БОЛТ ПУЛЕСТОЙКИЙ
BULLET-PROOF BOLT

Изобретение относится к устройствам для соединения металлоконструкций, а именно к крепежным элементам. Более конкретно, изобретение относится к устройствам для соединения конструкций, предназначенным для обеспечения защиты от пуль или осколков снаряда, требующих применения специальных болтов, удовлетворяющих требованиям пулестойкости.
Известен болт преимущественно класса прочности 8.8 и более, выполненный способом холодной объемной штамповки из низкоуглеродистой стали с содержанием железа и примесей в виде одного или нескольких элементов из группы хром, ванадий, молибден, медь, никель, кремний, титан, подвергнутый термическому упрочению в другом технологическом процессе и имеющий значения предела прочности и относительного удлинения при разрыве не ниже нормируемых, а произведение значений предела прочности и относительного удлинения составляет более 10000 МПа (Патент на полезную модель RU 115423, 27.04.2014).
Данная полезная модель не решает задачу обеспечения пулестойкости болта. Высока вероятность пробития преграды пулей в области предложенного болтового соединения любым из двух способов: срез головки болта со стержня в области их соединения или непосредственное пробитие головки вдоль оси болта по механизму выбивания пробки. Указанную задачу не решить только подбором материала для изготовления болта. Необходимо регламентировать форму, размеры головки, параметры гладкой части резьбового стержня.
Известен болт, содержащий головку и стержень с гладкой и резьбовой частью. Головка болта выполнена грибовидной формы, при этом отношение ее максимального диаметра к высоте выбрано равным (2,4-2,6):1, а головка болта в плане имеет круглую, овальную или эллипсовидную форму. Прилегающая к головке гладкая часть стержня болта выполнена комбинированной, сначала цилиндрической, переходящей в сужающуюся коническую и затем снова в цилиндрическую, при этом длина каждой из этих гладких частей стержня болта соответствует толщине соединяемых болтом элементов, а соотношение диаметров цилиндрических гладких частей стержня болта выбрано равным 1:(0,95-0,98), причем меньший диаметр гладкой части стержня болта составляет 1,10-1,12 от максимального диаметра резьбовой части стержня болта, при этом болт выполнен из конструкционной хромистой стали (Патент на изобретение RU 2219391, 20.12.2003).
Предложенный болт также не предназначен для защиты от пробивания пулей или осколком снаряда, форма головки болта и ее малая высота по отношению к диаметру не обеспечивают достаточной прочности для сохранения целостности при прямом попадании ударника и не позволяют избежать прострела по механизму выбивания пробки.
Известен болт, предназначенный для крепления броневой защиты, взятый авторами за прототип, у которого нижняя часть головки, примыкающая к стержню, выполнена шестигранной формы, а верхняя ее часть имеет форму конуса (Патент на полезную модель RU 101114, 10.01.2011).
Недостатком данного болта является ослабленная зона перехода от головки к резьбовой части, не обеспечивающая необходимый уровень пулестойкости при попадании пули в головку болта под углом 30-60° относительно оси болта: пуля, попавшая в головку под таким углом, срежет ее со стержня.
Задачей настоящего изобретения является исключение вероятности пробития крепежного соединения при попадании пули или осколка в головку болта под различными углами без увеличения материалоемкости и без усложнения процесса сборки конструкций.
Техническим результатом является увеличение надежности крепежного соединения конструкций, предназначенных для обеспечения защиты от пуль или снарядов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что болт выполнен из высокопрочной стали, термообработанной на твердость 400-600 НВ (43-60 HRC), а головка болта по периметру имеет не менее одной проточки шириной 0,1-0,5 высоты головки болта и глубиной 0,05-0,25 диаметра головки болта.
Указанный диапазон твердости характеризует прочностные характеристики болта, необходимые для его работоспособности в условиях динамических нагрузок, создаваемых ударником. При значениях твердости ниже 400 НВ (43 HRC) болт подвергается чрезмерной пластической деформации под воздействием ударных нагрузок, а при значениях твердости выше 600 НВ (60 HRC) становится хрупким, что ведет к недостаточной живучести при взаимодействии с высокоскоростным ударником.
Проточка, выполненная по периметру головки болта, создает зону, ослабленную по сравнению с местом соединения головки со стержнем, выступая таким контролируемым концентратором напряжений, что при попадании пули в головку болта разрушается его наружная часть по линии проточки, а внутренняя часть головки болта сохраняет целостность и продолжает выполнять свои крепежные функции.
Проточка должна быть достаточно глубокой для формирования выраженного концентратора напряжений. При этом выполнение проточки глубиной менее 0,05 диаметра головки болта не создаст необходимой ослабленной зоны, и разрушение болта может произойти по месту соединения головки со стержнем; выполнение проточки глубиной более 0,25 диаметра головки болта увеличивает вероятность случайного разрушения болта, не связанного с попаданием в него пули или осколка.
При выполнении проточки шириной более 0,5 высоты головки болта, высота внутренней части головки становится недостаточной для прочного и надежного удержания соединяемых элементов. Выполнение проточки шириной менее 0,1 высоты головки болта сложно технологически, что связано с инструментальными ограничениями ширины выполняемого проточки.
Для предотвращения пробивания конструкции в области болтового соединения при неоднократном попадании пули или осколка в головку болта следует выполнять несколько проточек, каждая из которых позволит избежать пробития в случае очередного попадания.
Предлагаемая конструкция пулестойкого болта допускает выполнение головки шестигранной или цилиндрической формы, а стержня - с полной резьбой или частичной.
Однако наличие на стержне гладкой безрезьбовой части позволяет исключить возможность излома болта по резьбе, являющейся ослабленной зоной по отношению к остальным элементам болта. Длина гладкой части должна быть не менее 0,1 длины стержня, что необходимо для создания протяженной зоны контакта между стержнем болта и стенкой отверстия соединяемого материала. Максимальная длина гладкой части зависит от толщины соединяемого материала.
Диаметр гладкой части следует выбирать из интервала 1,1-1,3 диаметра резьбовой части, поскольку диаметр меньше 1,1 диаметра резьбы не дает решающего преимущества в прочности по сравнению резьбовой частью, а диаметр больший 1,3 диаметра резьбы влечет увеличение диаметра головки болта, необоснованно увеличивая материалоемкость.
Применение галтели радиусом не менее 0,5 мм в месте соединения головки болта со стержнем позволяет избежать чрезмерной концентрации напряжений при боковых ударах и, как следствие, среза головки.
На основе предлагаемого технического решения была изготовлена партия болтов из стали 40Х, термообработанной на твердость 500 НВ (52 HRC), с плоской шестигранной головкой под ключ 17, высотой 7,5 мм, вокруг головки болта была выполнена одна проточка глубиной 4 мм и шириной 1,5 мм. Стержень был выполнен с резьбой М10, с гладкой частью длиной 3 мм диаметром 12 мм.
Данная партия болтов была испытана на пулестойкость в испытательном центре НИИ Специальных материалов, структурном подразделении ЗАО «НПО специальных материалов», аккредитованном Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.22CЗ08) по 3 классу пулестойкости (ГОСТ Р 51112-97): АК-74, калибр 5,45, патрон 7Н6 с пулей ПС со стальным НТУ сердечником и АКМ, калибр 7,62, патрон 57-Н-231 с пулей ПС со стальным НТУ сердечником. Испытания показали, что при попадании пули в головку болта с различных направлений под углами от 0° до 60° к оси болта происходит ее разрушение по шейке проточки, при этом болт сохраняет свою функциональность.