CC BY
241
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
13. Кочегура, Н. М. К вопросу о природе температурновременного воздействия на многокомпонентные расплавы на основе никеля / Н. М. Кочегура // Изв. АН СССР. Расплавы. — 1991. - № 2. - С. 39-44.
14. Петрушин, Н. В. Зависимость температур фазовых превращений и структуры жаропрочных никелевых сплавов от температуры нагрева расплавов / Н. В. Петрушин, Е. Р. Черкасова // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1993. - № 1. - С. 31-33.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), декан машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.
МИННЕХАНОВ Гизар Нигъматьянович, заместитель директора общества с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «ЛиКОМ».
ЛОПАЕВ Борис Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 03.12.2012 г.
© Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов, Г. Н. Миннеханов,
Б. Е. Лопаев
УДК 621813 С. А. КОРНИЛОВИЧ
В. Л. СОЛОВЬЁВ
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина
ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПЛОТНОСТИ СТЫКА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ МАШИН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В статье изложены основные неисправности, возникающие в процессе эксплуатации сельхозтехники по причине неточной и неравномерной затяжки резьбовых соединений при сборке узлов. Обосновано несовершенство контроля усилия затяжки резьбовых соединений по вращающему моменту, приведена теоретическая зависимость момента на ключе от усилия затяжки. Предложен способ повышения точности контроля усилия затяжки по вращающему моменту.
Ключевые слова: резьбовое соединение, момент затяжки, усилие затяжки, коэффициент трения, диномометрический ключ.
Недостаточная надежность существующей сельскохозяйственной техники приводит к снижению ее производительности, значительному недобору и потерям продукции, увеличению непроизводительного времени и средств на обеспечение её работоспособности [1].
В конструкциях машин резьбовые соединения составляют 15-25 % от общего количества соединений и более 60 % деталей имеют резьбу [2]. Чаще применяются малые размеры резьбы М6-М16, реже — большие размеры до М30. Ведущую роль в процессе сборки резьбовых соединений занимают операции по их затяжке.
Надёжность резьбового соединения определяется точностью реализации расчетного усилия затяжки, стабильностью усилия в период эксплуатации, равномерностью распределения усилий затяжки в групповом резьбовом соединении. Для надежного и герметичного соединения узла главным условием при сборке резьбовых соединений является обе-
спечение точности и равномерности распределения расчетного усилия предварительной затяжки. Предварительная затяжка (далее — усилие затяжки) создает определенное контактное напряжение на стыке соединяемых деталей, которое должно обеспечить необходимую плотность и герметичность стыка при действии внешней (рабочей) нагрузки на соединение, возникающей в процессе работы узла. Величина расчетного усилия затяжки определяется в процессе проектирования узла конструктором, а точность реализации данного усилия и равномерность распределения усилий затяжки обеспечивается в процессе сборки различными методами.
По результатам исследований МТП в хозяйствах Омской области, 70 % повреждений деталей резьбовых соединений происходит по причине неточной затяжки [2].
По данным испытаний сельхозтехники, выпускаемой отечественными производителями, неточная сборка составляет 10-20 % всех отказов. Средняя
наработка на отказ тракторов в 3 раза ниже нормативного показателя, т.к. в первые месяцы эксплуатации у большинства из них наблюдаются течь рабочих жидкостей, повреждения различных прокладок и т. д. [3].
Анализ состояния резьбовых соединений, выполненный авторами, показал, что в первый период эксплуатации машин сельскохозяйственного назначения преобладают производственные отказы. Такие выводы согласуются с результатами других исследователей [4]. Производственные отказы являются несовершенством технологии сборки резьбовых соединений как при изготовлении на машиностроительных заводах, так и при выполнении операций технического обслуживания в процессе эксплуатации машин и при их ремонте в условиях сельскохозяйственного производства.
При производстве машин причиной неточности сборки резьбовых соединений является большой интервал допускаемой (рекомендуемой) величины момента затяжки [5], что не исключает отклонение от расчетного усилия затяжки, обеспечивающего плотность стыка.
При техническом обслуживании машин, имеющих определенную наработку, точность сборки не обеспечивается по причине изменения состояния резьбовых поверхностей и коэффициентов трения в резьбовых соединениях в процессе эксплуатации. Отклонение от расчетного усилия затяжки в меньшую или большую сторону является причиной возникновения неравномерности распределения усилий затяжки в процессе сборки групповых резьбовых соединений.
