Виды применяемых резьб для соединения стеклопластиковых труб

ВЫБОР ТИПА РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ ТРУБ

Выбор того или иного соединения при проектировании определяется такими факторами как характер и величина нагрузки, размеры труб, физико-механические свойства материалов, условия эксплуатации, стоимость, технологическая реализуемость и т.д. Рациональное проектирование соединительных узлов предусматривает, прежде всего, анализ факторов, влияющих на несущую способность изделий.

Большое влияние на прочность оказывает тип соединения. В резьбовых соединениях большое значение имеют тип резьбы и ее протяжённость, наличие усиливающих элементов и т. д.

Выбранное мной соединение должно применяться для соединения труб в нефтегазовой промышленности, через которые могут перекачиваться так же углекислый газ, кислота и другие химические реагенты. Температура эксплуатации от -50°С до +100°С. Все трубы имеют наружный диаметр 400мм, толщину стенки

24 мм, длину 6м и располагаются в соответствующих зонах скважин. Газовый фактор транспортируемой среды 150 м³/т при давлении 0,1 МПа. Трубы должны быть герметичны в газовой среде при давлении до 4 МПа. Разрушающее, растягивающее осевое усилие по резьбовому соединению «муфта-труба» - не менее 360 Кн [13].

 

Классификация резьб. Их основные параметры и признаки

Резьбы подразделяют по следующим признакам:

1) единица измерения шага (метрическая, дюймовая, модульная, питчевая резьба);

2) расположение на поверхности (внешняя и внутренняя резьба);

3) направление движения винтовой поверхности (правая, левая);

4) число заходов (одно- и многозаходная);

5) профиль (треугольный, трапецеидальный, прямоугольный, круглый и др.);

6) образующая поверхность, на которой расположена резьба (цилиндрическая резьба и коническая резьба);

7) назначение (крепёжная, крепёжно-уплотнительная, ходовая и др. (Рисунок 1.1)).

 

Рисунок 1.1 – Классификация резьб

 

Основные параметры резьбы и единицы измерения:

1. Питчевая резьба - шаг резьбы измеряется в питчах (p"). Для получения числового значения (в миллиметрах) достаточно питч умножить на число пи (π). Модульная и питчевая резьба применяется при нарезании червяка червячной передачи. Профиль витка модульного червяка может иметь вид архимедовой спирали, эвольвенты окружности, удлинённой или укороченной эвольвенты и трапеции.

2. Шаг (P) расстояние между одноимёнными боковыми сторонами профиля, измеряется в долях метра, в долях дюйма или числом ниток на дюйм — это знаменатель обыкновенной дроби, числитель которой является дюймом. Выражается натуральным числом (например; 28, 19, 14, 11);

3. Наружный диаметр (D, d), диаметр цилиндра, описанного вокруг вершин наружной (d) или впадин внутренней резьбы (D);

4. Внутренний диаметр (D1, d1), диаметр цилиндра, вписанного во впадины наружной (d1) или вершины внутренней резьбы (D1);

5. Высота исходного треугольника резьбы (H);

6. Срез резьбы (p);

7. Угол подъёма резьбы (ψ) [8].

 

Виды применяемых резьб для соединения стеклопластиковых труб

Существуют следующие способы получения резьб на деталях из стеклопластика: резанием, напрессовкой, заливкой компаунда, формованием профиля, получение профиля при центробежном формовании и др. Нарезание резьбы также затруднительно, но все же оно иногда выполняется, если утолщение формованной конструкции достаточное и используется винт с крупной резьбой.

Для стеклопластиков нарезание является пока преобладающим способом получения резьб, обеспечивающим необходимую точность резьбы. Однако прочность резьбового соединения, зависящая как от физико-механических свойств материалов соединяемых деталей, так и метода получения резьбы при нарезании, будет ниже, из-за перерезания армирующих слоёв стеклопластика и нарушения целостности слоистой структуры его в районе резьбы.

Тем не менее, метод нарезания резьб резцом находит широкое применение и для стеклопластика имеет свои особенности [3].

