POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN II Temat ćwiczenia: Badania wytrzymałościowe połączeń nitowych Numer ćwiczenia: 2 Opracował: dr inż. Grzegorz Mieczkowski Białystok

2 SPIS TREŚCI Wstęp Cel ćwiczenia Podstawy teoretyczne Charakterystyka procesu nitowania i rodzaje nitów Rodzaje nitów i ich zastosowanie Rodzaje połączeń nitowych i zasady rozmieszczania nitów Obliczanie połączeń nitowych Przebieg ćwiczenia Literatura Przepisy BHP Protokół pomiarowy

3 Wstęp POŁĄCZENIEM nazywamy fragment konstrukcji, w którym części łączone powiązane są ze sobą bezpośrednio lub za pośrednictwem specjalnych łączników. Połączenia Ruchowe Spoczynkowe Rozłączne Nierozłączne Połączenia bezpośrednie są z zasady połączeniami nierozłącznymi. Zalicza się do nich połączenia spawane, zgrzewane, lutowane, klejone lub wciskowe. Połączenia pośrednie mogą być zarówno rozłączne (np. połączenia śrubowe, wpustowe) jak i nierozłączne (nitowe). Połączenia w konstrukcji są najczęściej jej najsłabszy ogniwem potencjalnym miejscem zniszczenia. Ważne jest zatem ich prawidłowe projektowanie, zapewniające niezawodność i bezpieczeństwo przy zachowaniu zasad ekonomii. Mechanizm (mechanizmy) zniszczenia zależy od typu połączenia oraz obciążenia eksploatacyjnego. W procesie projektowania węzła połączenia konstrukcyjnego należy stosować procedury obliczeniowe adekwatne do przewidywanego mechanizmu zniszczenia. Znając obciążenie zewnętrzne projektant musi dobrać optymalne parametry połączenia. W przypadku połączeń nitowych, w oparciu o znane zależności wyznaczone na drodze analiz eksperymentalnych lub teoretycznych, dobiera się: - średnicę nitu - rodzaj i liczbę nitów - rozmieszczenie nitów w węźle - grubość nakładek - długość nitu. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest analiza pracy i mechanizmów zniszczenia połączenia nitowego - dwustronnego nakładkowego symetrycznego. Połączenie to poddane jest działaniu siły rozciągającej Q przyłożonej na końcach łączonych płaskowników (rys. 1). Q Q Rys.1 Schemat obciążenia badanego złącza nitowego nakładkowego dwustronnego 3

4 Student poznaje czynniki technologiczno - konstrukcyjne wpływające na sposób przenoszenia obciążeń przez badane złącze. Ćwiczenie ma także umożliwić identyfikacje mechanizmów zniszczenia (ścinanie nitów, zowalizowanie lub zerwanie łączonych elementów) zachodzących w węźle nitowanym. Dodatkowo możliwa będzie obserwacja kolejności ścinania poszczególnych nitów i rejestracja wartości odpowiednich sił niszczących. Istotnym celem jest doświadczalna weryfikacja podawanych w literaturze teoretycznych kryteriów zniszczenia połączenia nitowego - student wyznaczy doświadczalnie siłę, przy której nastąpił uszkodzenie i porówna ją z wartością dopuszczalną, obliczoną z zależności teoretycznych. 2. Podstawy teoretyczne 2.1 Charakterystyka procesu nitowania i rodzaje nitów. Połączenia nitowe są połączeniami pośrednimi, w których łącznikami są nity. Łączenie elementów polega na nałożeniu na siebie brzegów łączonych części (połączenie zakładkowe) lub zetknięcie ich powierzchni czołowych i nałożeniu z jednej lub z dwu stron nakładek (połączenie nakładkowe), wykonaniu przelotowych otworów w łączonych częściach, osadzeniu w tych otworach nitów i ich zamknięciu. Proces zamykania nitów może odbywać za pomocą urządzeń udarowych lub pras naciskowych. Zakuwający element, wyprofilowany w ten sposób, aby spęczanemu walcowemu trzonowi nitu nadać kształt zbliżony do jego łba, nazywa się zakuwnikiem, a plastycznie odkształcony odcinek trzonu nitu - zakuwką. Aby mógł nastąpić proces deformacji, na nity stosowane są materiały o dużej plastyczności takie jak niskowęglowa stal, miedź, aluminium i jego stopy. Zalecane jest stosowanie nitów z takiego samego materiału jak materiał łączonych komponentów -elementy stalowe łączy się nitami stalowymi, aluminiowe i ze stopów aluminium nitami aluminiowymi. Zamykanie nitów może odbywać się na zimno lub na gorąco. Nitowanie na zimno stosuje się dla wszystkich nitów wykonanych z metali niezależnych i nitów stalowych o średnicy mniejszej niż 9 mm. Nity stalowe o większych średnicach zamykane są na gorąco nity podgrzewa się do temperatura ok K. Aby zapewnić poprawne działanie połączenia należy łączone elementy ścisnąć odpowiednią siłą. Jej wartość zależy od nacisku prasy, dokładności przylegania elementów złącza i długości nitu. Siłę docisku pras dobiera się w ten sposób, żeby jej stosunek do przekroju poprzecznego nitu wynosił: - ok. 800MPa przy zamykaniu na gorąco - ok MPa przy zamykaniu na zimno. Powierzchnie kontaktu łączonych elementów powinny być gładkie, a długość nitu odpowiednio dobrana do grubości łączonych elementów. 2.2 Rodzaje nitów i ich zastosowanie Generalny podział nitów dotyczy kształtu łba - ich nazwy podane w normach wywodzą się od kształtu łbów nitów. Dodatkowo nity ze względu na kształt trzonu dzieli się na pełne, drążone i rurkowe. Dokładne informacje o parametrach geometrycznych i cechach materiałowych można znaleźć w normach: - nity pełne z łbem: a) kulistym PN-88/M-82952, 4

