Стержневой элемент сборного каркаса

Полезная модель относится к конструкциям стержневых элементов, которые соединяют с узловыми или иными элементами для образования разнообразных, в том числе пространственных, каркасов. Полезная модель может быть использована в самых различных областях техники, преимущественно, в строительстве при возведении каркасных зданий, навесов, крыш, выставочных павильонов.
Известны различные стержневые элементы для пространственных каркасов «КТ» [1]. Эти стержневые элементы различаются конструкцией соединительного механизма и способом его сопряжения с корпусной деталью, имеющей кольцевой или круговой профиль. Все они снабжены соединительными механизмами, которые содержат крепежную деталь в виде шпильки с шестигранным приводным участком и шестигранную приводную муфту.
К примеру, известен стержневой элемент «КТ-III» [1]. Этот стержневой элемент включает корпусную деталь кругового профиля, в которую на каждом ее конце с помощью приводной муфты ввинчена по левой резьбе крепежная шпилька. Данный стержневой элемент имеет следующие недостатки. Во-первых, он нетехнологичен, т.к. для изготовления корпусной детали такого стержневого элемента требуется тяжелое капиталоемкое оборудование. Во-вторых, резьбовые отверстия под шпильку уменьшают сечение корпусной детали, что влечет за собой неэффективное использование материала корпусной детали стержневого элемента.     В-третьих, резьбовая шпилька представляет собой механически обработанный шестигранник. На ее изготовление требуется повышенный расход времени и высокопрочного материала, т. к. значительная его часть идет в отходы. В-четвертых, процесс сборки каркаса с применением подобных стержневых элементов затруднен.
Известен также стержневой элемент «КТ-III», в котором корпус кругового профиля снабжен такими же соединительными механизмами, ка у «КТ-I» [1]. Этот стержневой элемент имеет следующие недостатки. Во-первых, он нетехнологичен, т.к. для изготовления корпусной детали такого стержневого элемента требуется тяжелое капиталоемкое оборудование. Во-вторых, отверстия для установки соединительных механизмов от «КТ-I» еще сильнее  уменьшают сечение корпусной детали, чем в «КТ-III» . Это вызывает еще более неэффективное использование материала корпусной детали стержневого элемента, чем в «КТ-III». В-третьих, резьбовая шпилька представляет собой обработанный шестигранник, на ее изготовление требуется повышенный расход времени и высокопрочного материала.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявленной полезной модели (прототипом) является стержневой элемент «КТ-II» [1]. Этот стержневой элемент включает корпус, состоящий из трубчатой корпусной детали кольцевого профиля и приваренных к ней переходных наконечников. В осевом отверстии каждого наконечника размещена шпилька, имеющая по концам участки левой и правой крепежной резьбы, а посередине - шестигранный приводной участок и участок технологической резьбы. Каждая шпилька ввинчена по технологической правой резьбе в наконечник снаружи, а на ее внутренний конец навинчена по левой резьбе анкерная гайка. На наружный конец шпильки надета приводная шестигранная муфта, которая своей внутренней шестигранной поверхностью сопряжена с шестигранным приводным участком шпильки. Приводная муфта зафиксирована на шпильке стопором.  Резьбовая шпилька с анкерной гайкой, приводная муфта, а также участки технологической резьбы на шпильке и в отверстии наконечника образуют соединительный механизм, конструктивно связанный с наконечником. После его сборки наконечник приваривают к трубчатой корпусной детали. С противоположного конца стержневого элемента выполняются аналогичные операции.
Стержневой элемент сборного каркаса, принятый в качестве прототипа также обладает недостатками. К их числу следует отнести, прежде всего, выполнение резьбовой шпильки из шестигранного профиля. Для выполнения крепежной резьбы по концам шпильки ее шестигранная заготовка должна быть механически обработана с существенными отходами и затратами времени. Далее, приводная муфта должна быть выполнена из специального трубчатого профиля, имеющего шестиугольное очертание и снаружи, и изнутри. Такой профиль в нашей стране не производится.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в создании такой конструкции стержневого элемента сборного каркаса, которая позволила бы упростить и ускорить его изготовление. Кроме того, должна быть снижена металлоёмкость стержневых элементов при выполнении корпусной детали из круга.  Предлагаемая конструкция стержневого элемента, как и прототип, должна обеспечить при сборке каркаса затяжку стыков стержневых элементов с коннекторами моментами любого требуемого уровня.
