CC BY
21
УДК 629.424.3, 629.4.014.2, 621.134.16
ТКАЧЕВ М.Ю., к.т.н., доцент (Донецкий национальный технический университет) СОЛОМИН А.П., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ПАЛАМАРЧУК Т.Н., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Обоснование применения самозатягивающихся гаек в узле крепления крышки к втулке цилиндра дизеля для повышения его надежности
Tkachev M.Yu., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DONNTU) Solomin A.P., Senior Lecturer (DRTI) Palamarchuk T.N., Assistant (DRTI)
Justification of the use of self-locking nuts in the attachment of the cover to the hub of the cylinder of a diesel engine to increase its reliability
Введение
Затяжка резьбовых соединений, созданная при сборке, в процессе работы машины в условиях эксплуатации под действием переменных нагрузок постепенно уменьшается. На интенсивность этого процесса оказывают влияние многие факторы, как-то: состояние и способ получения резьбы, жесткость стыков, микрогеометрия их поверхностей, наличие смазки, величина силы предварительной затяжки. В мобильных машинах и транспортных средствах нарушение стабильности затяжки также зависит от цикличности внешних нагрузок, частоты
вынужденных колебаний, релаксации напряжений.
Самопроизвольное ослабление затяжки резьбового соединения может привести к нарушению работы сборочной единицы, машины, быть причиной аварии. Поэтому при проектировании и сборке таких соединений большое внимание уделяют обеспечению стабильности их затяжки, а также стопорению [1, 2].
Существует несколько способов стопорения резьбовых соединений:
созданием дополнительных сил трения путем осевого или радиального давления (стопорение контргайкой, винтом, самостопорящимися гайками); взаимной фиксацией гайки
относительно болта, одной из скрепляемых деталей или фиксацией нескольких гаек (винтов) (стопорение шплинтом, пружинными и
деформируемыми шайбами,
проволокой); посредством местных пластических деформаций
(накерниванием). Полную картину по данному вопросу раскрывает ОСТ 107.460091.014 [2]. Использование различных способов стопорения в машиностроении характеризуется
следующими данными: упругой шайбой - 75...80%, шплинтами -10...12%, специальными шайбами -5.7% и проволокой - 1.2%.
Следует отметить, что
самоотвинчивание резьбовых
соединений при вибрациях, непременно сопровождающих работу машин и механизмов, является достаточно большой проблемой в технике [3]. Сами по себе резьбы обладают свойством «самоторможения», то есть
растягивающая нагрузка не вызывает поворота гайки относительно шпильки
(болта). Поэтому достаточно высокая затяжка болтов является надежным средством предохранения соединений от ослабления. В случае действия только осевой статической нагрузки этого средства вполне достаточно. Однако, при вибрациях, носящих случайный или систематический характер, во многих случаях, связанных с перекосом опорных поверхностей (при монтаже или в эксплуатации вследствие изгиба), могут быть кратковременные периоды, когда гайка оказывается почти свободной от осевых сил. В результате даже незначительные боковые силы могут вызвать ее поворот.
Явление ослабления затяжки резьбовых соединений особо остро проявляется в узлах, детали которых подвержены влиянию комплекса физических и химических факторов, например, двигателях внутреннего сгорания.
Так, втулка цилиндра дизеля Д49 тепловоза 2ТЭ116 работает в сложных условиях: давление газов на стенку втулки с внутренним диаметром 260 мм достигает Р2 = 13 МПа [4]. Под действием давления газов и изменения направления действия боковой силы, которое циклически изменяется, в стенке втулки возникают высокие напряжения, которые снижают усталостную прочность втулки, а интенсивные колебания приводят к механическим разрушениям мест соединения втулок с блоком, повреждением стенок, рубашек и блока дизеля со стороны охлаждающей жидкости, а также самоотвинчиванию и ослаблению шпилечного соединения крышки с втулкой дизеля. Особое место среди прочих неисправностей занимает последнее. Развитие самоотвинчивания проявляется в виде увеличения зазоров в местах сопряжения соответствующих деталей и в повышении уровня вибрации втулок. Ввиду этого в
настоящее время обслуживающий персонал при эксплуатации вынужден поддерживать стабильные исходные усилия затяжки газового стыка на уровне порядка 200...220 МПа (осевые и окружные напряжения в верхнем поясе втулки). Это обстоятельство влечет необходимость подтяжки шпилечного соединения газового стыка, снабженного глухими гайками (рис. 1), примерно через 100 ч работы дизеля [5].
