Лако-красочные материалы — производство

В связи с тем, что распределение на­пряжений в нагруженном клеевом соединении крайне не­равномерно, а характер распределения зависит от време­ни действия нагрузки, методы расчета клеевых соедине­ний весьма условны..

Рассмотрим методику расчета несущей способности для наиболее распространенного типа соединения — вна­хлестку. Расчетная формула имеет вид

NN<MRlb, (VI 1,3)

Где N — расчетное усилие, кГ; п — коэффициент концент­рации напряжений; т — коэффициент условий работы; R — расчетное сопротивление, кГ/см2; I — длина клеевого шва, см; B — ширина клеевого шва, см.

Расчетное усилие определяют методами строительной механики, беря за основу нормативные нагрузки с уче­том их изменчивости (от климатических, производствен­ных, бытовых и других условий). Эта изменчивость учи­тывается коэффициентом перегрузки. Таким образом, расчетное усилие равно нормативной нагрузке Q, умно­женной на коэффициент перегрузки г

N^RQ.

Коэффициент перегрузки при расчете на собственный вес равен 1,1, на снеговую нагрузку 1,4, на ветровую нагруз­ку 1,2.

Помимо изменчивости нагрузки и рассеяния показате­лей прочности клеевого соединения в расчете особым ко­эффициентом учитываются условия, при которых экс­плуатируется соединение (температура, влажность, аг­рессивные воздействия). Этот коэффициент (условий работы) зависит от свойств клея и свойств соединенных материалов. Например, коэффициент условий работы клеевых соединений на эпоксидных клеях в атмосферных условиях равен 0,5, а соединений на клееЭПЦ—0,3. Влия­ние агрессивных сред (1%-ного раствора едкого натра, серной, азотной кислот) на полиэфирные и феноло-фор­мальдегидные клеи учитывается коэффициентом 0,6—0,8.

Температура окружающей среды оказывает значи­тельное влияние на несущую способность клеевых соеди­нений. Например, при низкой (—40—60° С) температуре

Ю В. М. Хрулев
прочность соединений, работающих на отрыв, обычно вы­ше, чем при нормальной ( + 20°), в частности, соединений на каучуковых и полиэфирных клеях —в 2—2,5 раза. При работе на сдвиг прочность соединений в условиях низкой (—60°) температуры может быть и ниже, чем в нормальных условиях, например соединений металлов на клее ПУ 2 в 2—2,5 раза, на клее БФ-2 в 2,5—3 раза, на клее МПФ 1 в 1,5 раза.

При повышенной (60—80°С) температуре прочность клеевых соединений резко падает, что учитывают при рас­четах, т. е. вводят соответствующие коэффициенты: для соединений на эпоксидных клеях 0,2—0,35, полиэфирных 0,1—0,2, каучуковых 0,15—0,25, феноло-формальдегид­ных 0,45—065.

Коэффициент концентрации напряжений (п), учиты­вающий неравномерность распределения сдвигающих усилий по площади соединения, представляет собой от­ношение максимального сдвигающего напряжения к среднему. Этот коэффициент, зависящий от геометриче­ских параметров соединения и физических свойств клея и склеиваемых материалов, определяют по формулам (см. также рис. 66);

И = -^-1(1 +3ft)/2Jcth /2J+3(1 —ft)] ; (VII,4)

Где I — длина нахлестки, см; б — толщина склеиваемых элементов, см; T — толщина клеевого слоя, см; Е — мо­дуль упругости склеиваемого материала, кГ/см2; ц — ко­эффициент Пуассона клеевой прослойки; е — относи­тельное удлинение склеиваемых элементов.

Формула (VII, 4) учитывает изгиб, возникающий вследствие эксцентриситета приложения растягивающих усилий в нахлесточном соединении. Если склеиваемые элементы настолько жестки, что можно пренебречь из­гибом соединения, то K= и, следовательно.

П = У~2АсЪ У~2А

Если элементы нахлестки имеют разную толщину и выполнены из разнородных материалов, то

(VII,8)

Где 6ь 62 — толщины склеиваемых элементов, см £, Ei, соответственно.— модули упругости склеиваемых элементов.

