Текст книги "Конструкции, или почему не ломаются вещи"
Автор книги: Джеймс Эдвард Гордон
Жанр:
Строительство и сопромат
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]
Глава 6
О соединениях, креплениях и людях, а также о ползучести и колесах колесницА теперь я хочу рассказать вам историю о корабле, построенном во время войны. Это был пароход, и он был построен из дерева – из хорошего дерева, и люди, которые его строили, тоже были хорошими и знающими мастерами… Он двигался как человек, несущий слишком большую тяжесть, а вскоре его движение стало прерывистым, он стал дрожать и качаться (на море была только легкая зыбь), потом опрокинулся набок и развалился, как старая корзина, на которую кто-то наступил. Через пять минут от него не осталось ничего, кроме пятен угольной пыли на воде да нескольких балок и одного или двух барахтавшихся среди всего этого случайно уцелевших людей.
Это правдивая история. И я хочу только добавить, что этот корабль был построен плотниками – мастерами, строящими дома, – береговыми плотниками, а не корабельными мастерами.
Моряк из южных морейВестон Мартир
Пароход, о котором говорится в истории Вестона Мартира, затонул, затонул довольно неожиданно, и случилось это оттого, что слишком слабыми оказались соединения его деревянных деталей, хотя строившие судно плотники – люди добросовестные, но до того имевшие дело лишь с домами, – были, вероятно, довольны делом своих рук. Действительно, когда плотник строит дом или столяр делает мебель, они обычно применяют такие способы соединения деталей, которые корабелы сочли бы непрочными и весьма неэффективными. Соединения эти на самом деле нельзя назвать прочными, а являются ли они «неэффективными», зависит от того, где мы их используем. Ведь цели, которые преследуют строители домов, далеко не всегда совпадают с целями строителей кораблей и самолетов.
Инженеры, возможно, слишком часто полагают, что эффективность конструкции определяется прочностью каждого ее компонента и каждого соединения, в точности достаточной для того, чтобы выдерживать требуемые нагрузки, а потому используют минимальное количество материала, обеспечивающее заданную прочность, достигая одновременно и минимального веса конструкции. Такая конструкция с равной вероятностью может как сломаться в любом месте, так и, подобно "старому фаэтону", развалиться вся сразу. Стремление к эффективности такого рода требует особого внимания со стороны инженера, поскольку малейшая ошибка при проектировании или неточность в изготовлении может привести к опасной слабине.
Создание подобных конструкций может быть оправдано при строительстве кораблей и самолетов, а также других машин, для которых очень важным параметром является низкий вес. Однако такое толкование понятия эффективности очень узко и не учитывает требований жесткости, не говоря уже о требованиях экономии. Конструкции типа "старого фаэтона" иногда необходимы, но они всегда дорого обходятся и при постройке, и в эксплуатации. Уменьшение веса конструкции за счет "конструктивной безупречности" – один из факторов, делающих столь дорогостоящими космические путешествия. Но даже на уровне поверхности земли стоимость кубометра используемого пространства при переходе от обычного дома к небольшому кораблю возрастает в 20 раз, а стоимость такого же пространства в самолете еще более высокая.
У строителей и монтажников наземных сооружений хватает здравого смысла не стремиться к изощренным конструкциям. Дома и так достаточно дороги, а на практике известно, что в обыденной жизни в подавляющем большинстве случаев жесткость конструкции играет большую роль, чем ее прочность. И именно требования к жесткости и прочности и лежат в основе вопроса о стоимости и эффективности конструкций. В тех случаях, когда особые требования предъявляются к жесткости, а не к прочности, вся задача становится намного проще, а стоимость изделий сильно уменьшается.