-жп
1 ш
Рис. 1. Крепление крышки к втулке цилиндра дизеля 5Д49 глухой гайкой
Вышеупомянутое резьбовое
соединение наряду с прочими негативными факторами воспринимает также и высокие тепловые нагрузки, что также приводит к напряжениям в теле шпильки и гайки, а также вызывает их деформации, ухудшая условия нормальной работы, предусмотренные проектной
документацией.
Ввиду вышесказанного
представляется очевидной актуальность
задачи обеспечения отсутствия повышенных и опасных значений опасных вибраций деталей
цилиндропоршневой группы (Ц111) дизеля за счет стабильности усилия затяжки шпилечного соединения крышки с втулкой, то есть задачи повышения вероятности безотказной работы агрегата в целом.
Анализ публикаций
Анализ литературных источников [6-8] позволил выделить преимущества и недостатки двух наиболее распространенных методов сборки резьбовых соединений - сборки с приложением внешнего крутящего момента и осевых сил.
Второй метод является более совершенным с точки зрения надежности и технико-экономической эффективности при эксплуатации. Однако он ограниченно применим в стесненных условиях, поскольку требует при реализации установки дополнительного оборудования соосно с резьбовым соединением. Его использование, как правило, должно быть предусмотрено на стадии опытно-конструкторских работ при создании машин и механизмов, в том числе путем увеличения длины шпилек или болтов. Но для затяжки крупногабаритных резьбовых соединений, например, крепления втулки дизеля в сборе с крышкой к блоку посредством анкерной связи, этот метод является незаменимым в части создания высоконадежного и стабильного в работе усилия затяжки.
Универсальность первого метода предопределила его повсеместное распространение, в том числе и применение при сборке втулки цилиндра с крышкой. Однако для контроля значения силы затяжки при сборке высокоответственных резьбовых
соединениях возникает необходимость в применении специальных
измерительных устройств и
приспособлений. В целом этот метод менее предпочтителен, поскольку его использование влечет заведомое создание напряжений кручений в элементах резьбового соединения.
Выбор того или иного метода контроля затяжки резьбовых
соединений во многом обусловлен по мнению ведущих ученых в этой области (проф. Г.Б. Иосилевича, М.А. Леенсона, Е.Л. Симкина, М.Л. Гельфанда) технической возможностью
применения, назначением машины, последствиями, в том числе экономическими потерями, от возможных ее простоев и аварий и так далее. В рамках настоящей работы был также выполнен сопоставительный анализ методов контроля усилия затяжки резьбовых соединений: по экспертным оценкам, по моменту затяжки, по углу поворота гайки, по деформации стягиваемых деталей, по удлинению болта, по значению осевой силы растяжения, с помощью тензодатчиков на болте, по деформации специальных шайб [9].
На практике получили наибольшее распространение контроль по моменту затяжки, по углу поворота гайки, по значению осевой силы растяжения (метод сборки приложением осевых сил). Нижние границы погрешностей первых двух упомянутых методов лежат в области погрешностей
общеинженерных расчетов, что делает их применение приемлемым для общего и транспортного машиностроения.
Интересным представляется
сравнение взглядов Г.Б. Иосилевича и М.Л. Гельфанда на условия, обеспечивающие безотказную работу резьбовых соединений, в том числе высоконагруженных.
