Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард (читаем книги онлайн бесплатно без регистрации .txt) 📗

Заклепочные соединения

Заклепочные соединения в стальных конструкциях в общем вышли из моды главнымобразом из-за своей высокой стоимости, а также потому, что они тяжелее сварныхсоединений. Это достойно сожаления, поскольку у заклепочных соединений естьнекоторые преимущества [44]. Заклепочныесоединения надежны, и их легко контролировать, а в больших конструкциях ониспособны до некоторой степени останавливать рост трещин. Распространение вконструкции действительно большой и опасной трещины очень часто (хотя и невсегда) может быть остановлено или замедлено областью заклепочного соединения,которая выделяется по своим свойствам из окружающего материала.

Даже более важным является то, что заклепки допускают небольшие взаимныесмещения соединяемых элементов. За счет этого может происходить перераспределениенагрузки, позволяющее избежать последствий концентрации напряжений - бичавсех видов соединений. Этот процесс навеки запечатлен в киплинговской "Душекорабля". То, как Киплинг за много лет до Инглиса и Гриффитса смог почувствоватьсуть проблем концентрации напряжений и распространения трещин в конструкциях,воистину замечательно, и прочесть некоторые его рассказы о конструкцияхбыло бы полезно студентам-механикам.

Каждая отдельная заклепка может чуть-чуть смещаться, ослабляя тем самымнаихудшие последствия концентрации напряжений. Иногда целесообразно использоватьсоединение с несколькими заклепками, поставленными в ряд одна за другой,так как концевые заклепки могут испытать смещения, достаточные для того,чтобы после этого часть нагрузки могли принять на себя заклепки, стоящиепосредине. После того как свежее заклепочное соединение двух стальных илижелезных пластин подверглось нагружению, которое в итоге привело к удовлетворительномураспределению напряжений, положительную роль может сыграть ржавчина. Постепеннообразующиеся продукты коррозии, оксиды и гидроксиды железа, расширяясь,как бы замыкают соединение и исключают проскальзывание соединяемых элементовотносительно друг друга при разгрузке. Далее, ржавчина, подобно клею, частичнопередает сдвиговые усилия между пластинками, и поэтому со временем прочностьзаклепочного соединения внахлестку, как правило, повышается.

Отверстия под заклепки в больших стальных конструкциях, таких, как кораблии котлы, обычно пробивают. Хотя это быстрый и дешевый способ, он не вполнеудовлетворителен, поскольку металл на краях отверстия становится хрупкими часто содержит небольшие трещины. А это уже плохо, так как в областяхоколо отверстий заведомо будет возникать концентрация напряжении. Поэтомулучше пробивать отверстия меньшего размера, а затем их рассверливать. Хотяэто увеличивает стоимость изделий, но в то же время прибавляет соединениюпрочность и надежность.

Заклепочные и болтовые соединения могут иметь самую разную форму и размеры,но возможные пути их разрушения сводятся к трем формам: сдвиг по самимзаклепкам (рис. 45, а), заклепки вырываются из одной из пластинок(то есть круглые отверстия превращаются в удлиненные) (рис. 45, б),разрыв материала одной из пластинок вдоль линии заклепок - как при отрываниипочтовой марки (рис. 45, в).

Рис. 45. Три возможных варианта разрушения заклепочногосоединения.а - сдвиг по самим заклепкам;б - заклепки вырываются из одной пластинки;в - разрыв материала одной из пластинок.

Во всех случаях, когда используется заклепочное соединение, необходимопроверить с помощью расчетов, не разрушится ли оно каким-либо из этих трехпутей. "Правила" проектирования заклепочных соединений можно найти почтиво всех технических справочниках.

Сварные соединения

Сварка всех видов в настоящее время широко используется в стальных конструкциях.Она не только дешевле клепки, но и дает некоторый выигрыш в прочности ивесе. Кроме того, на кораблях заклепочные головки, располагающиеся нижеватерлинии, немного увеличивают сопротивление движению.

Наиболее сложной является электрическая дуговая сварка. Выполняя ее,сварщик посредством изолирующего зажима держит в правой руке стальной электрод,а в левой - защитный щиток или экран, снабженный очень темными стеклами,сквозь которые можно без вреда для зрения наблюдать за электрической дугоймежду концом электрода и выполняемым швом. При обычно используемом напряжениив 30-50 В дуга имеет длину около 7 мм, благодаря ей на конце электродаобразуется небольшое количество расплавленного металла, которым сварщикзаполняет шов, двигаясь вдоль соединения. В результате образуется непрерывнаяполоска - сварной шов шириной 5-10 мм, который застывает, образуя соединение.При необходимости увеличить ширину шва процесс повторяют несколько раз.

Сварка, выполненная надлежащим образом, как правило, очень прочна ислужит надежно, но недостаточное мастерство или недостаточное вниманиесварщика к работе влекут за собой дефекты сварных швов, к их числу принадлежатвключения из шлака, которые уменьшают прочность соединения и наличие которыхтрудно проконтролировать. Неумелый сварщик легко может перегреть металлвокруг соединения, вызвав тем самым серьезные поводки конструкции. Этоособенно часто происходит при сварке тяжелых и толстых деталей. Именнотакого рода дефекты сварки в основаниях двигателей послужили причиной серьезныхнеприятностей с линкором "Граф Спи".

Теоретически сварные соединения в цистернах или корпусах судов должныбыть полностью водонепроницаемы без дальнейшей их обработки, но на практикесварка в этом отношении доставляет больше хлопот, чем клепка. Заклепочноесоединение внахлест можно легко герметизировать, зачеканив края нахлестас помощью специального пневматического или ручного инструмента. Этого нельзясделать в случае сварного соединения, между двумя сварными швами нахлестарекомендуется ввести под давлением жидкую герметизирующую смесь. При всемтом мне, помнится, пришлось повидать при испытаниях на водонепроницаемостьпомещений сварных кораблей немало течей.

В свое время мне довелось поработать несколько недель клепальщиком исварщиком на одной из Королевских верфей, там я и научился кое-чему, чего,думаю, не найти в учебниках. Хотя вогнать пятисантиметровую заклепку вброневую плиту палубы корабля пневматическим молотком - тяжелая и шумнаяработа, это на удивление интересно, и большинство видов клепки, на мойвзгляд, в некотором смысле столь же привлекательно, как и игра в гольф,с той лишь разницей, что клепка более полезна. Элементы спорта содержались,кроме того, и в контроле качества заклепок. В то время нам платили по числупоставленных заклепок, однако за каждую забракованную контролером заклепку,которую нужно было высверлить и заменить новой, вычитали в пятикратномразмере.

Конечно, нельзя сказать, что клепальщики работали в раю, но что касаетсясварки, то она определенно была похожа на ад. Сварка может быть достаточнолюбопытным занятием в течение часа или двух (осмелюсь предположить, чтона такие сроки любопытным может быть и ад), но по прошествии этого времениследить за шипящей и мерцающей дугой и струйкой стекающего расплавленногометалла становится невыносимо скучно, и скуку не особенно развеивают искрыи капельки металла, вдруг оказавшиеся у вас за шиворотом или в башмаках.Уже через несколько дней проклинаешь эту работу, и чувство скуки утверждаетсянастолько прочно, что становится очень трудным сосредоточиться и сделатьудовлетворительный шов.