Заклёпочные соединения. Основные сведения и расчет на прочность

1. Конструкция технология, классификация, области применение заклепочных соединений
В большинстве случаев его применяют для соединения листов и фасонных прокат-ных профилей. Соединение образуют расклепыванием стержня за­клепки, встав-ленной в отверстие деталей (рис. 2.1, где 1 − обжимка; 2 − прижим при машинной клепке; 3 − замыкающая головка; 4 − закладная головка; 5 − поддержка)
F
F
Заклепочное соединение неразъемное
Рис. 2.1

При расклепывании вследствие пластических деформаций образуется замыкающая головка, а стержень заклепки запол­няет зазор в отверстии.
Силы, вызванные упругими дефор­мациями деталей и стержня заклепки, стягивают детали.
Относительному сдвигу деталей оказывают сопротивление стержни заклепок и частично силы трения в стыке.
Отверстия в деталях продавливают или сверлят. Сверление менее производительно, но обес-печивает повышенную прочность.

При продавливании листы деформируются, по краям отверстия появляются мелкие трещины, а на выходной стороне отверстия образуется острая кромка, которая может вызвать подрез стержня заклепки. Поэтому продавливание иногда сочетают с последующим рассверливанием.
Клепку (осаживание стержня) можно произ-водить вручную или машинным (пневма-тическими молотками, прессами и т. п.) спо-собом.

Машинная клепка дает соединения повышенного качества, так как она обеспечивает однородность посадки заклепок и увеличивает силы сжатия деталей. Стальные заклепки малого диаметра (до 10 мм) и заклепки из цветных металлов ставят без нагрева - холодная клепка.
Стальные заклепки диаметром больше 10 мм ставят горячим способом - горячая клепка.

Нагрев заклепок перед постановкой облег-чает процесс клепки и повышает качество соединения (достигаются лучшее заполнение отверстия и повышенный натяг в стыке деталей, связанный с тепловыми деформациями при остывании).
В зависимости от конструкции соединения применяют различные типы заклепок, геометрические размеры которых стандарти-зованы.

Основные типы заклепок изображены на рис. 2.2.
а − с полукруглой головкой;
б − полупотайная;
в − потайная;
г − трубчатая.
Рис. 2.2

Если нет доступа к замыкающей головке (например, пустотелое крыло самолета), то применяют заклепки для односторонней клепки. Например, на рис. 2.2, д замыкающая головка образуется при протягивании конической оправки через коническое отверстие заклепки и на рис. 2.2, е − взрывом заряда 1.
По назначению заклепочные соединения разделяют на прочные (в металлоконструкциях); прочноплотные (в котлах и резервуарах с высоким давлением); плотные (в резервуарах с небольшим внутренним давлением).

Каждая заклепка имеет свою зону действия D (рис. 2.3), на которую распространяются деформации сжатия в стыке деталей.
Если зоны действия сосед-них заклепок пересекаются, то соединение будет плот-ным.
Для обеспечения плотно-сти шва иногда выполняют чеканку (пластическое дефор-мирование листов, например, пневматическими молотками) вокруг заклепок и по кромкам листов.
Рис. 2.3

По конструктивному признаку различают заклеп-очные соединения внахлестку и встык, однорядные и многорядные, односрезные и многосрезные.
На рис. 2.4:
а − однорядный односрез-ный шов внахлестку;
б − однорядный двухсрез-ный шов встык с двумя накладками.
Рис. 2.4

Заклепочные соединения применяют для деталей, материал которых плохо сваривается, и в тех конструкциях, где важно растянуть во времени развитие процесса разрушения.
Напри­мер, разрушение одной или нескольких из тысяч заклепок крыла самолета еще не приводит к его разрушению, но уже может быть обнаружено и устранено при контроле и ремонте.

В сварных соединениях об­разование трещин сопровождается высокой концентрацией напря­жений, что приводит к ускорению процесса разрушения.
2.2. Расчет на прочность элементов
заклепочного шва
Условия нагружения заклепок подобны условиям нагруже­ния болтов, поставленных без зазора (ср. рис. 2.4 и 1.21). Поэтому для заклепок остаются справедливыми расчетные формулы (1.21) и (1.22), которые определяют прочность по напряжениям среза τ и смятия σсм.

При расчетах заклепочных соединений, нагруженных силой в плоскости стыка, допускают, что нагрузка распространяется равномерно между всеми заклепками шва, силы трения в стыке не учитывают.
На основные размеры заклепочных соединений выработаны нормы, которые рекомендуют выбирать d, t, е и δ1 зависимости от толщины листов δ или размеров прокатного профиля. При этом расчет приобретает проверочный характер.

