Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

07.07.2016

Работа клепаных соединений. В работе клепаного соединения, препятствующего сдвигу соединяемых элементов, различают три стадии (рис. III—37).
Первая стадия — упругая работа. При сокращении длины остывающего стержня заклепки последний очень плотно обжимает соединяемые элементы. Начальные растягивающие напряжения в стержне поставленной заклепки доходят до 2000—2200 кг/см2.
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

В момент приложения усилия, стремящегося сдвинуть соединенные элементы один по отношению к другому, между ними возникают силы трения, препятствующие этому сдвигу. До тех пор пока силы трения не преодолены, деформации соединения пропорциональны напряжениям в основном металле, а само соединение работает упруго.
Вторая стадия — упруго-пластическа я работа. После преодоления сил трения происходит сдвиг соединяемых элементов. Величина сдвига зависит от качества клепки и обычно измеряется сотыми долями миллиметра (рис. III—37 — деталь).
После сдвига стержень плотно упирается в стенки отверстия соединяемых элементов и вовлекается непосредственно в работу. На этой стадии усилие передается не только за счет трения между элементами, но и через заклепочный стержень. Деформации нарастают быстрее, что и сказывается на более сильном наклоне кривой σ—ε (рис. III—37). Под влиянием сдвига элементов стержень заклепки начинает сминаться, срезаться, изгибаться и растягиваться (рис. III—38). В прямых углах кромок сдвинутых элементов материал быстро достигает пластического состояния и углы обминаются. Размер сминаемых поверхностей увеличивается, а явление среза теряет свою чистую форму. Изгиб стержня связан с растяжением его, что вызывает более сильное нажатие головок заклепки на все соединение и увеличение сил трения между соприкасающимися поверхностями.
Третья стадия — пластическая работа. Напряжения в стержне заклепки достигли предела текучести, в соединении происходят значительные пластические деформации, сопровождающиеся сдвигом элементов на 2—3 и даже на 5 мм. Для сравнения полезно отметить, что величина сдвига за первую и вторую стадии работы составляет всего лишь 0,1—0,2 мм.
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

Разрушение соединения происходит или от изгиба и растяжения стержня заклепки и отскакивания головки, или от изгиба и среза стержня между соединяемыми элементами. Характер разрушения клепаного соединения зависит от соотношения между диаметром заклепок и толщиной соединяемых листов. Чем меньше диаметр заклепок и толще листы, тем отчетливее явление среза в заклепках.
Распределение напряжений в соединяемых элементах у заклепок весьма сложно и неравномерно (рис. III—39, а). В нагруженном листе у отверстия независимо от наличия заклепочного стержня возникают местные перенапряжения. При этом величина средних напряжений, вычисленных по площади нетто, в 2—3 раза отличается от действительных максимальных и минимальных напряжений.
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

В листах клепаного соединения со стороны отверстия, противоположной действующему усилию, возникают сжимающие напряжения в секторе около 120° (рис. III—39, а). По длине листа участок сжимающих напряжений распространяется примерно на 2,5 диаметра отверстия. На таком же расстоянии начинаются отклонения в равномерном распределении растягивающих напряжений. Эти наблюдения отражены в нормах, требующих, чтобы расстояние между осями соседних заклепок, расположенных по направлению усилия, были не менее трех диаметров отверстий.
Возникающие в листах у заклепок большие скалывающие напряжения могут привести к разрушению соединения от выкалывания по двум плоскостям (рис. III—39,6).
Определение несущей способности клепаного соединения. Работа клепаных соединений протекает в весьма сложных условиях. Практические методы расчета основаны на значительных упрощениях, вполне оправданных успешным многолетним опытом их применения.
При определении несущей способности [Nз] одной заклепки, препятствующей сдвигу соединяемых элементов, исходят:
из требования обеспечения прочности заклепки на срез
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

В действительности последний расчет обеспечивает и прочность листов на выкалывание (рис. III—39,б). Существует прямая пропорциональная связь между отношением временного сопротивления клепаного соединения условному смятию (выкалыванию) к временному сопротивлению материала листов срезу и расстоянию от заклепки до края листа вдоль усилия (до некоторого предела). Эту связь можно перенести и на расчетные сопротивления (допускаемые напряжения).
Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения клепаных соединений зависят от марки стали соединяемых элементов и заклепочных заготовок, а также от способа изготовления отверстий (типа «В» или «С»). Величины их приведены в таблицах III—5 и III—6. Расчетные сопротивления и допускаемые напряжения в клепаных соединениях с потайными или полупотайными головками снижают на 20%; работа на растяжение заклепок с такими головками не допускается.
В случаях применения клепаных соединений с отверстиями типа «С» принимают [τ3]=0,6[σ] и [σ3]см = 1,75[σ].
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

При совместной работе ряда заклепок во время работы соединения в упругой стадии крайние заклепки несут значительно большую нагрузку, чем внутренние. Так, при четырех заклепках в ряду крайние заклепки перегружены по сравнению со средними примерно в 1,5 раза, а при шести заклепках — почти в 2,5 раза. Однако перегруженные крайние заклепки после достижения ими пластического состояния перестают принимать на себя возрастающую нагрузку. Последняя передается на остальные, менее нагруженные заклепки; происходит выравнивание усилий. Разрушение таких клепаных соединений начинается одновременно по всем заклепкам. Это дает основание считать, что в момент, предшествующий разрушению, усилие между всеми заклепками распределяется равномерно, и производить расчет клепаного соединения в предположении, что все заклепки принимают одинаковое участие в передаче усилия. Отмеченное обстоятельство позволяет не требовать ограничения количества заклепок, располагаемых в соединении вдоль усилия.
Кроме заклепок, препятствующих сдвигу соединяемых элементов, встречаются заклепки, препятствующие отрыву одного элемента от другого, то есть работающие на растяжение или, как говорят, на отрыв головок.
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

В работе заклепок на растяжение различают две стадии. В первой стадии не наблюдается деформации соединения; во второй — начальные напряжения сжатия между листами преодолены, стержень заклепки в работу включается сначала в упругом состоянии, а затем переходит в пластическое.
Работа заклепок (как и болтов) на растяжение почти всегда осложняется эксцентричным расположением внешнего усилия, что, в свою очередь, связано со снижением их несущей способности. По этой причине расчетное сопротивление (допускаемое напряжение) разрыву стержня заклепки принимают примерно на 45% ниже, чем осевому растяжению.
Прочность стержня заклепки, на разрыв проверяют в предположении центрального растяжения:
Работа клепаных соединений и определение их несущей способности

В случае совместной работы заклепки на сдвиг и на растяжение проверку прочности стержня в соответствии с указаниями СНиП проводят отдельно.