Вследствие изменения физических характеристик клея в процессе длительного нагружения и колебаний толщины клеевого слоя в соединении коэффициент кон­центрации напряжений может изменяться. Для расчета соединений физические характеристики клея принима­ют условно постоянными (табл. 12).

Приведенные в табл. 12 данные определены на отлив­ках клея. Однако установлено, что модуль упругости прослойки отличается от модуля упругости отливки, уве­личиваясь по мере уменьшения толщины прослойки вследствие ограничения поперечных деформаций в тон­ком слое при растяжении (сжатии) поперек плоскости клеевого шва.

Как уже отмечалось, толщина клеевого слоя опреде­ляется оптимальным расходом клея, зависящим от свойств поверхности, реологических особенностей клея и некоторых технологических параметров. При расчете соединений алюминия на эпоксидных клеях толщина клеевого слоя T принимается условно равной 0,01 см. Для соединений асбестоцемента на дифеноло-кетоновом

Клее £=0,03 см, в соединениях бетона £=0,05—0,1 см.

Иные соотношения требуются при расчете стыковых, усовых и зубчато-шиповых соединений (рис. 67). При растяжении или сжатии стыкового соединения в нем возникают нормальные напряжения а:

* = -§-. (VII ,9)

Где Р — действующее усилие, кГ S — площадь склеива­ния, см2.

Поперечные деформации, возникающие в клеевой прослойке и вызывающие в ней напряжения сдвига, не учитывают, если отношение толщины клеевой прослойки к поперечному размеру площади стыкования составля­ет менее 0,001.

При растяжении или сжатии усового соединения в нем возникают нормальные напряжения

Psin0

(VII, 10)

И сдвигающие напряжения

Р Sin 26 28

Где © — угол скоса уса; б — толщина соединяемых эле­ментов; Р — растягивающие или сжимающие усилия.

Уравнения (VII, 10) и (VII, 11) можно использовать для расчета при условии, если клеевая прослойка тонка по сравнению с толщиной склеиваемых элементов (оп­тимальное отношение 0,01). Если толщина клеевой про­слойки составляет 0,1 тол­щины элементов, концентра­ция напряжения в клеевом соединении достигает 1,5.

При изгибе усового сое­динения в нем также воз­никают нормальные напря­жения

Sin2 в (VI1,12)

И сдвигающие напряжения ЗМ

-sin 20. (VI 1,13)

Где М—изгибающий момент, КГ/см в — ширина образца, См.

Уравнения (VII, 12) и (VII, 13) применимы при тех же условиях, что и урав­нения (VII, 10) и (VII, 11).

Сдвигающие напряже­ния в клеевых швах зубча­то-шипового соединения оп­ределяют по формуле (VII, 11). Благодаря симметрич­ности напряжений концентрация их в зубчато-шиповом соединении мало влияет на его прочность, равно как и колебания толщины прослойки клея.

На прочность клеевых соединений значительное влияние оказывают температурные и влажностные де­формации склеенных материалов. При равномерном по всему поперечному сечению изделия изменении темпе­
ратуры в клеевом шве возникают напряжения сдвига:

Д7> — Д7>2 ^

* =———- 1——— р-5-. (VII,14)

Е, Е2

Где х — напряжение сдвига от температурных деформа­ций склеенных материалов, кГсм2; Еь Е2 — модули уп­ругости склеенных материалов, кГ/см2; Ai, — коэффи­циенты термического расширения склеенных материа­лов; АТи АГг — разность температур склеенных мате­риалов и температуры отверждения клея, °С.

Уравнение (VII, 14) выведено исходя из предполо­жения, что в клеевой прослойке отсутствуют деформа­ции сдвига. Такое предположение близко к реальным ус­ловиям, когда клеевая прослойка имеет весьма малую толщину. Если же толщина прослойки клея значитель­на и склеиваемые материалы жестки (например, кера­мика, бетон), то по краям соединения возникают пики напряжений, которые определяют по формуле

GJ

Т.= (AT, а, — Д7>2) , (VII, 15)

Где GK — модуль сдвига клея, кГ/см2, T — толщина кле­евой прослойки, см; I — длина соединения, см.

