Моменты в резьбовых соединениях и их стопорение

Момент в резьбе, необходимый для получения усилия затяжки F_a с учётом трения в опорном стыке, равен

.

Соответственно, при отвинчивании

.

Для преодоления трения при затяжке и отвинчивании резьбы требуется приложить момент , где R_T-приведённый радиус сил трения на опорной поверхности гайки диаметром D₁, приближённо равный R_T=(D₁+d)/4.

Вибрации приводят к взаимному смещению деталей, поэтому коэффициенты трения в резьбе и на торце гайки уменьшаются. Также нарушаются условия самоторможения, что способствует отвинчиванию резьбовых соединений. Существуют различные методы их стопорения, что показано на рис.31. Для создания дополнительных сил трения используют контргайки, разрезные кольцевые гайки со стягивающими или распорными элементами, пружинные шайбы и храповые шайбы с наружными или внутренними зубьями.

Высокими стопорящими свойствами обладают корончатые гайки при обжатии её верхней части с прорезями.

В качестве специальных стопорящих устройств применяют шплинты и шайбы различных конструкций, лапки которых фиксируются по краю или заводятся в паз. При большом расстоянии от края или уступа детали применяют шайбы для парного стопорения. Для фиксации круглых гаек используют многолапчатые шайбы. Эффективно применение болтов с лысками при опоре в уступ соединяемой детали.

Фиксация деталей сваркой, пайкой или пластическим деформированием превращает соединение в неразъёмное. Наиболее простым и эффективным способом стопорения соединений с потайными или утопленными головками является накернивание.

Прочность резьбы.

Виток резьбы в поперечном сечении работает на срез и изгиб, а его поверхность - на смятие; кроме того она подвергается износу при переборках соединения. Нагрузка по виткам резьбы распределяется крайне неравномерно и пропорциональна гиперболическому косинусу. Первый от опорной поверхности виток воспринимает не менее 0,33 от общей нагрузки, а последний – менее 0,08. Распределение нагрузки зависит от высоты и толщины стенок гайки, её материала, шага и профиля нарезки, точности резьбы. Для выравнивания нагрузки по виткам резьбы используют специальные гайки, работающие на растяжение. С этой целью применяют гайки с поднутрением, «висячие» гайки и разгрузочные канавки в корпусных деталях.

Стандарт регламентирует высоту гайки и глубину ввинчивания шпильки (винта) в зависимости от материала соединяемой детали, что гарантирует более высокую прочность резьбы относительно стержня болта (шпильки).

Поэтому расчёт на прочность ведут по стержню крепёжной детали в зависимости от вида приложенной нагрузки.

При растяжении незатянутого соединения силой F_a минимальный диаметр стержня равен

, где .

При затяжке болта силой F_aего стержень подвергается растяжению и кручению

.

Эквивалентное напряжение равно , то по условию прочности .

При затяжке болта с учётом отклонения формы от плоскости соединяемых деталей или перекоса опорных поверхностей крепёжной детали его стержень подвергается изгибу ,

где -осевой момент сопротивления поперечного сечения стержня; М_и - изгибающий момент, определяемый эксцентриситетом е приложения усилия затяжки, или углом α поворота поперечного сечения стержня в опорном стыке.

Суммарное напряжение в стержне болта равно

,

где l – длина деформируемой части стержня.

При растяжении силой F затянутой крепёжной детали

усилием F_a часть внешней нагрузки нагружает болт, а другая – идёт на разгрузку стыка. Увеличение усилия затяжки можно представить так

F_б=F_a+χF,

где χ-коэффициент основной нагрузки, который показывает какая часть внешней силы F приходится на болт; обычно χ=0,2-0,4. Соответственно, снижение нагрузки на стык

F_д=F_a-(1-χ)F.

Из условия совместности деформаций находим, что , где - податливости деталей или болта (λ=l/EA, Е-модуль упругости, l-длина деформируемой части, А - площадь поперечного сечения).

- в систему болта входят элементы, деформация которых под действием внешней нагрузки возрастает;

- в систему корпуса входят элементы, деформация которых уменьшается.

При определении податливости стягиваемых деталей надо учитывать, что их деформация сжатия по толщине l распределяется по конусу давления. Диаметр его малого основания равен диаметру опорной поверхности головки болта (гайки) D₁, а тангенс угла конуса .

Для упрощения расчётов конус давления заменяется эквивалентным цилиндром с диаметром D_экв=D₁+l/2.

Для увеличения прочности стержня болта следует увеличивать податливость деталей системы винта. Для этого применяются упругие болты, вводятся высокие втулки или пружинные шайбы, что показано на рис.32.

Условие сохранения сплошности контакта имеет вид

F_a>(1-χ)F.

Однако в процессе эксплуатации начальное усилие затяжки может спадать. Поэтому для гарантии его назначают из условия Fa=n_плF, где n_пл – коэффициент запаса плотности стыка. Для статической нагрузки он равен 1,2-1,5, при переменных нагрузках 2-4.

