Анализ шпоночных соединений в РДТТ

Часто для стыковки соединений между собой в РДТТ в твердотопливных двигателях инженеры-конструкторы используют шпоночное соединение. Заметным преимуществом данного соединения является небольшая масса, по сравнению со шпилечным соединением. Также можно отметить, что в шпилечных соединениях требуется выполнение резьбовой отверстий, которых зачастую бывает очень много, а также необходимо ввинчивания, затяжки шпилек, а это неблагоприятно сказывается на технологичности данного вида соединений.

Существуют разные конструкции ракетных двигателей твёрдого топлива: одной из них является конструкция типа «кокон», для которой масса шпоночного соединения наиболее эффективна. Стоит отметить, что масса силовой оболочки у такого вида конструкции намного меньше. Также для корпусов из композиционного материала шпоночное соединение является наиболее выгодным и эффективным[1]. 

Для того, чтобы установке шпонок ничего не препятствовало, выбирают минимальную ширину шпоночного паза наружного шпангоута. Все эти выводы следуют из соображений обеспечения сил трения. Для контроля, как визуального, так и технического, шпоночный паз наружного шпангоута исполняют достаточно широким, чтобы установка шпилек была наиболее удобна.

Шпонки устанавливают через специальное окно. Однако существует риск свободного поворота шпонки внутри кольцевой области, который возникает за счёт осевой сдвигающей нагрузки. Кольцевая область образуется за счёт шпоночных пазов. На локальных участках бывает так, что шпоночные пазы шпангоутов образуют окружности, у которых есть плоские боковые поверхности шпонки, что ведёт к контакту рёбер с плоскими частями. Из данной информации можно сделать вывод, что возможно возрастание контактного давления, что приводит к нежелательному смятию металла на тех участках, где происходит соединение элементов. Все это приводит к тому, что после проведения испытаний может последовать затруднённая разборка стыка, а также потребуется доработка соединительных деталей и решение вопроса о дальнейшей работоспособности элементов конструкции.

Однако существуют методы для определения длины шпонки, при которой вопрос о свободном повороте в кольцевой области становится хорошо решаем. 

Поворот шпонки осуществляется благодаря действию сдвигающей силы T. По торцам шпонки распределены контактные силы: осевая сила Q от внутреннего шпангоута и сила Sн от ребра наружного шпангоута. Благодаря силам трения уравновешивается вертикальная составляющая, которая составляет небольшую величину.

Исходя из геометрических соотношений, угол поворота β шпонки определяется из уравнения:

Решение уравнения:

Где - относительная ширина шпонки, , - относительное плечо приложения контактной силы от внутреннего шпангоута, Sн- относительно точки приложения силы Q, .

Максимально возможный угол поворота короткой шпонки, при отсутствии трения и без ограничения со стороны шпоночного паза, может быть рассчитан по формуле 

где - радиальный зазор между сопрягаемыми поверхностями шпангоутов.

При увеличении длины шпонки угол поворота соответственно будет уменьшаться на величину h, которой соответствует радиальному смещению точек контакта. Точки контакта наружного шпангоута и со шпонкой расположены на торцах шпонки, что приводит к смещению по окружности ребра.

Следует учесть, что формула (4) определяет физически максимальный угол поворота. Поэтому если по формуле (2) угол поворота больше, чем по формуле (4), то максимальный угол поворота определяется по формуле (4) и шпоночный паз не ограничивает поворот шпонки[2].