Научная статья на тему 'Работоспособность резьбовых и штифтовых соединений в условиях интенсивного вибрационного нагружения'

Работоспособность резьбовых и штифтовых соединений в условиях интенсивного вибрационного нагружения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY-NC
194
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
резьбовые и штифтовые соединения / вибрационная прочность / момент затяжки / работоспособность / threaded and studded joints / vibration strength / tightening torque / operability

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Зенков Солон Геннадьевич

Объект и цель научной работы. Объектом исследования являются резьбовые и штифтовые соединения. Цель состоит в разработке и апробации методики экспериментальной проверки работоспособности соединений в условиях вибрационного нагружения. Материалы и методы. Исследования проведены при моделировании эксплуатационного воздействия на соединения, реализованного с помощью электродинамической вибрационной системы. Основные результаты. Разработана методика проведения испытаний по проверке работоспособности резьбовых и штифтовых соединений, включающая в себя вид моделей, порядок проведения испытаний и перечень контролируемых параметров. Реализация методики позволила провести проверку натурных узлов в условиях вибрационного нагружения. Заключение. Полученные результаты позволили подтвердить состоятельность разработанной методики экспериментальной проверки работоспособности резьбовых и штифтовых соединений в условиях вибрационного нагружения, а также возможность их использования в качестве соединений корпуса, подверженного интенсивной вибрации.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Зенков Солон Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

OPERABILITY OF THREADED AND STUDDED JOINTS UNDER INTENSE VIBRATION LOAD

Object and purpose of research. This paper discusses threaded and studded joints. Its purpose is to develop and try out the procedure for experimental operability verification of joints under vibration load. Materials and methods. Operational loads on the joints were simulated by means of electrodynamic vibrator. Main results. The study made it possible to develop operability check procedure for threaded and studded joints, including the view of models, testing sequence and list of target parameters. Implementation of this procedure enabled operability checks of full-scale joints under vibration load. Conclusion. The results of this study have confirmed the validity of suggested procedure for experimental operability check of threaded and studded joints under vibration load, as well as confirmed the possibility of their application in hull areas with intense vibration.

Текст научной работы на тему «Работоспособность резьбовых и штифтовых соединений в условиях интенсивного вибрационного нагружения»

Б01: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-173-179 УДК 621.88.001.4

С.Г. Зенков

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ И ШТИФТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ВИБРАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ

Объект И цель научной работы. Объектом исследования являются резьбовые и штифтовые соединения. Цель состоит в разработке и апробации методики экспериментальной проверки работоспособности соединений в условиях вибрационного нагружения.

Материалы И методы. Исследования проведены при моделировании эксплуатационного воздействия на соединения, реализованного с помощью электродинамической вибрационной системы.

Основные результаты. Разработана методика проведения испытаний по проверке работоспособности резьбовых и штифтовых соединений, включающая в себя вид моделей, порядок проведения испытаний и перечень контролируемых параметров. Реализация методики позволила провести проверку натурных узлов в условиях вибрационного нагружения.

Заключение. Полученные результаты позволили подтвердить состоятельность разработанной методики экспериментальной проверки работоспособности резьбовых и штифтовых соединений в условиях вибрационного нагружения, а также возможность их использования в качестве соединений корпуса, подверженного интенсивной вибрации.

Ключевые слова: резьбовые и штифтовые соединения, вибрационная прочность, момент затяжки, работоспособность.

Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-173-179 UDC 621.88.001.4

S. Zenkov

Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

OPERABILITY OF THREADED

AND STUDDED JOINTS UNDER INTENSE

VIBRATION LOAD

Object and purpose Of research. This paper discusses threaded and studded joints. Its purpose is to develop and try out the procedure for experimental operability verification of joints under vibration load.

Materials and methods. Operational loads on the joints were simulated by means of electrodynamic vibrator. Main results. The study made it possible to develop operability check procedure for threaded and studded joints, including the view of models, testing sequence and list of target parameters. Implementation of this procedure enabled operability checks of full-scale joints under vibration load.

Conclusion. The results of this study have confirmed the validity of suggested procedure for experimental operability check of threaded and studded joints under vibration load, as well as confirmed the possibility of their application in hull areas with intense vibration.

