СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ВИТКИ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ
PROCEDURE FOR DETERMINATION OF LOAD ON TURN OF THREADED CONNECTION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при исследовании резьбовых соединений в научно-исследовательских институтах, заводских лабораториях и конструкторских бюро, занимающихся расчетами и конструированием ответственных резьбовых соединений.
10
Задача о распределении нагрузки по виткам резьбового соединения связана с обеспечением прочности и надежности резьбовых соединений. Общее количество выпускаемых крепежных изделий огромно. Только в автомобильной промышленности при производстве легковых машин ежегодно применяется 6·10 шт. болтов. В конструкции современного самолета количество резьбовых соединений составляет до 250 тыс. штук. Известно, что причиной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС являются резьбовые шпильки крепления крышки гидроагрегата №2 (Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года, в филиале ОАО «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС им.П.С.Непорожнего», стр.78). Все это подтверждает актуальность изобретения.
В результате действия осевой нагрузки тело болта на участке длины свинчивания удлиняется, а тело гайки укорачивается. Согласно условию совместности деформаций (по теории сопротивления материалов) разность осевых деформаций тела болта и гайки переходит в разность относительных перемещений витков, что и является причиной неравномерности распределения нагрузки по виткам (Жуковский Н.Е. Распределение давлений на нарезках винта и гайки // Бюллетени политехнического общества при Император. Технич. Училище, №1, 1902 г.; Биргер И.А. Расчет резьбовых соединений. М. - Оборонгиз. - 1951. - С.39-41; Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М. - Машиностроение, 1973. С.74-75; Блайер И.Л. Расчетные схемы резьбовых соединений // Вестник машиностроения. - 2007. - №10. - С.3-8).
Распределение нагрузки по виткам резьбы определяется, как правило, теоретически (см. вышеперечисленные работы). Экспериментальные работы по определению нагрузки на витки практически отсутствуют. Это связано с труднодоступностью к виткам резьбы для непосредственных измерений относительных перемещений витков. Без определения изгиба и сдвига витка невозможно определить возникающие напряжения, а следовательно, и нагрузки на витки резьбы.
Известен способ определения распределения нагрузки в резьбовом соединении, который косвенно может оценить нагрузки на витки. По этому способу немецкий ученый Поланд (Poland E.G. Gewindelasfvertailung in der Schraubenverbindugen. // Konstruktion. - 1967. - V.19, №9. - S.345-350 (рис.4) определял нагрузку на витки, используя тензодатчики размером 0,9×1,0 мм и наклеивая их на грани гайки.
Расположение тензодатчика при наклейке контролировалось при помощи микроскопа. По деформации тела гайки Поланд судил о распределении нагрузки на витки в зависимости от прилагаемой осевой нагрузки. Поэтому точность его способа очень низкая.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению по технической сущности является способ, который реализован устройством для исследования распределения нагрузки в резьбе по авт. св. на изобретение СССР №648758, опубл. 25.02.79.
Согласно прототипу исследование распределения нагрузки в резьбовом соединении состоит из двух этапов. На первом этапе опытную гайку нагружают осевым статическим усилием с помощью шпильки сплошного сечения. Для этого опытную гайку разрезают по диаметральной плоскости и половинки склеивают на шпильке. При испытаниях относительные деформации на поверхности тела опытной гайки до и после нагружения определяют с помощью тензодатчиков. На втором этапе витки опытной гайки нагружают, начиная с первого, витками телескопического винта поочередно и сравнивают их с деформациями, полученными на первом этапе.
Недостатком описанного способа, выбранного за прототип, является использование для его реализации слишком сложного устройства для исследования распределения нагрузки по резьбе, содержащего более 40 деталей, необходимость разреза опытной гайки, изготовления сплошной шпильки и телескопического винта. Все это усложняет определение величины нагрузки на витки и делает способ трудоемким. Тензодатчики на наружной грани опытной гайки не позволяют с достаточной точностью определить величину нагрузки на виток, т.к. непосредственно не участвуют в измерении перемещений витков. Кроме того, при этом не учитываются радиальные деформации тела гайки, которые влияют на распределение нагрузки по виткам. Следовательно, точность определения нагрузки на витки низкая.
Задача изобретения - упрощение способа и снижение трудоемкости исследования распределения нагрузки по виткам с одновременным повышением точности измерения.
Технический результат изобретения - повышение точности измерения за счет непосредственных измерений относительных перемещений витков под действием осевой нагрузки и сравнения этих перемещений с тарировочными.
Задача решена следующим образом.
