СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С РАДИАЛЬНЫМ НАТЯГОМ
BOLT JOINT WITH RADIAL INTERFERENCE

Изобретение относится к области механосборочного производства конструкций, к которым предъявляются высокие требования надежности и ресурса при воздействии циклических нагрузок, в частности к способам соединения металлических деталей авиационных конструкций.
Известен способ образования болтовых соединений с радиальным натягом, включающий постановку болта и последующую дополнительную подпрессовку статическим усилием с целью повышения усталостной долговечности соединения (Авиационная промышленность, 1980 г., Приложение №1, с.5-7). Недостатком разовой статической подпрессовки является то, что эффективность такого воздействия на усталостную долговечность может проявляться только в конструкциях с малой толщиной пакета соединяемых деталей благодаря формированию более плотного контакта соприкасающихся поверхностей головки болта с поверхностью деталей и соприкасающихся поверхностей деталей в зоне отверстия по причине микродеформаций смятия вершин шероховатости. Это воздействие при малых толщинах пакета деталей является достаточным с точки зрения стяжки пакета нормированной затяжкой гайки, обеспечивающей повышение усталостной долговечности соединения, однако при больших толщинах пакета деталей упомянутый способ не обеспечивает необходимую стяжку пакета, а ее исходное значение, после нормированной затяжки гайки, практически исчезает уже в начальный период действия циклической нагрузки на соединение.
Цель изобретения: разработать способ выполнения болтовых соединений с радиальным натягом обеспечивающий повышенный уровень стяжки деталей в широком диапазоне толщины пакета и величины радиального натяга, который позволит повысить усталостную долговечность конструкции в зоне болтовых соединений.
Указанная цель достигается тем, что при выполнения болтовых соединений с радиальным натягом, в болтовом шве, включающий установку болта в отверстие и шайбы на стержень болта со стороны резьбовой части, навинчивание и затяжку гайки нормированным крутящим моментом, подпрессовку болта со стороны головки с одновременным прижимом деталей поддержкой со стороны гайки, согласно заявляемому изобретению, подпрессовку каждого болта осуществляют при приложении динамической нагрузки с последующей подтяжкой гайки нормированным крутящим моментом, при этом количество циклов динамическая подпрессовка-подтяжка гайки выбирают в зависимости от конструктивно-технологических параметров соединяемых деталей.
В выполненном соединении с нормированной затяжкой гайки к головке болта прикладывается динамическое воздействие в виде ударной нагрузки (ударная подпрессовка) с последующей подтяжкой (доворотом гайки нормированной затяжкой той же величины). Динамическая подпрессовка болта и подтяжка гайки повторяются многократно до прекращения доворота гайки от приложения нормированного крутящего момента.
КЛ
ДИН
На фиг.1 показана конструктивная схема выполнения болтового соединения с нормированной затяжкой крутящим моментом на ключе М, содержащая болт 1 с выступающей головкой (фиг.1) или с потайной головкой (фиг.2), гайку 2, шайбу 3 и соединяемые детали 4. Ударная подпрессовка болта 1 осуществляется динамическим воздействием нагрузки F.
ДИН
КЛ
КЛ
Последовательность действий в предлагаемом способе заключается в следующем. В отверстие пакета соединяемых деталей 4 устанавливают с радиальным натягом болт 1, затягивают его нормированной затяжкой гайки 2, затем к детали со стороны гайки прикладывают поддержку массой не менее 2 кг с отверстием, охватывающим гайку с шайбой и в течение 1÷2 с дополнительно к головке болта 1 прикладывают динамическую нагрузку F, которая преодолевает силы трения по поверхности между стержнем болта и стенкой отверстия, увеличивая стяжку пакета деталей, а после динамической подпрессовки производят подтяжку гайки 2 нормированной затяжкой (той же величиной крутящего момента М). Количество циклов динамическая подпрессовка болта 1 - последующая подтяжка гайки 2 выбирают в зависимости от конструктивно-технологических параметров соединяемых деталей до прекращения доворота гайки нормированным крутящим моментом М.
<mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>9</mn><mn>5</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn></mrow>
1
2
СТ
СТ
СТ
Экспериментально было установлено, что при малых толщинах пакета деталей h (h≤2d, где d - диаметр болта) при выполнении болтового соединения по предлагаемому изобретению обеспечивается стяжка пакета, которая оценивается значением коэффициента стяжки пакета
. Этим объясняется значительное повышение усталостной долговечности образцов соединений. В этой формуле Q и Q обозначают усилия в стержне болта под гайкой и головкой болта соответственно. В образцах болтовых соединений с толщиной пакета деталей h≤2d для достижения величины К=0,95÷1 достаточно выполнить 2 цикла динамическая подпрессовка-подтяжка гайки. При толщинах пакета деталей h>2d после выполнения от 4 до 6 таких циклов обеспечивалась величина коэффициента К=0,91÷0,97. Меньшее значение коэффициента К для более толстых пакетов деталей объясняется тем, что соединяемые детали имеют большую жесткость и наличие даже незначительной волнистости поверхностей сопрягаемых деталей, в том числе и из-за шероховатости, препятствуют формированию более плотного контакта соприкасающихся поверхностей в зоне отверстия при динамической подпрессовке единичной силовой точки (болтовое соединение).
КЛ
1
2
СТ
1
2
1
Для сравнения с вышеизложенным следует отметить, что после выполнения болтовых соединений с радиальным натягом как по существующей технологии, так и при сборке с разовой статической подпрессовкой предусмотрена разовая затяжка гайки нормированным моментом на ключе М. Известно, что значительная доля момента затяжки тратится на преодоление сил трения по контактирующим поверхностям пары стержень болта-отверстие и пары «торец гайки-шайба». Поэтому усилие в стержне болта под гайкой Q, всегда больше усилия в стержне под головкой болта Q и исходное значение коэффициента стяжки пакета К значительно ниже требуемого значения полноценной стяжки пакета, к тому же оно резко снижается после действия на соединение циклической нагрузки, так как происходит перераспределение усилий Q и Q при резком уменьшении величины Q.
СТ
СТ
СТ
Вполне очевидно, что оптимальное значение коэффициента стяжки пакета соответствует значению К=1. Однако применение динамической подпрессовки-подтяжки гайки с необходимым количеством циклов обеспечивает величину К в интервале 0,91-1,0 в каждом болтовом соединении шва. Поэтому для повышения величины коэффициента стяжки К, то есть уровня стяжки пакета деталей в каждом соединении болтового шва, необходимо выполнять следующую последовательность. На некотором участке болтового шва или на всей его длине выполняют последовательно все болтовые соединения с уменьшенным на один-два цикла динамической подпрессовки и последующей подтяжки гайки нормированным крутящим моментом затяжки от общего потребного количества циклов. Затем, в той же последовательности во всех болтовых соединениях участка шва выполняют недостающие циклы динамической подпрессовки болтов с последующей подтяжкой гаек тем же крутящим моментом на ключе. Далее выполняют аналогично описанной последовательности следующие участки шва, если продолжительный болтовой шов разбит на участки. Для динамической подпрессовки болтов можно использовать клепальный пневмомолоток с энергией единичного удара от 5 до 10 Дж.
Эффективность предлагаемого способа выполнения болтовых соединений с радиальным натягом подтверждена результатами сравнительных усталостных испытаний двух партий двухсрезных образцов болтовых соединений: с динамической подпрессовкой болтов и последующей подтяжкой гайки и по существующей технологии с разовой нормированной затяжкой гайки. Усталостная долговечность образцов соединений с динамической подпрессовкой болтов в 4÷6 раз превышала усталостную долговечность образцов соединений, выполненных по существующей технологии.
Использование предлагаемого способа выполнения болтовых соединений в серийном производстве авиационной техники позволяет увеличить ресурс конструкции в зоне болтовых соединений с радиальным натягом.