Методика и результаты экспериментальных исследований жесткости резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами

УДК 621.81

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖЕСТКОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ СБОРКЕ С АНАЭРОБНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

И. И. Воячек, Д. В. Кочетков

METHODS AND RESULTS OF EXPERIMENTAL RESEARCH HARDNESS CARVING CONJUNCTIONS AT THE ASSEMBLY WITH ANAEROBIC MATERIALS

1.1. Voyachek, D. V. Kochetkov

Аннотация. Актуальность и цели. В последнее время весьма эффективной является технология сборки резьбовых соединений с применением анаэробных материалов, которые полимеризуются в зоне контакта деталей при отсутствии кислорода воздуха. В ряде исследований доказано, что анаэробные материалы обеспечивают герметичность, коррозионную стойкость и стопорение резьбовых соединений, что подтверждается проспектами фирм, производящих анаэробные материалы. Интерес представляют исследования влияния анаэробных материалов на жесткость резьбовых соединений, связанную с циклической прочностью и долговечностью соединений. Материалы и методы. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований жесткости резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами разных марок фирм Permabond и ФГУП «НИИ Полимеров» с различной сдвиговой прочностью. Результаты. Проведенные экспериментальные исследования показали, что при сборке с анаэробными материалами жесткость резьбовых соединений существенно повышается за счет уменьшения деформаций, связанных с выбором зазоров в резьбовом соединении. Достигаемый эффект зависит от физико-механических характеристик анаэробных материалов. При динамическом (циклическом) нагружении повышение жесткости и силы трения в резьбовом соединении приводит к резкому уменьшению вероятности относительного микроскольжения контактирующих поверхностей и появления фреттинг-коррозии. Выводы. Применение анаэробных материалов при сборке позволяет существенно увеличить жесткость и долговечность резьбовых соединений, при этом также повышается их статическая прочность.

Ключевые слова: резьбовое соединение, жесткость, анаэробный материал, болт, гайка.

Abstract. Background. Recently, highly efficient assembly technique is the use of threaded connections anaerobic materials which polymerize in the contact parts in the absence of oxygen. Several studies have shown that anaerobic materials ensure tightness, corrosion resistance and locking threaded connections, as evidenced by avenues of firms producing anaerobic materials. Interest to study the effect of anaerobic materials on the stiffness of the threaded connections associated with the strength and durability of the cyclic compounds. Materials and methods. This paper presents the results of experimental investigations of rigidity in the assembly of threaded joints with anaerobic materials of different brands and companies Permabond Federal State Unitary Enterprise «Research Institute of Polymers» with different shear strength. Results. Experimental tests have shown that when assembled with anaerobic thread compounds material stiffness increases significantly due

to the reduction of deformations associated with the selection of a threaded joint gaps. Achieves the effect depends on the physical and mechanical characteristics of anaerobic materials. With dynamic (cyclic) loading increase stiffness and friction forces in the threaded connection leads to a sharp decrease in the probability of relative microslip contacting surfaces and the emergence of fretting corrosion. Conclusions. Applying anaerobic materials in the assembly can significantly increase the rigidity and durability of threaded connections, while also increasing their static strength.

Key words: threaded connection, stiffness, anaerobic material, bolt, nut.

Жесткость резьбовых соединений (РС) является одной из важнейших эксплуатационных характеристик, которая влияет на перемещения фиксируемых деталей, прочность и долговечность соединений, особенно при действии динамических нагрузок.

В последнее время весьма эффективной является технология сборки РС с применением анаэробных материалов (АМ), которые полимеризуются в зоне контакта деталей при отсутствии кислорода воздуха [1-4]. В ряде исследований доказано, что АМ обеспечивают герметичность, коррозионную стойкость и стопорение РС, что подтверждается проспектами фирм, производящих АМ.

В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований жесткости резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами.

Исследование жесткости проводилось на образцах РС, соответствующих захватам испытательной машины. Испытания проводились на универсальной машине Inspekt 500-H германской фирмы Hegewald&Peschke Meb-und-Pruftechik GmbH (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид универсальной испытательной машины Inspekt 500-H

Данная машина применяется для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб при нормальных и повышенных температурах.