В результате неточной и неравномерной затяжки, стабильность резьбовых соединений в процессе работы машины не обеспечивается. Неточная затяжка может стать причиной отказов при эксплуатации в виде повышенной вибрации, разгерметизации стыков узлов, интенсивного износа и разрушения резьбовых соединений, деформации стянутых деталей. Такая неточность сборки приводит к последующему трудоемкому и нередко дорогостоящему ремонту.
Поэтому усилие затяжки ответственных резьбовых соединений должно контролироваться [6] с определенной точностью как на стадии производства, так и при техническом обслуживании машин.
Контроль усилия затяжки, в большинстве случаев, осуществляют методом приложения вращающего момента. Преимущества этого метода в простоте его осуществления, а также большой номенклатуре инструмента (предельные и динамометрические ключи и т.д.).
Данный метод заключается в создании на гайке (болте) вращающего момента (момента затяжки Ткл), косвенно обеспечивающего необходимое усилие затяжки по определенной зависимости. Момент затяжки расходуется на преодоление сил трения на опорной поверхности гайки (головки болта) и в резьбе [7].
Т =Т +Т,
кл т р
(1)
где Тт — момент сил трения на опорной поверхности гайки (головки болта), [Нм]; Тр — момент сил трения в резьбе, [Нм].
Момент трения на опорной поверхности гайки:
Т =Г ,
т т 0 т1
(2)
F0 — усилие предварительной затяжки, [Н];
Rт — приведенный радиус трения (зависит от формы торца), [мм].
Приведенный радиус трения:
R =D,/2,
т , 1
(3)
где D1 — диаметр опорной поверхности гайки, [мм]. Момент трения в резьбе (рис. 1):
Тр = 0,5^2 = 0,5^^д(Р + р), (4)
где RA - окружное усилие, [Н];
d2 — средний диаметр резьбы, [мм]; в — угол подъема резьбы, град.; р — угол трения, град.
Угол подъема резьбы:
в = Р/(п d2),
где Р — шаг резьбы, [мм]. Угол трения:
Р = агйд(и
(5)
(6)
где f — приведенный коэффициент трения в резьбе.
Приведенный коэффициент трения зависит от вида резьбы (для метрической резьбы):
^ = ^^(а/2), (7)
где f — коэффициент трения фрикционной пары; а — угол профиля резьбы, град.
Преобразуя выражение (4) получим:
Т=0,М2Г0^р + Р/М2)). (8)
где ^ — коэффициент трения на опорной поверхности гайки;
Рис. 1. Схема сил в винтовой паре
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
69
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
Подставив выражения (2) и (8) в выражение (1) получим расчетную формулу зависимости момента на ключе (момента завинчивания) от усилия затяжки:
Ткл =Т3ав =0,5-Р0 -с12(Гт-^ + Гр) + Р0 — . (9)
□2 271
Момент отвинчивания меньше момента завинчивания на величину тангенса угла подъема резьбы:
Тотв =0,5-Ро-<12$т^ + Ь)-¥0 ~ . (10)
0-2
Из выражения (9) следует, что при неизменных коэффициентах трения усилие затяжки пропорционально моменту на ключе. Однако данная зависимость не учитывает ряд факторов, возникающих в процессе эксплуатации техники, которые влияют на точность затяжки.
В процессе эксплуатации машин и оборудования резьбовые соединения узлов подвержены механическому износу и воздействию на них коррозии. Поверхность резьбы загрязняется и ржавеет, изменяется шероховатость рабочих поверхностей резьбы, профиль резьбы деформируется и изнашивается. Под воздействием вибраций и переменных нагрузок в резьбовых соединениях возникают относительные микроперемещения рабочих поверхностей резьбы, что является причиной их износа в условиях фреттинг-коррозии [8]. В результате коэффициенты трения рассеиваются в широком диапазоне от 0,05 до 0,5. Это является главным недостатком контроля усилия затяжки по моменту.
Стоит отметить, что восстановление резьбовой поверхности соединения различными способами (постановкой резьбовой втулки, нарезанием резьбы в корпусе детали под больший диаметр, ввинчиванием спиральной вставки и т.д.) также окажет влияние на зависимость момента от усилия затяжки. В таких случаях для обеспечения расчетного усилия, моменты затяжки должны быть заново рассчитаны с учетом изменения соответствующих составляющих зависимости (9).