5 b) stożkowym PN-88/M-82954, c) stożkowym soczewkowym PN-88/M-82957, d) trapezowym PN-88/M-82959, e) grzybkowym PN-88/M-82958, - nity rurkowe drążone z łbem: f) płaskim PN-80/M-82972, g) wywiniętym PN-80/M-82973, h) stożkowym PN-80/M-82974, i) grzybkowym PN-80/M-82975, j) walcowym PN-80/M W węzłach łączeń konstrukcji stalowych i aluminiowych najczęściej stosowane są nity ze łbem kulistym. Wynika to z faktu, że zarówno łeb jak i zakuwka są na zewnątrz węzła -w otworach łączonych blachach lub nakładkach nie ma potrzeby wykonywania dodatkowych operacji technologicznych związanych uzyskaniem kształtów zbliżonych do kształtu łba nitu. W konstrukcjach, gdzie wymagany jest estetyczny wygląd lub gładkość zewnętrznych powierzchni łączonych elementów, stosuje się nity z łbem stożkowym lub soczewkowym. W połączeniach, dla których wymagane jest zapewnienie szczelności (np. w budowie zbiorników wysokociśnieniowych) stosowane są nity z łbem trapezowym. 2.3 Rodzaje połączeń nitowych i zasady rozmieszczania nitów Ze względu na wzajemne usytuowanie elementów złącza rozróżnia się połączenia zakładkowe (rys.2a,b) i nakładkowe (rys.2c,d), przy czym połączenia nakładkowe mogą być jednostronne (rys. 2c) lub dwustronne (symetryczne rys.3 i niesymetryczne rys.2d). W połączeniach nity rozmieszczone są w sposób uporządkowany w rzędach i szeregach, tworząc tzw. szwy nitowe. W zależności od wielkości przenoszonego przez połączenie obciążenia eksploatacyjnego stosuje szwy jednorzędowe (rys.2a,c) lub wielorzędowe (rys.2b,d). a) b) 5

6 c) d) Rys.2 Połączenia nitowe: a) zakładkowe jednorzędowe, b) zakładkowe dwurzędowe, c) nakładkowe jednostronne, d) nakładkowe dwustronne niesymetryczne W połączeniach wielorzędowych należy pamiętać o tym, że największe naprężenia w łączonych blachach występują w skrajnych rzędach nitów. Zmniejszenie tych naprężeń możliwe jest poprzez zastosowanie w skrajnych rzędach mniejszej liczby nitów (zwiększenie przekroju poprzecznego łączonych elementów) niż w rzędach pozostałych. Szwy o takim rozmieszczeniu nitów nazywa się niepełnymi (rys.3). Dodatkowo nity w szwach wielorzędowych mogą być usytuowane równolegle lub przestawnie. 6

7 Rys.3 Charakterystyczne wymiary połączeń nitowych W połączeniu nitowanym poszczególne wymiary określające rozmieszczenie nitów (rys.3) oblicza się z następujących zależności: - podziałka t 3d t 9d najczęściej przyjmuje się t=3d - odległość między rzędami a a 2.6d - odległość otworów od krawędzi łączonych elementów (w kierunku działania obciążenia) e 1 2d e1 2.5d - odległość otworów od krawędzi łączonych elementów (w kierunku prostopadłym do działania obciążenia) e 2 1.5d e2 2d - kąt ukosowania nakładek gdzie d jest średnicą otworu pod nit. Średnicę otworu pod nit przyjmuje się odpowiedni większą od średnicy nitu d n, dla: - nitów zamykanych na gorąco: d d n 1 [mm] - nitów zamykanych na zimno: d d n ( ) [mm]. Zwykle przyjmuje się, że średnica nitu d n : d (1 2) g, g- grubość łączonych elementów. n 7

