформации» неверно. Релаксация всегда сопровождается возникновением пласти1еских деформаций, которые и являются ее первопричиной. Правильно говорить о явлении холодной ползучести металлов, аналогичном явлению ползучести при высоких температурах, с тем различием, что деформации при холодной ползучести развиваются медленнее и имеют меньшее значение.

Проследим процесс релаксации на примере стяжки болтом корпусной детали. Предположим сначала, что корпус абсолютно жесткий. С течением времени болт пластически вытягивается. Первоначальная, созданная предвари-

тельной затяжкой относительная упругая деформация Ле болта уменьшается на относительную пластическую деформацию Лпл, и новая упругая деформация становится равной Де = Ле -Лпл- Напряжение в болте снижается в отношении Ле/Ле = 1 - Лп„/Ле, и в том же отношении снижается сила затяжки стыка.

В соединениях с упругими корпусами стягиваемые детали, расправляясь по мере вытяжки болта, продолжают оказывать на болт давление, хотя и уменьшенное по сравнению с первоначальным, вследствие чего процесс релаксации затухает при относительно больших вытяжках, чем в предьщушем случае. В системах с постоянно действующей внешней нагрузкой, статической и, особенно, циклической, процесс релаксации происходит еще интенсивнее и приостанавливается при еще больших вытяжках.

На рис. 463 показана вытяжка образца из аустенитной стали (0,1%С; 23%Сг; 15%Ni; Of) 2 = 480 МПа) в функции продолжительности выдержки под статической растягивающей нагрузкой. Как видно, вытяжка резко возрастает с увеличением напряжения. При а = = 300 МПа ( ~ 0,6сго 2) вытяжка крайне незначительна.

Вытяжка зависит от материала, вида термообработки, характера нагружения и рабочей температуры. Вытяжка при циклическом нагружении больше, чем при статическом Прямой зависимости между ползучестью и показателями прочности материала не наблюдается.

Обычно релаксационную стойкость определяют путем длительной (5 - 10 тыс. ч) вьщерж-ки образцов под напряжением, равным 0,5 - 0,8 предела текучести материала при заданной температуре.

При кольцевом методе применяют образцы в виде колец, профилированных как тело равного сопротивления изгибу, с клино-

ЗОВт мин

Рис. 463. Общая деформация е образца из хромоинкелевой стали после выдержки под растягивающими иапряжеинями а. Температура испытаиня 20 °С (Маттяиг и Шпанхаке)

Рнс. 464. Остаточные напряжения в процентах от первоначального напрнження (Gg = 250 МПа) в функции продолжительности выдержки; температура испытаиня 400 °С

2W ifW 8-10 8-/В т, ч