Так почти всегда обстоит дело, когда речь идет о мебели, перекрытиях, лестницах и зданиях в целом, а также о плитах, холодильниках, многих типах инструмента и машин, некоторых деталях автомобилей. Эти вещи ломаются не очень часто, однако если сильно уменьшить толщину их материала, то прогибы, перемещения и общая хлипкость сделают эти предметы неприемлемыми в эксплуатации. Таким образом, чтобы быть достаточно жесткими, различные части конструкции должны, вообще говоря, иметь настолько большую толщину, чтобы возникающие в них напряжения были очень, до смешного малыми с инженерной точки зрения.
Таким образом, для конструкций, о которых идет речь, даже содержание в материале массы дефектов и концентраторов напряжений обычно не имеет значения. Кроме того, и прочность соединений здесь не является критической: в большинстве случаев вполне достаточно нескольких гвоздей. Именно это лежит в основе интуитивного подхода к конструированию. Миллионы людей, никогда не слышавшие ни о законе Гука, ни о модуле Юнга, могут лишь на основании опыта и здравого смысла достаточно точно определить, какой будет жесткость стола или клетки для цыплят, а если эти предметы сделаны достаточно жесткими, то очень маловероятно, что они сломаются при действии обычных повседневных нагрузок.
Далее, небольшая "податливость" некоторых соединений отнюдь не является их недостатком, она в большей степени присуща обычным соединениям, чем более изощренным. В частности, некоторая податливость соединений способствует полезному выравниванию нагрузок. Ломать мебель приходится не слишком часто, поэтому рекомендую хороший способ попытаться сделать это: сядьте на стул, три ножки которого стоят на ковре, а четвертая – на голом полу. Если это обычный старый стул, нагрузка может перераспределиться относительно равномерно на все четыре ножки за счет перекоса в имеющихся соединениях на шипах. Но если это современный стул фабричного изготовления с "эффективными" соединениями на клею, то эти соединения как раз и могут сломаться, после чего стул трудно будет починить.
Некоторая податливость соединений полезна и по другой причине. Дерево может усыхать или разбухать в зависимости от погоды, то же относится и к некоторым другим материалам. Для древесины колебания размеров в направлении поперек волокон достигают 5 или даже 10%. Традиционные "неэффективные" пазовые соединения совместимы с такими колебаниями. Но в Черчилль-колледже у нас был прекрасный Высокий стол, сделанный из лучшего и самого дорогого дерева, с выполненными по науке прочными и жесткими соединениями на клею. После того как этот стол несколько месяцев простоял в зале (отапливаемом также по науке), он усох и треснул посредине. Это была не скромная небольшая трещина, а многометровая расщелина, в которую можно было бы свободно засыпать большое количество горошин среднего диаметра.
Прочные соединения и человеческие слабостиМногие конструкции, которые строили крестьяне, обеспечивая, как описано выше, лишь необходимую жесткость, отлично работают на своем месте, но как только мы начинаем стремиться к уменьшению их веса, увеличению их прочности и мобильности, тут же возникают разного рода трудности, связанные главным образом с надежностью соединений различных их частей. Исторически так сложилось, что именно это всегда было наиболее серьезной проблемой при строительстве кораблей, а также водяных и ветряных мельниц. Великая искусность старых корабельных и мельничных мастеров проявлялась в их умении сочетать прочность, достаточную для безопасности, с небольшой податливостью, необходимой для того, чтобы дерево могло «работать». Более старые корабельные мастера грешили уклоном в сторону податливости, и хотя их корабли часто слишком текли, они редко разламывались в море. Чтобы создать деревянные корабли, которые разваливались в море, потребовались административные усилия правительств военного времени.
Неприятности с соединениями в конструкциях кораблей и самолетов во время обеих мировых войн получили широкую огласку. Во время первой мировой войны американцы, зачастую используя неортодоксальные методы, построили большое количество деревянных кораблей, как пароходов, так и парусников. Многие из этих судов развалились. В годы второй мировой войны они произвели еще большее количество сваренных из стали кораблей. И еще большая их доля развалилась в море или в гавани. В Англии за обе мировые войны было изготовлено очень много деревянных самолетов, которые, надо думать, также всегда были подвержены того или иного рода неприятностям, связанным с соединениями. Правда, в последнем случае это было не очень удивительно, так как, помнится, я сам несколько раз был свидетелем того, как в жизненно важных клеевых соединениях в несущей конструкции прямо внутри соединения были обнаружены ножницы, карманное руководство по оказанию первой помощи и полное отсутствие клея.