Keywords: threaded and studded joints, vibration strength, tightening torque, operability. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

Для цитирования: Зенков С.Г. Работоспособность резьбовых и штифтовых соединений в условиях интенсивного вибрационного нагружения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 173-179. For citations: Zenkov S. Operability of threaded and studded joints under intense vibration load. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 173-179 (in Russian).

Введение

Introduction

Резьбовые и штифтовые соединения - одни из самых распространенных способов стыковки деталей между собой. Зачастую данные соединения являются важными узлами, определяющими прочность (работоспособность) всей конструкции, и требуют большого объема сложных расчетов, учитывающих режимы работы, свойства материалов, условия нагружения и технологию их производства.

Проблемам прочности соединений уделено пристальное внимание в машиностроении. Данными вопросами занималось большое количество ученых, благодаря работе которых сформированы основные методы расчета деталей машин на прочность [1-4].

Основной причиной разрушения резьбовых и штифтовых соединений при эксплуатации является усталость, возникающая при действии переменной нагрузки. Для резьбовых соединений амплитуда переменной нагрузки, приводящей к разрушению, оказывается в десятки раз меньше, чем при статическом нагружении. В ходе расчетов прочности соединений, работающих при переменных нагрузках, всегда приходится сталкиваться с трудностями определения коэффициента асимметрии цикла, возникающего вследствие наличия момента затяжки, его влияния на усталостную прочность, коэффициента концентрации напряжений в резьбе, коэффициента передачи внешней нагрузки, а также назначения коэффициентов запаса. Расчетная оценка вибрационной прочности наиболее ответственных соединений всегда должна сопровождаться экспериментальной проверкой полученных результатов.

Помимо усталости важным вопросом работоспособности резьбовых соединений является уменьшение момента затяжки в условиях вибрации и, как следствие, их самоотвинчивание. Ответ на этот вопрос достаточно точно можно получить только из испытаний [5], воспроизведя условия эксплуатации конкретного соединения с учетом технологии его изготовления и процесса монтажа.

Штифтовые соединения применяются в основном для точной установки соединяемых деталей машин. Реже такое соединение используется для деталей корпуса. Соединение деталей и его дальнейшая неподвижность обеспечиваются за счет образования натяга сопрягаемых деталей (положительной разности диаметров вала и отверстия). При

этом на поверхности посадки возникают удельное давление и соответствующая ему сила трения, которая и позволяет воспринимать крутящие и осевые нагрузки. Нагрузочная способность соединения напрямую зависит от величины натяга, который имеет очень малую величину - порядка 10 5—10 6 м. Неизбежные погрешности при производстве вала и отверстия приводят к рассеиванию натяга, а следовательно, и к рассеиванию нагрузочной способности соединения. На практике используют поля допусков на производство деталей отверстия и вала, что позволяет установить лишь границы рассеивания натяга, а его точная величина всегда остается неизвестной и может изменяться от соединения к соединению даже при неизменной технологии производства. Это вызывает трудности при проведении расчетной оценки прочности данных соединений. Дополнительную неопределенность вносит наличие интенсивной вибрации, которая может привести к выработке натяга, уменьшению силы трения в узле и потере несущей способности соединения. На работоспособность дорогостоящей конструкции напрямую влияет вибрационная прочность штифтового соединения, поэтому при действии интенсивной и длительной вибрации ее оценку необходимо выполнять с проведением экспериментальной проверки данного узла.

Целью настоящей работы являлась разработка и апробация методики экспериментальной проверки работоспособности натурных резьбовых и штифтовых соединений в условиях вибрационного нагружения применительно к условиям, приближенным к эксплуатационным.

Модели и порядок проведения испытаний

Models and testing sequence

Объектом исследования в работе являются резьбовые соединения - шпильки М24 - и штифтовые соединения диаметром 30 мм. Соединения рассмотрены применительно к креплению корпусных конструкций, находящихся вблизи виброактивного оборудования. В процессе эксплуатации соединениями воспринимается 108 циклов нагружения. В качестве нагружения принят спектр воздействия, состоящий из сплошной части (широкополосной случайной составляющей вибрации) и ярко выраженных дискрет, обусловленных вращением деталей внутри оборудования и варьирующихся в зависимости от режима работы в диапазоне 200-500 Гц.

