CC BY
89
Зеленский А. В., Терехина О. В.
Самарский государственный аэрокосмический университет
УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ СОЕДИНЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
Подавляющая часть устройств, предназначенных для соединения резьбосодержащих элементов, построена на измерении максимального значения крутящего момента. В современных машинах во многих случаях резьбовые соединения являются ответственными элементами, прочность и долговечность которых во многом определяют надежность работы конструкции в целом. Исходя из характера внешних усилий, прилагаемых в процессе затяжки, рассмотрим наиболее часто применяемых в промышленности способы сборки резьбовых соединений. Они основаны на использовании внешнего момента, ударновращательных импульсов, приложении осевых усилий и т.д. В качестве примеров оценки эффективности способов сборки, будем использовать заданную точность затяжки, исходя из технологических требований и быстродействия, определяемого в конечном итоге производительность.
Такие предельные гайковерты и «перебеги» динамометрических ключей создают импульсные пики крутящего момента в процессе затягивания, которые влияют на окончательную прочность винтового соединения.
Анализ экспериментальных данных, полученных с устройств, в основе которых положен ударновращательный импульс для передачи усилий на собираемое изделие. Показывает, что в связи с существенным влияниемтрения, зависимость момента от усилия затяжки M = F (Q) не является устойчивой и обеспечивает точность получения усилии затяжки не более чем± 20%. Ошибка, вызываемая погрешностью измерения, и погрешность сборочного инструмента дополнительно уменьшают точность затяжки при контроле крутящего момента
Соответственно, большой разброс имеет и величинаDQ , то есть приращение усилия затяжки фактически отображают импульсы, возникающие на сборочном инструменте, что свидетельствует о менее стабильном качестве усилия, возникающего в резьбовом соединении к изменению момента DM , под действием ударно-вращательных импульсов.
Второй способ основывается на зависимости затягивания резьбовых деталей от их длины. Из-за большого разброса значений предельного крутящего момента на практике пользоваться этим способом сборки сложно, что приводит к погрешности равной ± 30% [1]. При проведении лабораторных испытаний подтвердилось, что в процессе сборки момента М на валу резьбозавертывающего устройства возрастает от этапа наживления до окончания затяжки резьбового соединения.
При постоянном значении МзаТдлина участка П1 изменяется от минимальной величины до максимальной величины, а в соответствии с этим изменяется и осевая сила затяжки резьбовых соединений.
На рис. 1,б представлена характерная зависимость М от L для соединений, осуществляемых с помощью резьбообразующих винтов (кривая 1) и соединений, осуществляемых шурупами по дереву или другим мягким материалам (кривая 2) . Кривая 1 характеризует процесс резьбообразования в нижней (листовой) детали, уменьшения и затем возрастания момента при затяжке соединений. Первый участок кривой 2 (до точки «В») характеризует процесс ввертывания шурупа; второй участок (за точкой «В») соответствует процессу затяжки соединения до заданного момента. В точке «В» наблюдается излом кривой или пересечение кривых 2 и 21 .
Здесь на I и П участках затяжки нарастание момента незначительное, так как резьбосодержащий элемент преодолевает сопротивление свободного «наживления» только за счет трения на резьбовых поверхностях, а резкое возрастание момента наступает только на участке П1 процесса соединения.
Зависимость М от L видоизменяются для различных конструкций резьбовых соединений и в каждом отдельном случае устанавливаются экспериментально. Резьбозавертывающие устройства имеют различное конструктивное оформление. Их можно использовать как самостоятельно действующие автоматические установки или встраивать в виде дополнительных механизмов в более сложные технологические комплексы. Момент устанавливается по заданной силе затяжки для крепежных деталей малого диаметра и предварительно с учетом последующей оконечной затяжки.
Относительную неравномерность момента затяжки характеризуют величиной:
g=
М max - М min
М„„
где: М max - наибольший момент; М min - наименьший момент; МСр - средний момент, развиваемый резьбозавертывающими устройствами.
Для безмуфтовых устройств с самоторможением двигателя в конце затяжки g = 0,15...0,20 ; для устройств с фрикционной муфтой g = 0,15...0, 22 ; дляс кулачковой муфтой g = 0, 26...0, 32 ; для устройств с
ударно-импульсным преобразователем момента g = 0, 30...0, 36 .
В качестве средств механизациии автоматизации сборки резьбовых соединений применяют ручные машины, механизированные установки полуавтоматы и автоматы.