Технический результат заключается в создании более технологичной в изготовлении и менее металлоемкой конструкции стержневого элемента сборного каркаса, по сравнению с прототипом.
Полезная модель поясняется графически:
на фиг. 1 показан продольный разрез трубчатого стержневого элемента в нижней части без средства выталкивания крепежной детали, а в верхней части со средством выталкивания крепежной детали в виде технологической резьбы;
на фиг. 2 – сечение А-А на участке, где приводная муфта взаимодействует со шпоночными выступами резьбовой шпильки;
на фиг. 3 – сечение B-B на участке, где шпоночные выступы 5 взаимодействуют с переходным наконечником по технологической резьбе;
на фиг. 4 – фрагмент продольного разреза стержневого элемента с корпусной деталью кругового профиля,
на фиг. 5 – поперечное сечение C-C на участке, где переходной наконечник соединен с корпусной деталью кругового профиля.
Стержневой элемент сборного каркаса (согласно фиг.1–5) включает корпусную деталь 1 кольцевого или кругового профиля. С корпусной деталью 1 соединены, например, сварными швами 9, переходные наконечники 2, выполненные в виде тел вращения. В осевых отверстиях переходных наконечников 2 размещены резьбовые шпильки 4 со шпоночными выступами 5. На внутренние леворезьбовые участки шпилек 4 навинчены анкерные гайки 6, с возможностью их взаимодействия с внутренними контактными поверхностями 3 переходных наконечников 2. Наружный конец каждой шпильки 4 имеет праворезьбовой участок крепежной резьбы, приводной участок со шпоночными выступами 5 и размещен внутри приводной муфты 7. Шпоночные пазы 8 на внутренней поверхности приводной муфты 7 охватывают шпоночные выступы 5 и взаимодействуют с ними на приводном участке шпильки 4. Это взаимодействие позволяет передать при сборке каркаса вращающий момент от муфты 7 к шпильке 4 с возможностью взаимных осевых перемещений деталей 4 и 7.
В данном случае (фиг. 1) внутренняя торцевая поверхность приводной муфты содержит фиксаторы 10, предназначенные для предотвращения самопроизвольного отделения приводной муфты 7 от стержневого элемента. Фиксаторы 10 могут быть выполнены в виде пластически деформированных пунктов на внутренней торцевой поверхности приводной муфты 7. Они должны быть выполнены таким образом, чтобы габариты шпоночных пазов 8 оказались меньше габаритов шпоночных выступов 5 на шпильке 4 в ее поперечном сечении. Резьбовая шпилька 4 со шпоночными выступами 5, анкерная гайка 6, приводная муфта 7 со шпоночными пазами 8 и фиксаторами 10 образуют соединительный механизм стержневого элемента. Переходной наконечник 2 вместе со смонтированным на нем соединительным механизмом образуют соединительный узел. Оба соединительных узла после их сборки стыкуют с корпусной деталью 1, например, сварными швами 9. Корпусная деталь 1 и переходные наконечники 2 могут быть изготовлены, например, из конструкционной стали. Шпильку 4 обычно выполняют из стали 40Х селект кругового профиля, муфту 7 – из стали 35 или стали 45.
Возможны два основных варианта выполнения стержневого элемента: с корпусной деталью 1 кольцевого, то есть трубчатого сечения, и с корпусной деталью 1 круглого, то есть сплошного, сечения. В том варианте, когда корпусная деталь 1 имеет кольцевое сечение, переходные наконечники 2 выполняют в виде цилиндрического или конусовидного тела вращения с кольцевой проточкой для размещения кольцевого стыкового сварного шва 9, соединяющего детали 1 и 2 (фиг. 1). В том варианте, когда корпусная деталь 1 имеет круговое сечение, переходные наконечники выполняют виде цилиндрических муфт 2. Их надевают на концы корпусной детали 1 и соединяют с ней, например, фланговыми сварными швами 9, размещенными в продольных пазах цилиндрических муфт 2 (фиг. 4). В обоих вариантах сварные швы 9 выполняют после того, как соединительные узлы собраны, установлены на корпусной детали 1 в проектное положение и зафиксированы прихватками. При этом конструктивное решение и последовательность сборки стержневого элемента при его изготовлении полностью определяется конструкцией его соединительных узлов. В каждом из этих основных вариантов возможны частные случаи выполнения соединительного узла стержневого элемента. Это зависит от наличия и вида используемого средства выталкивания резьбовой шпильки 4 при сборке каркаса: без средства выталкивания резьбовой шпильки 4 (фиг.1 внизу), со средством выталкивания шпильки 4 в виде технологической резьбы и со средством