ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГАЙКОВЕРТ

Полезная модель относится к механизированным устройствам для сборки и разборки резьбовых соединений больших размеров, порядка M120 и более.
Известен гайковерт, принцип действия которого основан на гидравлической передаче рабочего усилия заданной величины на вытяжку болта или шпильки. Далее гайка без трения завертывается свободно до упора специальным ключом.
(см. Патент РФ 2177401, кл. В25В 021/00, 2000 г.)
Данный гайковерт предназначен для затяжки резьбы большого диаметра, например, для затяжки шпилек M170 с использованием гидравлических домкратов с усилием 400 т, смонтированных на планшайбе и оборудованных крановым хозяйством.
Недостатком этого гайковерта является отсутствие безопасности в его работе, т.к. гидравлика находится под высоким давлением.
Известен термомеханический гайковерт, содержащий гаечную головку, силовой элемент и электронагреватель.
(см. Шишкин С.В., Махутов Н.А. Расчет и проектирование силовых конструкций на сплавах с эффектом памяти формы. - М.: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2007. - 412 с.)
Силовой элемент представляет из себя трубу из сплава ТН1, в котором инициирована возвратная память формы. Для сплава ТН1 наибольшая величина относительного перемещения в свободном состоянии (объем возвратной памяти формы) составляет 1÷1,2%. При нагреве электронагревателем силовой элемент в результате термомеханического возврата удлиняется и вытягивает болт, при этом гайка с помощью гаечной головки свободно завертывается.
Преимуществом термомеханического гайковерта является его безопасность и надежность.
Недостатком этого гайковерта является сложность его конструкции и большие габариты, следствием чего является неравномерность затяжки болтов.
Неравномерность затяжки болтов вызывает снижение герметичности и других эксплуатационных характеристик уплотняемых стыков ответственных конструкций (главный разъем атомного реактора, крепление генератора ГЭС, энергетическое и металлургическое оборудование и др.). Неравномерность затяжки возникает из-за неодновременного затягивания болтов вследствие изгиба фланцев и зависит от жесткости стягиваемых деталей пакета. В свою очередь величина усилия затяжки заметно меняется при незначительных деформациях болта и промежуточных деталей пакета, так, как происходит при упругом нагружении узла.
Неравномерность затяжки существенно уменьшается при последовательной обтяжке болтов или шпилек малыми шагами. Однако в этом случае возрастает трудоемкость сборки, а также исчерпывается часть ресурса болтов, что ведет к снижению надежности соединений.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции гайковерта без снижения надежности соединений.
Указанный технический результат достигается тем, что гайковерт, содержащий гаечную головку, силовой элемент и электронагреватель дополнительно содержит опору, хвостовик и индикатор, причем силовой элемент, выполнен в виде трубы из материала с памятью формы, установлен без зазора между хвостовиком и опорой, а на его наружной поверхности коаксиально ему расположен электронагреватель, гаечная головка размещена внутри опоры с возможностью свободного вращения, а индикатор вставлен в хвостовик.
При этом желательно, чтобы длина силового элемента была в три-четыре раза меньше длины затягиваемого болта.
На фиг.1 представлена конструкция гайковерта.
На фиг.2. тарировочная номограмма гайковерта.
Термомеханический гайковерт (фиг.1) включает гаечную головку 1, опору 2, хвостовик 3, привод в виде силового элемента 4 с электронагревателем 5. В резьбовое отверстие хвостовика 3 вкручивается втулка 7, в отверстие которой по посадке устанавливают индикатор 8 с измерительным стержнем 6. Гаечная головка 1 имеет шесть сквозных резьбовых отверстий, перпендикулярных ее оси вращения и изготовленных через равный угловой шаг 60 град. Гаечная головка 1 свободно устанавливается на гайку Е за счет внутреннего шестигранного отверстия, профиль которого точно повторяет ответное продольное сечение гайки Е. Силовой элемент 4 представляет из себя трубу из сплава ТН1, в котором инициирована возвратная память формы в осевом направлении при заданной деформации сжатием. Для того, чтобы затянуть стык, состоящий из нижнего А и верхнего С фланцев с прокладкой В, с помощью болта D гайкой Е, на нее свободно надевается гаечная головка и устанавливается опора. Первоначально гайка Е на болте D завернута до упора в верхний фланец С. Затем на болт D навертывается резьбовой хвостовик гайковерта при предварительной установке без зазоров силового элемента, который центрируется по кольцевым проточкам на верхней плоскости опоры и нижней поверхности хвостовика.
Термомеханический гайковерт работает следующим образом.
