Технические науки / 3. Отраслевое машиностроение

 

К.т.н. Красовский С.С.

Донбасская государственная машиностроительная академия, Украина

Исследование влияния инерционных параметров элементов гайковертов на его энергетические параметры

 

Резьбовые соединения являются наиболее часто встречающимися элементами сборочных единиц и используются практически во всех изделиях. Сборка резьбовых соединений наряду со специфическими особенностями имеет ряд признаков, присущих процессу сборки деталей и механизмов в целом. Уровень механизации и автоматизации сборки резьбовых соединений, как и других сборочных работ, все еще значительно отстает от уровня обрабатывающих областей производственного процесса. Отставание технологии сборки свидетельствует о наличии значительных возможностей в области ее механизации. Для механизации сборки в настоящее время в основном используют гайковерты ударного и безударного действия, и весьма ограниченно фрикционно-импульсные [1]. При сборке резьбовых соединений с большим диаметром резьбы обычно используют безударные гайковерты [2]. Ударные гайковерты, в последние годы, находят себе все более широкое применение.

         В настоящее время выпускается большое количество типоразмеров гайковертов ударно-вращательного действия для затяжки резьбовых соединений диаметром от 14…16 мм до 24…30 мм. В последнее время появились гайковерты с крутящим моментом 1000…1500 Н∙м для резьб диаметром до 42 мм.

         Однако гайковерты выпускаемых типоразмеров не могут полностью удовлетворить потребности современной техники. Большинство машин и агрегатов металлургического, энергетического, нефтехимического и атомного оборудования снабжены крепежными деталями, диаметр резьбы которых достигает 140, 160 и даже 200 мм. Для затяжки таких резьб требуются гайковерты с повышенными энергосиловыми параметрами, обеспечивающие быструю технически правильную сборку крупных резьб. Поэтому вопросы создания и исследования новых конструкций гайковертов ударного действия большой мощности являются актуальными.

Целью работы является исследование влияния инерционных параметров элементов ударных гайковертов с повышенными энергосиловыми параметрами на его энергетические параметры. Энергетические параметры гайковертов, обеспечивающие эффективную ударную затяжку крупных резьбовых соединений в десятки раз превышают энергетические параметры серийно-выпускных гайковертов.

Повышение энергии единичного удара гайковерта достигается за счет увеличения кинетической энергии ударника перед ударом. Энергия единичного удара гайковерта составляет только некоторую часть кинетической энергии ударника.

Энергия ударника, накопленная в процессе его разгона, равна:

 

,                                                    (1)

 

где Iy – момент инерции ударника;  – угловая скорость ударника перед ударом.

Угловая скорость ударника перед ударом ограничивается допустимой скоростью соударения, при которой уже в первый момент удара могут произойти пластические деформации. Для хромистых термообработанных сталей эта скорость не должна превышать 15 м/с. Поэтому дальнейшее увеличение энергии ударника перед ударом может быть достигнуто увеличением его момента инерции, что влечет за собой увеличение его массы и геометрических размеров.

Таким образом, повышение энергии единичного удара требует увеличения веса всего гайковерта, что отрицательно сказывается на его технико-эксплуатационных характеристиках. Поэтому при разработке редкоударных гайковертов с большой энергией единичного удара [3, 4, 5] важным представляется определение рационального соотношения моментов инерции соударяющихся масс, обеспечивающего высокий коэффициент полезного действия при ударе и уменьшение общего веса гайковерта.

Следует отметить, что в существующих ударных гайковертах момент инерции ударника в 5–20 раз превышает момент инерции ударяемого тела, включающего соединенные между собой наковальню, переходной ключ и гайку. Это соотношение достигается при сохранении незначительного веса гайковерта, т. к. в мелких резьбовых соединениях инертность гайки настолько мала, что ее влиянием на момент инерции можно пренебречь. При таком соотношении моментов инерции удар между элементами гайковерта представляет собой безостановочный бесконечно ударный процесс с последующим безударным торможением, т. е. после ряда соударений соударяющиеся массы «слипаются» и движутся совместно. Такой режим соударения ударника с наковальней имеет место при выполнении неравенства.