Экспериментальные исследования жесткости проводились на резьбовых соединениях М8 - 6H/6g, номинальные значения геометрических характеристик резьбового соединения по ГОСТ 16093-2004 (наружный диаметр d = D = 8 мм; внутренний диаметр d1 = D1 = 6,647 мм; средний диаметр d2 = D2 = 7,188 мм; шаг резьбы P = 1,25 мм; угол профиля резьбы а = 60 град; высота гайки HГ = 6,5 мм; шероховатость сопрягаемых поверхностей Ra = 1,6 мкм), физико-механические свойства материалов резьбовых деталей - сталь 20 (модуль упругости Е = 2,14 -105 МПа; коэффициент Пуассона ц = 0,3; предел прочности аВ = 600 МПа; предел текучести аТ = 480 МПа).

Для проведения экспериментальных исследований было отобрано 20 образцов резьбовых деталей (болтов и гаек). В табл. 1 представлены результаты измерения действительных значений параметров резьбы М8 - 6g. Диапазон варьирования высоты (глубины) охватывающих резьбовых деталей (гаек) составлял ±0,2 мм.

Таблица 1

Измерение действительных значений параметров резьбы М8 - 6g

Болт d, мм йх, мм Й?2, мм Аа/ /2 АРп АР г тах

М8 7,78... 7,92 6,57. 6,63 7,06. 7,15 20'...2° 0,015. 0,035 0,010. 0,015

Примечание. d,мм - погрешность половины угла профиля резьбы; АРп - накопленная погрешность шага на п = 6 шагах; Ар тах - максимальная погрешность шага.

Анализ полученных значений параметров резьбы (см. табл. 1) показывает, что линейная погрешность на высоте профиля резьбы за счет отклонения половины угла профиля резьбы составляет I= 0,005...0,035 мм.

/2

При экспериментальных исследованиях ставилась задача по определению и сравнению жесткости РС, собираемых как с анаэробным материалом, так и без него.

Собиралось четыре группы РС по пять образцов в каждой группе. Ис-пытывались соединения без АМ и с АМ разных марок фирм РегтаЬоМ и ФГУП «НИИ Полимеров» с различной сдвиговой прочностью: А131 -

тАМ = 6 МПа, НМ165 - тАМ = 20 МПа, НМ162 - тАМ = 35 МПа и Анатерм-106АБ - т™ = 35 МПа. Кроме того, испытывалось пять сплошных образцов

(без резьбовых участков).

На рис. 2 показан общий вид образцов резьбовых соединений при исследовании жесткости.

Рис. 2. Общий вид образцов резьбовых соединений при исследовании жесткости

На рис. 3 изображен эскиз соединения резьбовых деталей (сборка) и эскиз сплошного образца, изготовленного также из материала «сталь 20».

а)

Ю

10 мз

я.

ю

ю

ю

и

и

и

б)

Рис. 3. Эскиз соединения резьбовых деталей при исследовании жесткости резьбовых соединений: а - эскиз экспериментального образца резьбового соединения; б - эскиз сплошного образца

При проведении экспериментальных исследований строились диаграммы растяжения образцов.

На рис. 4 представлены усредненные диаграммы растяжения образцов РС при сборке с АМ (различных марок) и без него, а также диаграмма растяжения сплошного образца. Точки максимума на диаграммах соответствуют началу разрушения образцов, причем у сплошного образца разрушение проходило в сечении 1-1 (рис. 3,6), а у образцов с резьбовыми участками разрушался стержень болта под первым рабочим витком резьбы.