Результаты расчета вибрационной прочности резьбовых соединений на действие спектра нагру-жения с использованием подхода [4] показали, что коэффициент запаса по переменным напряжениям с учетом асимметрии цикла равен 2,5, - а это является верхней границей рекомендованных в [3] значений коэффициента запаса.

Расчет вибрационной прочности штифтовых соединений, выполненный по стандартной методике [1], показал, что для обеспечения неподвижности соединения при действии расчетных усилий необходимо обеспечить натяг сопрягаемых деталей порядка 12 мкм. Имеющаяся в настоящее время в промышленности технология производства и монтажа данных соединений может гарантированно обеспечить разброс натяга сопрягаемых деталей от 3 до 40 мкм. Однако, как это было отмечено ранее, для каждого конкретного соединения величина реализованного натяга остается неизвестной.

Для проверки полученных результатов расчета вибрационной прочности разработаны модели, позволяющие провести полноценную проверку не на натурном участке конструкции, а на упрощенных эквивалентных моделях с воспроизведением эксплуатационных уровней вибрации.

Для нагружения соединений использовался вибрационный стенд. В качестве метода нагружения выбран инерционный метод. В отличие от силового метода нагружения (реализация которого достаточно подробно представлена в [6]), данный метод, осно-

Рис. 1. Общий вид модели резьбовых соединений: 1 - нагрузочная масса; 2 - диск, имитирующий корпус; 3 - крепление к столу вибростенда, имитация корпуса; 4 - крепление добавочной массы - болты М24, 4 шт.; 5 - испытуемые соединения М24, 3 шт.

Fig. 1. General view of threaded joint model: 1 - loading mass; 2 - disk simulating the hull; 3 - fastening to vibration test rig table, simulation of hull; 4 - fastening of added mass - M24 bolts, 4 pes.; 5 - tested joints M24, 3 pes.

ванный на наличии инерционнои массы, которая своей инерцией при колебаниях должна оказывать воздействие на объект испытаний, позволяет достаточно просто за счет колебаний стола вибростенда воспроизвести необходимые уровни усилий в испытуемых соединениях. Общий вид разработанных моделей представлен на рис. 1,2.

Рис. 2. Общий вид модели штифтовых соединений на действие отрывающей (слева) и срезывающей (справа) нагрузок: 1 - нагрузочная масса; 2 - диск (стакан), имитирующий корпус; 3 - крепление к столу вибростенда, имитация корпуса; 4 - крепление добавочной массы - болты М24, 4 шт.; 5 - испытуемые штифтовые соединения, 3 шт.

Fig. 2. General view of studded joints for tearing (left) and shearing (right) loads: 1 - loading mass; 2 - disk (barrel), simulating the hull; 3 - fastening to vibration test rig table, simulation of hull; 4 - fastening of added mass - M24 bolts, 4 pes.; 5 - tested joints 3 pes.

Характеристики этапов на гружен ия Parameters of loading steps

Этап Коэффициент увеличения нагрузки, (Pj/P i) Количество циклов

1 1 108

2 1,1 107

3 1,25 5,3 106

4 1,5 2,MO6

5 2 5,0-105

Каждая модель резьбового соединения М24 (рис. 1) включала в себя группу из трех одинаковых шпилек, которые соединяют деталь 3 (крепления к столу вибростенда) и диск 2, имитирующий корпус. К диску 2 при помощи четырех болтов М24 крепилась нагрузочная масса. Все элементы модели, кроме добавочной массы и ее креплений, полностью эквивалентны реальным аналогам по мар-

ке сплавов, толщинам и глубине ввинчивания. Испытания проведены для трех одинаковых моделей резьбовых соединений М24.

Модель штифтовых соединений на отрыв (рис. 2, слева) практически идентична модели резьбовых соединений с небольшим различием в массовых и геометрических характеристиках элементов.

