Особенности расчета и работы фрикционных соединений на болтах повышенной прочности

Работы фрикционных соединений на болтах повышенной прочности

Обеспечение прочности и надежности узлов в строительстве металлических конструкций — базовая задача современного проектирования. Сопряжения балок, стоек и прочих элементов всегда воспринимаются как наиболее критические участки в силу их склонности к коррозии, возникновению усталостных дефектов и потенциальной концентрации разрушений.

Одним из наиболее эффективных способов соединения в металлических конструкциях является фрикционное соединение, которое по эксплуатационной надежности часто рассматривается как альтернатива сварным соединениям. 

Типовой механизм передачи усилия в фрикционном соединении основан на сопротивлении смещению за счет развитых сил трения между сопрягаемыми поверхностями. В то время как в обычных болтовых соединениях нагрузки переходят через срез и смятие болта в отверстии, здесь все усилия воспринимаются через трение, возникшее вследствие мощного натяжения болта.

Виды соединений и принципы их работы

Стальные конструкции предусматривают болтовые соединения двух основных типов, которые определяются способом передачи внешних усилий.

• Несдвигоустойчивые соединения осуществляются на болтах без контроля натяжения (обычной, грубой или повышенной точности), нагрузка воспринимается срезом и смятием металла. Предварительная затяжка играет вспомогательную роль, а трение между деталями расчетом не учитывается — после минимального сдвига деталей происходит упор корпуса болта в стенки отверстия.
• Сдвигоустойчивые — или фрикционные соединения — проектируются так, чтобы сопротивляться сдвигающим нагрузкам исключительно за счет сил трения. В этих соединениях реализуется режим, когда болты с высокой затяжкой обеспечивают жесткое прижатие деталей друг к другу.

К сдвигоустойчивым узлам также относят фрикционно-срезные соединения, где после полной реализации трения разрешается частичное включение болтов на работу срезом. Однако стандартное фрикционное соединение подразумевает перенос всего воздействия через трение до момента его исчерпания.

Подготовка поверхностей для фрикционных соединений

Величина силы трения — главный фактор, определяющий надежность работы элемента. Ключевым расчетным параметром выступает коэффициент трения между деталями, на который влияют способ подготовки поверхности и применяемое покрытие. Если использовать гладкую, необработанную сталь, получаемый коэффициент трения оказывается недостаточным; поэтому поверхности целенаправленно делают шероховатыми.

Строительные стандарты предусматривают основные методы обработки:

1. Дробеметная или дробеструйная очистка — создание однородной шероховатой структуры с помощью абразивных частиц, что обеспечивает высокий коэффициент трения (может достигать 0,58, однако в расчетах часто принимают значения 0,35–0,45 из-за консервативных требований).
2. Пескоструйная обработка — более экономичный вариант, применяющий кварцевый песок для создания нужной текстуры; коэффициент трения чуть ниже, чем у дробеструйной обработки.
3. Газопламенная технология — позволяет удалять окалину и загрязнения с применением многопламенных горелок; метод требует особой квалификации, поскольку тонкие элементы (до 5 мм) чувствительны к перегреву.
4. Обработка металлическими щетками — применяется в исключительных случаях, когда невозможно реализовать первые три способа; показатель трения минимален.

В документации по КМ и КМД обязательно формулируют требования к обработке поверхностей, поскольку это влияет и на технологию монтажных работ, и на итоговую несущую способность узла. К примеру, при задании газопламенной обработки потребуется и специальное оборудование, и обученный персонал на площадке.

Инженерное обоснование фрикционных соединений

Любое фрикционное соединение требует тщательного расчета с учетом предельно возможной силы трения между элементами на каждый болт. Для этого применяются высокопрочные болты из легированных сталей (например, 40Х, 30Х3МФ и др.), которые подвергаются закалке для достижения указанных в нормативных документах механических свойств.

Вычисление осевого натяжения болта

Первый этап расчета — определение нужного натяжения. Оно вычисляется как произведение расчетного сопротивления разрыву по материалу болта и площади его резьбовой части, с учетом понижающего коэффициента запаса (чтобы избежать разрыва болта при монтаже, коэффициент колеблется от 0,7 до 0,9 в зависимости от нормативных указаний).

Расчет фрикционной несущей способности

Для каждого болта устанавливается максимально допустимая сила сдвига, которую способно воспринять соединение. Расчет осуществляется по формуле, где осевое натяжение умножается на коэффициент трения и корректируется на условия эксплуатации и надежность, отраженные соответствующими коэффициентами (условий работы, надежности и пр.).

Выбор числа болтов

В финальном расчете определяют общее количество болтов: продольная расчетная сила, действующая в узле, делится на несущую способность одного элемента и на количество плоскостей трения.
 

Особенности монтажа фрикционных соединений

Надежность эксплуатационной работы напрямую зависит от точности выполнения монтажа — criação необходимого преднатяга — и контроля соответствия закладываемого усилия расчетному.

Для реализации стандартов фрикционного соединения используют такие методы:

• Контроль по крутящему моменту. При монтаже применяется динамометрический ключ, который позволяет выставить требуемый момент затяжки, определяемый расчетом через натяжение и коэффициент трения нарезки.
• Контроль поворота гайки. После начального затягивания до плотного прилегания болта и гайки проводят дозатяжку по определённому углу (обычно 180°–240° в зависимости от размера и требований), чтобы гарантировать заданный уровень растяжения болта.
• Реже — тарированные гайковерты или специализированные устройства, автоматически ограничивающие момент затяжки.

Отклонения от технологии (недостаточное натяжение, неравномерность закрутки по ряду болтов, загрязненные или гладкие поверхности и т.п.) ведут к снижению надежности фрикционного соединения и риску преждевременного выхода из строя.

Преимущества и пределы применения фрикционных соединений

Несмотря на несколько большую стоимость материалов и усложненную подготовку контактных поверхностей, фрикционное соединение обладает следующими достоинствами:

• Высокая устойчивость к вибрационным и динамическим нагрузкам, делая такой тип узлов незаменимым при проектировании мостов, тяжелых металлоконструкций, сооружений, работающих с циклическими и ударными нагрузками.
• Отсутствие местных концентраторов напряжений, снижая вероятность формирования усталостных трещин и локальных дефектов по сравнению с термически нагруженными зонами сварных соединений.
• Удобство обслуживания, возможность регулировки и облегченный демонтаж. В случае необходимости узел можно разобрать, заменить отдельные детали, подтянуть или ослабить болты без разрушения конструкции — чего нельзя сказать о сварном креплении.

В целом, применение фрикционных соединений экономически оправдано для особо ответственных и длительно эксплуатируемых сооружений, где критична долговечность конструкции в условиях сложных нагрузок.