Заклёпочные соединения

Содержание

Введение………………………………………………………….………………..3

1. Заклёпочные соединения: виды и способы соединений………...………5
2. Недостатки и преимущества заклёпочных соединений……….………..9
3. Требования, предъявляемые к заклёпкам……………………………..10
4. Расчёт на прочность элементов заклёпочного шва………….……….12

Примеры расчётов к главе 4………………………...…………………………..17

Заключение……………………………………..……………….………………..20

Список использованных источников и литературы…...………………………21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Заклепка  представляет собой цилиндрический стержень с выштампованной закладной головкой из круглой калиброванной стали. Формы головок бывают: полукруглая, полу потайная, коническая. В процессе клепки на втором конце стержня формируется замыкающая головка.

Заклепочные соединения применяют при изготовлении тяжелых подкрановых балок, мостов, элементов пролетных и других конструкций, для которых необходимо обеспечить высокую вибрационную прочность. Чаще всего используют заклепки диаметром 12-30 мм, которые ставят в отверстия, диаметр которых на 1-1,5 мм больше диаметра заклепки.

За расчетный  диаметр заклепки принимают диаметр  отверстия, так как при образовании  замыкающей головки стержень головки  осаживается и утолщается.

Длину заклепки выбирают с учетом толщины  соединяемого пакета и длины стержня, идущей на образование замыкающей головки и заполнение зазора между отверстием и стержнем.

В самих  заклепках и в заклепочных  соединениях возникают срезывающие, сжимающие и изгибающие напряжения; наиболее опасны из них срезывающие  и сжимающие.

Клепку  выполняют горячим и холодным способами. Горячую клепку производят, как правило, в заводских условиях. Для этого применяют электрические или пневматические клепальные скобы. Заклепку, нагретую до 900-1100°С (оранжевый цвет), вставляют в отверстие соединяемых элементов. При остывании заклепка укорачивается и плотно стягивает склепанный пакет. В условиях монтажной площадки клепку ведут холодным способом с применением пневматических клепальных молотков. Операции выполняют в такой последовательности: изготовление деталей с отверстиями; установка в часть отверстий временных болтов (не менее 1/3 от числа всех заклепок); рассверливание (при необходимости) отверстий в сборных деталях; непосредственно клепка. При установке заклепок их удерживают ручными поддержками.

Заклепки  располагают в один или несколько рядов. Расстояние между осями продольного ряда заклепок, т.е. установленных вдоль прилагаемого усилия, называют шагом, а в поперечном ряду - дорожкой. В зависимости от числа заклепок в соединении и их расположения монтажную клепку подразделяют на узловую и рядовую. Узловой считают клепку, если в узле не более 15 заклепок, рядовой - клепку при числе заклепок в узле более 15.

Для рассверливания отверстий применяют пневматические сверлильные машины.

Качество  поставленных заклепок проверяют внешним осмотром, замерами и остукиванием. При внешнем осмотре удостоверяются, что нет перекосов, а при остукивании, что отверстие целиком заполнено стержнем. Для этого применяют контрольный молоток массой 0,3-0,4 кг. Удары наносят по боковой поверхности головок в направлении, перпендикулярном ее оси.

Слабые  заклепки заменяют. Чтобы извлечь  заклепку, одну из ее головок срубают  зубилом или срезают кислородным  резаком, после этого выбивают стержень заклепки пневматическим молотком и  выколоткой. Чтобы заклепка легче выходила из отверстия, его со стороны срубленной головни заливают керосином.

Заклепки  в конструкциях из алюминиевых сплавов  изготовляют из сплавов тех же марок, что и соединяемые элементы, и ставят только в холодном состоянии. Контакт алюминиевых сплавов с другими металлами недопустим, так как в местах соприкосновения возникает электрохимическая коррозия.

При клепке на высоте следят за устойчивостью  и прочностью подмостей. При работе на деревянных подмостях на них должно быть ведро с водой или песком. 
 
 

1. Заклёпочные соединения: виды и  способы соединений.

Заклёпочное соединение - неразъёмное соединение деталей при помощи заклёпок. Обеспечивает высокую стойкость в условиях ударных и вибрационных нагрузок. На современном этапе развития технологии уступает место сварке и склеиванию, обеспечивающим большую производительность и более высокую прочность соединения. Однако, по-прежнему находит применение по конструктивным или технологическим соображениям: в соединениях, где необходимо исключить изменение структуры металла, коробление конструкции и перегрев расположенных рядом деталей; соединение разнородных, трудно свариваемых и не свариваемых материалов; в соединениях с затруднительным доступом и контролем качества; в случаях, когда необходимо предотвратить распространениеусталостной трещины из детали в деталь.

Рис 1.2.

