CC BY
52
УДК 621.813
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЯ УСИЛИЯ ЗАТЯЖКИ ПРИ СБОРКЕ ГРУППОВЫХ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В. Л. Соловьев
Аннотация. В статье объясняется несовершенство контроля усилия затяжки по вращающему моменту. Приведены расчетные зависимости момента от усилия затяжки и результаты экспериментальных исследований. Предложен способ повышения точности и равномерности затяжки групповых резьбовых соединений при сборке ремонтируемых узлов машин.
Ключевые слова: резьбовое соединение, момент затяжки, усилие затяжки, коэффициент трения, диномометрический ключ.
Введение
Качество сборки групповых резьбовых соединений, главным образом, определяется точностью и, как следствие, равномерностью распределения усилий затяжки.
По результатам исследований машиннотракторного парка в хозяйствах Омской области 70 % отказов, связанных с резьбовыми соединениями, произошло по причине неточной затяжки. Неточная и неравномерная затяжка является причиной отказов при эксплуатации техники в виде повышенной вибрации деталей, самоотвинчивания гаек (болтов), интенсивного износа и деформации резьбы, разрушений резьбовых соединений, деформации стянутых деталей и течи рабочих жидкостей в области стыков. Поэтому усилие затяжки ответственных соединений должно контролироваться с определенной точностью, как на стадии производства, так и при ремонте и техническом обслуживании машин [1].
Основная часть
Существуют различные методы контроля усилия затяжки резьбовых соединений, но в эксплуатации машин в основном применяют метод контроля усилия по моменту. Этот метод прост в выполнении, но обладает низкой точностью контроля (обычно + 25-30 %) [2].
Усилие затяжки создает определенное контактное напряжение на стыке соединяемых деталей, которое должно обеспечить плотность и герметичность стыка при действии рабочей нагрузки на соединение. Величины требуемого усилия и необходимого момента затяжки, для какой-либо резьбовой группы, рассчитываются при конструировании узла. Величина усилия затяжки определяется исходя из величины рабочей (внешней) нагрузки, а величина момента затяжки рассчитывается по определенной математической зависимости (выражение 1).
Расчетная зависимость момента затяжки (завинчивания) от усилия затяжки:
О Р
ТдАд = ТдАЛ = 0.5 • К • ё2( fT.О. + /) + К , (1)
где П т - коэффициент трения на опорной поверхности гайки;
П р - приведенный коэффициент трения в резьбе;
Fo - усилие затяжки;
Р - шаг резьбы;
d2 - средний диаметр резьбы;
D1 - средний диаметр опорной поверхности гайки (головки болта).
Зависимость момента отвинчивания от усилия затяжки:
О Р
Тш = 0.5 • • й2(/т-~± + /р) - • —■ (2)
а 2 2л
По мере наработки состояние резьбовых пар изменяется (резьба ржавеет, деформируется, загрязняется, изнашивается и т.д.), при этом коэффициенты трения сопрягаемых поверхностей резьбовых соединений рассеиваются в широком диапазоне (0.05-0.5), что непосредственно влияет на зависимость момента от усилия и обуславливает неточность и неравномерность затяжки.
Коррозия и абразивные частицы, попадающие в резьбовое соединение, изменяют шероховатость трущихся поверхностей, увеличивают силы трения и, тем самым, снижают точность контроля.
В результате пластической деформации витков нарушается симметричность профиля резьбы болта и гайки, из-за чего может происходить заедание (сцепление) в резьбе. В таком случае часть прикладываемого момента будет «расходоваться» на преодоление сил сопротивления от заедания, а не на обеспечение усилия затяжки.
Также обеспечение расчетного усилия затяжки зависит от наличия и вида применяе-
мых смазок. ОСТ 37.001.050 - 73 «Затяжка резьбовых соединений. Нормы затяжки» регламентирует случай применения смазок при сборке, и поясняет, что расчетная величина момента затяжки должна быть уменьшена в зависимости от вида смазки. Величина данной коррекции определяется экспериментально и представляется весьма трудоемкой операцией в условиях эксплуатации [3].
Одной из причин неравномерной затяжки может стать наличие (отсутствие) смазки в отдельных резьбовых соединениях группы. Например, в креплении головки блока цилиндров двигателя ЗИЛ-130 средний ряд болтов расположен под крышкой клапанов, что не исключает попадание моторного масла в соединения данного ряда в процессе работы двигателя, при этом остальные болты группы, расположенные снаружи, подвергаются воз-
действию коррозии и загрязнения при эксплуатации.
