Заклепочные и сварные соединения по назначению и расчету

Введение

       Взаимодействие  деталей между собой называют  связями. Эти связи делятся  на подвижные (шарниры, зубчатые  зацепления, подшипники, ременные и  цепные передачи) и неподвижные  (заклепочные, сварные и другие). Неподвижные связи в технике  называют соединениями. Соединения  состоят из соединительных деталей  и прилегающих частей соединяемых  деталей, форма которых подчинена  задаче соединения. В отдельных  конструкциях специальные соединительные  детали могут отсутствовать. Различают  два вида соединений – неразъемные, при которых разъем деталей возможен только разрушением, и разъемные. Первый вид соединений осуществляется заклепочными и сварными швами.

      По назначению заклепочные соединения подразделяются на прочные, плотные и прочноплотные. Прочные соединения применяют при сборке и монтаже колонн, ферм, балок; плотные - цистерн, резервуаров; прочноплотные - для изготовления емкостей, находящихся под давлением. 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.

      Сварное соединение – неразъёмное соединение, выполненное сваркой, т.е. путём установления межатомных связей между свариваемыми частями при нагревании или пластическом деформировании. Сварные соединения являются наиболее распространёнными и совершенными из неразъёмных соединений, так как лучше других обеспечивают условия равнопрочности, снижения массы и стоимости конструкции.

       Сварные соединения по сравнению с заклепочными обладают рядом существенных преимуществ: простота соединения, экономия металла, отсутствие ослабления деталей отверстиями, быстрота соединения и возможность автоматизации процесса сварки.

       В данной  работе я сравню данные соединения  по назначению и расчету.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение и классификация заклепочных 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 в следующих случаях: 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 распространение усталостной трещины из детали в деталь. Большинство соединений в самолётах по-прежнему выполняется клёпкой.

     Заклепочные  соединения состоят из двух  или нескольких листов или  деталей, соединяемых (склепываемых) в неразъемную конструкцию с  помощью заклепок

Заклепкой называют круглый стержень, имеющий сформированную закладную головку на одном конце и формируемую в процессе клепки замыкающую головку на другом его конце. При этом детали сильно сжимаются, образуя прочное, неподвижное неразъёмное соединение. Форма и размеры заклепок регламентированы стандартом. Заклепочным швом называют соединение, осуществляемое группой заклепок.

Двухрядное заклёпочное соединение

Отверстия под заклепки в  деталях продавливают или сверлят. При продавливании образуются мелкие трещины по периферии отверстий. Трещины могут быть причиной разрушения заклепочного шва во время работы. Продавленные отверстия применяют  в малоответственных конструкциях. Сверление – процесс малопроизводительный и дорогой. Сверленые отверстия  применяют в конструкциях, где  требуется высокая надежность. При  больших диаметрах отверстий  практикуют продавливание с последующим  рассверливанием. Каждая заклепка имеет свою зону действия D, на которую распространяется деформация сжатия в стыке деталей. Если зоны действия соседних заклепок пересекаются, то соединение будет плотным. Вследствие пластических деформаций в процессе клепки стержни заклепок заполняют отверстия и заклепки стягивают соединяемые детали. В результате относительному сдвигу склепанных деталей оказывают сопротивление, как стержни заклепок, так и силы трения, возникающие на поверхности стыка. Для обеспечения плотности шва иногда выполняют чеканку (пластическое деформирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов. Заклепки поставляются как готовые изделия.

        В  настоящее время в связи с  бурным развитием сварки заклепочные  соединения имеют ограниченное  применение (в конструкциях, для  которых методы сварки и склеивания  еще недостаточно разработаны  или мало эффективны, а также в соединениях, работающих при больших вибрационных или ударных нагрузках при высоких требованиях к надежности соединения). Также в соединениях окончательно обработанных деталей, в которых применение сварки недопустимо из-за их коробления при нагреве. Большой объем клепально-сборочных работ производится при изготовлении летательных аппаратов. Некоторые самолеты имеют более миллиона заклепок. Заклепочные соединения находят применение в подъемно-транспортных машинах, в строительстве железнодорожных мостов, котлостроении и т. п.

     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.

Заклепочные швы  классифицируют:

- по назначению — прочные швы (мостовые и крановые фермы, самолеты и т. д.), обеспечивающие прочность соединения, прочноплотные (в котлах и резервуарах с высоким давлением), плотные (в резервуарах с небольшим внутренним давлением), обеспечивающие прочность и герметичность;

- по взаимному расположению склепываемых деталей - швы встык с одной или двумя накладками  и швы внахлестку;

- по числу рядов (для швов встык число рядов учитывается по одну сторону стыка) — однорядные и многорядные;

- по расположению заклепок в рядах — параллельные и шахматные швы;

- по условиям работы (по числу плоскостей среза) — односрезные швы — с одной плоскостью среза в каждой заклепке и многосрезные — с несколькими плоскостями среза каждой заклепки (двухсрезные).

 

 

2. Расчет  заклепочных соединений.

      На рис.1 показано соединение двух листов  заклепками (соединение внахлестку). Соединение разрушается в результате  перерезывания заклепок по линии  соприкосновения листов. Если разрушение каждой заклепки происходит по одной плоскости среза, то заклепочное соединение называется односрезным, если по двум плоскостям, то соединение называется двухсрезным и т.д.