Модель штифтовых соединений на срезывающую нагрузку (рис. 2, справа) состояла из нагрузочной массы (деталь 7), скрепленной со стаканом, имитирующим корпус (деталь 2), который, в свою очередь, с помощью группы из трех равноотстоящих по окружности испытуемых штифтов скреплен со вторым стаканом (деталь 3), имитирующим ответную часть скрепляемого корпуса. Между деталями 2 и 3 имеется небольшой зазор порядка 0,2-0,5 мм, что позволяло передавать на штифты срезывающую нагрузку, возникающую при колебаниях нагрузочной массы. Для каждого направления нагружения испытаны по две модели.

Рис. 3. Общий вид резьбовых и штифтовых соединений в процессе проведения испытаний: а) модель резьбовых соединений;

б) модель штифтовых соединений на действие отрывающей нагрузки;

в) модель штифтовых соединений на действие срезывающей нагрузки

Fig. 3. General view of threaded and studded joints during the tests: a) model of threaded joints; b) model of studded joints for tearing tests; c) model of studded joints for shearing tests

Производство и монтаж моделей выполнены с сохранением технологии производства реальных узлов и регламента по их сборке.

С целью оценки запасов прочности узлов испытания проведены в пять этапов, соответствующих по суммарному уровню воздействия пяти циклам эксплуатации. Цикл эксплуатации соединений равен 10 циклов нагружения. Для снижения общей длительности испытаний использовался ускоренный метод со ступенчатым подъемом на каждом этапе воспроизводимой вибрации [7] по сравнению с расчетным уровнем. Каждое увеличение нагрузки компенсировалось сокращением числа циклов. В качестве уровня нагружения на первом этапе принималось расчетное значение усилия, приходящееся на соединения при эксплуатации. Характеристики этапов представлены в таблице.

Ввиду того, что эксплуатацией подразумеваются различные режимы работы оборудования, при проведении испытаний воспроизводилось эквивалентное усилие с частотой 500 Гц, определенное по линейной теории суммирования повреждений (основные положения которой можно найти в [7, 8]), с учетом наиболее интенсивных составляющих, возникающих на различных режимах.

Производился контроль следующих параметров соединений:

1. Для резьбовых соединений при испытаниях производился контроль напряженного состояния каждой испытуемой шпильки с целью оценки падения величины первоначального момента затяжки соединения. Каждая шпилька тензометрировалась, а вывод проводов осуществлялся по предварительно изготовленному каналу внутри каждой шпильки. Статические напряжения измерялись после монтажа резьбовых соединений, выполненного с помощью динамометрического ключа, и в дальнейшем после каждых 1,4-107 циклов нагружения и после каждого последующего этапа.

2. После завершения всех этапов испытаний производились измерения моментов страгива-ния испытанных соединений с целью дополнительной оценки изменения первоначального момента затяжки соединений в процессе испытаний.

3. Ввиду отсутствия возможности прямого контроля за напряженным состоянием штифтовых соединений в процессе испытаний проверка работоспособности соединений осу-

ществлялась косвенным методом по контролю спектра собственных частот модели до и после каждого этапа испытаний. Если рассматривать модель как одномассовую систему на пружине, то потеря работоспособности одного из трех штифтовых соединений приведет к соответствующему уменьшению жесткости модели, что легко можно будет отследить по изменению спектра ее собственных частот. В качестве критерия потери работоспособности одного их штифтов принималось изменение жесткости модели на 33,3 %, соответствующее уменьшению собственной частоты колебаний модели на 12 % (для формы колебаний, соответствующей одномассо-вой системе).

Результаты испытаний

Test results

Общий вид моделей резьбовых и штифтовых соединений в процессе проведения испытаний представлен на рис. 3.

Максимальный уровень падения момента затяжки резьбовых соединений, определенный как относительное изменение статических напряжений в теле шпильки при испытаниях, не превысил 10-13 %. По результатам анализа падения момента затяжки в процессе испытаний (результаты для одной из групп испытанных соединений представлены на рис. 4) видно, что основное падение происходит в первые 1.4- К) циклов. В дальней-

Момент затяжки, % 100 ~

96

92

84

—•— Шпилька № 1 Шпилька № 2

\ --Û--

\ — >— Шпилька № 3

\ J

\ -4 . J i u.