Стоит отметить, что восстановление резьбового отверстия корпусной детали расточкой и нарезанием резьбы под больший диаметр, также окажет влияние на зависимость момента от усилия затяжки, т.к., помимо коэффициентов трения, изменятся и размерные величины резьбы и головки болта (выражение 1).
Для того чтобы выяснить насколько влияет состояние резьбовой пары на точность обеспечения усилия затяжки, автором было сконструировано устройство для нагружения резьбовых пар «шпилька-гайка» (рис.1.). Устройство включает в себя: сборный корпус, динамометрическую пружину с индикатором часового типа и экспериментальные образцы резьбовых пар различного диаметра.
Рис. 1. Устройство для нагружения резьбовых пар «шпилька-гайка» и динамометрический ключ
Принцип работы устройства следующий: устанавливается резьбовая пара, динамометрическим ключом прикладывается момент к гайке, который создает усилие затяжки, пружина получает деформацию растяжения, величина которой измеряется индикатором. Величина деформации пружины тарирована с величиной действующего на нее усилия. По тарировочной характеристике определяется значение этого усилия.
В ходе опытов производились замеры усилий затяжки при различных состояниях резьбовой пары: новая, новая смазанная,
ржавая, ржавая смазанная. Корродирование резьбовой пары производилось раствором азотной кислоты. В качестве смазочного материала применялось моторное масло и тормозная жидкость.
На графике (рис. 2.) представлены зависимости усилий затяжки от моментов для 5-ти состояний резьбовой пары «шпилька-гайка» М16*2. Из графика следует, что при одном и том же моменте, в зависимости от состояния резьбовой пары, усилия затяжки создаются разные. В таблице 1 представлены численные значения этих усилий.
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
19035\
** ✓
У ± *
1232- !■''
✓ * і
У 13000^*^’’^
600 п > / ^ 7878 _ ^ *
✓ Ч >■ ^
^3787. —-- ' ^
:15000 12895 X 1 -* -2
-*—4 ----5
17.74 35.49
Моментзатяжки. Нм
53.24
Рис. 2. График зависимостей усилий затяжки от моментов при различных состояниях резьбовой пары (1 - новая; 2 - новая смазана моторным маслом; 3 - после корродирования, сухая; 4 - после корродирования промыта в тормозной жидкости; 5 - после корродирования
смазана моторным маслом)
Таблица 1 - Значения усилий затяжки при различных состояниях резьбовой пары
Момент затяжки, Нм Усилие затяжки при различных состояниях резьбовой пары, Н
1 2 3 4 5
17.74 5000 6000 2545 3787 3939
35.49 10000 12324 4969 7878 8181
53.24 15000 19035 8593 12895 13101
В результате можно сказать, что момент, рассчитанный на стадии конструирования, не обеспечит расчетного усилия при затяжке резьбовых соединений узлов, имеющих определенную наработку. Поэтому момент, установленный заводом-изготовителем на какую-либо резьбовую группу, должен быть скорректирован для каждого резьбового соединения, составляющего групповое, с учетом его фактического состояния.
В связи с этим предлагается использовать при сборке групповых соединений способ контроля усилия затяжки по отношению моментов отвинчивания и завинчивания. Точность такого контроля составляет+10 % [4].
Решая совместно уравнения (1) и (2) получим:
F ■ Р
т __________ о 1
-*■ СП
(1 _ 1™.)
(3)
04А
По зависимости (3) можно вычислить значение необходимого момента на ключе для обеспечения требуемого усилия затяжки. Для этого нужно знать величину усилия затяжки, которое обеспечит плотность стыка, шаг резьбы, и динамометрическим ключом определить значения моментов завинчивания и отвинчивания для конкретной резьбовой пары.
Однако, для того чтобы верно рассчитать момент на ключе необходимо точно установить действительное отношение моментов Тотв/Тзав, т.к. для контроля с точностью +10 % необходимо учитывать даже сотые доли частного от деления моментов. Сложность в установлении действительного отношения Тотв/Тзав обусловлена тем что, значение момента отвинчивания может варьироваться в зависимости от скорости вращения ключа при затяжке, т.к. скорость влияет на величину приращения усилия затяжки. Чем больше скорость вращения ключа - тем больше прира-
щение усилия, при одном и том же значении момента, и наоборот. Кроме того при замере моментов завинчивания и отвинчивания имеют место разные коэффициенты трения (скольжения и покоя соответственно).