По назначению заклепочные соединения разделяют  на прочные (в металлоконструкциях); прочноплотные (в котлах и резервуарах  с высо¬ким давлением); плотные (в  резервуарах с небольшим внутренним давлением). 
Каждая заклепка имеет свою зону действия D (рис. 1.3), на которую распространяются деформации сжатия в стыке деталей. Если зоны действия соседних заклепок пересекаются, то соединение будет плотным. Для обеспечения плотности шва иногда выполняют чеканку (пластическое деформирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов.

Рис.1.3.  
По конструктивному признаку различают заклепочные соединения внахлестку и встык, однорядные и многорядные, односрезные и многосрезные. На рис. 1.4: а — однорядный односрезный шов внахлестку; б— однорядный двухсрезный шов встык с двумя накладками. 
Заклепочные соединения применяют для деталей, материал которых плохо сваривается, и в тех конструкциях, где важно растянуть во времени развитие процесса разрушения. Например, разрушение одной или нескольких из тысяч заклепок крыла самолета еще не приводит к его разрушению, но уже может быть обнаружено и устранено рис 1.4    при контроле и ремонте. 
В сварных соединениях образование трещин сопровождается высокой концентрацией напряжений, что приводит к ускорению процесса разрушения.

Рис.1.4.  
 
 
 
 
 
 

2. Недостатки  и преимущества заклёпочных  соединений.

К основным недостаткам заклёпочных соединений относятся:

• Трудоёмкость процесса. Необходимо просверлить множество отверстий, установить заклёпки, расклепать их. Эти операции выполняются вручную двумя слесарями-сборщиками. До последней четверти 20-го века в СССР на авиационные заводы специально нанимались худощавые юноши и девушки, способные влезть в узкий отсек, чтобы удерживать там наковальню-поддержку.
• Повышенная материалоёмкость соединения. Заклёпочный шов ослабляет основную деталь, поэтому она должна быть толще. Нагрузку несут заклёпки, поэтому их сечение должно соответствовать нагрузке.
• Необходимость специальных мер для герметизации. Это очень важно для самолётостроения и ракетной техники, при сборке баков-кессонов и пассажирских отсеков. В баках-кессонах, расположенных в крыле самолётов, как правило, держат топливо — авиационный керосин. Резиновый герметик, устойчивый к керосину, должен закрывать все заклёпочные швы. Вес его может составлять десятки килограммов.
• Процесс сопровождается шумом и вибрацией. Это приводит к ряду профессиональных заболеваний у сборщиков и вызывает глухоту. Поэтому везде, где можно, внедряются новые инструменты для клёпки.

К основным преимуществам заклёпочных соединений можно отнести:

• Не позволяет распространяться усталостным трещинам, таким образом повышает надёжность всего изделия.
• Позволяет соединять не поддающиеся сварке материалы.

В последнее  время эти преимущества нивелируются тем, что появились достаточно прочные  сплавы, поддающиеся сварке, появились  синтетические клеи, позволяющие  получить у клеевого шва прочность не хуже, чем у основного материала. На смену алюминиевым сплавам пришли композиты, в которые на стадии изготовления вклеивают металлические закладные элементы.

3. Требования, предъявляемые к заклёпкам

Заклепки  должны соответствовать требованиям, установленным техническими условиями.

Поверхность заклепок должна быть гладкой, чистой, не иметь трещин, расслоений, плен, раковин, пузырей, коррозии и прочих дефектов.

По размерам и допускам заклепки должны удовлетворять требованиям соответствующих нормалей на заклепки. Стержни заклепок должны быть прямыми и круглого сечения.

На головках заклепок допускаются лыски, появляющиеся в результате неполного обжатия  головок.

Изготовление  заклёпок:

Процесс изготовления заклепок определяется их типом и материалом, из которого они изготовлены. Основными операциями изготовления заклепок являются:

· высадка

· галтовка

· термическая  обработка

· нанесение  защитных покрытий

· сборка (для заклепок, состоящих из нескольких деталей)

· испытание  на расклепываемость и прочность.

Рассмотрим  технологию изготовления применяемых  в массовом масштабе обычных - стержневых заклепок.

Заклепки  для конструкций из легких сплавов  изготавливаются посредством высадки  из проволоки в холодном состоянии. Диаметр проволоки берется немного меньше диаметра готовой заклепки, чтобы заготовка заклепки легко входила в отверстие высадочного инструмента (матрицы).

В конструкциях, изготовляемых из легких сплавов, заклепочные  соединения и способы их выполнения значительно отличаются от применяемых в общем машиностроении для черных металлов. Это объясняется рядом причин, из которых основными являются следующие.

1. Различие  в физических и механических  свойствах легких сплавов и  черных металлов.

2. При  расчете заклепочных соединений в конструкциях из легких сплавов и при холодной клепке принимают в первую очередь во внимание работу стержня заклепки на срез. При расчете же клепаных швов при горячей клепке учитывают главным образом увеличение сопротивления сдвигу соединяемых листов. Заклепки при холодной клепке должны полностью заполнять отверстие, не вызывая при этом излишнего напряжения в стенках отверстий склепываемых деталей.