Уравнения (VII, 14) и (VII, 15) не учитывают ре­лаксации напряжений в клеевой прослойке и в самих склеенных материалах. Завышенные при таком расчете напряжения обеспечивают некоторый запас прочности. Чем выше температура отверждения и ниже температу­ра эксплуатации, тем ближе расчетные температурные напряжения к фактическим.

Прочность клеевых соединений гигроскопичных мате­риалов (древесины, пластиков и др.) зависит от напря­жений, возникающих в клеевом шве от стеснения клее­вым слоем влажностных деформаций этих материалов. Если одна склеенная деталь разбухает от увлажнения значительно быстрее другой, например при односторон­нем увлажнении клееного пакета из досок (рис. 68, а), то возникающие вследствие этого напряжения у краев соединения имеют величину

T = 0,7Ј(AIFI — Д№г) FExGxy, (VII, 16)

Где т — напряжение сдвига в клеевом шве у краев соеди­
нения; е — линейное относительное разбухание материа­ла при увлажнении на 1%; Д— изменение влаж ности в склеенных элементах; Ех — модуль упругости склеенных элементов в направлении длины клеевого шва, КГ/см2, Gxy — модуль сдвига склеенных элементов в плос­кости поперечного сечения клееного пакета, кГ/см2.

Если обе склеенные детали увлажняются одновремен­но со всех сторон, концентрация влаги в материале (гра­диент влажности) убывает от периферии к центру изде-

А) У

Лия. Равномерное увлажнение достигается спустя дли­тельное время. Полагая, что градиент влажности убыва­ет по параболическому закону по толщине склеенной детали (рис. 68, б), и принимая во внимание, что в таком случае будут преобладать напряжения, действующие пер­пендикулярно плоскости клеевого шва, получают

А = 0,45е(ДЦ7„ — HWB)Y^ExV 2EyGxy . (VII, 17)

Где а — растягивающие или сжимающие напряжения по краям соединения (растягивающие при высыхании, сжи­мающие— при увлажнении), кГ/см2; Ех — модуль упру­
гости склеенного элемента в направлении длины клеевого шва, кГ/см2; Еу — модуль упругости склеенного элемента в направлении, перпендикулярном плоскости клеевого шва, кГ/см2; Gxy — модуль сдвига склеенного элемента в плоскости поперечного сечения клееного пакета, кГ/см2;

— изменение влажности наружной части склеенного элемента; — изменение влажности внутри изделия в зоне клеевого шва; е — линейное относительное разбу­хание склеенных элементов при увлажнении на 1%.

Уравнения (VII, 16) и (VII, 17) не учитывают толщи­ны склеенных элементов, а также толщины и модуля сдвига клеевой прослойки. Если ввести в расчет указан­ные параметры, то в случае преимущественного разбуха­ния одной из склеенных деталей

Т = 0,35Е (AW1 — AWi)Ex l/-^ ■ (VII,18)

V Ext

В случае одновременного разбухания всего пакета при изменении градиента влажности по толщине склеенного элемента по параболическому закону

<t = 0,25E(AW„-AIFb)Јv (VII. 19)

Где Ск—модуль сдвига клея, кГ/см2; T — толщина клее­вой прослойки, см; б — толщина склеенного элемента, см.

Анализ напряжений, возникающих в клеевом соеди­нении, приводит, на первый взгляд, к выводу о том, что в конструкциях следует предусматривать толстую и не­жесткую клеевую прослойку. В действительности же это не так, поскольку соединения с толстой клеевой прослой­кой имеют обычно низкую прочность, а многие из них склонны к ползучести, особенно соединения на эластич­ных клеях Выбор жесткой или эластичной прослойки зависит от условий работы клеевого соединения и вида склеиваемых материалов и, как правило, определяется стремлением снизить внутренние напряжения [28].