Испытание на растяжение двухболтового соединения с двумя поверхностями трения
Испытание на растяжение двухболтового соединения с двумя поверхностями трения
Введение
Двухболтовые соединения с фрикционными поверхностями являются распространенным элементом в различных инженерных конструкциях, где требуется передача значительных растягивающих усилий с возможностью демпфирования микро-проскальзываний и перераспределения напряжений. Надежность таких соединений критически зависит от силы трения, генерируемой на контактирующих поверхностях под действием затяжки болтов. Испытания на растяжение являются основным методом оценки несущей способности, жесткости и поведения таких соединений при статической нагрузке до разрушения. Данная статья описывает процедуру и особенности проведения испытания на растяжение двухболтового соединения с двумя поверхностями трения.
1. Объекты испытаний
Объектами испытаний являются специально изготовленные образцы, моделирующие двухболтовое фрикционное соединение. Типичный образец включает:
- Центральный элемент: Пластина или стержень, размещаемый между двумя внешними элементами. На концах центрального элемента имеются отверстия под болты.
- Два внешних элемента (накладки): Пластины, располагаемые симметрично с обеих сторон центрального элемента. Каждая накладка имеет отверстия, совпадающие с отверстиями центрального элемента.
- Две поверхности трения: Контактные поверхности между центральным элементом и каждой из внешних накладок. Поверхности должны быть обработаны с заданной шероховатостью (Ra, Rz) и очищены в соответствии с требованиями к фрикционному соединению (например, пескоструйная очистка до степени Sa 2.5 или 3.0). Запрещается наличие масла, ржавчины или других загрязнений, влияющих на коэффициент трения.
- Два высокопрочных болта с гайками и шайбами: Болты нормальной или увеличенной длины, соответствующие требуемому классу прочности (например, 8.8, 10.9). Обязательно использование твердых шайб (под головку болта и под гайку) для обеспечения равномерного распределения давления затяжки и защиты поверхностей трения.
- Контрольные метки/тензодатчики: Для измерения деформаций на элементах соединения или относительных смещений (проскальзываний) между элементами могут наноситься метки или устанавливаться тензорезисторы.
Все элементы изготавливаются из конструкционной стали с известными механическими свойствами (предел текучести σ_y, предел прочности σ_u, модуль упругости E). Геометрические размеры элементов (толщина, ширина, диаметр отверстий, расстояние между болтами, притупления кромок) строго контролируются и соответствуют чертежам испытательного образца.
2. Область испытаний
Данный тип испытания актуален для широкого спектра областей инженерного проектирования и строительства, включая:
- Металлические строительные конструкции: Соединения элементов ферм, рам, связей, опорных узлов, где критически важна передача растягивающих усилий через фрикционные соединения.
- Мостостроение: Стыки и узлы пролетных строений, соединения элементов опор.
- Машиностроение: Силовые рамные конструкции транспортных средств, спецтехники, подъемного оборудования.
- Анализ и валидация: Проверка теоретических моделей работы фрикционных соединений под растягивающей нагрузкой, определение реальных коэффициентов трения, жесткости соединения и предельных состояний.
- Разработка нормативов: Формирование экспериментальной базы для актуализации строительных норм и правил (СНиП, СП, EN, ISO) в части расчета и проектирования болтовых фрикционных соединений при растяжении.
3. Методы испытаний
Основным методом является статическое испытание на растяжение при квазистатическом (медленно возрастающем) нагружении до разрушения образца. Ключевые этапы метода:
- Подготовка поверхностей трения: Строгое соблюдение технологии подготовки поверхностей (очистка, контроль шероховатости) согласно требованиям к фрикционному соединению.
- Сборка образца: Центральный элемент устанавливается между двумя накладками. Совмещаются отверстия под болты.
- Установка болтов, гаек и шайб: Болты вставляются в отверстия, на них надеваются шайбы и навинчиваются гайки.
- Затяжка болтов: Осуществляется контролируемая затяжка двух болтов до заданного расчетного усилия натяжения (N_b). Это критически важный этап.
- Предпочтительный метод: Затяжка с помощью калиброванного динамометрического ключа с контролем момента затяжки (M) или, что точнее, методом крутящего момента с контролем угла поворота (HRC - Hardened Round Control).
- Альтернативный (наиболее точный) метод: Затяжка непосредственно по усилию с использованием датчиков силы (тензоболтов) или гидравлических приборов для натяжения. Это позволяет напрямую контролировать и поддерживать требуемое усилие натяжения в каждом болте.
- Затяжка выполняется симметрично и по утвержденной схеме (например, предварительная затяжка до 50% N_b, затем до 75% N_b, и окончательно до 100% N_b для каждого болта в указанном порядке) для обеспечения равномерного обжатия пакета и генерации одинаковой силы трения на обеих поверхностях.
