УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам для определения величины несущей способности болтового соединения, преимущественно выполненного на высокопрочных болтах, и может быть использовано в мостостроении и других областях строительства и эксплуатации металлоконструкций.
В современной практике производства и монтажа металлоконструкций высокопрочные болты используются во фрикционных (сдвигоустойчивых) соединениях.
Работа на сдвиг является основным видом работы большинства неподвижных болтовых соединений, причем в разных соединениях она имеет свои особенности.
Качество сдвигоустойчивых соединений на высокопрочных болтах характеризуется отсутствием сдвига соединяемых элементов при восприятии внешней нагрузки.
В соединениях на несущих высокопрочных болтах наряду с силами трения в передаче усилий участвуют и сами болты, которые вступают в работу аналогично болтам других болтовых соединений после того, как действующее усилие преодолеет силы трения, произойдет сдвижка соединяемых деталей, и гладкая часть стержня болта начнет контактировать с кромками отверстий соединенных деталей. Ввиду большой механической прочности болта несущую способность таких соединений лимитирует не срез стержня, а смятие отверстий.
В соединениях на высокопрочных болтах с контролируемой силой натяжения болта (сдвигоустойчивых, фрикционных) силы стягивания соединяемых элементов болтами настолько велики, что при действии сдвигающих сил возникающие в соединении силы трения полностью воспринимают эти сдвигающие силы и все соединение работает упруго.
Ниже приведены значения натяжения высокопрочных болтов в зависимости от их диаметра.
П.№
Диаметр болта (мм)
Сила натяжения (кН)
Сила натяжения (т)
1.
М18
145
14,8
2.
М22
220
22,4
3.
М24
258
26,3
4.
М27
334
34,0
Сопротивление сдвигу в фрикционных соединениях определяют по формуле:
bh
bh
b
bn
h
Q=R∗y∗А∗µ/y (1), где
bh
R - расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;
y<sub>b</sub> - коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества (n) болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия;
A<sub>bn</sub>- площадь поперечного сечения болта;
µ - коэффициент трения по соприкасающимся поверхностям соединенных элементов;
h
y - коэффициент надежности, зависящий от способа натяжения болтов, коэффициента трения µ, разницы между диаметрами отверстий и болтов, характера действующей нагрузки.
Из этой формулы следует, что сдвигающее усилие между болтами по длине соединения принимают распределенным равномерно (Л.М.Рабер «Соединения на высокопрочных болтах», Днепропетровск, «Системные технологии», 2008 г., с.8-10)
Практически действующее усилие сдвига должно преодолеть силу трения покоя между двумя контактирующими поверхностями. Нормативный коэффициент трения соприкасающихся поверхностей зависит от способа их обработки или нанесенного на них покрытия.
Наиболее высокие и стабильные коэффициенты трения обеспечиваются при пескоструйной или дробеструйной очистке контактной поверхности. В связи с этим, в металлических конструкциях мостов с соединениями на высокопрочных болтах, рекомендуется только пескоструйная очистка, которая обеспечивает при нормальном натяжении высокопрочного болта коэффициент трения - 0,57-0,58.
Однако, натяжение болта в процессе эксплуатации фрикционных соединений может изменяться, поэтому величина усилия сдвига является основной характеристикой достаточности надежности работы металлоконструкции и по ней можно определить величину коэффициента трения между соединенными поверхностями металлоконструкции.
Следует отметить, что в настоящее время, обработка металлических поверхностей металлоконструкций осуществляется в заводских условиях, поэтому необходима проверка фактической величины коэффициента трения с необходимой величиной коэффициента трения перед монтажом конструкции, чтобы установить меры для обеспечения надежности ее работы при эксплуатации.
Учитывая, что усилие сдвига равно силе трения покоя, для определения несущей способности соединений на высокопрочных болтах, могут быть использованы устройства для определения силы трения покоя.
Известно устройство для измерения силы трения покоя соприкасающихся поверхностей болтового сдвигоустойчивого соединения с одной плоскостью трения, включающее неподвижную и подвижную детали, соединенные с узлами сжатия и сдвига, причем узел сдвига выполнен в виде двух рычагов первого рода, одной соединенной с неподвижной деталью жестко, а второй с возможностью передвижения по неподвижной детали и взаимодействия с неподвижной (Патент Украины №40198, опубликован в БИ №6, 2001 г).
К недостаткам этого устройства следует отнести недостаточную надежность второй тяги и недостаточную точность определения усилия сдвига, т.к. соединение ее с подвижной деталью, сдвиг которой и необходимо осуществить, вносит погрешность в измерение.