Рис. 4. Диаграммы растяжения экспериментальных образцов резьбовых соединений М8 - 6И^ и сплошного образца: 1 - сплошной образец; 2 - при сборке РС без АМ; 3 - при сборке РС с АМ

На данных диаграммах также показаны условные характерные зоны, связанные с влиянием различных факторов на жесткость соединения:

1 - зона, в которой при увеличении нагрузки осуществляется выбор зазоров, связанных с кинематикой машины (в частности выбор зазоров в захватах машины);

2 - зона нормальной эксплуатации РС, в которой происходит в основном деформация, связанная с выбором зазоров в РС, возникающих за счет различных погрешностей геометрии резьбовых поверхностей (погрешности диаметров, шага, угла профиля, формы, расположения поверхностей, шероховатости и волнистости поверхностей). Перемещения, связанные с перечисленными погрешностями, у РС без АМ существенно (до 4-6 раз) больше, чем у РС при сборке с АМ;

3 - зона разрушения, в которой перемещения в основном связаны с пластической деформацией материала образцов и витков резьбы. В этой зоне перемещения в РС с АМ и без АМ отличаются не столь значительно (только за счет уменьшения деформации витков).

В табл. 2 представлены данные по средней жесткости РС при сборке с АМ и без них, а также жесткость сплошного образца при деформации в зоне 2 (рис. 4). Жесткость определялась по формуле:

АР

7 =15 ,

где АР и А5 - изменение нагрузки и перемещений в зоне 2.

Таблица 2

Жесткость резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами и без них и сплошного образца в зоне 2

Образцы Сплошной образец При сборке РС без АМ При сборке РС с АМ

Жесткость, кН/ / мм (2 - зона) 125 ± 12 39 ± 5 51 ± 7 64 ± 10 76 ± 8

Анализ графиков (см. рис. 4) и результаты табл. 2 показывают, что жесткость РС при сборке с АМ в зоне 2 увеличивается. Например, при применении АМ А131 (тАМ = 6 МПа) - 7 увеличивается в среднем на 31 % по

сравнению с РС, собранным без АМ; НМ165 (тАМ = 20 МПа) - 7 увеличивается на 64 %; НМ162 и Анатерм-106АБ (тАМ = 35 МПа) - 7 увеличивается на 95 %. Жесткость сплошного образца в зоне 2 больше жесткости РС при сборке с АМ (тАМ = 35 МПа) в среднем на 39 % [3].

Данные экспериментального исследования также подтверждают увеличение статической прочности РС, оцениваемой предельной нагрузкой при разрыве образцов соединений (до 40 %).

Из этого следуют выводы:

1) при сборке с АМ жесткость РС существенно повышается за счет уменьшения деформаций, связанных с выбором зазоров в РС, возникающих из-за погрешности диаметров, шага, угла профиля, формы, расположения поверхностей, а также шероховатости и волнистости поверхностей; достигаемый эффект зависит от физико-механических характеристик АМ;

2) при динамическом (циклическом) нагружении повышение жесткости и силы трения в РС приводит к резкому уменьшению вероятности относительного микроскольжения контактирующих поверхностей и появления фреттинг-коррозии;

3) при сборке с АМ также повышается статическая прочность РС, что связано с уменьшением концентрации напряжений и выравниванием нагрузки по виткам резьбы;

4) технология сборки РС с АМ проста, не требует значительных дополнительных затрат и может быть легко автоматизирована.

Список литературы

1. Воячек, И. И. Повышение функциональных характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. - № 6. - С. 37-40.

2. Воячек, И. И. Влияние анаэробных материалов на распределение нагрузки в резьбовом соединении / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - № 6. - С. 34-40.

3. Кочетков, Д. В. Технологическое обеспечение прочности и жесткости резьбовых соединений при сборке с применением анаэробных материалов : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08; 01.02.06 / Кочетков Д. В. - Пенза, 2010. - 210 с.

4. Патент на изобретение RUS 2413099. Способ получения резьбового соединения / Воячек И. И., Артемов И. И., Кочетков Д. В., Воячек Л. Г., Тразанов А. В. -07.12.2009.

Воячек Игорь Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет E-mail: voyachek@list.ru

Кочетков Денис Викторович

кандидат технических наук, доцент, кафедра теоретической и прикладной механики и графики,

Пензенский государственный университет E-mail: denis.kochetkov80@yandex.ru

Voyachek Igor Ivanovich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of mechanical

engineering,

Penza State University

Kochetkov Denis Vktorovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University

УДК 621.81 Воячек, И. И.

Методика и результаты экспериментальных исследований жесткости резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами / И. И. Воячек, Д. В. Кочетков // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2015. - № 1 (13). - С. 119-125.