Клепаные соединения: типы, применение и примеры

Вы видели мосты, поезда, котлы, самолеты или огромные конструкции, которые скрепляются с помощью конструкции, похожей на пуговицу? Ну, эта пуговица называется заклепкой. Заклепочные соединения — это тип механического крепежа, который используется для соединения двух или более кусков материала вместе. Они состоят из серии заклепок, которые вставляются через отверстия в материале, а затем деформируются или «устанавливаются» на место для создания надежного соединения.

Что такое заклепка?

Заклепка — это круглый стержень, который используется для соединения двух конструкций из листового металла, поскольку соединения, выполненные из этих стержней из мягкой стали или меди, прочнее сварных соединений и обеспечивают более быструю сборку.

Рис. 1: Структура заклепки

Клепаные соединения

Проще говоря, заклепочное соединение — это несъемный тип крепежа, используемый для соединения металлических пластин или стальных профилей. Эти соединения широко используются в стальных конструкциях или строительных работах, таких как мосты, стропильные фермы, а также в сосудах под давлением, таких как резервуары для хранения и бойлеры.

Рис. 2А: Заклепочные соединения в стальной конструкции или мосту

Рис. 2B: Объяснение монтажа заклепочных соединений в стальной конструкции

Могут возникнуть сомнения в том, что сварные соединения лучше всего подходят для этих применений, но заклепочные соединения идеальны в тех случаях, когда соединения будут подвергаться сильным вибрациям. Заклепочные соединения также используются при соединении неметаллических и металлических пластин.

Теперь давайте обсудим типы.

Типы заклепочных соединений

Заклепочные соединения в стальных конструкциях или любых других строительных работах бывают двух типов: внахлест и стыковые соединения. У этих двух соединений также есть подтипы, которые мы обсудим ниже.

Соединение внахлест !

Самый простой способ соединить две пластины с помощью клепки — это наложить их друг на друга на небольшом расстоянии по краям. Этот тип соединения называется внахлест.

ПОМНИТЕ — когда эти соединения подвергаются натяжению, как показано на рисунке ниже, поскольку пластины находятся в разных плоскостях, у них появляется тенденция тянуть себя вдоль плоскости, что приводит к прогибу.

Рис. 3: Осевое натяжение в внахлестном соединении

Теперь тип используемого внахлестного соединения зависит от требований к перекрытию листового металла. Давайте изучим типы внахлестных соединений.

Типы внахлестных соединений

1. Одинарное заклепочное соединение внахлест: В основном используется в корпусах котлов. Обратитесь к изображению ниже.

Рис. 4А: Одинарное клепаное соединение внахлест.

Рис. 4B: Пример заклепочных соединений внахлестку для котлов

2. Соединение внахлест с двойной заклепкой: Этот тип соединения внахлест имеет два подтипа.

Тип цепи: В этом типе заклепки располагаются одна за другой. Обратитесь к изображению ниже.

Рис. 5А: Соединение внахлест с двойной клепаной цепью

Зигзагообразный тип: Здесь заклепки в соседних рядах расположены в шахматном порядке, чтобы расположить их между заклепками предыдущего ряда, как показано на рисунке ниже.

Рис. 5B: Зигзагообразное внахлестное соединение с двойной заклепкой

Вот реальный пример использования этих типов соединений в одном месте.

Рис. 6А: шарнирное соединение типа двойной клепаной цепи, используемое на пассажирских рейсах

Рис. 6B: Внахлестные соединения с двойными заклепками зигзагообразного типа, используемые в самолетах

3. Тройное клепаное соединение внахлест: Этот тип также имеет два подтипа.

Тип цепи: Опять же, здесь три столбца заклепок расположены один ряд за другим. Один ряд заклепок будет располагаться по центру вдоль оси заклепочного соединения, как показано на рисунке ниже.

Рис. 7А: Внахлестное соединение типа тройной клепаной цепи

Зигзагообразный тип: В этом типе заклепок три столбца. Второй столбец расположен рядом с первым столбцом, а третий столбец расположен вдоль той же оси, что и первый столбец. Ось второго столбца расположена между первым и третьим столбцами. Посмотрите на приведенный ниже рисунок, чтобы понять тип.

Рис. 7B: Внахлестные соединения с тройными заклепками зигзагообразного типа.