 

,                                                 (2)

 

где R – коэффициент восстановления скорости при ударе;

параметр соударяемых масс;

IН – момент инерции наковальни.

При этом ударное взаимодействие между бойком и наковальней можно рассматривать как неупругий (квазиупругий) удар с коэффициентом восстановления скорости, равным нулю. Энергия единичного удара гайковерта при этом определяется по формуле:

 

                                                 (3)

 

где К3 – коэффициент потерь энергии в зазорах.

Крупные резьбовые соединения отличаются значительными размерами и массами гаек. Момент инерции этих деталей составляет существенную часть момента инерции ударяемой массы гайковерта. При этом значительное преобладание инертности ударника над суммарным моментом инерции наковальни, ключа и гайки потребуют резкого увеличения массы ударника. Очевидно, что для уменьшения общего веса гайковерта необходимо стремиться к минимально возможному соотношению моментов инерции ударяющей и ударяемой масс.

При уменьшении инертности ударника, когда

 

                                                  (4)

 

соударение элементов гайковерта будет происходить в бесконечно ударном режиме с промежуточными остановками. Следует отметить, что энергия, передаваемая наковальне при первом микросоударении, составляет основную часть энергии единичного удара гайковерта. Поэтому для повышения эффективности труда необходимо уже при первом микросоударении передавать ударяемой массе максимальную часть энергии ударника.

Согласно теории механического удара, скорость ударяемой массы после удара

,                                             (5)

 

где  – угловая скорость ударника перед ударом.

Выразим энергию единичного удара гайковерта через энергию ударника перед ударом:

.                         (6)

 

Следовательно, коэффициент полезного действия при ударе составляет:

 

                                             (7)

 

Таким образом, процент энергии, передаваемой при ударе наковальне, зависит от соотношения моментов инерции наковальни и ударника.

На рис. 1 представлены графики изменения КПД при ударе в зависимости от соотношения моментов инерции соударяющихся тел при различных значениях коэффициента восстановления скорости (7). Из графиков видно, что при абсолютно неупругом ударе с увеличением момента инерции наковальни по сравнению с моментом инерции ударника КПД удара уменьшается. При упругом соударении ударника с наковальней наковальне передается максимальная часть энергии в том случае, если моменты инерции соударяемых тел равны между собой.

 

Описание: нормал2

 

Рис. 1. Зависимость энергии единичного удара гайковерта от
соотношения моментов инерции ударника и наковальни.

С увеличением коэффициента восстановления доля энергии, передаваемая от ударника наковальне, возрастает, и при абсолютно упругом ударе вся энергия ударника передается наковальне. Следует отметить, что дальнейшее уменьшение соотношения моментов инерции наковальни и ударника, когда , вызывает резкое уменьшение КПД удара. Увеличение этого параметра приводит к незначительному уменьшению КПД.

 

Выводы:

Анализ полученных результатов позволяет установить, что рациональным с энергетической точки зрения является соотношение моментов инерции соударяемых масс, равное единице. При таком соотношении достигается наиболее высокий КПД при ударе и уменьшение общего веса гайковерта. В целях некоторого повышения энергии единичного удара это соотношение может быть уменьшено до 0,7…0,8; КПД удара при этом уменьшается незначительно.

Для уменьшения веса гайковерта при некотором уменьшении его энергии единичного удара момент инерции ударника может быть уменьшен без значительного уменьшения КПД удара до 0,8 момента инерции наковальни. Таким образом, при разработке гайковертов ударного действия с большой энергией единичного удара моменты инерции соударяющихся тел необходимо выбирать в пределах их соотношения 0,75…1,25.

 

Литература:

 

1.        Семиков В. Г. Ударные гайковерты для крупных резьбовых соединений / В. Г. Семиков, А. Л. Еськов, В. П. Шелуханов // Оборудование и инструмент, № 02 (37). – Харьков: ЦентрИнформ, 2003. – С. 60.

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

3.        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.

4.        А. с. 1174245 (СССР). Пневматический гайковерт ударно-импульсного действия с тарированным моментом затяжки / Бузунов В. Н., Красовский С. С. – Опубл. 1988 ; Бюл. № 31.

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.