Болтовое соединение – один из наиболее распространенных элементов в строительстве и машиностроении. Оно состоит из резьбового крепежа с наружной резьбой (например, болта), который захватывает и соединяет другие детали, фиксируемые соответствующей резьбой с внутренней резьбой. Существует два основных типа конструкций болтовых соединений: соединения на растяжение и соединения на сдвиг. Выбор компонентов для резьбового соединения – сложный процесс. При этом тщательно учитываются многие факторы, такие как температура, коррозия, вибрация, усталость и предварительное напряжение.
A bolted joint is one of the most common elements in construction and machine design. It consists of a male threaded fastener (e. g., a bolt) that captures and joins other parts, secured with a matching female screw thread. There are two main types of bolted joint designs: tension joints and shear joints. The selection of the components in a threaded joint is a complex process. Careful consideration is given to many factors such as temperature, corrosion, vibration, fatigue, and initial preload.
Напряженный стык
В резьбовом соединении, работающем на растяжение, болт и прижатые элементы соединения рассчитаны на передачу приложенной растягивающей нагрузки через соединение посредством прижатых элементов, обеспечивая правильный баланс жесткости соединения и болта. Соединение должно быть спроектировано таким образом, чтобы сила прижатия никогда не была преодолена внешними растягивающими силами, стремящимися разъединить соединение. Если внешние растягивающие силы превысят силу прижатия (предварительную нагрузку болта), прижатые элементы соединения разъединятся, что приведет к относительному движению элементов.
In a tension joint, the bolt and clamped components of the joint are designed to transfer an applied tension load through the joint by way of the clamped components by the design of a proper balance of joint and bolt stiffness. The joint should be designed such that the clamp load is never overcome by the external tension forces acting to separate the joint. If the external tension forces overcome the clamp load (bolt preload) the clamped joint components will separate, allowing relative motion of the components.
Теория
Как правило, болт натягивается (предварительно нагружается) путем приложения крутящего момента к головке болта или гайке. Приложенный крутящий момент заставляет болт "подниматься" по резьбе, вызывая натяжение болта и эквивалентное сжатие в соединяемых компонентах. Предварительная нагрузка, развиваемая в болте, обусловлена приложенным крутящим моментом и является функцией диаметра болта, геометрии резьбы и коэффициентов трения, существующих в резьбе и под головкой или гайкой болта. Жесткость компонентов, скрепленных болтом, не влияет на предварительную нагрузку, создаваемую крутящим моментом. Однако относительная жесткость болта и компонентов соединения определяет долю внешней растягивающей нагрузки, которую будет нести болт, и, следовательно, необходимую предварительную нагрузку для предотвращения разъединения соединения и, тем самым, снижения диапазона напряжений, испытываемых болтом при повторном приложении нагрузки. Это определяет долговечность болта при циклических растягивающих нагрузках. Поддержание достаточной предварительной нагрузки соединения также предотвращает относительное скольжение компонентов соединения, которое может привести к фреттинг-коррозии и, как следствие, усталостному разрушению этих деталей. Усилие затяжки, также называемое предварительной нагрузкой крепежа, создается при приложении крутящего момента и, таким образом, развивает предварительную нагрузку на растяжение, которая обычно составляет значительный процент от предела текучести крепежа. Крепежные элементы производятся в соответствии с различными стандартами, которые определяют, в частности, их прочность. Существуют таблицы крутящих моментов, определяющие требуемый крутящий момент для данного крепежа на основе его класса прочности (точность изготовления и посадки) и марки (предел прочности на растяжение). При затяжке крепежа в болте развивается предварительная нагрузка на растяжение, а в соединяемых деталях – равная предварительная нагрузка на сжатие. Это можно смоделировать как пружинную систему с некоторым предполагаемым распределением сжимающих напряжений в компонентах соединения. При приложении внешней растягивающей нагрузки она ослабляет сжимающие напряжения, вызванные предварительной нагрузкой в соединяемых компонентах, следовательно, предварительная нагрузка, действующая на сжатые компоненты соединения, обеспечивает внешней растягивающей нагрузке путь (через соединение), отличный от пути через болт. В хорошо спроектированном соединении, возможно, 80–90% внешней растягивающей нагрузки проходит через соединение, а остальная часть – через болт. Это снижает усталостную нагрузку на болт. Когда скрепляемые детали менее жесткие, чем крепеж (например, те, которые используют мягкие, сжатые прокладки), эта модель перестает работать, и крепеж подвергается растягивающей нагрузке, которая является суммой предварительной растягивающей нагрузки и внешней растягивающей нагрузки. В некоторых случаях соединения проектируются таким образом, что крепеж выходит из строя раньше, чем более дорогие компоненты. В этом случае замена существующего крепежа на более прочный может привести к повреждению оборудования. Поэтому в целом хорошей практикой является замена старых крепежных элементов на новые крепежные элементы того же класса прочности.
Typically, a bolt is tensioned (preloaded) by the application of a torque to either the bolt head or the nut. The applied torque causes the bolt to "climb" the thread causing a tensioning of the bolt and an equivalent compression in the components being fastened by the bolt. The preload developed in a bolt is due to the applied torque and is a function of the bolt diameter, the geometry of the threads, and the coefficients of friction that exist in the threads and under the torqued bolt head or nut. The stiffness of the components clamped by the bolt has no relation to the preload that is developed by the torque. The relative stiffness of the bolt and the clamped joint components do, however, determine the fraction of the external tension load that the bolt will carry and that in turn determines preload needed to prevent joint separation and by that means to reduce the range of stress the bolt experiences as the tension load is repeatedly applied. This determines the durability of the bolt when subjected to repeated tension loads. Maintaining a sufficient joint preload also prevents relative slippage of the joint components that would produce fretting wear that could result in a fatigue failure of those parts. The clamp load, also called preload of a fastener, is created when a torque is applied, and so develops a tensile preload that is generally a substantial percentage of the fastener's proof strength. Fasteners are manufactured to various standards that define, among other things, their strength. Torque charts are available to specify the required torque for a given fastener based on its property class (fineness of manufacture and fit) and grade (tensile strength). When a fastener is torqued, a tension preload develops in the bolt and an equal compressive preload develops in the parts being fastened. This can be modeled as a spring like assembly that has some assumed distribution of compressive strain in the clamped joint components. When an external tension load is applied, it relieves the compressive strains induced by the preload in the clamped components, hence the preload acting on the compressed joint components provides the external tension load with a path (through the joint) other than through the bolt. In a well designed joint, perhaps 80 90% of the externally applied tension load will pass through the joint and the remainder through the bolt. This reduces the fatigue loading of the bolt. When the fastened parts are less stiff than the fastener (those that use soft, compressed gaskets for example), this model breaks down and the fastener is subjected to a tension load that is the sum of the tension preload and the external tension load. In some applications, joints are designed so that the fastener eventually fails before more expensive components. In this case, replacing an existing fastener with a higher strength fastener can result in equipment damage. Thus, it is generally good practice to replace old fasteners with new fasteners of the same grade.