Стыковое соединение

Если пластины рассчитаны на большие нагрузки, их прогиба можно избежать, расположив соединительные пластины так, чтобы они стыковались друг с другом. Для этого на одинарные или двойные заклепочные соединения надевается накладка, называемая планкой. Эти типы соединений обычно называются стыковыми соединениями.

В стыковых соединениях есть похожие типы соединений, как и в соединениях внахлест. Таким образом, можно сослаться на то же объяснение, но конструкции совершенно разные. Пожалуйста, обратитесь к соответствующим изображениям под каждым типом.

Типы стыковых соединений

1. Одинарная заклепка с одинарной крышкой: Для соединения металлических листов используется только одна планка, как показано на рисунке ниже.

Рис. 8: Стыковое соединение с одной заклепкой и одной крышкой

Даже этот тип стыкового соединения также может быть подвержен деформации, как показано на рисунке ниже.

Рис. 9: Деформация в стыковых соединениях

2. Стыковое соединение с двойной крышкой с одинарной заклепкой: Вместо одной планки к пластине прикреплены две планки. Вот изображение для детализации конструкции.

Рис. 10: Стыковое соединение с одинарной заклепкой и двойной крышкой

3. Стыковое соединение с двойной крышкой с двойной заклепкой: Не существует варианта использования стыкового соединения с двойной «одинарной» крышкой с двойной заклепкой, поэтому обычно используется двойная крышка. Как и у других соединений с двойными заклепками, у этого также есть подтипы.

Тип цепи: Обратитесь к изображению ниже, чтобы понять этот тип соединения.

Рис. 11А: Стыковое соединение типа цепи с двойной заклепкой и двойным покрытием

Зигзагообразный тип: Обратитесь к изображению ниже, чтобы понять этот тип соединения.

Рис. 11B: Стыковое соединение с двойной заклепкой и двойной крышкой зигзагообразного типа.

Изображение заклепочных соединений в стальных конструкциях очень полезно для понимания стыковых соединений. Обратитесь к изображению ниже.

Рис. 12: Стыковые соединения в стальных конструкциях

К настоящему моменту вы должны иметь базовое представление о клепаных соединениях. Теперь, прежде чем переходить к применениям, необходимо обсудить две важные концепции.

Терминология , используемая в заклепочных соединениях
Эмпирические пропорции для заклепочных соединений

Эти две концепции важны при подготовке к экзаменам по механике AE / JE. Сохраните эту статью, она может пригодиться.

Терминология , используемая в заклепочных соединениях

Продольный шаг (p) – это расстояние от центра одной заклепки до центра следующей в том же ряду, измеренное параллельно кромке пластины для заделки швов.
Запас (м) – это расстояние между краем пластины и ближайшим отверстием для заклепки.
Поперечный шаг ( $p_{t}$ ) – Это расстояние по перпендикуляру между рядами заклепок. Его также называют шагом ряда.
Шаг по диагонали ( $p_{d}$ ) – Это расстояние от центра заклепки в ряду до центра следующей заклепки в соседнем ряду.

Эмпирические пропорции

В следующей таблице приведены все размеры, которые необходимо рассчитать для данной толщины соединительных пластин, необходимых для изготовления заклепочных соединений.

Sl. No.	Подробные сведения	Эмпирические формулы
1.	Диаметр заклепки	$d = 6 \sqrt{t}$
2.	Продольный шаг	p = 3d
3.	Расстояние от центра заклепки до края пластины	p = 1.5d
4.	Запас	m = d
5.	Поперечный шаг	$p_{t}$ = 0,6p (Цепная клепка) $p_{t}$ = 0,8p (Зигзагообразная клепка)
6.	Толщина планок или накладок: (i) Одинарные накладки (ii) Двойные накладки	$t_{1}$ = 1,125т $t_{2}$ = от 0,7 до 0,8 т

Наконец, давайте перейдем к применению клепаных соединений.

Выход из строя заклепочных соединений

Заклепочное соединение обычно выходит из строя из-за материала пластины или самих заклепок. Оно может выйти из строя любым из следующих способов:

Срезание заклепок: Заклепки, соединяющие пластины, испытывают растягивающее напряжение со стороны пластин. Неспособность оказать сопротивление может привести к срезу заклепок, как показано на рисунке ниже.

Рис. 13А: Одиночный срез заклепок из-за растягивающих напряжений

Рис. 13B: Двойной сдвиг

Обратите внимание, что заклепки подвергаются одинарному сдвигу в стыковом соединении внахлест и в стыковом соединении с одинарной крышкой [рис. 13А]. Но в стыковом соединении с двойной крышкой заклепки подвергаются двойному сдвигу [рис. 13B].