В ходе исследований был разработан технологический приём, позволяющий достаточно верно установить действительное значение отношения моментов.
Произвольно выбирается угол поворота гайки (болта), исключающий перехват ключа (наиболее удобный - 90 градусов). Гайка навинчивается до соприкосновения с опорной поверхностью и поворачивается на выбранный угол. При этом в резьбовом соединении создается некоторое усилие затяжки и распределение контактных давлений. Точным динамометрическим ключом производится замер моментов завинчивания и отвинчивания при трогании гайки с места из этого положения, значения которых и соотносятся.
Для выполнения данного приёма рекомендуется использовать динамометрические ключи, позволяющие определять значения моментов до сотых долей. Для этого можно использовать электронные моментные ключи, а также ключи, тарированные по величине деформации изгиба рукояти (рис. 1.).
Заключение
Данный приём позволяет достаточно верно установить значение отношения моментов для конкретной резьбовой пары. При необходимости повторного замера моментов, с целью уточнения, гайку необходимо «отпустить», затем в такой же последовательности действий повернуть строго на выбранный угол и повторить замер.
Для автоматизации математических вычислений при сборке многоболтовых соединений автором была написана программа для ЭВМ на языке программирования Delphi 7, позволяющая единовременно определять значения моментов на ключе для каждого резьбового соединения, составляющего групповое.
Таким образом, для того чтобы произвести точную и равномерную затяжку группового соединения сборщику необходимо определить моменты завинчивания и отвинчивания для каждого резьбового соединения, применяя вышеописанный приём, и ввести расчетные данные в программу, которая выдаст значения необходимых моментов на ключе для каждой резьбовой пары.
Важно знать, что для равномерной затяжки групповых соединений, затяжка каждого
соединения, составляющего групповое, должна производиться с одинаковой скоростью вращения ключа.
Применение способа контроля усилия затяжки по отношению моментов при сборке ремонтируемых узлов машин позволит повысить точность и равномерность затяжки групповых резьбовых соединений, следовательно, и их надежность, тем самым, уменьшить количество отказов, время простоя техники в ремонте и сократить расходы на ремонт.
Библиографический список
1. Корнилович, С. А. Пути обеспечение плотности стыка резьбовых соединений при производстве, техническом обслуживании и ремонте машин сельскохозяйственного назначения / С. А. Корнилович, В. Л Соловьев / / Омский научный вестник. - 2013. - №1 (117). - С. 68 - 71.
2. Утенков, В. Д. Влияние технологических факторов на точность и равномерность усилия затяжки ответственных резьбовых соединений в условиях автоматизированной сборки: дис. ... к-та техн. наук: 05.02.08 / В. Д. Утенков. - Москва, 1984. - 182 с.
3. ОСТ 37.001.050-73. Затяжка резьбовых
соединений. Нормы затяжки. [Электронный ресурс]. -Режим доступа:
http://exkavator. ru/other/files/gost/ost37.001.050-73.pdf (дата обращения: 26.03.2013)
4. Иосилевич, Г. Б. Затяжка и стопорение резьбовых соединений / Г. Б. Иосилевич, Г. Б. Строганов, Ю. В. Шарловский. - М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
IMPROVING THE ACCURACY OF TORQUE CONTROLLED PRELOADING WHILE
ASSEMBLING OF GROUP THREADED CONNECTIONS DURING MAINTENANCE OFDIFFERENT MACHINERY
V. L. Solovev
The article illustrates imperfection of torque controlled preloading. It illustrates mathematic relationship between torque and preload force and gives experimental results. The article offers the method of increase of torque controlled preloading accuracy during maintenance operations of machines.
Соловьев Владлен Леонидович - аспирант 3-го года обучения, кафедры «Технология машиностроения и технический сервис», факультета «Технический сервис в АПК» ОмГАУ. Направление научных исследований - технологии и средства технического обслуживания машин сельскохозяйственного назначения. E-mail: vladlen_solovev@bk.ru