Анализ обобщенных и
систематизированных в ходе сбора
данных свидетельствует о том, что оба специалиста этой области едины в мнении о том, что надежность высоконагруженных резьбовых
соединений безусловно зависит от значения и степени обоснованности усилия предварительной затяжки Q0, а также от точности его создания в процессе сборки или монтажа. Этого мнения придерживаются и современные исследователи [10].
Таким образом, предохранение резьбовых соединений от
самоотвинчивания является актуальной научной технической задачей, остающейся в полной мере неразрешенной до настоящего времени.
Многие методы, представленные выше, требуют при применении резервирования дополнительной длины шпильки или болта, что делает их ограниченно применимыми в стесненных условиях ограниченных габаритов транспортных средств. Применение шплинтов, штифтов также имеет существенный недостаток, а именно - ослабление и без того опасного сечения участка стяжной детали, поверхность которой насыщена концентраторами напряжений
(выступами и впадинами витков резьбы).
Цель работы
В совокупности с необходимостью наличия устройств для оценки эффективности работы стопорящих элементов вышеперечисленные
недостатки требуют принятия нестандартных решений в части разработки конструктивно простых и надежных в эксплуатации
самотормозящихся резьбовых
соединений.
Поэтому в настоящей работе приобрело первоочередное значение решение выше поставленной задачи за
счет замены гаек стандартной конструкции на самозатягивающиеся гайки, поскольку используемые в технике меры, предотвращающие самоотвинчивание, являются
ограниченно применимыми в данном узле.
Основная часть
На основании вышеизложенного материала и его анализа было принято решение об использовании в шпилечном соединении крышки с втулкой цилиндра самозатягивающейся гайки, которая благодаря своим конструктивным особенностям
одновременно выполняет крепежную и фиксирующую (стопорящую) роль [11].
Описанная в патенте на изобретение конструкция
самозатягивающихся гаек успешно себя зарекомендовала в узлах крепления рельсовых стыков, условия работы которых во многом, за исключением влияния высоких температур, совпадают с эксплуатацией шпилечного соединения крышки с втулкой цилиндра дизеля [12].
Назначение усилия
предварительной затяжки
рассматриваемого в настоящей работе шпилечного соединения крышки (рис. 2, а) с втулкой дизеля (рис. 2, б) проводилось исходя из рекомендаций работы [13], в которой оговорены необходимые и достаточные силовые, геометрические и эксплуатационные условия самоподтягивания
(самоподкручивания) гайки. При этом принимался полуторакратный запас по давлению в камере сгорания.
Для исследуемого узла было назначено необходимое для данных технологических условий усилие предварительной затяжки резьбового (шпилечного) соединения, а также выполнен его прочностной расчет.
Модернизация резьбового узла не привела к увеличению значения крутящего момента, необходимого для создания предварительной затяжки (388 Н-м), в сравнении с ныне
Прочностным расчетом показано, что значение верхней границы давления (25,66 МПа), возникающего в резьбовых деталях, во много крат ниже допустимого значения предела прочности (820 МПа) материала, из которого изготовлена
самозатягивающаяся гайка (сталь 65Г, подвергнутая термической обработке -закалке в масле при температуре 800.820 °С, и отпуска при температуре 340.380 °С). При этом каждой из шести шпилек теоретически может воспринимается усилие ^ = 172552 Н, при суммарно действующем на крышку
^ = 1035312 Н.
При проектировании шпилечного резьбового соединения М 20 х 1 в соответствии с ГОСТ 4608-81 [14] была
существующим (400 Н-м). Приведенные значения получены для радиуса буртика гайки, касающегося кришки, гг = 0,015 м и среднего диаметра витка гайки А) = 0,026 м (рис. 3).
л
назначена посадка с гарантированным натягом:
2Н 4Р(3) 3и(э) '
где 2Н - поле допуска для среднего диаметра гайки;
4А - поле допуска для внутреннего диаметра гайки;
3п - поле допуска для среднего диаметра шпильки;
(3) - число сортировочных
групп.