Рассмотрим следующий вывод:

Позвольте,

d = диаметр отверстия для заклепки .,

$τ$ = Безопасное допустимое напряжение сдвига для материала заклепки и

n = Количество заклепок на длину шага.

Теперь прочность заклепок на сдвиг можно представить в виде,

$P_{s} = n \times \frac{π}{4} \times d^{2} \times τ$ = Одним сдвигом

$P_{s} = n \times \frac{π}{2} \times d^{2} \times τ$ = Теоретически при двойном сдвиге

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот тип разрушения произойдет, когда сопротивление сдвигу уменьшится. ( $P_{s}$ ) превышает приложенную нагрузку (P).

Разрыв пластины поперек ряда заклепок: Накладки могут оторваться поперек ряда заклепок из-за растягивающих напряжений в основных пластинах, как показано на рис. 14.

Рис. 14: Разрыв пластины поперек ряда заклепок

Уравнение прочности на разрыв для этого получено в виде:

Позвольте,

P = Шаг заклепок,

d = диаметр отверстия для заклепки .,

t = толщина пластины и

$σ_{t}$ = Допустимое растягивающее напряжение для материала пластины.

∴ Сопротивление разрыву , необходимое для отрыва пластины на длину шага , составляет:

$P_{t} = A_{t} . σ_{t} = (P - d) t . σ_{t}$

Эта поломка возникает , если сопротивление разрыву ( $P_{t}$ ) превышает приложенную нагрузку (P) на длину шага.

Разрыв пластины по краю: Заклепочное соединение может выйти из строя из-за разрыва пластины по краю. Это можно увидеть на рис. 15. Этого типа поломок можно избежать, если учитывать запас в 1,5d.

т. е. m = 1.5dd = диаметр отверстия для заклепки.

Рис. 15: Разрыв пластины по краю

Смятие пластины или заклепок: В положении сзади заклепки сминаются, а не сдвигаются под действием растягивающего напряжения, как показано на рис. 16.

Рис. 16: Дробление пластины или заклепок

Из-за этого отверстие для заклепки меняет свою форму с круглого на овальное. Это приводит к потере заклепочных соединений. Этот тип повреждения известен как поломка подшипника.

Позвольте,

d = диаметр отверстия для заклепки .,

t = толщина пластины,

$σ_{c}$ = Безопасное допустимое напряжение разрушения для материала заклепки или пластины, а также

n = Количество заклепок на длину шага при раздавливании.

Мы знаем, что площадь смятия на заклепку (т. е. Проектная площадь на заклепку),

$A_{c} = d . t$

∴ Общая площадь дробления = n.d.t

Сопротивление раздавливанию , необходимое для раздавливания заклепки на длину шага , приведено в виде

$P_{c} = n . d . t . σ_{c}$

Примечание:

Этот тип разрушения возникает, когда сопротивление раздавливанию ( $P_{c}$ ) превышает приложенную нагрузку (P) на длину шага.
[Количество заклепок при сдвиге = Количество заклепок при смятии]

Прочность клепаных соединений

Получив представление о том, как заклепки выходят из строя из-за среза в внахлестном или стыковом соединении, мы теперь можем определить прочность заклепочного соединения как максимальное усилие, передаваемое соединением, не вызывая его выхода из строя.

В предыдущем разделе мы рассказывали о выходе из строя заклепок , которые $P_{t}, P_{s}, a n d P_{c}$ это сопротивление, необходимое для разрыва, сдвига или смятия пластины.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Если соединение является сплошным (как в случае с котлами), прочность рассчитывается исходя из длины шага пластины.
Если соединение небольшое, прочность рассчитывается по всей длине пластины.

Эффективность клепаного соединения

Эффективность заклепочного соединения определяется как отношение прочности заклепочного соединения к

прочность монолитной плиты. Давайте подробно рассмотрим эту концепцию.

При изучении концепции прочности клепаного соединения мы обсуждали, что прочность соединения = наименьшее из $P_{t}, P_{s}, a n d P_{c}$

Прочность сплошной пластины на длину шага,

$p . t . σ_{c}$

p = Шаг заклепок,

t = толщина пластины и

$σ_{t}$ = Допустимое растягивающее напряжение материала пластины.