Соответствующие средства сборки выбирают в зависимости от качества собираемых изделий, их массы и размера, программы выпуска и других факторов. Широкое применение в промышленности имеют ручные резьбозавертывающие машины: гайковерты, винтоверты, шпильковерты, шуруповерты и др. Большое
распространение имеют ручные машины с пневматическими ротационными двигателями, электрическими высокоточными двигателями, с однофазными коллекторными двигателями. По принципу передачи вращающего момента ручные резьбозавертывающие машины можно разделить на три типа. К первому типу относятся машины, имеющие электрический или пневматический двигатель, редуктор и ограничивающую фрикционную или кулачковую муфту. На шпинделе закрепляются соответствующий патрон для завертывания гаек, винтов или шпилек. При достижении заданного момента затяжки диски фрикционной муфты проскальзывают, а торцевые зубья полумуфт кулачковой выходят из зацепления. В пневматических или электрических машинах ударно-импульсного действия сжатый воздух через пусковое устройство поступает в роторный пневматический двигатель, от вала которого вращение передается на ударноимпульсный преобразователь момента. Вырабатываемые им ударные импульсы передаются на торцевой ключ, осуществляющий затяжку винта гайки или шпильки. Машины данного типа могут работать без редуктора. В пневматических резьбозавертывающих машинах без ограничивающих муфт по мере достижения заданного момента затяжки, двигатель, соединенный через редуктор с торцевым ключом, затормаживает и останавливается.
1
Связь крутящего момента с заданным усилием затяжки установлена в работе [2] и описывается уравнением:
М = Q ■ tg(b + p) ^2 '(1)
где: М - крутящий момент на собираемомизделии;Q - усилие затяжки;р- угол подъема резьбы;p -
угол трения ; dcp - средний диаметр резьбы.
Между собираемыми изделиями находятся, как правило, шайба, прокладка, пластичный герметик и т.д., поэтому сделав ряд допущений, можно записать (1) в виде:
dcp
М = Q ■ tg^ . (2)
Усилие затяжки, как правило, регламентируется в довольно жестоких условиях и не меняется в процессе массовой сборки. На различных материалах собираемых изделий оно будет разное и не характеризует правильность соединений по моменту на затяжке. Угол резьбы один и тот же, и для всех метрических резьб равен 60° . Даже для резьбы с углом 550 (дюймовые резьбы) разброс угла резьбы в
I- 0
этих случаях равен 5 , что существенно мало, и угол трения соответственно меняется в незначительных пределах.
Формула (1) представляет зависимость момента на ключе от силы затяжки. В него в явном виде не входит коэффициент трения. Кроме того, отпадает необходимость вычисления опорной поверхности торцов гайки (головка винта) и шайбы; из всех геометрических размеров необходимо знать лишь шаг резьбы.
-ср = j, 2
тогда М = tgj при f (X)
М_ Q .
Здесь необходимо отметить, что в пределах одного собираемого изделия тип резьбы и угол наклона резьбы всегда один и тот же [3].
Средний диаметр резьбы выразим через угол j,
= j.
d
cp
2
С учетом вышеизложенного получим:
Q =
1
1 -x'
где усилие затяжки характеризуется силой, с которой происходит соединение резьбовых поверхностей .
Отметим, что при соединении резьбовых поверхностей в момент контакта резьбы большую роль играет трение. Определим влияние коэффициента трения на точность собираемого изделия. Если на поверхности резьбы имеется проскальзывание и сила трения F подчиняется закону Кулона, то
F = fLc
где : f = tgp - коэффициент трения в резьбе;p - угол трения в резьбе.
Подставляя, получим зависимость связи между моментом скольжения в резьбе и осевой силой:
M тр = KpN 0 ;
K
В
где:
p =~2 tg(P±b) ,(3) где : Kp
- коэффициент пропорциональности.
формуле (3) знак (+) соответствует затяжке резьбового соединения, а
Nn
осевая сила , действующая на
резьбовое соединение; dc
средний
(-) - развинчиванию,
диаметр резьбы; dH -
наружный диаметр резьбы.
После того какусилие затяжки превысило некоторую величину, соответствующую обжатия стыка, зависимости момента и усилия затяжки от угла в упругой зоне имеют линейный характер. В градиентном способе затяжки резьбовых соединений окончание процесса происходит когда соотношение
dM
dQ
= Const .
Экспериментальные исследования затяжки по градиентному способу показали, что в данном случае такой способ затяжки вызывает погрешность ±4,3%.Одним из наиболее точных способов определения усилия затяжки резьбосодержащих элементов является способ, при котором контролируют удлинение болта. При известном удлинении усилие определяют по формуле:
где: S0 - удлинение собираемого изделия до затяжки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гельфанд М.Л., Ципенок Д.И. Сборка резьбовых соединений.-М.: Машиностроение, 1987.-109с.
2. Биргер И.А.,ИоселевичГ.Б. Резьбовые соединения. - М.: Машиностроение, 1973.-156 с.
3. Будняк З.А., Гусев А. А. Обеспечение качества соединения и надежности работы автоматических сборочных машин// Механизация и автоматизация производства.-1983.-№11.с.10-13.
2
