Почему при увеличении внешней нагрузки, растягивающее усилие в болтах с предварительным натяжением не изменяется?
Механизм работы соединений на болтах без предварительного натяжения интуитивно понятен: при приложении внешней нагрузки появляется зазор между соприкасающимися поверхностями, а болт начинает растягиваться. При этом растягивающее усилие в болте и зазор между поверхностями будут увеличиваться с ростом нагрузки (рисунок 1, 2).
Рисунок 1 — Увеличение зазора по мере роста внешней нагрузки
Рисунок 2 — Увеличение растягивающего усилия в болте по мере роста внешней нагрузки
Однако в ряде случаев требуется применять болтовые соединения с предварительным натяжением. Например, при действии вибрационных и динамических нагрузок или в многоболтовых соединениях, к которым предъявляются повышенные требования по деформативности (п. 14.3.1 СП 16.13330.2017). В таком случае работа соединения выглядит иным образом из-за возникновения прижимной силы между деталями (рисунок 3).
Рисунок 3 — Возникновение прижимной силы между поверхностями при натяжении болтов
При приложении к таким соединениям внешней нагрузки в первую очередь наблюдается уменьшение прижимной силы, в то время как усилие в болтах практически не изменяется. Это явление можно объяснить тем, что распределение усилий в статически неопределимых системах происходит пропорционально жесткостям компонентов. В рассматриваемом соединении должно выполняться условие совместности деформаций (деформации пластин равны деформациям болта), а для достижения в болте соответствующих деформаций требуется значительно меньшее изменение усилия.
Само соединение можно представить в виде двух пружин (рисунок 4):
- Пружина с жесткостью К1, которая растягивается после преднатяжения и соответствует поведению болта.
- Пружина с жесткостью К2, которая сжимается и моделирует контакт поверхностей.
При этом первая пружина является значительно более податливой (K1 << K2)
Рисунок 4 — Представление болтового соединения в виде системы пружин
После приложения внешней растягивающей нагрузки основная часть усилия будет передаваться за счет уменьшения сжатия пружины К1, и лишь малая часть — через растяжение пружины К2 (рисунок 5).
Рисунок 5 — Представление болтового соединения в виде системы пружин
Прижимная сила преодолевается лишь после достижения внешними нагрузками значения суммарного усилия в болтах. После этого болты работают аналогично соединениям без предварительного натяжения: любое дальнейшее увеличение внешней нагрузки будет восприниматься исключительно болтами вплоть до разрушения соединения (рисунок 6).
Рисунок 6 — Распределение усилий в соединении с предварительным натяжением при различной внешней нагрузке
При проектировании данного типа соединений принимается, что предельное состояние наступает сразу после превышения приложенной нагрузки значения суммарного усилия предварительного натяжения болтов. Это связано с тем, что последующий отказ соединения не является достаточно пластичным и может произойти мгновенно. Кроме того, при совместном действии в соединении растягивающих и поперечных сил после проскальзывания болтов меняется характер работы соединения, так как поперечная сила начинает восприниматься за счет среза болтов, а не за счет трения между поверхностями.