Ниже рассмотрены некоторые особенности конструкции и расчета заклепочных соединений. В соединениях широких листов (рис. 2.4) за расчет-ную нагрузку принимают силу Ft действующую на фронте одного шага t. При этом значение Ft обычно определяют по напряжениям растяжения σ' в сечении листа а − а, не ослабленном отверстиями под заклепки. Напряжение σ' полагают известным из основных расчетов конструкции (расчет прочности стенок котла, резервуара и т. п.):

Прочность листа в сечении b − b
Отношение
называют коэффициентом прочности заклепочного шва.
Значение φ показывает, как уменьшается прочность листов при соединении заклепками. Например, для однорядного односрезного шва (рис. 2.4,а) при стан-дартных размерах φ = 0,65, т. е. образование заклепоч-ного соединения уменьшает прочность листов на 35%.

Понижение прочности деталей − одна из главных отрицательных характеристик заклепочного соединения. Для увеличения значений φ применяют многорядные и многосрезные швы (см. рис. 2.4, б и 2.5).
На рис. 2.5 изображена конструкция прочноплот-ного трехрядного шва с переменным шагом закле-пок в рядах (правая поло-вина шва симметрична и на рисунке изображена части-но).
Рис.2.5

В этом шве на фронте основного шва t1 расположено шесть заклепок. Каждая заклепка передает нагрузку, равную (1/6)Ғt. В соот­ветствии с этим на рис. 2.5 даны эпюры продольных сил, возникающих в различных сечениях листов и накладок. Сечение листа по первому ряду заклепок нагружено полной силой Ғt. Для того чтобы немного ослабить это сечение, в нем поставлена только одна заклепка (две половины заклепки). Сечение по второму ряду нагружено меньшей силой и, соблюдая условия равнопрочностей, в нем можно поставить большее число заклепок и т. д. Малая нагрузка на каждую заклепку, а также две плоскости среза заклепки позволяют значительно уменьшить ее диаметр.

Уменьшение диаметра приводит к увеличению коэффициента прочности шва [см. формулу (2.1)], например для рассматриваемого шва φ ≈ 0,9. Однако стремление получить высокое значение φ приводит к сложной и дорогой конструкции соединения.
На рис. 2.6 изображена конструкция клепаного узла фермы, которая может служить примером прочного соединения. При разработке конструкции такого соединения учитывают условия, перечисленные ниже.

1. Стержни (уголки или другие профили) следует располагать так, чтобы расчетные линии действия сил, проходящие через центры тяжести сечений стержней, пересекались в одной точке. В противном случае в соединении кроме сил появляются моменты.
Рис. 2.6

2. Число заклепок для каждого уголка должно быть не менее двух (иначе будет шарнир).
3. Заклепки следует размещать возможно ближе к оси, проходящей через центр тяжести сечения стержня (напри-мер, уголка; рис. 2.7).
Рис. 2.7

При смещении заклепки от этой оси в соединении возникают моменты, равные Fl1 и Fl2. Устранить влияние этих моментов можно применением симметричных стер-жней (рис. 2.8). В соединении, показанном на рис. 2.8, а, устранен момент Fl2, а в соединении на рис. 2.8, б устранены оба момента.
Рис. 2.8

2.3. Материалы заклепок и допускаемые напряжения
Заклепки изготовляют из стали, меди, латуни, алюми­ния и других металлов. Материал заклепок должен обла­дать пластичностью и не принимать закалки. Высо-кая пла­стичность материала облегчает клепку и способ-ствует рав­номерному распределению нагрузки по заклеп-кам. При вы­боре материала для заклепок необходимо стремиться к тому, чтобы температурные коэффициенты линейного рас­ширения заклепок и соединяемых деталей были равными или близкими.
В противном случае при колебаниях температуры в соедине­нии появляются температурные напряжения.

Особую опасность представляет сочетание разно-родных материалов, которые способны образовывать гальванические пары. Гальванические токи быстро разру-шают соединение.
Такое явление наблюда­ется в химической промышлен-ности и судостроении. Поэтому для скрепления алюми-ниевых деталей применяют алюминиевые заклепки, для медных − медные.
Допускаемые напряжения для заклепок (табл. 2.1) зависят в основном от характера обработки отверстия (продавленные или сверленые) и характера внешней нагрузки (статическая, динамическая).