CC BY
43
УДК 621.883 (088.8)
Шуваев В.Г., Шуваев И.В.
ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет, Самара, Россия
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДАМИ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СБОРКЕ
Резьбовые соединения являются одними из наиболее распространенных в машиностроении видов соединений, которые обеспечивают возможность разборки и вторичной сборки изделии без повреждения сопрягаемых поверхностей деталей. Доля резьбовых соединений в машиностроительном производстве составляет 2 0...3 5% от всех собираемых узлов, причём во многих случаях резьбовые соединения являются ответственными узлами, определяющими прочность, надежность и безопасность всей конструкции.
Качество сборки резьбового соединения определяется параметрами, входящими в выражение крутящего момента, прикладываемого к крепежной детали [1]:
M к, = Q3
где Q3 - сила затяжки резьбового соединения; ^ - средний диаметр резьбы; d - диаметр резьбы болта; Di - внутренний диаметр резьбы гайки; DТ - диаметр головки болта, винта или гайки; P -шаг резьбы; Мр - коэффициент трения в резьбовой паре; V - угол профиля резьбы; МТ - коэффициент трения по торцу головки болта.
Приведенная зависимость служит исходной основой для определения вращающего момента при затяжке резьбовых соединений деталей и характеризует многофакторную связь между моментом на ключе гайковерта и силой затяжки. Однако погрешности изготовления приводят к отклонению геометрических параметров резьбовых поверхностей и поверхностей соединяемых деталей, отклонению от перпендикулярности опорного торца гайки, головки винта или болта и отклонению от параллельности торцов шайбы и т. д., а также коэффициентов трения Мр и Мт приводят в процессе сборки к значительному разбросу силы затяжки резьбовых соединений.
Для контроля усилия затяжки резьбовых соединений в настоящее время находят применение различные методы:
- по вращающему моменту, к недостаткам которого относятся значительная погрешность измерения (до 30%) ;
- по углу поворота гайки с погрешностью от 20%. Другими недостатками этого метода являются, трудность определения начала отсчета угла поворота, зависимость от усилий, числа затяжек, длины болтов;
- по удлинению болта, погрешность 5-15%. Однако метод зависит от податливости деталей и обладает высокой трудоемкостью и себестоимостью.
Наиболее совершенным из применяемых в практике методов тарированной затяжки является метод, в соответствии с которым затяжка производится до достижения предела текучести материала болта, что позволяет добиваться максимального эффекта затяжки, наиболее полно используя прочностные свойства резьбового соединения [2]. Контроль степени затяжки, основанный на достижении силы затяжки в точке предела упругих деформаций материала резьбовых деталей, практически не зависит от трения, позволяет использовать крепежные детали меньшего диаметра и более низкого класса точности и обеспечивает минимальный разброс силы затяжки.
Применение ультразвука позволяет управлять состоянием формируемых контактных связей непосредственно в сборочном процессе, при этом в процессе формирования контактных связей под действием дополнительных ультразвуковых колебаний происходит компенсация возмущающих факторов, связанных с разбросом геометрических параметров резьбовых соединений, механических свойств материала, коэффициентов трения, микрогеометрии соединяемых деталей. Ультразвуковые механические колебания используются одновременно для осуществления следующих полезных функций: во-первых, возбуждение резо-
нансных колебаний приводит к снижению трения, устраняет перекосы и деформации в процессе свинчивания; во-вторых, механические колебания являются источником информации о динамических характеристиках колебательной механической системы. Дополнительное введение механических колебаний в формируемое резьбовое соединение дает возможность совместить операции свинчивания и контроля качества, получать оперативную информацию о динамических параметрах качества соединения непосредственно в процессе сборки, а также предотвращать самоотвинчивание резьбовых деталей в процессе эксплуатации [3, 4] .
При достижении в процессе ультразвуковой сборки резьбового соединения предела текучести начинает проявляться нелинейность упругой характеристики механической колебательной системы (нелинейность типа «насыщение»), вызванная наличием пластичности, что приводит к искажению амплитудночастотной характеристики и возникновению скелетной кривой, выражающей связь между частотой и амплитудой колебаний системы. В случае, когда прикладываемая сила (момент) велика, что приводит к появлению пластических деформаций крепежных элементов или собираемых деталей, система становится нелинейной, жесткость системы больше не является постоянной, частота начинает зависеть от амплитуды колебаний. В случае снижения коэффициента жесткости при достижении предела текучести система имеет мягкую характеристику, и скелетная кривая оказывается искривленной влево. При последовательном увеличении амплитуды силы возбуждения происходит уменьшение резонансной частоты колебаний и амплитудно-частотная характеристика имеет выраженный наклон в сторону меньших частот, а скелетная кривая соответствует мягкой характеристике жесткости. Полученная амплитудно-частотная зависимость напоминает резонансную кривую для линейной системы, однако резонансный пик несколько «деформирован» соответственно искривлению скелетной линии при мягкой характеристике [5]. Если амплитуда синусоидального воздействия меняется, то пик резонансной кривой будет перемещаться по скелетной кривой, что и положено в основу предлагаемой технологии сборки резьбового соединения.