Общим с прототипом является то, что вначале опытную гайку нагружают осевым усилием и фиксируют относительные деформации витков, затем резьбовое соединение с опытной гайкой нагружают вновь с фиксацией относительных деформацией витков резьбы и показания датчиков сравнивают.
В отличие от прототипа в качестве датчиков, которые устанавливают в непосредственной близости от витков резьбы, использованы датчики перемещений, при этом на первом этапе осевой нагрузке подвергают гайку с одним витком и строят тарировочный график зависимости относительного перемещения витка резьбы опытной гайки от нагрузки. На втором этапе измеряют относительные перемещения любого из витков исследуемой гайки и по тарировочному графику, записанному на первом этапе, определяют соответствующую найденному перемещению величину нагрузки на виток.
В качестве датчика перемещений в частном случае может быть использован дифференциальный емкостный преобразователь, состоящий из разжимного трубчатого кронштейна и трех электродов, причем кронштейн с крайними электродами закрепляют в отверстии, выполненном в теле гайки в непосредственной близости от витка резьбы, а средний электрод устанавливают на витке болта. Опытная гайка может быть изготовлена путем среза всех витков, кроме одного, расположенного в середине гайки.
Из уровня техники не известны способы, для которых характерна та же совокупность признаков, что и у заявленного способа. Это подтверждает его новизну. Способ явным образом не следует из уровня техники и соответствует условию изобретательского уровня, поскольку не обнаружено способов, согласно которым при определении нагрузок на витки вначале подвергают нагружению в резьбовом соединении опытную гайку с одним витком и по относительным перемещениям витка в дальнейшем определяют нагрузку на витки исследуемой гайки.
На фиг.1 представлено устройство для реализации способа.
На фиг.2 показана установка дифференциального емкостного преобразователя для измерения относительных перемещений витков.
На фиг.3 - установка дифференциальных емкостных преобразователей на исследуемой гайке.
На фиг.4 - тарировочный график опытной гайки М36×3 с одним витком.
На фиг.5 - график зависимостей относительных перемещений витков исследуемой гайки М36×4 у опорного торца, в середине гайки и у свободного торца.
Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит опорную плиту 1, узел нагружения 2, опытную гайку 3, опытный болт 4, дифференциальный емкостный преобразователь 5 (см. фиг.1).
Способ выполняется следующим образом. Испытуемые гайку 3 и болт 4 устанавливают в узел для нагружения 2. (фиг.1). На гайку 3 устанавливают дифференциальный емкостный преобразователь 5 (см. фиг.2), таким образом, чтобы на гайке, в непосредственной близости от резьбы, был закреплен трубчатый кронштейн 7 с охранными электродами 8 и 9, а средний электрод 6 установлен на витке болта. Относительные перемещения витков резьбы изменяют расстояние между средним и крайними электродами, что фиксируется измерительным прибором. На первом этапе в гайке срезают все витки, кроме одного. Соединение нагружают осевой силой с одновременной записью перемещений витка. Строят тарировочный график в координатах "нагрузка - перемещение". На втором этапе устанавливают дифференциальный емкостный преобразователь и замеряют перемещения витков на исследуемой гайке (см. фиг.3). Теперь, зная относительные перемещения витков, находят по тарировочному графику соответствующую этим виткам нагрузку.
Проведенные испытания с образцами резьбы М36×3 убедительно показали надежность и достоверность предлагаемого способа. На фиг.4 приведен тарировочный график одного витка гайки в координатах «осевая нагрузка - перемещение витка». На фиг.5 - перемещения витков исследуемой гайки у опорного торца (справа), в середине и у свободного, наименее нагруженного торца (слева). По предлагаемому способу на первом этапе у одной из гаек срезают все витки, кроме одного в середине гайки. В гайке у витка устанавливают, например, дифференциальный емкостный преобразователь и записывают тарировочный график витка от осевой нагрузки. Затем в нагружающее устройство помещают исследуемую гайку, в которой устанавливают датчик (или датчики) перемещений, например, как показано на фиг.3. Нагружают исследуемую гайку осевой нагрузкой. Записывают перемещения витков при осевой нагрузке. Зная перемещения каждого из витков определяют соответствующие им нагрузки. Например, при нагружении гайки до 90 кН относительные перемещения составляют у свободного торца 1,6 мкм, в середине гайки 2,9 мкм, у опорного торца 7,2 мкм. Этим перемещениям будут соответствовать нагрузки 45 кН, 52 кН и 73 кН. Таким образом, экспериментальным путем решается задача о распределении нагрузки по виткам для конкретных резьбовых соединений с учетом диаметра, шага, геометрических размеров гайки, шероховатости поверхности и опорного момента.