8 Przy połączeniach nakładkowych zalecana grubość nakładki g n : gn 0.8g. Długość użytego w połączeniu nitu l jest sumą łącznej grubości elementów węzła nitowanego g i oraz naddatku na ukształtowanie zakuwek l 0 (zależy od zastosowanego typu nitu): l gi l 0. Dla połączenia nakładkowego dwustronnego z nitami stożkowymi długość nitu l wynosi: l g 2 gn ( ) d n. Wady połączeń nitowych: bardzo ograniczone możliwości konstrukcyjne; trudność uzyskania szczelności połączenia; osłabiają przekroje poprzeczne; znaczne koszty związane z wykonaniem; zwiększenie masy konstrukcji. Zalety: możliwość łączenia materiałów trudno spawalnych; zdolność do przenoszenia dużych drgań; wytrzymałość przy niskich temperaturach. 2.4 Obliczanie połączeń nitowych W typowych połączeniach nitowych obciążenie przenoszone jest przez tarcie na styku łączonych elementów. Siła tarcia T można wyznaczyć z zależności: T r 4 2 dn gdzie - współczynnik tarcia, r - naprężenia rozciągające w nicie wywołane w procesie zamykania. Q B A obciążenie przenoszone przez tarcie i sprzężenie kształtowe Q Q>T obciążenie przenoszone przez tarcie Q Q < T u Rys.4 Przenoszenie obciążeń w złączu nitowym 8

9 Ten sposób przenoszenia obciążeń zapewnia tłumienie drgań, dlatego też w konstrukcjach, w których występują znaczne drgania np. poszycia samolotów często stosuje się połączenia nitowe. Obciążenie złącza siłą Q większą od siły tarcia powoduje niewielki poślizg, równy luzowi promieniowemu między nitem a otworem pod nit. Obciążenie przenoszone jest wówczas przez tarcie i sprzężenie kształtowe trzonów nitów ze ściankami łączonych elementów. W momencie, gdy obciążenie zewnętrzne osiągnie pewną wartość krytyczną (punkt B na rys. 4) następuje zniszczenie złącza. Połączenie nitowe może ulec zniszczeniu wskutek: - ścięcia nitów; - trwałego odkształcenia otworów pod nity (zowalizowanie); - zerwanie łączonych elementów. Mamy, zatem trzy różne mechanizmy zniszczenia i trzy warunki wytrzymałościowe. Zwykle średnice nitu wyznacza się z warunku na ścinanie i sprawdza pozostałe dwa warunki wytrzymałościowe. W obliczeniach przyjmuje się, że nity obciążone są jednakowo a naprężenia w przekrojach poprzecznych łączonych elementów rozkładają się równomiernie. Warunek wytrzymałości na ścinanie nitu: 4Q k 2 t (1) d m n gdzie: Q- siłą obciążająca złącze, k t -dopuszczalne naprężenia na ścinanie nitów, m- liczba ścinanych przekrojów nitowych. Dla połączenia zakładkowego m jest równe liczbie nitów n. W połączeniach nakładkowych zniszczenie złącza wystąpi w przypadku ścięcia połowy ogólnej liczby nitów. Zatem w połączeniach nakładkowych: - jednostronnych m = n/2; -dwustronnych m = n. Warunek wytrzymałości na docisk dopuszczalny między trzonem nitu a otworem: Q p kd (2) igd gdzie k d - dopuszczalne naprężenia na docisk powierzchniowy, d- średnica otworu pod nit, g- grubość łączonych elementów, i- liczba nitów przenoszących obciążenie: - dla połączeń zakładkowych i jest równe liczbie nitów n, - dla połączeń nakładkowych dwustronnych i jest równe połowie ogólnej liczy nitów n. Warunek wytrzymałości na rozciąganie blach w przekroju osłabionym obecnością otworów pod nity: r Q ( b di ) g kr gdzie kr - dopuszczalne naprężenia na rozciąganie, b- szerokość łączonych blach, i - liczba nitów w danym rzędzie. Powyższy wzór odnosi się do rzędu skrajnego narażonego najbardziej na rozerwanie (rys.3 przekrój S-S). Obciążenia Q i przenoszone przez każdy następny rząd nitów pomniejszone są o wartość obciążenia przejętego przez rząd poprzedzający. Wartość obciążenia zrywającego w danym rzędzie Q i można wyznaczyć z zależności: ( r) ( i i ) Q Qi (4) i () r gdzie i- liczba nitów przenoszących obciążenie, i - liczba nitów przenoszących obciążenie we wcześniejszych rzędach (tak jak dla warunku na docisk dla połączeń zakładkowych i jest równe liczbie nitów n, natomiast dla połączeń nakładkowych dwustronnych i jest równe (3) 9