3. Для  установки заклепок из легких  сплавов в холодном состоянии  требуются другие методы работы, чем при горячей клепке.

4. На  поверхностях деталей из легких  металлов не должно быть никаких  повреждений в зоне шва, возникающих  в результате работы клепального  инструмента и оборудования.

5. Если  при изготовлении агрегатов самолета  детали из легких сплавов соединяют с деталями из пластмассы, кожи, фибры и т. д., то требуется применение специальных заклепок и методов клепки.

Наличие перечисленных выше специфических  особенностей привело конструкторов  и технологов к разработке и применению в авиационной промышленности специальных видов клепального оборудования и способов клепки. 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Расчёт  на прочность элементов  заклёпочного шва

Условия нагружения заклепок подобны условиям нагружения болтов, поставленных без  зазора (рис. 1.4).

При расчетах заклепочных соединений, нагруженных силой в плоскости стыка, допускают, что нагрузка распространяется равномерно между всеми заклепками шва, силы трения в стыке не учитывают. 
На основные размеры заклепочных соединений выработаны нормы, которые рекомендуют выбирать d, /, е и δί в зависимости от толщины листов δ или размеров прокатного профиля . При этом расчет приобретает проверочный характер.

Ниже  рассмотрены некоторые особенности  конструкции и расчета заклепочных  соединений. В соединениях широких  листов (рис. 2.4) за расчетную нагрузку принимают силу Fn действующую на фронте одного шага /. При этом значение Ft обычно определяют по напряжениям растяжения σ' в сечении листа а — а, не ослабленном отверстиями под заклепки. Напряжение σ' полагают известным из основных расчетов конструкции (расчет прочности стенок котла, резервуара и т. п.):

Ft = &tb. 
Прочность листа в сечении b — b 
a = Ftl[(t-d) δΜσ]. 
Отношение 
σ7σ = (ί-έ/)// = φ    (2.1) 
называют коэффициентом прочности заклепочного шва.

Значение  φ показывает, как уменьшается прочность листов при соединении заклепками. Например, для однорядного одно- срезного шва (рис. 2.4, а) при стандартных размерах φ = 0,65, т.е. образование заклепочного соединения уменьшает прочность листов на 35%. Понижение прочности деталей — одна из главных отрицательных характеристик заклепочного соединения. Для увеличения значений φ применяют многорядные и многосрезные швы.     

(см. рис. 1.4 и 1.5).

На рис. 1.5 изображена конструкция прочноплотного трехрядного шва с переменным шагом заклепок в рядах (правая половина шва симметрична и на рисунке изображена частично). В этом шве на фронте основного шва ίγ расположено шесть заклепок. 

 
Рис.1.5.

Каждая  заклепка передает нагрузку, равную (1/6) Ft. В соответствии с этим на рис. 1.5 даны эпюры продольных сил, возникающих в различных сечениях листов и накладок. Сечение листа по первому ряду заклепок нагружено полной силой Ft. Для того чтобы немного ослабить это сечение, в нем поставлена только одна заклепка (две половины заклепки). Сечение по второму ряду нагружено меньшей силой и, соблюдая условия равнопрочностей, в нем можно поставить большее число заклепок и т. д. Малая нагрузка на каждую заклепку, а также две плоскости среза заклепки позволяют значительно уменьшить ее диаметр. Уменьшение диаметра приводит к увеличению коэффициента прочности шва, например для рассматриваемого шва φ%0,9. Однако стремление получить высокое значение φ приводит к сложной и дорогой конструкции соединения.

Расчет  заклепочных соединений ведется  на срез и смятие на основе допущений, указанных в предыдущем параграфе. Между склепываемыми элементами развиваются значительные силы трения, и работа заклепок на срез начинается лишь после того, как внешние силы станут больше сил трения и начнется сдвиг склепанных полос. При расчетах это обстоятельство не учитывают.

Рис.1.6.

Склепываемые  элементы (полосы, уголки и т. п.) рассчитывают на растяжение (сжатие) с учетом ослабления их поперечных сечений отверстиями для заклепок.

Расстояние е от центра первой заклепки до края полосы (рис.1.6.) принимают обычно равным удвоенному диаметру заклепки. При таком расстоянии прочность края полосы на срез (выкалывание) обеспечена и специальный расчет не нужен.

Отверстия в склепываемых элементах имеют  диаметр, на 0,5-1 мм больше, чем диаметр непоставленной заклепки. В расчетные формулы входит диаметр d отверстия, так как в выполненном соединении заклепка практически полностью заполняет отверстие.

