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.

1. Терминология , используемая в заклепочных соединениях
2. 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

1. Продольный шаг (p) – это расстояние от центра одной заклепки до центра следующей в том же ряду, измеренное параллельно кромке пластины для заделки швов.
2. Запас (м) – это расстояние между краем пластины и ближайшим отверстием для заклепки.
3. Поперечный шаг (pt��) – Это расстояние по перпендикуляру между рядами заклепок. Его также называют шагом ряда.
4. Шаг по диагонали (pd��) – 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.

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:

1. 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,

Ps=n×π4×d2×τ��=�×�4×�2×�= Одним сдвигом

Ps=n×π2×d2×τ��=�×�2×�2×�= Теоретически при двойном сдвиге

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот тип разрушения произойдет, когда сопротивление сдвигу уменьшится. (Ps��) превышает приложенную нагрузку (P).

1. 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

σt�� = Допустимое растягивающее напряжение для материала пластины.

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

Pt=At.σt=(P−d)t.σt��=��.��=(�−�)�.��

Эта поломка возникает , если сопротивление разрыву (Pt��) превышает приложенную нагрузку (P) на длину шага.

1. 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

1. 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,

σc�� = 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),

Ac=d.t��=�.�

∴ Общая площадь дробления = n.d.t

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

Pc=n.d.t.σc��=�.�.�.��

Примечание:

1. Этот тип разрушения возникает, когда сопротивление раздавливанию (Pc��) превышает приложенную нагрузку (P) на длину шага.
2. [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 Pt,Ps, and Pc��,��, ��� �� 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 Pt,Ps, and Pc��,��, ��� ��

Прочность сплошной пластины на длину шага,

p.t.σc�.�.��

p = Шаг заклепок,

t = толщина пластины и

σt�� = Допустимое растягивающее напряжение материала пластины.

∴ Эффективность клепаного соединения,

η=least of Pt, Ps and Pcp.t.σt�=����� �� ��, �� ��� ���.�.��

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:

σt��= 120 МПа

τ�= 100 МПа

σc�� = 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

σt�� = 120 МПа = 120 Н / мм2

τ = 100 МПа = 100 Н / мм2

σc�� = 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,

Pt=(p–d)t×σt��=(�–�)�×�� = (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,

Ps=n×π2×d2×τ��=�×�2×�2×�

= 2×π2×(25)2×1002×�2×(25)2×100

= 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,

Pc=n×d×t×σc��=�×�×�×�� = 2 × 25 × 20 × 150 = 1,50,000 N = 150 кН

∴ Прочность соединения = минимум Pt, Ps and Pc��, �� ��� �� = 150 кН

Эффективность соединения

Мы знаем, что прочность цельной пластины,

P = p × t × σt�� = 100 × 20 × 120 = 2 40 000 Н = 240 кН

∴ Эффективность соединения = Леаст оф Пт,Пс анг Пс����� �� ��,�� ��� ���

= 150кН240кН150��240��

= 0,625 или 62,5%