выталкивания шпильки 4 в виде цилиндрической пружины 11 (фиг. 4). В частном случае выполнения соединительного узла стержневого элемента без средства выталкивания резьбовая шпилька 4 выступает за пределы приводной муфты 7 на 2 - 3 шага правой крепежной резьбы шпильки 4. В частном случае исполнения соединительного узла стержневого элемента со средством выталкивания шпильки 4 в виде технологической резьбы эту резьбу выполняют на шпильке 4, а точнее, на участке ее шпоночных выступов 5, обращенном в сторону наконечника 2. Эту резьбу выполняют правой того же шага p, что  крепежная резьба на внешнем конце шпильки 4 и длиной не менее 3p. Ее наружный диаметр равен или несколько меньше габарита шлицевых выступов 5 на приводном участке шпильки 4. Ответную технологическую резьбу выполняют в осевом отверстии наконечника 2 со стороны его наружного торца длиной не менее 4p. Требуемая точность выполнения технологической резьбы значительно ниже, чем крепежной резьбы. Эта точность должна быть установлена опытным путем. В частном случае исполнения соединительного узла стержневого элемента со средством выталкивания шпильки 4 в виде цилиндрической пружины 11 на участке у наружного торца переходного наконечника 2 выполняют полость для размещения цилиндрической пружины 11 (фиг. 4).
Последовательность сборки деталей соединительного узла стержневого элемента при его изготовлении также зависит от конкретного случая его исполнения. В частном случае выполнения соединительного узла стержневого элемента без средства выталкивания шпильки 4 (фиг. 1 внизу) сборка осуществляется следующим образом. Приводную муфту 7 надевают на резьбовую крепежную деталь 4 со стороны ее внутреннего леворезьбового конца и продвигают до упора фиксаторов 10 в шпоночные выступы 5 шпильки 4. Затем на шпильку 4 с той же стороны надевают переходной наконечник 2. После этого на леворезьбовой участок шпильки 4 навинчивают анкерную гайку 5, используя малопрочный фиксатор резьбы, например, железный сурик. Далее, переходной наконечник 2 вместе с установленным на нем соединительным механизмом, т.е. готовый соединительный узел прикрепляют к корпусной детали 1, например, сварными швами 9. В частном случае выполнения соединительного узла стержневого элемента со средством выталкивания шпильки 4 на основе технологической резьбы (фиг. 1 вверху) его сборку осуществляют в следующей последовательности. Приводную муфту 7 надевают на резьбовую шпильку 4 со стороны ее внутреннего леворезьбового участка и продвигают до упора фиксаторов 10 в шпоночные выступы 5 шпильки 4. Затем на шпильку 4 с той же стороны надевают переходной наконечник 2 до упора и, вращая муфту 7, ввинчивают шпильку 4 в наконечник 2 по технологической резьбе. После этого на леворезьбовой участок резьбовой крепежной детали 4 навинчивают анкерную гайку 6. При этом используют малопрочный фиксатор резьбы, например, железный сурик. Далее, готовый соединительный узел прикрепляют к корпусной детали 1, например, сварными швами 9.
В частном случае выполнения соединительного узла стержневого элемента со средством выталкивания шпильки 4 в виде цилиндрической пружины 11 (фиг. 4) сборка осуществляется следующим образом. Приводную муфту 7 надевают на шпильку 4 со стороны ее внутреннего леворезьбового участка и продвигают до упора фиксаторов 10 в шпоночные выступы 5 шпильки 4. Затем с той же стороны на шпильку 4 надевают цилиндрическую пружину 11 до упора ее в шпоночные выступы 5. Далее, на шпильку 4 с той же стороны надевают наконечник 2, вводя при этом пружину 11 в полость переходного наконечника 2. После этого на леворезьбовой участок шпильки 4 навинчивают анкерную гайку 6, используя малопрочный фиксатор резьбы, например, железный сурик. В итоге готовый соединительный узел прикрепляют к корпусной детали 1, например, сварными швами 9.
Каждый из перечисленных случаев выполнения соединительного узла может быть по-разному применен в конкретном стержневом элементе. В одном случае по его концам используют одинаковые соединительные узлы. В другом – различные. Целесообразно, например, на одном из концов стержневого элемента выполнить соединительный узел без средства выталкивания шпильки 4, а на другом - с любым из ранее описанных средств. Технология сборки каркаса также зависит от наличия и вида средств выталкивания шпильки 4 в соединительных узлах конкретного стержневого элемента. Это особенно существенно при соединении двух уже закрепленных коннекторов каркаса.