Наиболее известные устройства для определения усилия сдвига (сдвигомеры) основаны на применении тензодатчиков (патенты РФ №№2116614, 2155942 и др) или, если возможно, используются различные пресса. Усилие в момент сдвига фиксируется с помощью электрического сигнала или заранее оттарированной шкалы динамометрического ключа.
Общим недостатком этих технических решений является ограниченная область применения, т.к. невозможно использование этих устройств непосредственно в эксплуатируемых металлоконструкциях на высокопрочных болтах или непосредственно при монтаже металлоконструкции на строительных площадках.
Известно устройство для определения сдвигающего усилия, содержащее станину 1, по концам которой имеются две стойки 2 и 3. В стойке 2 закреплен захват 4, имеющий нарезной конец 5 с закрепляющим образец болтом 13. К стойке 3 крепится домкрат 6, к которому при помощи тяг 7 прикреплен второй захват 8. К стойкам 2, 3 крепится траверса 9 с подвижным верхним упором 10, который перемещается винтом 11. Снизу станины, по оси упора 10, прикреплен домкрат 12. Испытуемый образец, состоящий из трех планок, укладывается на опорную плоскость домкрата 12. Концы всех планок образца имеют пазы для крепления их к захватам 4 и 8. Завинчивая винт, прижимают упор 10 к планкам, а после точной установки планок в требуемое положение, приводят в действие домкрат 12. По манометру домкрата устанавливают требуемое деление, после чего приводят в действие домкрат 6, т.е. прикладывают к средней планке образца сдвигающее усилие (Л.М.Рабер «Соединения на высокопрочных болтах», Днепропетровск, «Системные технологии», 2008 г., с.35-36).
Это устройство имеет несколько недостатков: сложность конструкции, недостаточную точность измерения и ограниченное применение - только при проектировании металлоконструкций, для определения расчетного усилия сдвига или перед их монтажом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство для определения коэффициента трения покоя, которое можно применить как на стадии проектирования, так и непосредственно на монтируемых конструкциях. Оно состоит из неподвижной 1 и сдвигаемой 2 деталей, узла сжатия и узла сдвига. Узел сжатия содержит болт 3, оснащенный динамометрическим ключом 4,.Узел сдвига содержит два рычага первого рода 11, к каждому из которых жестко прикреплена обойма 12. В сферических углублениях обойм 12 расположен палец 13, положение которого зафиксировано шайбами и шплинтами. Обоймы 12 делят рычаги 11 на две части - короткую и длинную. Рычаги торцами коротких частей опираются на неподвижную деталь 1, прикасаясь боковыми гранями с кромкой сдвигаемой детали и упорной детали 16, жестко прикрепленной к рычагу и неподвижной детали 1 болтами 17. Через имеющееся на длинных концах рычагов 11 отверстие 18 выпущен болт 19, снабженный силоизмерительным устройством (Л.М.Рабер «Соединения на высокопрочных болтах», Днепропетровск, «Системные технологии», 2008 г., с.41-43).
Работа устройства состоит в следующем. В процессе, контролируемого натяжения болта 19, рычаги своими боковыми гранями упираются в кромки сдвигаемой и упорной 16 деталей, стремясь их раздвинуть. Натяжение болта 19 производят вплоть до достижения сдвига детали 2 относительно детали 1. Деталь 16 остается при этом неподвижной, т.к. она закреплена к детали 1 двумя болтами Усилие сдвига детали 2 относительно детали 1 фиксируется на шкале силоизмерительного прибора 20. Сила трения покоя детали 2 относительно детали 1 определяется из условия равновесия рычага и учета трения качения в шарнире (пальце) в момент сдвига детали 2.
К недостаткам устройства следует отнести то, что ось пальца смещена относительно точки приложения усилия сдвига, поэтому образуется подъемная сила, искажающая точность результата измерения. Кроме того, учитывая то, что второй рычаг жестко соединен
с неподвижной пластиной 16 усилие натяжения болта 19 приложено к пальцу, поэтому шплинт фиксирующий его положение может сломаться.
