ЗАЖИМ ЦАНГОВЫЙ КОНЦЕВОЙ

Полезная модель относится к области изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций и используется для концевой заделки стержневой напрягаемой арматуры.
Концевые цанговые зажимы широко применяются не только в строительстве, но и в других областях техники, например, в электротехнике для соединения электрических проводов. Так, известен концевой зажим для проводов цангового типа, состоящий из корпуса зажима, втулки и цанги с насечками на внутренней поверхности. Каталог фирмы Arthur Flury AG https://www.aflury.ch/de/startseite/.
Недостатком данного зажима является недостаточная надежность фиксации крепления цанги на проводе в момент монтажа, что может привести к возможности выскальзывания провода из зажима.
Известен соединительный цанговый зажим (RU 181969 - опубликовано 30.07.2018 Бюл. №22), содержащий цилиндрический корпус с нарезными концами и две конусные цанги, каждая из которых обращена широким основанием в сторону соответствующего конца цилиндрического корпуса, две муфты, имеющие широкий начальный участок с цилиндрической внутренней резьбой для соединения с соответствующим нарезным концом цилиндрического корпуса зажима, который переходит в конечный участок с полостью конусной формы, которая предназначена для установки в ней соответствующей конусной цанги и выполнена по форме ее внешней поверхности, причем на внешних поверхностях муфт и на центральной части поверхности цилиндрического корпуса выполнены грани для гаечных ключей, причем каждая из муфт на конечном участке перед полостью конусной формы снабжена уплотнительным кольцом из термопластика.
Недостатком данной полезной модели является сложность конструкции и ограниченность применением - исключительно для соединения концов проводов.
Известен стыковой цанговый зажим (RU 92388 - опубликовано 20.03.2010 Бюл. №8), содержащий корпус зажима, две гайки и две цанги, при этом корпус зажима в средней части снабжен шестигранным упором с нарезанными цилиндрическими концами для крепления на нем гаек, каждая цанга выполнена из сегментов, фиксированно закрепленных на ее конце. Кроме того цанга имеет три паза, разделяющие ее на три сегмента, при этом один паз выполнен во всю длину цанги с зазором не менее 2,5 мм, а два других паза прорезаны до донца цанги и имеют ширину не менее 2 мм, а наружный продольный уклон поверхности цанги по длине составляет 6-12° по отношению к продольной оси.
Недостатком этой конструкции является то, сила зажима определяется силой закрепления гайки на корпусе устройства, что не всегда обеспечивает высокую прочность соединения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является зажим цанговый концевой, включающий корпус и размещенные в нем втулку с конической внутренней поверхностью и цангу с внутренней насечкой и коническо-цилиндрической наружной поверхностью, состоящую из двух или более продольных лепестков и имеющую на наружной цилиндрической поверхности канавку с расположенной в ней кольцевой пружиной. (RU 164073 - опубликовано 20.08.2016 Бюл. №23-прототип). При этом корпус выполнен с U-образной цилиндрической поверхностью со стороны входного отверстия, а торец втулки с конической внутренней поверхностью выполнен со стороны отверстия меньшего диаметра цилиндрическим с радиусом кривизны соответственно внутренней поверхности корпуса.
Недостатком данной конструкции является то, что он не предназначен для многоразового использования при высоких нагрузках, так как под действием высоких нагрузок возникает значительная деформация втулки с конической внутренней поверхностью, что нарушает точность сопряжения этой конической поверхности с конической поверхностью цанги, а снижает силу зажима, а при многократном использовании приводит к быстрому износу сопрягаемых конических поверхностей и повышению трению между ними, что еще больше снижает силу концевого зажима.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности многоразового использования зажима цангового концевого при высоких нагрузках.
Техническим результатом полезной модели является увеличение жесткости зажима и уменьшение износа конического сопряжения.
Поставленная задача решается тем, что в известной конструкции зажима цангового концевого, включающего корпус и размещенные в нем втулку с конической внутренней поверхностью и цангу с внутренней насечкой и коническо-цилиндрической наружной поверхностью, состоящую из двух или более продольных лепестков и имеющую на наружной цилиндрической поверхности канавку с расположенной в ней кольцевой пружиной, корпус зажима выполнен цилиндрическим с плоским торцом с одной из сторон, втулка с конической внутренней поверхностью установлена в отверстии корпуса с натягом, а твердость конической поверхности втулки выше твердости сопрягаемой конической поверхности цанги.