При этом обеспечивается фактический натяг 15.109 мкм (при максимально допустимом для стабильной работы соединения значении натяга 110 мкм).
Рис. 2. Внешний вид крышки (а) и втулки цилиндра с установленными в ней
шпильками (б) тепловоза 2ТЭ116
Оценка вероятности безотказной работы самозатягивающейся гайки в шпилечном соединении крышки с втулкой цилиндра дизеля показывает, что:
- вероятность безотказной работы по критерию нераскрытия стыка
составляет 0,9994;
- вероятность безотказной работы по критерию статической прочности -0,9368;
- вероятность безотказной работы по критерию сопротивления усталости - 0,9999.
Рис. 3. Расчетная схема крепления крышки к втулке цилиндра дизеля Д49 для обоснования параметров их модернизированного шпилечного соединения
В соответствии с рекомендациями [15] также был разработан алгоритм сборки модернизированного узла.
Крышки с втулкой цилиндра собираются в следующей
последовательности:
- при помощи специального приспособления во втулку плотно и до конца ввинчиваются 6 шпилек, тем самым обеспечивается натяг между ними;
- осматривается состояние
втулки цилиндра, проверяется чистота рабочей поверхности, уплотнения газового стыка и мест установки уплотнительных резиновых колец; с помощью приспособления
устанавливается втулка в вертикальное положение вверх шпильками, приспособление снимается;
- смазываются дизельным
маслом новые уплотнительные кольца и устанавливаются на втулки перетока воды из цилиндровой втулки в крышку;
- осматривается крышка цилиндра, проверяется чистота внутренних полостей и отсутствие забоин в местах уплотнения газового стыка и прилегания к блоку цилиндров;
- крышка цилиндра поднимается при помощи приспособления и устанавливается новая прокладка уплотнения газового стыка на бурт крышки и крышка устанавливается на втулку цилиндра так, чтобы впускные клапаны располагались со стороны скосов на нижнем бурте втулки цилиндра;
- устанавливаются на шпильки шайбы (ГОСТ 22355-77 [16]) смазываются дизельным маслом поверхности шайб и гаек, резьба самозатягивающихся гаек и шпилек;
- гайки наворачиваются и крепятся ключом.
Шпильки затягиваются в три приема торцовым динамометрическим или предельным ключом в следующей последовательности (на рис. 3 в кружках указаны порядковые номера шпилек):
- моментом 145 Н-м в порядке
1-4-2-5-6-3;
- моментом 300 Н-м в порядке 6-3-5-2-4-1;
- моментом 388 Н-м в порядке
2-5-3-6-1-4.
В последовательности
1-2-3-4-5-6 моментом 388 Н-м проверяется крепление всех гаек.
После затяжки шпилек переворачивается крышка совместно с втулкой и производится обмер рабочей поверхности втулки, при этом овал втулки допускается, как указано в [17].
Цилиндровая втулка в сборе с крышкой опрессовывается водой давлением 1,2 МПа в течение 5 минут. Течь воды и потение не допускаются.
Оценка технико-экономической эффективности предлагаемых
разработок показывает, что срок их окупаемости на 10 локомотивах
составляет около 5,6 месяцев (0,46 года).
Вывод
Таким образом, в ходе исследования предложено
использование в высокоответственном шпилечном соединении крышки с втулкой цилиндра дизеля,
подвергающемуся в ходе работы комплексу сложных эксплуатационных факторов (вибрационное воздействие, циклические знакопеременные
нагрузки, тепловые деформации и так далее), самозатягивающихся (упругих) гаек, позволяющих практически полностью исключить их возможное самоотвинчивание.
Внедрение предлагаемых
мероприятий не меняет алгоритма и значений энергосиловых параметров сборки данного узла в сравнении с технологией, в которой применяются глухие гайки, что благоприятно сказывается на дополнительных, в том числе капитальных, затратах при реализации проекта.