Рис.1

Учитывая большие трудности, связанные с определением действительного  напряженного состояния материала  заклепки в зоне разрушения, для  упрощения задачи принимаем, что  по плоскостям среза действуют только касательные напряжения, которые  распределяются по поверхности среза  равномерно. Второе допущение устанавливает, что при действии статической  нагрузки можно принимать поперечную силу в каждой заклепке равной:

 

 

где P - сила, действующая на соединение; n - число заклепок.

Приняв указанные  допущения, получим условие прочности  заклепок на срез:

 

где F=πd2/4 - площадь поперечного сечения заклепки диаметром d, [τ]≈(0.6÷0.8)[σ] - допускаемое касательное напряжение. При двухсрезном или многосрезном заклепочном соединении вместо n в формулу следует подставлять общее число срезов заклепок, расположенных по одну сторону стыка.

      Кроме расчета  на срез заклепочные соединения  рассчитывают также на смятие. Проверяют напряжения смятия  по площади соприкосновения соединяемых  листов и заклепок. С целью  приближенного расчета истинная  эпюра распределения сжимающих  напряжений смятия заменяется  приближенной равномерной эпюрой (рис.2). Площадь смятия одной заклепки  принимают равной Fсм=dt, где t - толщина соединяемых листов.

Рис.2

Условие прочности  на смятие имеет следующие вид:

 

где [σсм]≈(0.5÷0.6)[σ] - допускаемое напряжение на смятие.

В случае склепывания внахлестку двух листов различной толщины надо принимать t=tmin.

Кроме расчета  на срез и смятие составляют также  условие прочности листа на разрыв:

 

где F1 - площадь сечения листа по ряду заклепок в направлении, перпендикулярном линии действия силы P; - число заклепок в этом сечении; b - ширина листа.

 

 

 

3. Назначения  и классификация сварных соединений.

     Сварка — это технологический процесс получения неразъемного соединения металлических или неметаллических деталей с применением нагрева (до пластического или расплавленного состояния), выполненного таким образом, чтобы место соединения по механическим свойствам и своему составу по возможности не отличалось от основного материала детали.

     Основные виды электросварки — дуговая, газовая и контактная. Дуговая сварка - наиболее распространенный вид. Применяется везде, где есть источники электроэнергии. Разновидности дуговой сварки:-  ручная сварка; этот метод сварки отличается низкой производительностью, но легко доступен для применения;-  полуавтоматическая сварка под слоем флюса; применяется для конструкций с короткими прерывистыми швами;- автоматическая сварка под слоем флюса; этот метод сварки высокопроизводителен и экономичен, дает хорошее качество шва, применяется в крупносерийном и массовом производстве. Газовая сварка применяется в основном там, где нет источников электроэнергии, например, при ремонте в полевых условиях. Контактная сварка применяется в серийном и массовом производстве при нахлесточном соединении тонкого листового металла (точечная, роликовая) или при стыковом соединении круглого и полосового (стыковая сварка). При контактной сварке (сварка давлением) присадочный материал не применяют. Контактная сварка основана на использовании тепла, выделяющегося в месте соприкосновения свариваемых деталей (например, при прохождении через них электрического тока). Сварка производится с применением механического давления, под действием которого детали, предварительно нагретые в месте соединения (контакта) до пластического состояния или оплавления, образуют сварной шов.

      При соединении  деталей с помощью сварки плавлением  к расплавляемой области подводят  присадочный материал, который заполняет  свариваемое место. Затвердевший  после сварки металл, соединяющий  сваренные детали, называют сварным швом.

    Сварным соединением называют неразъемное соединение деталей с помощью сварных швов. Если в заклепочном соединении соединяющим элементом является заклепка, то в сварных - расплавленный металл, создающий при остывании неразъемное соединение, то есть такое, которые не может быть разобрано без повреждения деталей. Сварные соединения лучше других приближают составные детали к целым и позволяют изготавливать детали неограниченных размеров. Прочность сварных соединений при статических и ударных нагрузках доведена до прочности деталей из целого металла. Освоена сварка всех конструкционных сталей, включая высоколегированные, цветных сплавов и пластмасс. Масса сварных конструкций при тех же габаритах значительно меньше клепаных (на 15%). Экономия металла достигается за счет использования полной площади сечения, а также возможности более рационального конструирования (например, применения стыковых соединений в тех случаях, когда при заклепочном соединении приходится применять накладки).

Сварные швы классифицируют по следующим  признакам:

-  по назначению — прочные (обеспечивают передачу нагрузки с одного элемента на другой); прочноплотные (обеспечивают передачу нагрузки герметичность соединения — непроницаемость для жидкостей и газов);

-  по расположению сварного шва в пространстве (рис. 3) — нижнее (а); вертикальное (в), горизонтальное (б); потолочное (г). При всех прочих равных условиях нижний шов самый прочный,  потолочный — наименее прочный (значения прочности указанных выше швов относятся как 1:0,85; 0,9:0,8).

Рис. 3

По  взаимному расположению свариваемых элементов различают следующие виды соединений:

- стыковые (рис.4);

- нахлесточные, ло­бовые (рис. 5, а); фланговые (рис. 5, б);

- с накладками (рис. 6);

- тавровые (рис. 7, а, б). Свариваемые элементы располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Соединение может быть выполнено угловыми (рис.7, а) или стыковыми (рис. 7, б) швами.

- угловые (рис. 7 в, г). Применяются для изготовления тары из листовой стали, ограждений и др. Выполняются угловыми швами. Эти соединения передают малые нагрузки и поэтому не рассчитываются на прочность.

Рис.4. Стыковое соединение