Конструкция обладает недостаточной жесткостью, чтобы выдержать требуемые (расчетные) усилия нагрузок.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является устранение недостатков, присущих прототипу, за счет повышения надежности конструкции устройства и точности определения усилия сдвига.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее неподвижную и сдвигаемую детали, узел сжатия и узел сдвига, выполненный в виде рычага, имеющего отверстие под болт, оснащенный силоизмерительным устройством, внесены конструктивные изменения и дополнения, а именно:
- неподвижная деталь устройства выполнена в виде двух стоек, каждая из которых имеет отверстие под болтовые соединение, а также снабжено отверстиями под вал и стяжку для их фиксации;
- к задней (торцевой) поверхности стоек прикреплена фигурная планка, являющаяся упором для рычага;
- рычаг узла сдвига размещен на валу между стойками и в хвостовой части имеет отверстие для нагрузочного болта, соединяющего его с фигурной планкой;
- устройство дополнительно снабжено самоустанавливающимся сухариком, расположенным между цилиндрическим выступом рычага и сдвигаемой деталью, причем высота его равна толщине детали.
Ниже (на фиг.1, 2) приводится подробная конструкция устройства для определения несущей способности болтового сдвигоустойчивого соединения металлоконструкции, которая определяется по величине усилия сдвига одной из двух соприкасающихся поверхностей конструкции, а на фиг.3 - принцип работы устройства.
В каждом конкретном случае, некоторые детали устройства могут быть изменены, но основные узлы функционально и конструктивно выполняются аналогично.
На фиг.1 приведен общий вид устройства.
На фиг.2 - разрез по центральной плоскости рычага, являющегося узлом сдвига.
На фиг.3 - принципиальная схема работы всего устройства.
На фиг.1 показаны: две стойки 1, снабженные отверстием 2 под вал 6 и отверстия для болта, планка 3, используемая для транспортировки устройства, фигурная планка 4, соединяющая стойки 1, рычаг 5, закрепленный на валу 6 и стяжка 7.
На фиг.2 (разрез) показаны: стойка 1, транспортировочный узел 3, фигурная планка 4, рычаг 5, вал 6, стяжка 7, самоустанавливающийся сухарик 8, выполненный из закаленного металла, узел 9 фиксации сухарика 8, нагрузочный болт 10, опорный узел 11, пружина 12, отверстие 13 в фигурной планке 4 под болт 10, плавающая опора 14 и гайка 15.
На фиг.3 показаны: неподвижная деталь (лист) 16, сдвигаемая деталь (лист) 17, накидная втулка 18, силоизмерительного устройства 19 (динамометрический ключ), снабженного шкалой 20, узел крепления 21 неподвижной части устройства к детали 16, узел крепления 22 неподвижной детали 16 и сдвигаемой детали 17.
На фиг.3 также, условно показано болтовое соединение 15, включающее нагрузочный болт 10, рычаг 5, фигурная планка 4.
Узел 14 выполнен в виде шайб, имеющих притертые сферические поверхности (соответственно выпуклую и вогнутую), образующих плавающую опору, обеспечивающую отсутствие зазора.
Работа устройства состоит в следующем.
Устройство для определения величины сдвига, посредством планки 3 транспортируют к металлоконструкции несущую способность соединения поверхностей которой хотят определить. Стойки 1 крепят посредством болтового соединения 21 к неподвижной детали 16, а болтового соединения 22 к сдвигаемой детали 17, причем усилие затяжки болтовых соединений соответствуют расчетному усилию. Накидную втулку 18 динамометрического ключа 19 устанавливают на головку нагрузочного болта 10, положение которого посредством опоры 11, пружины 12, плавающей опоры 14 и гайки 15, обеспечивает надежное крепление рычага 5 с фигурной планкой 4, соединяющей неподвижные стойки 1 устройства.
Вращением динамометрического ключа 19 осуществляют нагрузку болта 10. Усилие натяжения болта через рычаг 5 передается на сухарик 8, который воздействует на сдвигаемую деталь 17, закрепленную высокопрочными болтами 22 с металлическим листом 16. Усилие затяжки болта 15 фиксируется на шкале 20 динамометрического ключа 19.
В момент сдвига детали 17 фиксируют величину усилия, которое и является усилием сдвига (сила трения покоя). Сравнивают полученную величину с расчетной величиной и если они отличаются, то осуществляют корректировку путем дополнительного натяжения высокопрочных болтов или осуществляют дополнительную обработку контактирующих поверхностей металлоконструкции.
Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в повышении надежности конструкции, что обеспечивается за счет повышения точности определения усилия сдвига, а по ней, несущую способность высокопрочного болтового соединения конкретной конструкции.
Устройство изготовлено и прошло испытания при монтаже строительных и мостовых металлоконструкций. Внедрение его будет осуществляться в 2009 г. на мостовых и строительных конструкциях, как вновь проектируемых, так и на работающих металлических конструкциях фрикционного типа.