Я не думаю, что виною тому были какие-то тупые или сверхрассеянные лица. Боюсь, что на склейке работали самые обычные люди, но в этом-то и состоит несчастье. Людям свойственно отвлекаться из-за усталости или от скуки, но я полагаю, что суть дела здесь гораздо глубже.
Очень немногие из тех, кто проклеивал или только делал вид, что проклеивал, эти соединения, когда-либо сами попадали в ситуацию, когда плохо выполненное соединение может привести к несчастному случаю с фатальным исходом – все они привыкли иметь дело с предметами вроде шкафов и садовых навесов, где прочность соединений реально значит очень мало. Все наши усилия убедить их, что плохо выполненное соединение с моральной точки зрения равносильно убийству, разбивались о их глубокое убеждение, что глупо волноваться по подобным поводам. Все это не было бы столь важным, если бы не то обстоятельство, что проверить надлежащим образом соединение после того, как оно выполнено, практически невозможно.
В недавнее время были созданы очень эффективные клеи, пригодные для соединения металла с металлом. Их применение весьма эффективно, но только при условии, что соединения на самом деле выполнены на совесть. К несчастью, применение этих клеев в современном авиастроении сдерживается тем обстоятельством, что требуются специальные контролеры, каждый из которых следил бы за одним из рабочих в течение всей операции склейки, а также инспекторы – уже для контроля за этими контролерами. Все это, естественно, оказалось дорогим делом. Однако мне говорили, что, несмотря на это, при строительстве современных металлических самолетов клей используется все в большей и большей степени.
Распределение напряжений в соединенияхПоскольку в задачи соединения входит передача нагрузки от одного элемента конструкции к другому, то и напряжение должно каким-то образом перейти от одного из присоединяемых элементов на другой. В таком случае весьма возможны сильная концентрация напряжений, а отсюда и угроза разрушения материала. Однако можно сделать так, чтобы напряжения переходили от одного из присоединяемых элементов к другому с возникновением только небольшой концентрации напряжений или вовсе без нее, как это происходит в случае косого соединения на клею деревянных брусьев (рис. 36) и в случае соединения двух кусков металла встык сварным швом (рис. 37).
Рис. 36. Косое клеевое соединение деревянных брусьев.
Рис. 37. Сварное соединение двух металлических брусков встык.
Однако использование таких соединений отнюдь не всегда оказывается практичным, и соединение двух планок или пластинок внахлест, как правило, тоже часто находит применение. Но именно расположение соединяемых элементов внахлест сразу приводит к значительной концентрации напряжений, и почти не играет роли, какими средствами оно выполнено, с помощью ли клея, гвоздей, винтов, сварки, болтов или заклепок. Во всех случаях наибольшая интенсивность передачи нагрузки приходится на концы соединения (рис. 38).
Рис. 38. Распределение касательных напряжений в соединении внахлест.
По этой причине прочность подобных соединений зависит главным образом от ширины соединяемых пластинок и почти не зависит от длины взаимного их перекрытия. В связи с этим уже наиболее простые и обычные формы сварных и заклепочных соединений двух металлических пластинок (рис. 39 и 40) сравнительно эффективны, а их усложнение не дает большого выигрыша.
Рис. 39. Заклепочное соединение внахлест.
Рис. 40. Сварное соединение внахлест.