1 j-i

r'* г--1

5#

Количество циклов нагружения <4? Ч? ^Р

Рис. 4. Результаты измерения падения предварительного момента затяжки резьбовых соединений

Fig. 4. Pre-torque decrease of threaded joints: measurement data

3000

Частота, Гц

Амплитуда виброускорения, м/с2 10

1

0 500 1000 1500 2000 2500

Рис. 5. Изменение спектра собственных частот модели штифтовых соединений до и после испытаний

Fig. 5. Changes in natural frequency spectrum of studded joint model before and after the tests

шем, даже при увеличении испытательной нагрузки на этапах 2-5, момент затяжки остается без изменений.

Измеренные после завершения всех этапов испытаний моменты страгивания соединений в среднем оказались выше первоначального момента затяжки соединения на 4-16 %, что также указывает на сохранение момента затяжки соединений в процессе проведения испытаний.

По окончании испытаний штифтовых соединений максимальное изменение частот собственных колебаний моделей составило не более 4 % (спектры для одной из моделей представлены на рис. 5), что говорит о незначительном изменении жесткости моделей и, соответственно, о сохранении работоспособности штифтовых соединений.

Полученные результаты позволили подтвердить состоятельность разработанной методики экспериментальной проверки работоспособности резьбовых и штифтовых соединений в условиях вибрационного нагружения, а также возможность использования данных соединений в качестве соединений корпуса, подверженного интенсивной вибрации.

Заключение

Conclusion

Разработана методика проведения испытаний по проверке работоспособности резьбовых и штифтовых соединений на упрощенных эквивалентных моделях в условиях действия интенсивных уровней вибрации. Методика включает в себя вид моделей, порядок проведения испытаний и перечень контролируемых параметров.

Реализация методики позволила провести проверку натурных узлов в условиях вибрационного нагружения.

Библиографический список

1. Биргер ИЛ., Шорр Б. Ф., Поатевт Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1993.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2. БиргерII.А., Посшевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990.

3. ИвановМ.Н. Детали машин. М.: Высшая школа, 2000.

4. Сервисен С.В., КогаевВ.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975.

5. Marshal G.S. Experimental analysis of thread movement in bolted connection due to vibration. Final report. USA, Alabama, 1995.

6. Jianhua L., Huajiang O., Zhiqiang F. , Zhenbing C., Xue-tongL., MinhaoZ. Study on self-loosening of bolted joints excited by dynamic axial load //Tribology international. 2017. № 115. P. 432^151.

7. Болотин B.B. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М,: Машиностроение, 1984.

8. ТрощенкоВ.Т., СосновскгшЛА. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1987.

References

1. I. Birger, В. Shotr, G. losilevich. Strength calculations of machine parts. Moscow: Mashinostroyeniye, 1993 (in Russian).

2. I. Birger, G. losilevich. Threaded and flanged joints. Moscow: Mashinostroyeniye, 1990 {in Russian).

3. M. Ivanov. Machine parts. Moscow: Vyshaya shkola, 2000 (hi Russian).

4. S. Serensen, V. Kogaev, R. Shneiderovich. Bearing capacity and strength calculations of machine parts. Moscow: Mashinostroyeniye, 1975 (in Russian).

5. G.S. Marshal. Experimental analysis of thread movement in bolted connection due to vibration. Final report. USA, Alabama, 1995.

6. L. Jianhua, O. Huajiang, P. Zhiqiang, C. Zhenbing, L. Xuetong, Z. Minhao. Study on self-loosening of bolted joints excited by dynamic axial load // Tribology international. 2017. № 115. P. 432-451.

7. V. Bolotin. Lifetime prediction of machines and structures. Moscow: Mashinostroyeniye, 1984 {in Russian).

8. V. Troshenko, L. Sosnovsky. Fatigue resistance of metals and alloys. Kiev: Naukova dumka, 1987 (in Russian).

Сведения об авторе

Зенков Солон Геннадьевич, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр».

Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7(812)415-47-31. E-mail: s_zenkov@ksrc.ru.

About the author

Solon G. Zenkov, Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7(812)415-47-31. E-mail: s_zenkov@ksrc.ru.

Поступила / Received: 02.06.19 Принята в печать / Accepted: 19.07.19 ©Зенков С.Г.,2019

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.