Так как корпус зажима выполнен цилиндрическим, а втулка с конической внутренней поверхностью установлена в отверстии корпуса с натягом, то это повышает жесткость зажима, что уменьшает деформацию втулки, повышает точность конического сопряжения втулки и цанги, снижает контактные напряжения и уменьшает их износ. А так как твердость конической поверхности втулки выше твердости сопрягаемой конической поверхности цанги, то при многократном использовании зажима коническая поверхность втулки не будет подвержена сильному износу и будет длительное время сохранять свою форму, что не будет создавать препятствий скольжению цанги относительно втулки при ее размерном износе. Все это обеспечивает возможность многоразового использования зажима цангового концевого при высоких нагрузках.
Конструкция зажима поясняется рисунком, где на фиг. 1 показано поперечное сечение устройства.
На рисунке используются следующие обозначения:
1. Корпус, 2. Втулка. 3. Цанга. 4. Кольцевая пружина. 5. Витая пружина. 6. Крышка.
Устройство состоит из корпуса 1, имеющим цилиндрическую форму наружной и внутренней поверхностей и плоский торец, и расположенные в нем втулки 2, цанги 3, пружины 5 и крышки 6. Втулка 2 установлена в отверстии корпуса 1 с натягом с упором в его торец. Втулка 2 имеет коническую внутреннюю поверхность, которая сопрягается с наружной конической поверхностью цанги 3. Цанга 3 имеет отверстие с нанесенной на него насечкой и короткий участок наружной цилиндрической поверхности, на котором выполнена канавка. В канавке цанги 3 установлена кольцевая пружина 4. Цанга состоит из двух или более продольных лепестков, которые удерживаются между собой кольцевой пружиной 4.
Втулка 2 и цанга 3 подвергнуты термическому упрочнению, но так, что твердость конической поверхности втулки 2 на несколько единиц выше твердости наружной конической поверхности цанги 3.
С открытого конца корпуса 1 закреплена крышка 6. Между крышкой 6 и цангой 3 установлена витая пружина 5.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Конец закрепляемой стержневой арматуры (не показан) пропускают в отверстия корпуса 1 и запрессованной в нем втулки 2. Затем на него надевают цангу 3 с кольцевой пружиной 4. Сегменты цанги располагают равномерно вдоль окружности конца стержня. Корпус зажима 1 с втулкой 2 надвигают на цангу 3. После этого в корпус 1 устанавливают витую пружину 5, а отверстие корпуса 1 закрывают крышкой 6. При натяжении стержневой арматуры цанга 3 заклинивает в коническом отверстии втулки 2, лепестки цанги 3 сжимаются и прочно удерживают конец стержневой арматуры. Пружина 5 предотвращает проскальзывание арматуры в отверстии цанги 3 в момент зажима, а крышка 6 создает опору для витой пружины 5 и ограничивает попадание во внутрь корпуса 1 загрязнений.
После использования зажима по назначению, его разбирают. Для этого снимают с корпуса 1 крышку 6, вынимают витую пружину 5 и проталкивают арматуру вдоль оси корпуса 1. Цанга 3 выходит из сопряжения со втулкой 2, ее удаляют, а стержень вынимают из корпуса. При повторном использовании зажима вновь выполняют указанные выше действия.
Так как размеры корпуса 1 намного больше размеров втулки 2, а следовательно, и выше его жесткость, то при установке втулки 2 в отверстие корпуса 1 с натягом значительно увеличивается жесткость этого соединения. Поэтому даже при очень высоком давлении на него со стороны конической поверхности цанги 3 деформация данного соединения получается незначительная, а следовательно, незначительно изменяется угол конуса втулки. Это предотвращает кромочный контакта конической поверхности втулки 2 с конической поверхностью цанги 3, снижает величину контактных напряжений и повышает надежность при работы зажима.
Чтобы уменьшить износ рабочих поверхностей зажима материалы втулки 2 и цанги 3 подвергают термическому упрочнению. Но при многократном использовании зажима износ отверстия цанги 3 и поверхностей конического сопряжения цанги 3 и втулки 2 все же неизбежен. Указанный износ компенсируется тем, что цанга 3 смещается вдоль оси втулки 2, тем самым сохраняя прочность зажима. Но если под действием высокой и многократной нагрузки будет происходить пластическая деформация или будет изнашиваться коническая поверхность втулки 2, то образуемые на ней неровности будут препятствовать смещению цанги 3 вдоль оси втулки 2, и сила зажима цанги будет уменьшаться. Поэтому твердость конической поверхности втулки 2 должна быть хотя бы на несколько единиц выше твердости конической поверхности цанги 3. Тогда при износе цанги 3 коническая поверхность втулки 2 будет сохранять свою форму и не будет препятствовать смещению вдоль ее оси цанги 3 и компенсации ее износа. Кроме того, слишком высокая твердость цанги может привести к хрупкому разрушению ее внутренних насечек и преждевременному выходу ее из строя.