На основе вышеизложенного можно сказать, что затяжка резьбовых соединений узлов машин, имеющих определенную наработку, с рекомендуемым моментом не обеспечит расчетного (необходимого для надежного соединения) усилия, а также равномерности распределения усилий в групповых резьбовых соединениях.
Для реализации расчетного усилия затяжки необходимо определить новый момент Ткл, с учетом фактического состояния резьбы и коэффициентов трения, что является весьма трудоемким приемом. В таком случае зависимость между моментом на ключе и усилием затяжки можно установить по отношению моментов отвинчивания и завинчивания, без учета коэффициентов трения в явном виде.
Решая совместно уравнения (9) и (10), получим:
Ткл -
Ро-Р
ХЗАВ
(11)
лив частное от деления Т /Т , можно установить
^ отв зав ■'
необходимый (достаточный для надежного соединения) момент на ключе для конкретного резьбового соединения.
Если величина расчетного усилия на конкретную группу резьбовых соединений узла неизвестна, то для того, чтобы определить требуемый момент на ключе, величина усилия затяжки F0 может быть установлена исходя из условия [9] сохранения плотности стыка:
(12)
где X — коэффициент основной нагрузки (показывает долю внешней нагрузки, воспринимаемой резьбовым соединением в затянутом состоянии, и зависит от податливостей материала болта и стягиваемых деталей);
V — коэффициент запаса плотности стыка (зависит от вида внешней нагрузки).
В основном коэффициент основной нагрузки принимают:
— для соединений стальных и чугунных деталей без уплотнительного элемента %=0,2...0,3;
— для соединений стальных и чугунных деталей с уплотнительным элементом (асбест, паронит, резина и др.) х=0,4...0,5.
При постоянных нагрузках v=1,25...2, при переменных v=2,5...4.
Однако данный приём требует установления величины внешней нагрузки Fвн, действующей на резьбовую группу узла. При этом должно выполняться условие:
(13)
(^0/Аб<0,8^т,
где ( — допускаемое напряжение затяжки, [Н/мм2];
Аб — площадь поперечного сечения болта (шпильки), [мм2];
ат — предел текучести материала болта (шпильки), [Н/мм2].
Тогда выражение (11) примет вид:
у(1-Х)-Рвн-Р
Иі-^)
ХЗАВ
(14)
В случае, когда величину внешней нагрузки установить невозможно, расчетное усилие F0 можно принять, исходя из практики назначения усилий затяжки резьбовых соединений.
Напряжение затяжки болтов (шпилек) [9] из легированной стали составляет:
а1=(0,5..Д6^аг
(15)
Напряжение затяжки болтов (шпилек) из углеродистой стали составляет:
(16)
Момент на ключе в таком случае определяется:
Выражение (11) представляет зависимость момента на ключе от расчетного (заданного) усилия затяжки и шага резьбы с учетом фактического состояния резьбы и коэффициентов трения, которые характеризуются отношением Т /Т .
отв зав
Зная расчетное усилие затяжки, шаг резьбы, рекомендуемый момент затяжки Тзав, а также опреде-
хкл ■
0.25сІі -К-ат - Р (1-ЬЖ)
ХЗАВ
(17)
где d1 — внутренний диаметр резьбы болта (шпильки), [мм];
К — коэффициент, зависящий от вида стали болта: легированная сталь (0,5...0,6), углеродистая сталь (0,6...0,7).
Таблица 1
Значения отношений моментов различных резьбовых групп
Отношение Тотв/Т Всего
Значение 0,6-0,65 0,7-0,75 0,8-0,85 0,9-0,95
Кол-во случаев І4 47 ІЗ9 65 265
Процент 5 І7 53 25 І00
Внутренний диаметр метрической резьбы определяется по формуле:
d1 = d-1,0825•P, (18)
где d — наружный диаметр резьбы болта (шпильки), [мм].
Экспериментальные исследования, проведенные авторами в лабораториях кафедры технологии машиностроения и технического сервиса, факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ, показали, что состояние резьбовой поверхности (загрязненное, очищенное, сухое, смазанное), наличие микроповреждений резьбы существенно влияют на моменты завинчивания и отвинчивания. Опыты проводились на узлах и агрегатах сельхозтехники, имеющей наработку (двигатели, коробки передач, редукторы).
