CC BY
12
УДК 004.021; 621.882.21
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-208-214
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ВЫБОРА ВИДА И КОЛИЧЕСТВА ВИНТОВ САМОНАРЕЗАЮЩИХ НА ОСНОВЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗОК В СКРЕПЛЯЕМОМ СОЕДИНЕНИИ
Э.П. Дрягун, М.А. Полякова
Винты самонарезающие являются одним из распространенных видов крепежа. В статье приведены факторы, определяющие корректный выбор вида винта самонарезающего для скрепления различных материалов. Важным аспектом является определение нагрузки, действующей на винт самонарезающий в конструкции. Разработана компьютерная программа, позволяющая в автоматическом режиме производить выбор вида и количества винтов самонарезающих, в основе которой использованы формулы расчета несущих способностей скрепляемых конструкций.
Ключевые слова: винт самонарезающий, скрепляемое соединение, нагрузка, выбор крепежа, компьютерная программа.
Как известно, резьбовые крепежные изделия используются для обеспечения разъемных соединений. Выпускаемая номенклатура крепежных изделий достаточно велика. При этом в последнее время наблюдается постоянный рост создания новых видов крепежа, что связано с необходимостью расширения его потребительских функций, появлением новых материалов, созданием новых конструкций и агрегатов, состоящих из неразъемных соединений различных элементов. Это требует поиска новых конструкторских и технологических решений, связанных с производством конкурентоспособных крепежных изделий [1-4].
Высокий спрос на различные виды крепежных изделий объясняется несколькими факторами, к которым можно отнести увеличивающиеся масштабы гражданского и промышленного строительства, использование различных видов строительных материалов, надежность резьбовых скреплений, возможность снижения трудоемкости монтажных работ и т.д. [5, 6]. Одним из распространенных видов резьбовых крепежных изделий является винт самонарезающий, который самостоятельно формирующим резьбу в материале вкручивания. Для этого наконечник имеет либо форму конуса, либо изготавливается в виде сверла (рис. 1).
Рис. 1. Элементы конструкции винтов самонарезающих: 1 - головка; 2 - резьба; 3 - наконечник
В настоящее время широкое распространение винтов самонарезающих объясняется возможность вести монтажные работы на высоком профессиональном уровне. Он используются для возведения конструкций из гипсокартона, металла, различных видов пластиков и других плотных материалов. Винты самонарезающие также находят широкое применение в автомобилестроении и мебельной промышленности.
Для удовлетворения требований потребителей метизной промышленностью выпускаются винты самосверлящие, самонарезающие и самонакатывающие различных типоразмеров (табл. 1).
Тем не менее, несмотря на наращивание производственных мощностей предприятий Российской Федерации, на рынке крепежа преобладают изделия производителей из Китая и Юго-Восточной Азии (рис. 2).
Щ Для ШПСОКЗрТОНЭ
* По дереву
* Кровельный Оконный
■ Конфирмат С пресс-шайбой
Рис. 2. Структура российского рынка винтов самонарезающих по назначению
При этом одной из практических задач является корректный выбор вида крепежных изделий и необходимого их количества для получения требуемой конструкции [7]. Как известно, такой выбор осуществляется с учетом многих факторов: вида скрепляемых материалов, конструктивных особенностей требуемого соединения, а также внешних нагрузок, которым подвержена конструкция в целом. Качество и надежность получаемого скрепления в полной мере зависит от того, на сколько крепеж обеспечивает целостность соединяемых элементов, не разрушаясь. С этой точки зрения как для профессиональных работников, так и для мастеров, использующих винты самонарезающие, необходима достоверная информация о видах данного вида крепежа, его конструктивных особенностях, условиях монтажа, действующих нормативных документах и регламентируемых в них требованиях [8-12]. На рис. 3 представлены факторы, которые следует учитывать при выборе вида винта самонарезающего для монтажа конструкций различного назначения.