Очень часто требуется закрепить растягиваемый сгержень в отверстии или как-то иначе на твердой опоре. В этом случае происходит то же, что и при соединении внахлест, с той разницей, что здесь концентрация напряжений возникает только в одном месте – обычно там, где стержень входит в углубление (рис. 41). Если, например, стержень ввинчивается в опору, то почти вся нагрузка приходится на последние две или три нитки резьбы, и любое увеличение длины нарезки почти ничего не дает. Поэтому те усилия, которые должен приложить дрозд, чтобы вытащить червяка из грунта, не зависят от длины червяка: вытащить короткого червяка столь же трудно, как и длинного[42]42
Отметим, что если нить из нейлона заплавить в кубик из «твердой» пластмассы, то ее можно затем вытянуть оттуда, какой бы длинной она ни была. Это позволяет получать длинные отверстия сложной формы, поскольку заплавляемая нить может быть изогнута или как-то скручена. Этим способом пользуются, например, при изготовлении модели тоннеля с целью исследования ветровых потоков в них.
[Закрыть].
Рис. 41.
Распределение напряжений такого типа, как представлено на рис. 41, возникает, если оба элемента соединения имеют близкие модули Юнга. Обычно так обстоит дело при соединении металла с металлом. Подобное же распределение напряжений возникает в случаях, когда материал стержня или растягиваемого бруска менее жесток, чем материал основы, в которой они закреплены (случай с вытягиваемым из земли червем). Если же, наоборот, материал стержня существенно более жесток, чем материал основы, то ситуация с распределением напряжений обратна предыдущей, и концентрация напряжений происходит главным образом вблизи конца стержня или другого включения (рис. 42).
Рис. 42. Передача нагрузки от стержня к заделке.
На практике оба случая концентрации напряжений в равной степени делают соединение непрочным. Возможно, существует такое соотношение между модулями Юнга материала включения и окружающего материала, при котором распределение напряжений в соединении будет оптимальным. Но если это и так, то его очень трудно обеспечить на практике.
Одно время я занимался разработкой узлов крепления крыла из армированного пластика с металлическим фюзеляжем самолета. Хотя мне было хорошо известно о существовании концентраций напряжений, о червяках в земле и многом прочем, у меня хватило глупости, чтобы для начала заформовать в тело крыла прочные проволочные тросы, распадающиеся на концах на отдельные запутанные проволочки. Когда образцы этой плохо продуманной конструкции растянули в испытательной машине, проволочки стали вытягиваться из пластика одна за другой с характерным треском, хотя нагрузки были смехотворно малыми. В следующем эксперименте вместо тросов в пластик были заделаны покрытые предварительно подходящим клеем суживающиеся на концах стальные зубцы, похожие на клинки или сабли (рис. 43). На этот раз образцы разрушались, издавая не продолжительный треск, а один громкий короткий хлопок; происходило это при столь же малых нагрузках.
Рис. 43. Неправильная конструкция заделки (соединение непрочно).
После перерыва, заполненного обдумыванием ситуации и глубокомысленными рассуждениями о червяках, мы испытали серию стальных креплений в форме лопаты (рис. 44). Все они разрушались при значительно больших нагрузках, каждая из которых была пропорциональна ширине "лопаты" в данном образце. После доработки этой конструкции нам удалось довести нагрузку, передаваемую с этой пластиковой конструкции, до 40-50 т за счет совсем небольших стальных узлов крепления.
Рис. 44. Правильная конструкция заделки (достаточно прочное соединение).
Эффективность подобных соединений целиком зависит от качества сцепления между металлом и пластмассой, и поэтому металлические включения должны быть заделаны на совесть и проверены. При их проектировании следует не забывать, что во всех подобных случаях сцепление между металлом и неметаллом полностью нарушается, когда металл достигает предела текучести и перестает вести себя упругим образом[43]43
Это справедливо и для сцепления между металлом и краской или эмалью, включая глазурь, то есть стекло. В те времена, когда не было еще современных экстензометров, инженеры судили о пределе текучести горячекатаной стали по величине нагрузки, при которой черная окисная пленка начинает отставать от поверхности металла.
[Закрыть]. Поскольку напряжения, возникающие в рассматриваемых случаях в металле, много выше, чем можно было бы думать, узел крепления необходимо изготовлять из высокопрочной стали, подвергнутой тщательной термической обработке. Причем хвостовик стального вкладыша должен заостряться подобно долоту.
