Влияние анаэробных материалов на статическую прочность резьбовых соединений

УДК 621.81

Воячек И.И., Кочетков Д.В., Пшеничный О.Ф.

Пензенский государственный университет

ВЛИЯНИЕ АНАЭРОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Аннотация. В статье приводятся результаты исследования влияния анаэробных материалов на статическую прочность резьбовых соединений. Установлено, что присутствие в зоне контакта деталей полимеризованных анаэробных материалов существенно увеличивает прочность соединений.

Ключевые слова: анаэробные материалы, резьбовые соединения, статическая прочность, болт,

гайка.

Одной из основных задач машиностроения на современном этапе является комплексное повышение функциональных характеристик деталей и узлов машин, осуществляемое эффективно, с наименьшими затратами. Надежную работу изделия во многом определяет качество резьбовых соединений (РС), которые имеют чрезвычайно широкое применение в различных изделиях машиностроения и составляют в среднем 15-20% от общего количества соединений, а в некоторых отраслях промышленности их доля доходит до 70%.

К основным характеристикам функционального качества РС относятся: статическая прочность при действии различных нагрузок, длительная и кратковременная (малоцикловая) усталостная прочность, герметичность, способность сопротивляться самоотвинчиванию. Обеспечение вышеуказанных характеристик качества в настоящее время осуществляется в большинстве случаев посредством конструкторских методов, что приводит, как правило, к усложнению конструкции соединения и повышению ее себестоимости. В ряде случаев конструктивными методами решить задачу повышения качества РС невозможно. В тоже время существуют эффективные технологические методы обеспечения эксплуатационных свойств соединений, среди которых наиболее перспективным является управление контактным взаимодействием сопрягаемых деталей. При этом, как показывает практика, простым и экономичным является введение в зону контакта деталей анаэробных материалов (АМ) [1, 2].

АМ выпускают как зарубежные (Loctite, Chester Molecular, Permabond, Holdtite), так и отечественные фирмы (ФГУП «НИИполимеров»).

АМ представляют собой однокомпонентные полимерные составы, способные длительное время находится в жидком состоянии и сравнительно быстро полимеризоваться на металлических поверхностях при отсутствии контакта с кислородом воздуха, например, попадая в закрытые объемы. Заполняя пустоты зоны контакта, АМ значительно увеличивает герметичность соединений и площадь фрикционного взаимодействия деталей, а после полимеризации имеет достаточную прочность на сдвиг, что приводит к повышению силы трения. АМ отличаются влагостойкостью, устойчивостью к агрессивным средам, широким температурным диапазоном работоспособности.

Поскольку АМ обладают достаточно высокими адгезионными свойствами, они могут применяться в соединениях, работающих на срез, сдвиг и отрыв. Важными факторами, которые влияют на прочность соединения, являются фактическая степень полимеризации АМ, его температурное старение и теплостойкость.

Таким образом, совокупность физико-механических свойств, а также результаты практического применения АМ, позволяют сделать вывод о том, что анаэробные материалы весьма перспективны для повышения характеристик функционального качества РС. Данный вывод подтверждается результатами уже проведенных исследований, например [2]. Однако в данной работе в основном исследовалось влияние АМ на момент отвинчивания РС и на явление самоотвинчивания РС при действии вибрационных нагрузок.

В настоящей работе исследуется влияние АМ на статическую прочность РС, связанную со срезом витков резьбы.

При действии статической нагрузки наиболее характерными видами разрушения РС являются: разрушения стержня болта и срез (смятие) витков резьбы. Срез резьбы болта происходит по диаметру d, резьбы гайки - по диаметру d (рисунок 1). При одинаковой прочности болта и гайки расчет

производят по диаметру d как наименьшему, а в случае использования гайки меньшей прочности,

чем болт, дополнительно проверяют на прочность и резьбу гайки по диаметру d [3].

Таким образом, для резьбы болта и гайки напряжения среза витков находят по формулам:

F

т\ =--------

Ж dkHГ

F

Т2 =--------

ж dk^Hpk^

,

где Нг - высота гайки; k = PJР или k2 = Р2/ Р - коэффициент полноты резьбы (рисунок 1, для резьбы болта - kx»0,75 , для резьбы гайки - k2 ~ 0,87 ); km - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы с учетом пластических деформаций в зоне наиболее нагруженных витков (для резьб с крупным шагом km = 0,7...0,75 , с мелким - km = 0,65...0,7 [3]).