10 połowie ogólnej liczy nitów n). Zgodnie z zależnością (4) w przekroju S-S (rys.3) Q i = Q, natomiast w przekroju K-K Q i = 2Q/3. Ze względów wytrzymałościowych najkorzystniej wypadają połączenia nakładkowe dwustronne - elementy łączone poddane są tylko naprężeniom rozciągającym a nity są ścinane w dwóch przekrojach. W połączeniach zakładkowych i nakładkowych jednostronnych łączone blachy oprócz rozciągania doznają dodatkowo zginania, natomiast ścinanie nitów występuje tylko w jednym przekroju. 3. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie jest przeprowadzone na maszynie wytrzymałościowej INSTRON. Schemat stanowiska przedstawia rysunek 5, gdzie: FD S K L,M, P,O CD PC Rys.5 Schemat stanowiska badawczego FD maszyna wytrzymałościowa S badane połączenie nakładkowe dwustronne L,M,P,O sygnały sterująco - pomiarowe: L siła M moment skręcający P przemieszczenie O kąt skręcenia CD sterownik K konsola sterująca PC zestaw komputerowy. Badania przeprowadzane są dla dwóch identycznych geometrycznie węzłów nitowanych. Warunki montażu (proces zamykania nitów odbywa się na zajęciach) są tak dobrane, aby siła ściskająca łączone elementy była inna w każdym połączeniu. Badane złącza 10

11 rozciągane są statycznie do momentu ścięcia wszystkich nitów przenoszących obciążenie. Mierzona jest siła rozciągająca Q w funkcji przemieszczenia brzegów połączenia u. Dla każdego połączenia należy: - doświadczalnie wyznaczyć siłę niszczącą Q dn badane połączenie nitowe; - zidentyfikować mechanizm zniszczenia złącza; - obliczyć na podstawie odpowiednich dla mechanizmu zniszczenia złącza warunków wytrzymałościowych (omówionych w rozdziale 2.4 niniejszej instrukcji) teoretyczną siłę niszczącą Q tn ; - oszacować różnicę ΔQ między Q dn i Q tn oraz podać we wnioskach przyczynę; - wykonać wykres Q(u) omówiony w rozdziale 2.4 i określić charakterystyczne punkty (A, B) na tym wykresie wyznaczające sposób przenoszenia obciążenia przez badane złącze. 4. Dodatkowe we wnioskach przedyskutować wpływ siły ściskającej łączone elementy na wytrzymałość złącza i przenoszenie obciążeń. Literatura 1. Dietrich M. Podstawy konstrukcji maszyn T1-T3. WNT Polskie Normy 5. Przepisy BHP 1. Prowadzący ćwiczenie laboratoryjne, przed przystąpieniem do ćwiczenia, zapoznaje studentów z obsługą stanowiska. Kontrolę przestrzegania przez studentów instrukcji BHP (przedstawioną na zajęciach wprowadzających) pełni prowadzący zajęcia. 2. Studenci obsługują stanowisko pod ciągłym nadzorem prowadzącego. 3. Stanowisko niebezpieczne pod względem BHP obsługuje sam prowadzący, a w przypadku konieczności, po udzieleniu osobnego instruktażu, dopuszcza do obsługi konieczną ilość studentów. 4. Studenci odbywający ćwiczenia zobowiązani są do zachowania maksymalnej ostrożności i uwagi przy obsłudze stanowiska i absolutnego stosowania się do zaleceń prowadzącego. 5. Podczas pobytu przy stanowisku laboratoryjnym zabrania się studentom wykonywania jakichkolwiek czynności, które nie są związane wykorzystywanym ćwiczeniem. 6. Protokół pomiarowy 11

12 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn PROTOKÓŁ POMIAROWY Badania wytrzymałościowe połączeń nitowych Dane: d n =6 mm, d=6.2 mm, g=5 mm, g n =5 mm, b=50 mm, k =125MPa r k t =92MPa, k d =242MPa, Połączenie 1 Q tn [N] Q dn [N] Q nity zamknięte Połączenie 2 Q tn [N] Q dn [N] Q nity nie zamknięte Q A Q A.... data wykonania ćwiczenia podpis prowadzącego 1