Зависимости для проверочных расчетов имеют  следующий вид:

     а) на срез

где i — общее число заклепок, передающих заданную нагрузку  ; в конструкциях типа, представленного на рис.6.11,а и 6.12,б, — это общее число заклепок, а в соединениях встык (рис.6.11,б и 6.12,а) — это число заклепок по одну сторону стыка; к — число плоскостей среза одной заклепки: для конструкций по рис.6.11 —k = 1 и по рис.6.12 — k = 2;

     б) на смятие

     При односрезных соединениях (рис.1.6.) вместо   надо подставлять в формулу значения меньшей из толщин склепываемых элементов, а при двухсрезных— меньшей из величин   или   (рис.1.7, а).

      а) 
 

      б) 

     Рис. 1.7.  

Для соединения по рис.1.7. ,б под   надо понимать толщину полки уголка.

При проектировочном расчете заклепочного соединения диаметром заклепок задаются, принимая его примерно равным  . При различной толщине склепываемых элементов под   понимают меньшую из них. Затем определяют допускаемое усилие на одну заклепку:

     а) из условия прочности на срез

     б) из условия прочности на смятие

     По меньшему из допускаемых усилий определяют требуемое число заклепок:

     Для заклепочных соединений стальных конструкций  промышленных и гражданских сооружений, а также подъемных кранов допускаемые напряжения на срез и смятие принимают по следующим данным (табл. 1).

Таблица 1

Допускаемые напряжения на срез и смятие

     Примеры расчётов к главе 4:

Пример  1. Проверить прочность заклепочного соединения изображенного на рис. 2.1. Допускаемые напряжения:     

Рис.2.1. К примеру 1

     Решение 

1.     Проверяем полосу на растяжение. 

На рис.2.1. показана эпюра продольных сил для полосы, построенная на основе допущения, что каждая заклепка передает усилие   Расчет выполняется для сечения I — I, в котором возникает наибольшая продольная сила  , и для сечения II — II, усилие в котором меньше, чем  , но и расчетная площадь также меньше.

     Для сечения I — I:

     Здесь   — так называемая площадь нетто сечения I — I, т. е. полная площадь за вычетом ослаблений отверстиями для заклепок.

     Для сечения II — II:

     2. Проверяем заклепки на срез:

     3. Проверяем соединение на смятие, учитывая, что 

Расчет  показывает, что прочность соединения обеспечена. Возможно даже небольшое  уменьшение толщины полосы, так как  расчеты на растяжение и смятие обнаруживают некоторые резервы прочности. 

Пример  2. Стержень фермы, состоящий на двух швеллеров №18а, соединен с фасонным листом (косынкой) узла фермы заклепками расчетным диаметромd = 17 мм (рис.2.2.). Определить требуемое число заклепок, если продольное усилие в стержне N = 580 кН и допускаемые напряжения       Проверить прочность стержня.

Рис.2.2. К примеру 2.

     Решение

     Допускаемое усилие на одну заклепку из условия  прочности на срез

     Здесь принято k = 2 — заклепки двухсрезные.

     Допускаемое усилие на одну заклепку из условия  прочности на смятие

     Толщина косынки меньше удвоенной толщины  стенки швеллеров, поэтому она и  принята в качестве расчетной.

     Требуемое число заклепок определяем из условия  прочности на смятие, так как

     Принимаем  = 12.

     Напряжение  в опасном сечении (I — I) стержня

Заключение.

Варианты  технологического процесса выполнения сборочно-клепальных работ могут отличаться видом применяемого оборудования, оснастки и инструмента; характером подготовки деталей к сборке; формой организации производства и т.д.

Существует бесконечное число вариантов технологического процесса сборки- клепки узлов, панелей, отсеков и агрегатов.

Оптимальный вариант процесса сборки устанавливают  на основании эффективности капиталовложений или технологической себестоимости. Если сравниваемые варианты значительно отличаются один от другого применением различного вида оборудования и оснастки, определяют сроки окупаемости оборудования, т. е. эффективность капиталовложений. Если же сравниваемые варианты незначительно отличаются по применяемому в процессе сборки оборудованию, оптимальный вариант выбирают по наименьшей технологической себестоимости процесса. 

Список  использованных источников и литературы

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. - М.: Машиностроение., 2006 г., - 236 стр.
2. Вафин Р. Расчёты на прочность элементов машиностроительных конструкций. – М.: ООО «ТНТ»., 2006г., - 580стр.
3. Ерохин М. Детали машин и основы конструирования. – М.: КолосС., 2011г., - 512 стр.
4. Иванов М.Н. Детали машин. – М.: Высшая школа., 2010г., - 408 стр.
5. http://distance.net.ua/Russia/Sopromat/lekcia/razdel6.htm - сайт  Дистанционное обучение по специальности «Инженерная механика».   (Сопротивление материалов. Лекционный курс)
6. http://ru.wikipedia.org/ - Википедия.