Пример. Необходимо создать зажим цанговый концевой для напряженной стержневой арматуры диаметром 5 мм, используемой при производстве предварительно напряженных железобетонных конструкций. Сила натяжения арматуры 35 кН.
k
ν
min
a
Изготавливаем корпус 1 зажима с наружным диаметром D=10,5 мм., внутренним диаметром d=16,5 мм., и высотой h=40 мм. С одного конца корпуса выполнен фланец с отверстием 6 мм для установки арматуры, а с другого конца выполнена внутренняя резьба для закрепления крышки 6. В отверстие корпуса 1 с натягом устанавливаем втулку 2 высотой h=22,5 мм с коническим отверстием, имеющим угол конуса α=12°. На торце втулки 2 выполнено отверстие такого же диаметра, как и отверстие во фланце корпуса 1. Материал втулки 2 - ст. ШХ-15, закаленная до твердости HRC 62. Для уменьшения силы трения шероховатость поверхности конического отверстия втулки 2 обеспечиваем не выше R 0,32, что обеспечивает коэффициент трения с поверхностью цанги не выше ƒ=0,1. Максимальная длина конического сопряжения втулки и цанги равна  После некоторого износа цанга сместится в осевом направлении и длина сопряжения может уменьшится до  что соответствует площади контакта S=540 кв. мм.
c
Цангу 3 изготавливаем в виде двух половинок, соединенных кольцевой пружиной 4. Материалом цанги является ст. 20Х, подвергнутая цементации на глубину 1 мм и закаленная до твердости HRC 56. Высота цанги равна 22 мм. Внутренние насечки цанги обеспечивают коэффициент трения не менее ƒ=0,25.
Толщину кольцевой пружины 4 берем равным 0,8 мм. Наружный диаметр витой пружины составляет 13 мм, диаметр витков - 0,8 мм, высота - 30 мм. Крышка 6 изготовлена из полиамида и служит для направления витой пружины 5 и для защиты от внешних загрязнений.
c
Так как требуемая сила натяжения арматуры составляет 35 кН, то требуемая сила зажима цанги равна Q=35/ƒ=140 кН.
Максимальные контактные напряжения втулки и цанги раны:
Для неупрочненной стали это напряжение опасно, так как может вызвать пластическую деформацию и повышенный износ материала. Для термически упрочненной стали это напряжение вполне допустимо, так как закаленная до твердости HRC 62 ст. ШХ 15 может выдержать контактное напряжение смятия до 2000 МПа, а упрочненный до твердости HRC 56 материал цанги может выдержать контактные напряжения до 1600 МПа. Но это только при условии, что коническое сопряжение выполнено достаточно точно и не имеет перекосов.
Величину деформации втулки 2 в самом слабом сечении - со стороны ее большего внутреннего диаметра, найдем по формуле:
5
n
ν
где Е - модуль упругости стали, МПа (Е=2,1⋅10 МПа); r и r - соответственно внутренний и наружный радиус сечения втулки 2, мм.
ν
n
n
В нашем случае r=6,5 мм, наружный радиус вместе с корпусом равен r=10,25 мм. Тогда по формуле (2) определим u=0,01 мм. Это не желательная величина, но допустима, так как компенсация этой погрешности может осуществляться за счет небольшого размерного износа поверхности цанги. Если бы втулка 2 не была запрессована в корпус 1, то ее r=8 мм, а ее деформация составляла бы u=0,025 мм, т.е. в 2,5 раза выше. Это было сложнее компенсировать износом цанги.
Нормальная работа зажима возможно, если коническая поверхность втулки 2 не повреждена. Сила зажима цанги должна быть рана:
где N - сила тяги, Н; ϕ - угол трения между коническими поверхностями втулки и цанги (ϕ=arctgƒ), рад.
c
В нашем случае N=ƒ⋅Q. После преобразования определим нормальное условие работы зажима:
Для рассматриваемого примера это условие соблюдается, так как
c
ƒ/tg(α/2+ϕ)=1,2.
Но если коническая поверхность втулки 2 будет повреждена и величина ƒ повысится до ƒ=0,2, то
c
ƒ/tg(α/2+ϕ)=0,85.
Следовательно, в этом случае условие (4) не соблюдается.
Таким образом, более значительное упрочнение конической поверхности втулки 2 по сравнению с цангой обеспечивает более надежную работу зажима.
Предлагаемый концевой цанговый зажим позволяет увеличить его жесткость и уменьшить износ конического сопряжении, особенно конической поверхности втулки, что позволяет обеспечить возможность многоразового использования зажима при высоких нагрузках на закрепляемое изделие в виде стержневой напрягаемой арматуры.