К.т.н., Красовский С.С., Хорошайло В.В.

Донбасская государственная машиностроительная академия

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕДКОУДАРНОГО ГАЙКОВЕРТА ДЛЯ ЗАТЯЖКИ КРУПНЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В современных машинах во многих случаях резьбовые соединения являются ответственными элементами, прочность и долговечность которых во многом определяют надежность работы конструкции в целом.

Основные проблемы, возникающие при сборке резьбовых соединений, с одной стороны, связанны с необходимостью повышения производительности труда, следовательно, с высоким уровнем механизации процесса сборки, с другой – с необходимостью обеспечения высокой степени точности затяжки[1].

Целью работы является теоретическое исследование применения редкоударного гайковерта [2], [3] и влияния его энергосиловых параметров на эффективность затяжки крупных резьбовых соединений.

Процесс ударной затяжки резьбовых соединений во многом отличается от статической затяжки. Его особенность заключается в практически мгновенной передаче кинетической энергии вращающегося ударника наковальне [4]. Полученная наковальней энергия (энергия единичного удара гайковерта) расходуется на поворот гайки, упругую крутильную деформацию шпинделя гайковерта и на упругое закручивание стержня болта:

(1)

Величина энергии, идущая на упругое закручивание стержня болта, в значительной степени зависит от соотношения моментов трения в резьбе и на торце гайки [5]. Если первый из них меньше второго (М_Р < М_Т), то после каждого удара стержень болта остается закрученным моментом трения в резьбе М_Р и удерживается от раскручивания моментом трения на торце гайки. Потери энергии на упругое закручивание стержня болта при каждом ударе в этом случае оказываются незначительными:

(2)

где M_pi и М_p(i-1) – моменты трения в резьбе после i-го и (i-1)-го ударов;

К_Б – крутильная жесткость стержня болта.

При обратном соотношении моментов трения (М_Р > М_Т) после снятия ударной нагрузки происходит раскручивание стержня болта, и потери энергии на его закручивание от момента трения на торце при предыдущем ударе возрастают до момента трения в резьбе:

(3)

где М_Т(i-1) – момент трения на торце гайки после (i-1)-го удара.

Рассмотрим подробнее факторы, влияющие на соотношение этих моментов трения. При затяжке стержень болта испытывает кручение моментом ():

(4)

где Q – усилие затяжки;

d – средний диаметр резьбы;

угол подъема винтовой линии; S – шаг резьбы;

– угол трения;

` – коэффициент трения в резьбе;

(5)

– коэффициент трения фрикционной пары;

– угол профиля резьбы.

В момент остановки момент трения на торце гайки

(6)

где _T – коэффициент трения на торце гайки;

R_T – радиус трения опорной поверхности гайки:

(7)

где D – наружный диаметр кольцевого торца;

d₀ – диаметр резьбы.

Анализ конструкций крупных резьбовых соединений показывает, что величины d и R_T для всех резьб находятся в пределах:

R_T=0,65 d₀

Тогда, сравнивая M_p и M_T, получим условие, при котором момент на торце больше момента в резьбе:

(8)

Принимая ≈ 0,1р` можно записать для метрической резьбы:

Таким образом, стопорение стержня болта от раскручивания будет происходит при условии, что _Т ≥ 0,82` или _T ≥ 0,95.

Из этого можно сделать вывод, что при одинаковых условиях трения в резьбе и на торце гайки (_Т = ), которые обеспечиваются отсутствием заедания в резьбе, наличием смазки и так далее, стержень болта после снятия ударной нагрузки останется закрученным моментом M_pi, и дополнительных потерь энергии происходить не будет.

Проведенный анализ позволяет уравнение (1) с достаточной точностью записать в виде:

(9)

Энергия, идущая на упругую крутильную деформацию элементов гайковерта:

(10)

где M_i, Q_i – соответственно момент затяжки и осевое усилие после i-го удара;

К_Ш – крутильная жесткость шпинделя гайковерта;

к – приведенный к диаметру резьбы коэффициент трения в резьбовом соединении, определяемый экспериментально.

Энергия, идущая на поворот гайки:

(11)

где Q_i-1 – осевое усилие в крепежной детали перед i – тым ударом;

– относительная податливость крепежной детали:

(12)

_б и _д – соответственно коэффициенты податливости болта и промежуточных деталей.

– коэффициент жесткости болта.