Таблица 1
Сортамент самонарезающих винтов различных производителей_
Речицкий
Вид изделий Производство Китай метизныи завод (Беларусь) НЛМК-Метиз ММК-МЕТИЗ
Винты самонарезающие для гипсокартонных листов 3,5-4,2х 16-150 мм 3,5-4,8х16-95 мм 3,5-4,8х16-152 мм 3,5-4,8х16-76 мм
Винты самонарезающие / самосверлящие с пресс-шайбой 4,2х13-76 мм 3,9-4,2х13-76 мм 4,2х9,5-51 мм -
Винты самонарезающие с цилиндрической головкой 3,5-3,9-9,5-11 мм 3,5-3,9-9,5-11 мм - -
Винты самонарезающие с шестигранной головкой (в т.ч. кровельные) 2,9-6,3х9,5-200 мм - - -
Винты самонарезающие / самосверляющие для оконных профилей 3,9-4,1х13-35 мм - - -
Винты самонарезающие для гипсоволокнистых листов 3,9х19-45 мм - - -
Объем продаж, т в 2015 году н/д 7 080 5 336 1 296
в том числе на рынке РФ 138 887 4 130 5 334 1 260
Производственная мощность, т/год н/д 7 080 9 000 1 470
Загрузка мощностей, % н/д 100% 59% 88%
Следующим немаловажным аспектом является определение необходимого количества крепежа с учетом действующих нагрузок. Расчет требуемого количества винтов самонарезающих проводится в соответствии с действующими строительными нормами 20.13330.2011 и СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». При этом, под действием внешней нагрузки N может происходить разрушение резьбового соединения (рис. 4):
1- вырыв крепежа вдоль оси стержня конструкции;
2 - разрушения кровельных саморезов в месте его примыкания;
3 - среза винта поперек оси крепежа соединяемыми элементами;
4 - разрыв винта приложенной нагрузкой вдоль оси крепежа.
Шаг резьбы
Особенность изделия
Крупный
Низкая твердость
Изделие
I-
Г
Средняя твердость
Частый
Однозаходный
Двухзаходная
Высокая твердость
Особенность сверления
По назначению
Сверление >0.8<1 Без сверления <0.8<1
По дереву
Шуруп по дереву Самонарезающий ВИНТ по дереву
Без сверления
Универсальный
Самонарезающий винт универсальный
Остроконечныйй с пре дв арител ьным сверлением Сверлоконечный
По металлу
Самонарезающий винт (притуплённый) Самонарезающий винт сверлоконечный
Рис. 3. Факторы, определяющие выбор вида винта самонарезающего
г
12 3 4
Рис. 4. Возможные варианты разрушения крепежного соединения под действием внешней
нагрузки
Следовательно, при расчете необходимого количества крепежа для обеспечения целостности конструкции необходимо учитывать направление действия внешней нагрузки. Как видно из рис. 4, внешняя нагрузка может действовать как перпендикулярно оси винта самонарезающего, так и вдоль нее. Этот также является немаловажным условием для расчета требуемого количества крепежа.
Расчетную несущую способность винта самонарезающего на один шов в тех соединениях, в которых нагрузка действует перпендикулярно оси винта самонарезающего, можно оценить по схеме, представленной на рис. 5. При такой схеме усилия винту передаются независимо от угла, под которым он закручен. Данные для расчета следует определять по формулам, приведенным в табл. 2. Расчеты необходимо выполнять с учетом требований и указаний СНиП 2-25-80 [58].
ш ш 1
ЬУ/У.
рт
'///У,
Ж
а с а
III т
11
с а
Симметичное
Несимметричное
Рис. 5. Соединения с применением винтов самонарезающих
Расчетная несущая способность винта самонарезающего по слоям материала с симметричным и несимметричным соединениями определяется по формуле
= п • (1)
380
где п - число расчетных слоев в соединении; ру т1п - расчетное минимальное значение несущей способности на один шов скрепления.
Значение расчетного минимального значения несущей способности зависит от толщины скрепляемых элементов, а также от внешнего диаметра нарезной части винта самонарезающего (см. табл. 2).
Таблица 2
Расчетная несущая способность соединения с использованием винта самонарезающего _для случая, когда внешняя нагрузка действует перпендикулярно оси крепежа_
Схема соединения Напряженное состояние Расчетная несущая способность на один шов, кН
Симметричные соединения Смятие в средних элементах 0,5 * с * В
Смятие в крайних элементах 0,8 * а * В
Несимметричные соединения Смятие во всех элементах равной толщины, а также в более толстых средних элементах односрезных соединений 0,35 * с * В
Смятие в более толстых средних элементах двухсрезных соединений 0,25 * с * В
Смятие в более тонких крайних элементах 0,8 * а * В
Смятие в более тонких элементах односрезных соединений и в крайних элементах Кн * а * В
Здесь с - толщина средних элементов, мм; а - толщина крайних элементов, мм; В - внешний диаметр нарезной части винта самонарезающего, мм; Кн - коэффициент для определения расчётной несущей способности в тонких элементах.
Значения коэффициента Кн согласно СНиП 2-25-80 зависят от толщины соединяемых элементов (табл. 3).