В ходе опытов определялись значения моментов Т и Т динамометрическим ключом при разных
зав отв
состояниях резьбовых поверхностей соединений. В затянутом групповом резьбовом соединении наносилась разметка положений головок болтов (гаек) относительно корпуса узла. Затем болты «срывались» без измерения моментов. Производя затяжку болтов до совпадения меток, определялись значения Тзав, а при отвинчивании Тотв. Однократное завинчивание и отвинчивание одного резьбового соединения считалось случаем. Всего было произведено 265 случаев на 14 группах резьбовых соединений различных узлов. Количество болтов (гаек) в группах составляло 4, 5, 10, 17, 18 штук. Затем определялись отношения Т /Т для каждого случая.
отв зав
В результате наблюдался разброс значений Т /Т
отв зав
в каждой группе.
Опыты показали, что значения Т /Т в какой-
отв зав
либо группе резьбовых соединений могут рассеиваться в пределах от 0,6 до 0,95. Преобладающее количество полученных значений находятся в интервале 0,8-0,85. В табл. 1 приведены значения Т /Т
отв зав
для всех случаев.
Затем резьбовые соединения промывались, смазывались и производились повторные измерения Тзав и Тотв с затяжкой до совпадения меток. После промывки и смазки резьбовых соединений моменты завинчивания и отвинчивания уменьшились на 5-25 % от изначальных значений.
Также, затягивая резьбовые соединений с одним и тем же моментом, наблюдалось, что после промывки (смазки) резьбовых соединений, метки болтов отклонились от меток корпуса в сторону поворота болта. В результате был сделан вывод, что при наличии коррозии, загрязнения, микроповреждений резьбы
сопротивление в резьбе и на опорной поверхности головки болта увеличивается, а угол поворота болта при затяжке уменьшается.
Эти явления подтверждают возможность образования неравномерности распределения усилий при затяжке групповых соединений узлов машин, имеющих наработку.
С помощью зависимостей (11,14,17) можно реализовать точность и равномерность распределения усилий затяжки при сборке групповых резьбовых соединений методом приложения вращающего момента в процессе ремонта и технического обслуживания машин, тем самым обеспечить стабильность соединений в процессе эксплуатации и повысить надежность как узла, так и машины в целом.
Библиографический список
1. Немцев, А. Е. Основы формирования системы технического сервиса в АПК Сибири / А. Е. Немцев, В. В. Коротких. — Новосибирск : Россельхозакадемия, 2009. — 153 с.
2. Корнилович, С. А. Повышение качества технологического процесса ремонта сельскохозяйственной техники на основе анализа его точности и стабильности : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.03 / С. А. Корнилович. — Санкт-Петербург, 2000. — 405 с.
3. Жукова, О. И. Повысить качество техники, поставляемой селу / О. И. Жукова // АПК: экономика и управление : Журнал. — 2009. — № 7. — С. 2. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.vniiesh.ru/publications/Stat/9541.html (дата обращения: 03.07.2012).
4. Надежность и ремонт машин / В. В. Курчаткин [и др.] ; под ред. В. В. Курчаткина. — М. : Колос, 2000. — 776 с.
5. 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: 14.10.2012).
6. Новиков, М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов / М. П. Новиков. — 5-е изд. — М. : Машиностроение, 1980. - 592 с.
7. Иосилевич, Г. Б. Прикладная механика / Г. Б. Иосилевич, Г. Б. Строганов, Г. С. Маслов. — М. : Высшая школа, 1989. — 351 с.
8. Измайлов, В. В. Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования / В. В. Измайлов. — Тверь : ТГТУ, 2011. — 144 с.
9. Куклин,Н. Г.Деталимашин / Н. Г. Куклин, Г. С. Куклина. — М. : Высшая школа, 1987. — 383 с.
КОРНИЛОВИЧ Станислав Антонович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения и технического сервиса, факультет технического сервиса в АПК.
СОЛОВЬЁВ Владлен Леонидович, аспирант кафедры технологии машиностроения и технического сервиса, факультет технического сервиса в АПК. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.10.2012 г.
© С. А. Корнилович, В. Л. Соловьёв
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