На рисунке 1 изображена структурная схема устройства для реализации разработанного метода ультразвуковой сборки резьбовых соединений [б].
2d
P
Мр
pd2 cos (v/2)
d +
MT (DT D1 )
3( dT - dD )
d
2
Рис. 1. Устройство для ультразвуковой сборки резьбовых соединений
Метод сборки резьбовых соединений реализуют следующим образом. С помощью генератора электрических колебаний 16 в пьезокерамическом преобразователе 6 возбуждают механические колебания, которые усиливают по амплитуде концентратором 5. В процессе навинчивания гайки на болт резьбового соединения происходит обжатие собираемых деталей 3 и 4, что приводит к увеличению площади контактирования деталей и изменению жесткости и демпфирования колебательной механической системы. А это в свою очередь ведет к изменению резонансной частоты и коэффициента динамичности. Колебания, прошедшие через контролируемое соединение (болт 1, гайка 2 и собираемые детали 3 и 4), воспринимаются датчиком вибрации 9 и преобразуются в электрический сигнал, который после усиления в согласующем усилителе 10 поступает на входы частотомера 11 и измерителя 12 амплитуды вибрации. Сигнал с выхода измерителя амплитуды вибрации поступает в блок 13 определения резонанса и первый вход программного блока 14. В состав блока определения резонанса входит пиковый детектор, при помощи которого амплитуда вибрации запоминается в строгом соответствии «амплитуда-частота». Текущие значения амплитуды и частоты, поступающие на первый и третий входы программного блока, дают возможность построить амплитудно-частотную характеристику колебательной системы и определить текущее значение коэффициента динамичности. В программном блоке предварительно устанавливают эталонные значения коэффициента динамичности для данного типа резьбового соединения. При достижении текущим значением коэффициента динамичности установленного эталонного значения в программном блоке фиксируется текущее значение резонансной частоты Ю0 и выдаётся сигнал на увеличение амплитуды ультразвуковых колебаний генератора колебаний. Для нового значения амплитуды в программном блоке фиксируется очередное значение резонансной частоты Щ , которое вычитается из предыдущего значения Ю0 и определяется значение приращения резонансной частоты А : Щ - Щ=А< 0 .
При изменении знака приращения резонансной частоты D на отрицательный в программном блоке фиксируется этот момент и выдается сигнал на прекращение затяжки резьбового соединения.
Разработанный метод сборки резьбовых соединений позволяет обеспечить гарантированное качество каждого соединения без ужесточения технологии изготовления и сборки деталей за счет использования дополнительных ультразвуковых колебаний и соответствующих средств контроля. Разработанное устройство позволяет строить амплитудно-частотную характеристику в процессе затяжки резьбового соединения, причём переход соединения в зону пластических деформаций немедленно скажется на амплитудночастотной характеристике, придав ей форму «мягкой» скелетной кривой. Это явление и положено в основу разработанного алгоритма тарированной затяжки резьбовых соединений.
Путём сравнения фактических и задаваемых значений осуществляется сближение протекающего процесса затяжки с заданной зависимостью и точное выведение степени нагружения соединяемых деталей в зону, близкую к пределу их упругих деформаций.
Система обеспечивает номинальную силу затяжки, создаваемой резьбовой крепёжной деталью и позволяет устранить излишний запас прочности болта. Жесткий допуск на величину затяжки позволяет уменьшить металлоемкость резьбовых деталей, сократить габариты и массу механизма.
ЛИТЕРАТУРА
1. Повышение работоспособности резьбовых соединений путем применения ультразвука при обработке и сборке: монография / Б.Л. Штриков, В.В. Головкин, В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев. - М.: Машиностроение, 2009. - 125 с.
2. Гусаков Б. В. Отечественные и зарубежные методы и средства тарированной затяжки резьбовых соединений//Сборка в машиностроении, приборостроении. № 9, 2003, С.12-24.
3. Шуваев В.Г., Шуваев И. В. Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пен-за,25-31 мая, 2011. 2 том. С.230-231.
4. Шуваев В.Г., Шуваев И. В. Контроль качества затяжки резьбовых соединений при ультразвуковой сборке по динамическим характеристикам// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2013. 2 том. С.276-278.
5. Основы измерений. Датчики и электронные приборы: Учебное пособие/ К. Классен - 4-е изд. -
Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 352 с. С.103-107.
6. Патент РФ на изобретение № 2502591, МПК В23Р19/06; опубликовано 27.12.2013. Бюл. № 36. Способ ультразвуковой сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.