Таблица 3
Значение^ коэффициента Кн по СНиП 2-25-80 __
Толщина крайних или средних соединяемых элементов 0.35 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Кн 0.8 0.58 0.48 0.43 0.39 0.37 0.35
При расчете количества крепежа в такого рода соединениях необходимо также принимать во внимание максимальное усилие среза, которое может он выдержать. При этом возможны следующие допущения:
- в поперечном сечении соединения, в котором винт самонарезающий испытывает деформацию среза, возникает только поперечная сила;
- касательные напряжения равномерно распределены по поперечному сечению винта самонарезающего;
- при скреплении несколькими аналогичными по конструкции саморезами считается, что они нагружены одинаково.
Диаметр винта самонарезающего, устойчивого к деформации среза, рассчитывается по
формуле
В =
4*5 (2)
ж* I * ^ * а ср
ср
где В - диаметр винта самонарезающего, мм; 5 - нагрузка на срез, Н; / - число плоскостей среза; г - количество винтов самонарезающих, шт; ОсР - допустимое напряжение на срез, МПа.
В других случаях винт самонарезающий может испытывать внешнюю нагрузку, которая действует вдоль его оси. В таком случае для определения несущей способности скрепления необходимо учитывать эффективную длину резьбовой части винта самонарезающего (рис. 6).
Несущая способность по резьбовой части винта самонарезающего определяется по
формуле
КВ * В * 1Г
р -, (3)
V
т
где Кв - коэффициент сопротивления выдергиванию, Н/мм ; О - внешний диаметр по резьбовой части винта самонарезающего, мм; !е/ - расчетная длина резьбовой части, мм; Ут - коэффициент надежности по нагрузке равный 1,2 согласно СНиП 2.01.07-85*.
Рис. 6. Схема для определения расчетной длины резьбовой части винта самонарезающего
Кроме того, обеспечение прочности скрепления зависит от того, на сколько прочно винт самонарезающий удерживается в соединяемых материалах. Для определения нагрузки по условию протаскивания головки винта самонарезающего применяется формула
р = Кпр • О2к
ут
(4)
где Ок - максимальный диаметр винта самонарезающего, мм; КПР - коэффициент, значения которого принимаются по СНиП 2-25-80.
Таким образом, определение количества винтов самонарезающих для получения надежного скрепления является достаточно трудоемкой задачей. Учитывая большое разнообразие существующих видов данного вида крепежа, для упрощения расчетов была разработана компьютерная программа, которая позволяет подобрать тип и количество винтов самонарезающих с учетом вида соединяемых материалов.
На первом этапе работы программы выбирается тип и подтип скрепляемого материала. Далее следует выбрать один из распространенных видов винтов самонарезающих (рис. 7).
При этом важное значение имеют толщина и габаритные размеры скрепляемых элементов, что и определяет последовательность выполнения соответствующих шагов, предусмотренных в программе (рис. 8).
Для удобства проведения расчетов в программу заложены размеры наиболее распространённых листовых изделий, что облегчает ввод данных.
После выбора материала и типа изделия рассчитываются рекомендуемые длина и диаметр винта, а также определяется их рекомендуемое количество на основе расчета приложенной нагрузки. Результаты представляются как в числовом виде, так и в виде изображения, что позволяет, визуально увидеть требуемый тип винта (рис 9).
Программой предусмотрено проведение проверочного расчета работы винта самонарезающего на срез. Суть расчета заключается в определении диаметра стержня по формуле (2) в зависимости от материала винта, характеризуемым пределом текучести. Определение длины винта самонарезающего осуществляется путем сложения толщины скрепляемых материалов или глубиной захода винта в основу конструкции
Ь = Ис + Нд + Иш, (5)
где Ь - длина самонарезающего винта, мм; Нс - толщина скрепляемой детали, мм; Нд - глубина резьбы под самонарезающий винт или толщина второй детали, мм; Нш - толщина шайбы, мм.