Рисунок 1 - Схема среза витков резьбы и расположения анаэробного материала в зоне контакта деталей резьбового соединения

При разрушении РС, собранного с АМ (рисунок 1), ках L = P—P , L = P~P , поэтому формулы (1) и (2) будут выглядеть следующим образом:

F =

i—k

ж dikiH гкт

сд

часть усилия тратится на срез АМ на участ-преобразованные относительно усилия среза

, „.АМ I 1 — к Т2 + Тсд

На рисунке 2 представлены графики усилий среза витков резьбы, полученные при следующих исходных данных: резьбовое соединение М8 - 6H/6g (внутренний диаметр d1 = 6,647мм , наружный диа-

f =

7Т dkjHpkm

метр d = 8мм , шаг Р = 1,25мм , высота гайки Нг = 6,5мм , шероховатость сопрягаемых поверхностей Ra = 1,6мкм ) . Материал болта и гайки - сталь 35Х (класс прочности болта - 8.8, предел текучести

ат = 640 МПа ГОСТ Р 52627-2006), покрытие - цинк. Рассчитывались соединения без АМ и с ных марок фирм Permabond и ФГУП «НИИ Полимеров» с различной сдвиговой прочностью: тАМ = 6МПа ; НМ165, АН-501 - тАМ = 20МПа ; НМ162, АН-106АБ - тАМ = 35МПа .

Fep, кН

30

20

1 0 20 30 ту, МПа

1 - усилие среза витков резьбы без АМ, рассчитанное по формуле (1);

2 - усилие среза витков резьбы с АМ, рассчитанное по формуле (3);

3 - усилие среза витков резьбы с АМ, рассчитанное с учетом коэффициента кт (таблица 1);

АМ раз-A131 -

4 - экспериментальное усилие среза витков резьбы без АМ;

5 - экспериментальное усилие среза витков резьбы с АМ Рисунок 2 - Усилие среза витков резьбы

Из графика (рисунок 2) видно, что при введении в зону контакта АМ усилие среза витков резьбы, определенное по зависимостям (1) (кривая 1) и (3) (кривая 2), увеличивается. Например, при

применении НМ162, АН-106АБ - TjAf — 35 МПа усилие среза - FCp увеличивается лишь на 3,2% (при постоянном значении коэффициента кт ), что не соответствует проведенным экспериментальным исследованиям [4], так как экспериментальное усилие среза витков резьбы при введении в зону контакта АМ марок НМ162, АН-106АБ увеличивается на 40,1% (кривая 4 и 5). Следовательно, механизм увеличения статической прочности резьбы при применении АМ существенно иной.

Резьбовое соединение при сборке с АМ необходимо рассматривать как композит, состоящий из слоев металла и прослоек из АМ, причем деформирование АМ затруднено, так как он находится в замкнутом пространстве. Через АМ передается нагрузка от одних витков резьбы на другие, то есть нагрузку в данном случае будут воспринимать все витки практически одновременно, что не происходит в РС, собранном без АМ. Причем на эффект от использования АМ не будут оказывать существенного влияния отклонения размеров и геометрии резьбовых поверхностей деталей, то есть можно в ряде случаев снизить требования к точности параметров РС.

В формулах (1)...(4) эффект от применения АМ можно учесть изменением коэффициента кт (рисунок 2, кривая 3). Рекомендуемые значения коэффициента кт при сборке с АМ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Рекомендуемые значения коэффициента кт при

сборке резьбового соединения с анаэробными материалами___________________________

Марки АМ Прочность на сдвиг АМ Значения коэффициента кт

A131 ТА1 — 6 МПа кт — 0,7...0,75

НМ165, АН-501 тАМ — 20 МПа кт — 0,8...0,85

НМ162, АН-106АБ тСАМ — 35 МПа кт — 0,9...0,95

Анализ графиков (рисунок 2) показывает, что усилие среза витков резьбы с АМ (кривая 3) рассчитанное с учетом коэффициента к (таблица 1) несущественно отличается от значения, определенного экспериментально (кривая 5), например, при — 35 МПа отличие составляет лишь 3,1%.

Таким образом, применение АМ позволяет повысить предельную статическую прочность РС, причем увеличение зависит от прочности АМ (рисунок 2).

ЛИТЕРАТУРА

1. Воячек И. И. Применение анаэробных материалов при сборке неподвижных соединений типа вал-втулка // Сборка в машиностроении, приборостроении. - М., 2003, №9. - С. 33-37.

2. Воячек И. И. Сборка резьбовых соединений с применением анаэробных материалов // Сборка в машиностроении, приборостроении. - М., 2003, №10, С. 24-26.

3. Андриенко Л. А. Детали машин: учеб. для вузов / Л. А. Андриенко, Б. А. Байков, И. С. Га-нулич и др.; под ред. О. А. Ряховского - М.: Изд-во МГУ им. Баумана, 2002. - 544 с.

4. Кочетков Д. В., Воячек И. И. Экспериментальные исследования характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами // Испытания-2011: сб. материалов науч.-техн.

конф. в рамках Всерос. науч. школы «Методики, техника и аппаратура внутренних и внешних испытаний» (г. Пенза, 3-7 октября 2011 г.) / под ред. проф. Т. И. Мурашкиной. - Пенза: Изд-во ПГУ,

2011. - С. 31-36.