Максимальная величина предварительной затяжки F_a повышает надёжность работы резьбовых соединений за счёт снижения доли рабочей нагрузки на болты. При суммарном нагружении болта условие прочности его стержня

.

Учитывая, что F_a=n_плF, получаем

.

Расчёт крепёжной детали на прочность при действии поперечной силы F_r. Если болт ставится в отверстие без зазора, то его стержень рассчитывается по напряжению среза в плоскости стыка деталей.

,

где i-число поверхностей среза; .

Если прочность материала детали меньше прочности материала винта, а также при малой толщине одной из соединяемых деталей прочность соединения определяется напряжением смятия

, где [σ_см]=(0,3-0,4)σ_T.

При постановке резьбовой детали с зазором для исключения взаимного перемещения тел силе F_r должна противостоять сила трения F_f>F_r. Обычно принимают

F_f=n_сдF_r, где n_сд - коэффициент запаса по сдвигу. При статической нагрузке он составляет 1,3-1,5, а при переменной 1,8-2. Отсюда,

F_a=F_f/(fi),

где f=0,15-0,2 – коэффициент трения скольжения; I – число стыков. Так как стержень болта не воспринимает поперечную нагрузку, то его прочность оценивают по . Для предотвращения сдвига деталей в эксплуатации часто в соединение ставят штифты.

При работе в условиях высоких температур прочность резьбовых соединений оценивают по пределу длительной прочности. Снижение механических характеристик деталей соединения и резьбовых единиц влияет на их податливость и коэффициент основной нагрузки. Ползучесть материала приводит к падению усилия затяжки. Дополнительные деформации соединяемых и крепёжных деталей из-за разных коэффициентов температурного расширения также могут привести к ослаблению соединения.

Напряжённое состояние болта (винта) в эксплуатации определяется статической нагрузкой из-за усилия затяжки и внешней переменной нагрузкой. Поэтому для обеспечения усталостной прочности крепежа надо снижать коэффициент основной нагрузки. Основное правило конструирования при переменных нагрузках определяется так: податливые винты - жёсткие соединяемые детали.

Второй путь – это снижение концентрации напряжений.

При переменной нагрузке наиболее слабым местом является резьбовая часть стержня у первого витка от опорного торца гайки. Применение рассмотренных выше способов сглаживания неравномерности распределения нагрузки по виткам резьбы позволяет увеличить усталостную прочность

Эффективно также применение накатанной резьбы и увеличение радиусов закругления во впадинах. С точки зрения выносливости сопряжение гладкой и резьбовой части стержня лучше выполнять не в виде сбега резьбы, а в виде проточки.

При расчёте определяют запасы статической и усталостной прочности:

,

где - амплитуда напряжений в стержне болта (винта); А – площадь опасного сечения;

- максимальное напряжение; - предельная амплитуда при знакопеременном симметричном цикле растяжения-сжатия ; σ_-1-предел выносливости материала; -эффективный коэффициент концентрации напряжений и масштабный фактор.

 

Лекция 19

УПЛОТНЕНИЯ.

Уплотнениями называются устройства для разделения полостей с различными давлениями, рабочими средами, или температурами. Они препятствуют перетеканию уплотняемой среды из зоны высокого давления в зону низкого давления

и попаданию посторонних частиц в рабочее тело. Утечка смазки и попадание в зону контакта инородных тел ведёт к разрушению масляной плёнки и повышению износа рабочих поверхностей.

По характеру работы они делятся на уплотнения подвижных соединений и стыки неподвижных соединений.

По принципу действия уплотнения бывают контактные, где герметизация реализуется за счёт плотного контакта уплотнения с поверхностью детали и бесконтактными, где герметизация осуществляется за счёт малых зазоров между сопряжёнными элементами, а также комбинированными.

Войлочные кольца устанавливают в проточки корпуса, обеспечивая некоторый натяг между сальниками и валом при сборке узла.

Кольцевые манжетные уплотнения имеют сложную форму в поперечном сечении и выступающие рабочие элементы, за счёт прижатия которых к поверхности сопряжённой детали обеспечивается плотный контакт. Манжеты изготавливают из износостойкой и керосиноводостойкой резины. Силовой контакт рабочей кромки осуществляется созданием натяга при сборке, упругостью браслетной пружины и эффектом самоуплотнения под давлением уплотняемой среды.

Детали в виде тел вращения, совершающие возвратно-поступательное движение уплотняют резиновыми кольцами круглого или овального сечения.

В торцевых уплотнениях герметичность обеспечивается

за счёт трения между кольцом закреплённым на валу или в корпусе и плавающим кольцом имеющим свободу перемещения по оси и прижатым упругим элементом (пружиной, а также сильфоном или мембраной) к фиксированному кольцу.