.ЗЙ Расчет количества, классификация самонарезающих винтов 1"—"(г®
Шаг 1. Выберите материал [Пластик -|
Шаг 2. Выберите подтип материала ¡Оргстекло
Шаг 3. Выберите толщину материала, мм II Ы Шаг 4. Введите габариты материала: Длина, мм Ширина, мм 1 1
Ра считать
Выход
Рис. 8. Ввод данных для расчета количества винтов самонарезающих
Шаг 1. Выберите материал
¡Пластик А
Шаг 2. Выбе :рите подтип материала
¡Оргстекло d
Шаг 3. Выбе :рите толщину материала,
Шаг 4. Введите габариты материала: Длина, мм Ширина, мм
|2000 [5ÖÖ
Диаметр, мм 6.00 Рекомендуемое количество саморезов: 7
Рис. 9. Результат выбора количества винтов самонарезающих для скрепления листов пластика и стекла толщиной 5 мм
Проведение такого проверочного расчета обеспечивает выбор винтов самонарезающих, обеспечивающих надежность соединения, что снижает вероятность разрушения скрепляемой конструкции. Применение данной программы позволит обоснованно выбирать тип и количество данных видов крепежных элементов.
Список литературы
1. Ляховский Д.А. Куда двигается металлургия // Металлоснабжение и сбыт. 2014. № 5. С. 10-13.
2. Еремин Г.Н. Стандартизация и ее роль в повышении конкурентоспособности металлургической отрасли // Международная конференция «Стандартизация - ключевой инструмент повышения экономической эффективности предприятий металлургического комплекса России». М., 23-24 июня 2016.
3. Крепеж, клеи, инструмент и... // Круглый стол по теме «Стандартизация и качество крепёжных изделий: планы, ситуация, проблемы». М., 2016. № 2 (56). С. 23-24.
4. Крепеж, клеи, инструмент и... // VI конференция «Крепёж. Качество и ответственность». Санкт-Петербург, 2017. № 1 (59). С. 17-21.
5. Воробьев И.А., Овчинников С.В., Бунатян Г.В., Галиахметов Т.Ш., Кантинов Е.Ф., Благин Е.Г., Воробьев А.И. Крепежные изделия для современного машиностроения. Нижний Новгород: Издательство «МПК-сервис», 2016. 520 с.
6. Шахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И. и др. Производство метизов. М: Металлургия, 1977. 392 с.
7. Войтов А.Г. Техника. М.: Издательский дом «Дашков и К°», 2001. 234 с.
8. Полякова М.А., Дрягун Э.П., Соколов А.А., Харитонов В.А., Петров И.П. Методика определения степени гармонизации стандартов различных категорий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №1. С. 60-68.
383
9. Дрягун Э.П., Соколов А.А., Полякова М.А., Соколова Л.Р. Барьеры на пути обновления стандартов на самонарезающие винты // Крепеж, клеи, инструмент и... 2020. №1. С. 2630.
10. Дрягун Э.П., Полякова М.А., Белан О.А., Алсынбаев Н.Т. К вопросу о проблемах использования ссылочных стандартов // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 10. С. 1169-1180.
11. Полякова М.А., Дрягун Э.П., Сагритдинов Э.Р. Учет потребительских функций при нормировании свойств винтов самонарезающих / Роль технического регулирования и стандартизации в эпоху цифровой экономики // Сборник статей II Международной научно-практической конференции молодых ученых. Екатеринбург, 2020. Издательский дом «Ажур»: С. 12-21.
12. Полякова М.А., Дрягун Э.П., Соколов А.А., Харитонов В.А., Петров И.П. Методика определения степени гармонизации стандартов различных категорий // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2021. Т.19. №1. С. 6068.
Дрягун Эдуард Павлович, начальник центральной заводской лаборатории, dryagun.ep@mmk-metiz.ru, Россия, Магнитогорск, ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ»,
Полякова Марина Андреевна, д-р техн. наук, профессор, m.polyakova@magtu. ru, Россия, Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова
DEVELOPMENT OF SOFTWARE PRODUCT FOR CHOICE TYPE AND NUMBER OF SELF-TAPPING SCREWS BASED ON ACTIVE LOADS IN THE BONDED JOINT
E.P. Dryagun, M.A. Polyakova
Self-tapping screws are one of the most common types of fasteners. The article presents the factors that determine the correct choice of the type of self-tapping screw for fastening various materials. An important aspect is the determination of the load acting on the self-tapping screw in the construction. The computer program has been developed that allows automatic selection of the type and number of self-tapping screws, based on formulas for calculating the bearing capacity of fastened structures.
Key words: self-tapping screw, fastened connection, load, fastener selection, computer program.
Dryagun Eduard Pavlovich, head of central factory laboratory, dryagun.ep@mmk-metiz.ru, Russia, Magnitogorsk, OJSC Magnitogorsk hardware and sizing plant «MMK-METIZ»,
Polyakova Marina Andreevna, doctor of technical sciences, professor, m.polyakova@magtu. ru, Russia, Magnitogorsk, Nosov Magnitogorsk State Technical University