– Но я, во всяком случае, подался на одну небольшую частицу дюйма, – торжествующе провозгласил шпунтовый пояс.
Действительно, так и было, и все дно корабля почувствовало себя легче.
– В таком случае мы никуда не годимся, – зарыдали нижние заклепки. – Нам приказали… нам приказали ни в каком случае не подаваться. А мы подались, и вода зальет корабль, и мы все вместе пойдем ко дну! Сперва нас бранили напрасно, а теперь у нас даже нет утешения, что мы выполнили свой долг.
– Не говорите, что я вам это сказал, – прошептал в утешение пар, – но, между нами говоря, это должно было рано или поздно случиться. Вы должны были податься на маленькую частицу и вы подались, не зная этого. А теперь держитесь крепко, как раньше.
Перевод Э. К. Бродерсен
Душа корабляР. Киплинг
Заклепочные соединения в стальных конструкциях в общем вышли из моды главным образом из-за своей высокой стоимости, а также потому, что они тяжелее сварных соединений. Это достойно сожаления, поскольку у заклепочных соединений есть некоторые преимущества[44]44
В целом преимуществ не так и много, именно поэтому сварка вытесняет клепку. – Прим. ред.
[Закрыть]. Заклепочные соединения надежны, и их легко контролировать, а в больших конструкциях они способны до некоторой степени останавливать рост трещин. Распространение в конструкции действительно большой и опасной трещины очень часто (хотя и не всегда) 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 взаимные смещения соединяемых элементов. За счет этого может происходить перераспределение нагрузки, позволяющее избежать последствий концентрации напряжений – бича всех видов соединений. Этот процесс навеки запечатлен в киплинговской "Душе корабля". То, как Киплинг за много лет до Инглиса и Гриффитса смог почувствовать суть проблем концентрации напряжений и распространения трещин в конструкциях, воистину замечательно, и прочесть некоторые его рассказы о конструкциях было бы полезно студентам-механикам.
Каждая отдельная заклепка может чуть-чуть смещаться, ослабляя тем самым наихудшие последствия концентрации напряжений. Иногда целесообразно использовать соединение 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, стоящие посредине. После того как свежее заклепочное соединение двух стальных или железных пластин подверглось нагружению, которое в итоге привело к удовлетворительному распределению напряжений, положительную роль может сыграть ржавчина. Постепенно образующиеся продукты коррозии, оксиды и гидроксиды железа, расширяясь, как бы замыкают соединение и исключают проскальзывание соединяемых элементов относительно друг друга при разгрузке. Далее, ржавчина, подобно клею, частично передает сдвиговые усилия между пластинками, и поэтому со временем прочность заклепочного соединения внахлестку, как правило, повышается.
Отверстия под заклепки в больших стальных конструкциях, таких, как корабли и котлы, обычно пробивают. Хотя это быстрый и дешевый способ, он не вполне удовлетворителен, поскольку металл на краях отверстия становится хрупким и часто содержит небольшие трещины. А это уже плохо, так как в областях около отверстий заведомо будет возникать концентрация напряжении. Поэтому лучше пробивать отверстия меньшего размера, а затем их рассверливать. Хотя это увеличивает стоимость изделий, но в то же время прибавляет соединению прочность и надежность.
Заклепочные и болтовые соединения могут иметь самую разную форму и размеры, но возможные пути их разрушения сводятся к трем формам: сдвиг по самим заклепкам (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 отрывании почтовой марки (рис. 45, в).
Рис. 45. Три возможных варианта разрушения заклепочного соединения. а – сдвиг по самим заклепкам; б – заклепки вырываются из одной пластинки; в – разрыв материала одной из пластинок.
Во всех случаях, когда используется заклепочное соединение, необходимо проверить с помощью расчетов, не разрушится ли оно каким-либо из этих трех путей. "Правила" проектирования заклепочных соединений можно найти почти во всех технических справочниках.