В частном случае выполнения стержневого элемента, когда средства выталкивания шпилек 4 отсутствуют, в обоих его соединительных узлах обе шпильки выступают из приводных муфт 7 (фиг.1 внизу). При этом данный стержневой элемент не может быть вставлен между двумя уже закрепленными коннекторами. Он может быть  использован в более благоприятной ситуации, когда соединяемые коннекторы еще не закреплены.
В частном случае выполнения стержневого элемента, когда средства выталкивания шпилек 4 имеются в обоих его соединительных узлах, операции по сборке каркаса наиболее просты. Если средство выталкивания шпильки выполнено в виде технологической резьбы, то стержневой элемент просто вставляют между закрепленными коннекторами. Если же средство выталкивания выполнено в виде пружины 11, то стержневой элемент вставляют между коннекторами, предварительно вдавив шпильки 4 заподлицо с  наружными торцами приводных муфт 7  (фиг. 1 вверху и фиг. 4). Дальнейшие операции по сборке каркаса одинаковы для двух приведенных случаев. Вначале, вращая муфты 7, наживляют крепежные резьбы шпилек 4 и ответные резьбы коннекторов. Затем, продолжая вращать муфты 7, свинчивают крепежные резьбы шпилек 4 и коннекторов. Свинчивание заканчивают, когда анкерные гайки 6 упрутся в   контактные поверхности 3 переходных наконечников 2. В этот момент непрочная фиксация анкерных гаек 6 на левой резьбе шпилек 4 будет нарушена. Дальнейшее вращение приводных муфт 7 с помощью динамометрического ключа приводит к затяжке стыков моментом любого заданного уровня.
Практически наиболее интересен случай соединения двух закрепленных коннекторов стержневым элементом, который имеет  на одном конце соединительный узел со средством выдвижения шпильки 4, а на другом конце не имеет такого средства. В этом случае сборку выполняют в следующей последовательности. Стержневой элемент располагают так, чтобы шпилька 4, выступающая из муфты 7, оказалась приблизительно сосной крепежному отверстию одному из соединяемых коннекторов. Затем, вращая ту же муфту 7, наживляют резьбу шпильки 4 до момента касания приводной муфты 7 и первого коннектора. После этого приводную муфту 7 на другом конце стержневого элемента устанавливают соосно крепежному отверстию другого коннектора. Далее, продолжая вращать обе муфты 7, свинчивают крепежные резьбы шпилек и обоих коннекторов. Затем выполняют затяжку стыков стержневого элемента с коннекторами динамометрическим ключом.
Возможен также частный случай выполнения сборки каркаса, когда между приводными муфтами 7 и коннекторами вводят сферические шайбы 12, например, попарно (фиг. 4).
Таким образом, решение поставленной задачи достигается благодаря всей совокупности существенных признаков предлагаемой конструкции стержневого элемента. Выполнение на резьбовой  шпильке приводного участка со штампованными шпоночными выступами уменьшает вес и упрощает форму заготовки резьбовой  шпильки, повышает производительность, устраняет отходы металла при обработке шпильки. Применение переходных наконечников, соединяемых сваркой с корпусной деталью круглого профиля, резко уменьшает габариты и вес оборудования, необходимого для обработки корпусных деталей круглого профиля, снижает металлоемкость и требования к точности обработки корпусных деталей круглого профиля. Использование сопряжений, самоцентрирующихся по сферической поверхности между анкерной гайкой и наконечником, а также между стержневым элементом и коннектором резко снижает требования к точности обработки стыкуемых деталей, в особенности, в отношении допусков на торцевое биение. Стержневые элементы с различными соединительными узлами по концам обладают определенными преимуществами. В частности, наличие средств выталкивания шпильки при сборке каркаса на одном конце и их отсутствие на другом конце стержневого элемента не снижает его возможностей при сборке каркаса, заметно уменьшая трудоемкость изготовления стержневого элемента. Все это снижает трудоёмкость и стоимость изготовления стержневых элементов сборных каркасов и сборных каркасов в целом.
1. The KT space truss system. K. Imai, T. Morita, Y.Yamaoka, K.Wakiyama and S. Tsujioka. Source: SPACE STRUCTURES 4 . Volume 2.page 1374-1382. The papers presented at the Fourth International Conference on Space Structures at the University of Surrey, Guildford. Thomas Telford, London, 1993