Для уплотнения подшипниковых узлов при любой смазке применяют фасонные шайбы, фиксируемые гайками. Их можно использовать только при жёсткой фиксации наружного или внутреннего кольца.

Уплотнения разрезными металлическими кольцами применяются при перепаде давления между разделяемыми полостями. Кольца устанавливают в проточки уплотняемых валов или штоков. К поверхности стакана они прижимаются силами упругости, а перепад давлений создаёт постоянный контакт их торцов с поверхностью проточки.

Бесконтактные уплотнительные устройства не обеспечивают полной герметичности, а служат для ограничения утечек. По принципу действия их разделяют на статические и динамические. В статических уплотнениях (щелевых и лабиринтных) величина утечки зависит от геометрических параметров щели, а в динамических (спиральных)- также и от скорости вращения сопряженных элементов.

Щелевое уплотнение применяется при густой смазке. Его эффективность зависит от зазора δ и длины щели l. Зазор определяется прогибом вала и некруглостью вала и отверстия в корпусе. Используются и конструкции щелевых уплотнений с осевыми зазорами.

Для уплотнения подшипниковых узлов, работающих на густой и жидкой смазке используются жировые канавки, которые при сборке набиваются пластичной смазкой.

Резьбовое уплотнение выполняется в виде одно- или многозаходной резьбы прямоугольного или треугольного сечения. Направление нарезки согласуется с вращением вала, так чтобы уплотняемая среда отбрасывалась внутрь уплотняемой полости. Их не применяют в реверсивных механизмах. В подшипниковых узлах также используют радиальные или аксиальные лабиринтные уплотнения.

В подшипниковых опорах с жидкой смазкой довольно эффективны динамические (центробежные) уплотнения. Их применяют в сочетании с другими типами уплотнений, т.к. они не работают при низких скоростях и остановках. Так

импеллер представляет собой диск, на одной стороне которого имеется несколько радиальных лопастей. На валу его устанавливают так, чтобы гладкая поверхность была бы обращена к зоне высокого давления. При вращении импеллера жидкость с него под действием центробежных сил сбрасывается, создавая гидравлическое сопротивление

Аналогично работают маслоотражательные кольца.

В неподвижных фланцевых соединениях используются плоские уплотнительные прокладки выполняемые из резины, картона, паронита, фторопласта, или мягкой меди, стали, алюминия. В ответственных соединениях ставят рифлёные или линзовые прокладки, а также кольцевые металлические прокладки круглого, овального или восьмиугольного сечения, проложенные в кольцевых пазах. В соединениях трубопроводов применяют деформируемые металлические уплотнения О,С,Z,V образного сечения с врезающимися кромками и неметаллические клиновидные уплотнения.

УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Упругие элементы (пружины и рессоры) используются в возвратных механизмах, пружинных двигателях, для поглощения вибраций и ударных нагрузок и т.п. Наиболее распространены витые цилиндрические пружины, навитые из проволоки круглого сечения, а иногда прямоугольного или квадратного. По виду нагружения различают пружины сжатия, растяжения, кручения и изгиба. Для изготовления пружин используется круглая холоднотянутая проволока из углеродистой стали или легированных сталей типа 65Г, 60С2А. Ленту выполняют из сталей 50,60,70, 65Г, У8А.

Пружины рассчитывают на прочность и жёсткость. Для обеспечения работоспособности узлов с пружинами сжатия необходимо, чтобы:

- контакт между торцевыми витками и опорными деталями осуществлялся по плоскости, перпендикулярной оси;

- площадь контакта (по возможности) должна представлять собой полное кольцо, во избежание нагружения изгибом;

- конструкция опорных витков должна обеспечивать в опорных элементах правильное центрирование пружины.

Это достигается шлифовкой торцевых витков на ¾ дуги окружности и их поджатием. Обычно центрирование осуществляется по внутренней поверхности витков, а при установке в гильзах – по наружной. Для обеспечения устойчивости длинных пружин вводятся дополнительные центрирующие участки по краям или в её средней части.

Виток пружин сжатия и растяжения работает на кручение.

На рис.33 показана связь перемещений с усилиями, где t,Н₀-шаг и длина пружины в свободном состоянии; Н₃-длина пружины при максимальной силе; F₁,F₂-сила пружины при предварительном смещении s₁ и рабочей деформации s₂;

h-рабочий ход; s₃-смещение пружины от силы F₃. ГОСТ регламентирует: диаметр проволоки d, наружный диаметр пружины D₁, максимальное перемещение одного витка ;

; жёсткость витка с₁ и силу F₃, отсюда F₂=k₁F₃, где k₁=1,15-1,3.

Пружины растяжения навиваются обычно вплотную и снабжены зацепами в виде крюков. Пружины устанавливают с начальным натяжением, при этом t=1,5d. Эти пружины центрируются лишь точками опоры, что позволяет ей смещаться от исходного положения.