δ
При нагреве электронагревателем 5 силовой элемент 4 в результате термомеханического возврата удлиняется и, опираясь одним концом на опору 2, через заплечики хвостовика 3 вытягивает болт D. При этом паразитные деформации пакета А-В-С измеряются индикатором 8, установленным по посадке в резьбовой втулке 7 хвостовика 3, с помощью измерительного стержня 6. Гайка Е с помощью гаечной головки 1 и стержня с резьбовым хвостовиком (на фиг.1 не показан) свободно завертывается на заданный угол φ° через боковую прорезь в опоре 2. После затяжки болта D с тарированным усилием кольцевой нагреватель 5 снимается и происходит естественное охлаждение на воздухе силового элемента 4. В результате он сокращается в осевом направлении, после чего с помощью стержня можно легко открутить резьбовой хвостовик 3, снять опору 2 и гаечную головку 1. Так как гайка Е завертывается на угол φ° не до упора, то между ее торцом и поверхностью фланца имеется зазор. При снятии усилия обжатия от силового элемента этот зазор выбирается и болт нагружается требуемым усилием Р. Т.к. величина упругого пружинения деталей пакета меньше обратного осевого перемещения силового элемента, то его легко снять после охлаждения, при этом хвостовик откручивается без усилия.
Термомеханический гайковерт обеспечивает затяжку болтов и шпилек в определенном интервале диаметров и шагов резьбы и укладывается в чемодан с набором резьбовых головок, а также гаечных головок с разным внутренним шестигранным отверстием под гайку.
v
Рабочее усилие термомеханического силового привода падает по мере перемещения вплоть до нуля. Для сплава ТН1 наибольшая величина относительного перемещения в свободном состоянии (объем возвратной памяти формы) составляет ε=1÷1,2%. Для построения зависимости развиваемого усилия от перемещения Р(δ) осуществляется тарировка силового элемента, которую проводят на прессе, оснащенном показателем усилия. Осевое перемещение задают за счет зазора между силовым элементом и опорой пресса, величина которого определяется толщиной мерной прокладки. В результате нагрева при реализации памяти силовой элемент выбирает начальный зазор, а затем развивает реактивное усилие термомеханического возврата. Его измерение должно осуществляться при значительной жесткости силовой системы пресса, в противном случае рабочая характеристика будет заниженной, а усилие затяжки болта - завышенным. Меняя толщину мерных прокладок при нескольких испытаниях получают всю зависимость Р(δ).
При затяжке болта потери полезного усилия, развиваемого силовым элементом 4, происходят в результате паразитных деформаций стягиваемых деталей, выборки люфтов из-за отклонений их поверхностей от плоскости, а также растяжения хвостовика 3 и податливости в резьбе "хвостовик-болт" (см. фиг.1). Эти смещения контролируются по индикатору 8 с помощью измерительного стержня 6. Хвостовик индикатора 8 по посадке устанавливается в отверстие втулки 7.
δ
Рассмотрим задачу установки требуемого усилия затяжки Р по углу поворота рукоятки φ°, вкручиваемой в резьбовое отверстие гаечной головки 1 через прорезь в опоре 2. Угол поворота φ° отсчитывается по лимбу с точностью до 0,5° на наружной цилиндрической поверхности опоры 2.
Из условия совместности деформаций можем записать
, (1)
S
где ε - деформация недовосстановления;
f
ε - термически обратимая деформация силового элемента 4;
V
ε - объем памяти формы;
р, l - шаг резьбы болта D и длина силового элемента 4;
u
δ - суммарная величина паразитных смещений сопрягаемых деталей узла, измеряемая индикатором 8.
Если для экспериментально полученной рабочей характеристики начало координат поместить в точку Р=0 и направить ось абсцисс в обратную сторону, то, откладывая на ней величину деформации δ/l, нетрудно пересчитать зависимость
, (2)
где A, m - экспериментальные коэффициенты.
б
Отсюда, при Р=Р, получаем
. (3)
б
Тарировочная номограмма для определения угла φ° при заданном усилии затяжки Р для определенного типоразмера силового элемента термомеханического гайковерта приведена на фиг.2.
T
В целях эксплуатационной безопасности в ответственных конструкциях величина напряжения от затяжки не должна превышать половину предела текучести материала болта σ≤σ/2. Осевая деформация термического восстановления силового элемента 4 под нагрузкой обычно составляет не более 0,3%. Поэтому длина силового элемента 4 должна быть меньше длины болта D в 3-4 раза.
cp
Для более равномерного нагрева с одной стороны и обеспечения устойчивости в осевом направлении с другой - толщину стенки h силового элемента 4 берут в пределах 8-16 мм. Отсюда, диаметр срединной поверхности (D) силового элемента 4 приближенно равен
, (4)
R
R
где σ - напряжение возврата, которое принимают равным σ~200 МПа.
Предлагаемые термомеханические гайковерты могут быть установлены на каждой гайке или через одну автономно. При этом затяжка всех болтов стыка производится одновременно при включении устройств в единую электрическую цепь, что обеспечивает равномерность затяжки всех болтов стыка.
Использование предложенного термомеханического гайковерта по сравнению с известным, обеспечивает надежность и долговечность устройства в эксплуатации, транспортабельность, малый вес, габариты, высокую ремонтопригодность, автономность в работе, снижение численности обслуживающего персонала.