Таким образом, уравнение энергетического баланса примет вид:

(13)

Из этого уравнения можно получить следующие выражения для осевого усилия после i-го удара Q_i, и количества ударов n необходимого для достижения заданного усилия Q в болте:

(14)

(15)

Разложив натуральные логарифмы в уравнении (13) в ряд, получим:

(16)

При проектировочных расчетах достаточную точность дает зависимость, в которой учитываются только первые члены разложения в ряд логарифмических функций:

(17)

Учитывая, что:

(18)

(19)

(20)

где – напряжение затяжки;

S – шаг резьбы;

l – рабочая длина болта;

E = 210⁷ м/мм² – модуль упругости стали,

(21)

Отсюда, приняв d₁≈d₂≈d₀, определим энергию единичного удара гайковерта, обеспечивающую затяжку резьбового соединения за n ударов до напряжения:

(22)

Полученная зависимость (22) позволяет определить необходимые энергетические параметры гайковертов ударного действия для затяжки крупных резьбовых соединений прокатных станов, задавшись предварительно напряжением затяжки резьбового соединения, количеством ударов гайковерта и некоторыми другими величинами. Входящая в эту зависимость относительная податливость крепежной детали может быть определена экспериментально путем измерения деформации крепежной детали при ее затяжке и угла поворота гайки:

(23)

Относительная податливость крепежной детали может изменятся в диапазоне от нуля до единицы. Значения относительной податливости, близкие к нулю, будут иметь место при бесконечной податливости промежуточных деталей, т.е. при их деформации в пластической области.

При значительной жесткости промежуточных деталей, во много раз превышающей жесткость крепежной детали, относительная податливость приближается к единице.

Проведенные ранее исследования показали, что для различных резьбовых соединений значения относительной податливости могут быть существенно различными. Так, например, для шпилек горизонтальных разъемов цилиндров паровых труб их относительная податливость находится в пределах 0,36-0,56; для стопорных и регулирующих клапанов значение относительной податливости 0,25-0,3. В химических сосудах высокого давления с двухконусным уплотнителем шпильки имеют относительную податливость, равную 0,03-0,09 до выбора зазора между обтюратором и крышкой и 0,12-0,15 после выбора этого зазора.

Крупные резьбовые соединения стягивают довольно жесткие промежуточные детали и по своим упругим свойствам близки к резьбовым соединениям горизонтальных разъемов. Поэтому при определении энергетических параметров редкоударных гайковертов для затяжки резьбовых деталей крепления станин рабочих и шестеренных клетей, крышек шестеренных клетей прокатных станов, относительная податливость этих крепежных деталей может быть принята равной 0,5.

Приведенный к диаметру резьбы, коэффициент трения к, входящий в формулу (22), определяется следующим выражением:

(24)

Чаще всего этот коэффициент определяется экспериментально в процессе затяжки резьбового соединения.

Исследованиями установлено, что для крепежных деталей металлургического оборудования, например болтов крепления газовых затворов доменных печей, при наличии консистентной смазки этот коэффициент равен 0,17. В предварительных расчетах его можно было принимать равным 0,2.

Учитывая то, что существующие редкоударные гайковерты позволяют осуществлять процесс затяжки резьбовых соединений за 4 … 15 ударов, количество n ударов гайковерта выберем равным 15. Посчитанные с учетом этого энергии единичных ударов гайковертов, необходимые для затяжки резьбовых деталей различных диаметров до выбранных напряжений затяжки

= 80 н/м², представлены в таблице 1.

Таблица 1

Диаметр резьбы крепежной детали d0 (мм)	72	76	90	100	110	115	125	130	140	150	160	175	180
Расчетная энергия единичного удара гайковерта АЕ (Дж)	141	175	343	524	768	917	128	1498	2016	2656	3439	4922	5509

Выводы:

В работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования, определяющие влияние различных параметров редкоударных гайковертов на результат затяжки. Рассмотрены расчетные модели и составлены основные уравнения, позволяющие получить решение контактных задач с учетом различных граничных условий, как для одномерной стержневой модели, так и двухмерной. Полученные результаты могут быть использованы при разработке, проектировании и сборке, как прокатных станов, так и любого другого оборудования.

Литература:

1. Иосилевич, Г. Б. Затяжка и стопорение резьбовых соединений / Иосилевич Г. Б., Строганов Г. Б., Шарковский Ю. В. – М. : Машиностроение, 1985. – 224 с.

2. Красовский С. С. Анализ методов механизации сборки крупных резьбовых соединений металлургического оборудования / С. С. Красовский, В. В. Хорошайло, С. А. Бабенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 6/7 (54) 2011. С. 14-16.

3. Красовский С. С. Классификация конструкций ударно-импульсных механизмов // Вестник ДГМА. № 4 (25) 2011. С. 251-256.

4. А. с. 1710327 (СССР). Гайковерт для сборки крупных резьбовых соединений/ Красовский С. С. – Опубл. 1992; Бюл. № 5.

5. Красовский С. С. Механизация сборки резьбовых соединений в машиностроении: теория, исследования, технология, конструкции: монография / Красовский С. С. – Краматорск: ДГМА, 2011. – 148 с. ISBN 978-966-379-515-7.