∴ Эффективность клепаного соединения,

$η = \frac{l e a s t o f P_{t}, P_{s} a n d P_{c}}{p . t . σ_{t}}$

Давайте решим примерную задачу, чтобы полностью понять эту концепцию, прежде чем мы сможем завершить тему.

Преимущества и недостатки клепаных соединений

Для нас важно знать преимущества и недостатки этих соединений, прежде чем узнавать, где в основном используются заклепочные соединения.

Преимущества:

Заклепочные соединения можно использовать для соединения цветных металлов.
Проверка качества проста и дешева.
Это может обеспечить высокую производительность.
Сборка и материалы обычно обходятся дешевле.
Детали, соединенные заклепками, не подвергаются тепловому повреждению, как это наблюдается при сварке соединений.

Недостатки:

Затраты на рабочую силу могут быть высокими, а общая стоимость может нанести экономический удар.
Поскольку процесс клепки включает в себя сверление отверстий, пластины становятся слабыми.
Учитывая распределение напряжений, они больше расположены вблизи отверстий.
Общий вес соединяемых деталей увеличится.
Процесс клепки создает больше шума.

Применение заклепочных соединений

Ниже приведены некоторые из основных областей применения.

Аэрокосмическая промышленность: Для соединения листовых металлов деталей самолетов и в качестве крепежных элементов панелей в ракетах.
Машиностроение: Для соединения двух несвариваемых металлов, таких как алюминий и сталь (углеродистая или нержавеющая сталь), алюминий и медь, а также титан и сталь. Также используется при сборке корпусов котлов.
Конструкция: Сборка арочных, ферменных, подвесных, вантовых и балочных мостов. Также используется при строительстве зданий с металлическим каркасом.
Автомобиль: Сборка железнодорожных вагонов и междугородних автобусов, автобусов и грузовиков.
Кухонные принадлежности: Заклепочные соединения широко используются в кухонной утвари, такой как плиты, ножи и т.д.

Решенные примеры по заклепочным соединениям

Пример 1: Стыковое соединение с двойным покрытием из пластин толщиной 20 мм с двойной заклепкой изготавливается с помощью заклепок диаметром 25 мм с шагом 100 мм. Допустимые напряжения составляют:

$σ_{t}$ = 120 МПа

$τ$ = 100 МПа

$σ_{c}$ = 150 МПа

Определите эффективность соединения, учитывая, что прочность заклепки при двойном сдвиге в два раза выше, чем при одинарном сдвиге.

Решение 1: дано:

t = 20 мм

d = 25 мм

p = 100 м

$σ_{t}$ = 120 МПа = 120 Н / мм2

τ = 100 МПа = 100 Н / мм2

$σ_{c}$ = 150 МПа = 150 Н / мм2

Прежде всего, давайте определим сопротивление пластины разрыву.

(i) Сопротивление пластины разрыву

Мы знаем , что сопротивление разрыву пластины зависит от длины шага,

$P_{t} = (p - d) t \times σ_{t}$ = (100 – 25) 20 × 120 = 180 kN

Теперь давайте определим сопротивление заклепки сдвигу и раздавливанию.

(ii) Устойчивость заклепок к сдвигу

Поскольку соединение представляет собой стыковое соединение с двойной заклепкой, поэтому берется прочность двух заклепок при двойном сдвиге. Мы знаем, что сопротивление заклепок сдвигу,

$P_{s} = n \times \frac{π}{2} \times d^{2} \times τ$

= $2 \times \frac{π}{2} \times (25)^{2} \times 100$

= 1,96,375 Н = 196 кН

(iii) Стойкость заклепок к раздавливанию

Поскольку соединение выполнено с двойной заклепкой, следовательно, берется прочность двух заклепок. Мы знаем, что

стойкость заклепок к раздавливанию,

$P_{c} = n \times d \times t \times σ_{c}$ = 2 × 25 × 20 × 150 = 1,50,000 N = 150 кН

∴ Прочность соединения = минимум $P_{t}, P_{s} a n d P_{c}$ = 150 кН

Эффективность соединения

Мы знаем, что прочность цельной пластины,

P = p × t × $σ_{t}$ = 100 × 20 × 120 = 2 40 000 Н = 240 кН

∴ Эффективность соединения = $\frac{L e a s t o f P_{t}, P_{s} a n d P_{c}}{P}$

= $\frac{150 k N}{240 k N}$

= 0,625 или 62,5%