Направлением дальнейших
исследований следует считать возможность адаптации предлагаемого комплекса мероприятий к другим резьбовым узлам, испытывающим на с е б е негативное влияние
технологических факторов, влекущих их самоотвинчивание.
Список литературы:
1. Лысенко, В.Г. Детали приборов. - Минск: БНТУ, 2015. -218 с.
2. ОСТ 107.460091.01424 Соединения резьбовые. Способы и виды предохранения от самоотвинчивания. Технические требования.
3. Иосилевич, Г.Б. Затяжка и стопорение резьбовых соединений: Справочник / Г.Б. Иосилевич,
Г.Б. Строганов, Ю.В. Шарловский. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
4. Локомотивные энергетические установки: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / А.И. Володин и др. - М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с.
5. Двигатели внутреннего сгорания. Тепловозные дизели. Газотурбинные установки / А.Э. Симсон и др. - М.: Транспорт, 1980. - 384 с.
6. Гологорский, Е.Г. Разборка и сборка резьбовых соединений в ремонтном производстве / Е.Г. Гологорский, Д.А. Максимов // Mechanization of construction. 2014. -№ 2 (836). - С. 3-7.
7. Водолазская, Н.В. Состояние и некоторые направления развития технологии сборки резьбовых соединений / Н.В. Водолазская // Journal of advanced research in technical science. 2016. - № 3. - С. 20-23.
8. Потемкин, А.Н. К вопросу обеспечения точности и уменьшения разброса усилий затяжки групповых резьбовых соединений в условиях механизированной сборки /
A.Н. Потемкин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2013. - № 6 (10). - С. 161-166.
9. Brevet d'invention France 2186077 (73.18778), F16B5/02.
10. Соловьев, В.Л. Повышение точности контроля усилия затяжки при сборке групповых резьбовых соединений / В.Л. Соловьев // Транспорт. Транспортные и технологические машины. 2013. - Вып. 3 (31). - С. 67-70.
11. Патент РФ 2199035, F16B37/12, B21F35/00, B21F3/04, B21H3/08, B21D11/06.
12. Испытания самозатягивающихся гаек узлов крепления рельсовых стыков /
B.Г. Артюх и др. // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. - Т. 24, № 1. -
C. 154-165.
13. Анализ работоспособности самозатягивающихся гаек узлов крепления рельсовых стыков /
B.Г. Артюх и др. // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. - Т. 23, № 2. -
C. 223-231.
14. ГОСТ 4608-81 Резьба метрическая. Посадки с натягом.
15. Дорофеев, В.М. Тепловозные дизели семейства Д49. Конструкция, техническое обслуживание, ремонт / В.М. Дорофеев. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016. -380 с.
16. ГОСТ 22355-77 Шайбы класса точности С к высокопрочным болтам. Конструкция и размеры.
17. Руководство по техническому обслуживанию и текущему ремонту тепловозов 2ТЭ116: ТЭ116 ИО. - М.: Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД», 2004. - 406 с.
Аннотации:
В статье детально рассмотрена и доказана целесообразность применения в шпилечном соединении крышки с втулкой цилиндра дизеля тепловоза, подвергающегося в процессе эксплуатации самоотвинчиванию,
самозатягивающихся гаек. Преимуществом предложенного в работе решения является отсутствие необходимости изменения конструкции и размеров сопрягаемых тем или иным способом с гайками деталей.
Ключевые слова: тепловоз, втулка цилиндра, крышка, шпилечное соединение, самозатягивающаяся гайка, вероятность безотказной работы.
The article considers in detail and proved the feasibility of using a cover joint with a cylinder liner in a diesel locomotive, which is self-tightening nuts, which are self-unscrewing during operation. The advantage of the solution proposed in the work is the absence of the need to change the design and dimensions of the parts mated in one way or another with nuts.
Keywords: diesel locomotive, cylinder sleeve, cylinder cover, hairpin connection, self-locking nut, probability of trouble-free operation.