- Установка образца в испытательную машину: Собранный образец (обычно через специальные серьги или захваты, прикрепленные к внешним накладкам) устанавливается в захваты универсальной испытательной машины таким образом, чтобы линия действия растягивающей силы проходила строго по оси симметрии соединения и через центры болтов, минимизируя эксцентриситет.
- Монтаж измерительной аппаратуры: Устанавливаются и подключаются датчики перемещения (экстензометры или LVDT) для измерения:
- Абсолютного удлинения всего образца (между захватами машины).
- Относительных смещений (проскальзываний) между центральным элементом и каждой из внешних накладок на поверхностях трения (критически важный параметр).
- Деформаций на элементах соединения (с помощью тензорезисторов).
- Нагружение: Прикладывается растягивающая нагрузка с постоянной низкой скоростью деформации (как правило, в диапазоне 1-5 мм/мин). Нагрузка увеличивается непрерывно до разрушения образца.
- Регистрация данных: Непрерывно регистрируются:
- Приложенная растягивающая сила (F).
- Перемещения захватов машины (ΔL).
- Относительные перемещения на каждой поверхности трения (δ1, δ2).
- Деформации в ключевых точках (если установлены тензодатчики).
- Фиксация поведения: Визуально или с помощью видеорегистрации фиксируются этапы работы соединения: начальное упругое поведение, возникновение проскальзывания на одной или обеих поверхностях трения, развитие пластических деформаций в элементах, возможный срез болтов, отрыв или разрыв элементов, разболчивание.
- Анализ результатов: По полученным данным строятся диаграммы "Сила (F) - Перемещение (ΔL или δ)". Определяются:
- Усилие проскальзывания (F_s): Усилие, при котором происходит первое значимое смещение (обычно > 0.15 мм) на одной из поверхностей трения. Характеризует несущую способность трения.
- Предельная несущая способность соединения (F_u): Максимальная сила, достигнутая в процессе испытания.
- Характер разрушения: Срез болтов, смятие/разрыв элементов в районе отверстий, разрыв основного металла центрального элемента или накладок, вырывание болтов, разболчивание.
- Жесткость соединения: До проскальзывания и после (если применимо).
4. Испытательное оборудование
Для проведения испытаний требуется следующее оборудование:
- Универсальная испытательная машина: Электромеханическая или сервогидравлическая машина с достаточной номинальной усилием (как правило, не менее 500-1000 кН в зависимости от размеров соединения и класса болтов) для разрушения образца. Машина должна обеспечивать плавное, квазистатическое нагружение с контролем скорости перемещения или скорости деформации.
- Силоизмерительная система: Точный датчик силы (тензометрический динамометр), интегрированный в машину, для непрерывного измерения прикладываемой растягивающей нагрузки с высокой точностью (класс 1 или 0.5 по ISO 7500-1).
- Система захватов: Специальные захваты (например, клиновые, гидравлические или плоские с шарнирами), обеспечивающие надежное закрепление образца и минимальный эксцентриситет приложения нагрузки. Часто используются переходные серьги.
- Система измерения перемещений:
- Экстензометры: Контактные или бесконтактные (лазерные, видеосистемы) для измерения абсолютного удлинения образца и/или деформаций на поверхности элементов.
- LVDT (Linear Variable Differential Transformer): Высокоточные датчики для измерения малых относительных смещений (проскальзываний) между центральным элементом и накладками на поверхностях трения. Устанавливаются попарно с каждой стороны соединения.
- Система тензометрии: Тензометрические станции с комплектом тензорезисторов для измерения локальных деформаций в критических зонах элементов соединения (возле отверстий, в перемычке между болтами).
- Система затяжки болтов:
- Калиброванный динамометрический ключ: С регулируемым моментом и высокой точностью для затяжки методом крутящего момента.
- Приборы для затяжки по усилию: Гидравлические натяжители болтов или устройства с датчиками силы (тензоболты) для прямого контроля усилия натяжения болтов.
- Система сбора и обработки данных: Многоканальный регистратор данных (аналого-цифровой преобразователь), подключенный ко всем датчикам (сила, перемещения, деформации), и специализированное программное обеспечение для записи, визуализации и обработки результатов испытаний в реальном времени.
- Вспомогательное оборудование: Приспособления для точной сборки образца, инструменты для очистки поверхностей, измерительный инструмент (штангенциркули, микрометры, профилометры) для контроля геометрии и шероховатости.
Заключение
Проведение испытаний на растяжение двухболтовых соединений с двумя поверхностями трения является сложной, но необходимой задачей для оценки их реального поведения под нагрузкой. Строгое соблюдение методики подготовки поверхностей, контролируемой затяжки болтов, точной установки образца и применения корректного измерительного оборудования позволяет получить достоверные данные о прочности, жесткости, усилии проскальзывания и характере разрушения таких соединений. Эти данные являются основой для корректного расчета и проектирования надежных фрикционных узлов в металлических конструкциях.