 

Таблица 1.1 – Достоинства и недостатки различных типов резьбы

Профиль резьбы	Размеры	Достоинства	Недостатки
Круглый симметричный		Уменьшение концентрации напряжений	Появление радиальных напряжений
Упорный симметричный	По ГОСТу 10177 – 62 d ≥ 60 мм	1. Не создает радиальных усилий при нагрузке; 2. Большая площадь среза. 3. Наибольшая прочность из всех профилей	1. Острый угол создаёт условия для концентрации напряжений и подвергается выкашиванию; 2. Трудность изготовления
Прямоугольный симметричный	d ≥ 60 мм	1. При нагрузке не создаёт радиальных напряжений;	1. Сравнительно низкая прочность из-за наличия ленточной канавки (особенно у симметричного профиля) 2. Трудность получения профиля.
Треугольный симметричный	d ≤ 200 мм α > 60º     γ = 0-5º; β = 40-50º; t = 0,2S;d≥60мм	1.Простота изготовления; 2.Большая площадь среза; 3.Отсутствие ленточной канавки.	1.Наличие радиальных усилий при нагрузке;

 

Профиль и размерность резьбы зависят от свойств соединяемых деталей, их размеров и усилий, действующих на резьбовое соединение (Таблица 1.1). На стеклопластике можно получить резьбу любого профиля, однако следует выбирать резьбы несимметричного профиля, т. к. они обеспечивают наибольшую прочность соединения при допускаемом напряжении 130-150 Па, при напряжении стеклопластика при срезе 1000 Па

При выборе профиля резьбы так же необходимо учитывать толщину стенки трубы. На тонкостенных трубах не рекомендуется применять треугольный и круглый профили, так как под действием осевой растягивающей силы они создают радиальные сжимающие усилия, которые могут превысить допускаемые напряжения и в результате чего оболочка разрушится в зоне резьбы от сдвиговых и радиальных напряжений. На толстостенных трубах принципиальной разницы в выборе вида резьбы нет. Они обладают высокой жесткостью, и действующие радиальные усилия не будут оказывать существенного влияния на прочность резьбового соединения [3],[4].

Известно, что для стеклопластиков допускаемое напряжение в несколько раз меньше, чем для металлов, поэтому для создания равнопрочных резьб применяют несимметричные профили, в частности несимметричные упорные.

 

Типы резьб

В этом разделе рассмотрим три типа профилей резьб, наиболее часто применяемых в изделиях из стеклопластика.

 

Круглая резьба

Профиль круглой резьбы образован окружностями, на вершинах и впадинах, соединёнными прямыми с углом профиля при вершине 30° [8].

 

Рисунок 1.2 – Профиль круглой резьбы

 

В машиностроении эта резьба используется редко, применяется она в основном в соединениях, подвергающихся сильному износу, в загрязненной среде, для водопроводной арматуры, в отдельных случаях для крюков подъемныхкранов, а также в условиях воздействия агрессивной среды.

Такой профиль при действии осевой растягивающей силы создаёт радиальные сжимающие усилия, которые могут значительно превосходить допускаемые напряжения, и труба в районе резьбы разрушается. Эта резьба стандартизована.

 

Треугольная резьба

В соответствии с ГОСТ 6367–81 трубная цилиндри­ческая резьба имеет профиль дюймовой резьбы, т. е. равнобедренный треугольник с углом при вершине, равным 55° (Таблица А.1).

 

Рисунок 1.3 – Треугольный профиль резьбы

 

Резьба стандартизована для диаметров от " до 6" при числе шагов z от 28 до 11.

Трубную резьбу применяют для соединения труб, а также тонкостенных деталей цилиндрической формы. Такого рода профиль (55°) рекомендуют при повышенных требованиях к плотности (непроницаемости) трубных соединений. Треугольные резьбы дают возможность получить плотное соединение.

 

Упорная резьба

Упорная усиленная резьба, S45° с углом наклона боковых сторон профиля 45° и 3°, с номинальным диаметром от 80 до 2000 мм стандартизованная по ГОСТ 24737–81, имеет профиль неравнобокой трапеции, одна из сторон которой наклонена к вертикали под углом 3°, т. е. рабочая сторона профиля, а другая – под

углом 30° (Таблица А.1). Форму профиля и значение диаметров шагов для упорной однозаходной резьбы устанавливает ГОСТ 10177–82. Резьба стандартизована для диаметров от 10 до 600 мм с шагом от 2 до 24 мм и применяется при больших односторонних усилиях, действующих в осевом направлении [5], [8].

 

 

Рисунок 1.4 – Упорная несимметричная резьба

 

Рассматриваемая резьба характеризуется следующими параметрами:

d – наружный диаметр;

d₁ – внутренний диаметр;

t₁ – теоретическая высота профиля;

t – высота профиля;

S - шаг резьбы;

S_в – ширина витка резьбы по наружному диаметру;

r, r₁ – радиусы скругления впадин и вершин резьбы;

β – задний угол профиля;

γ – передний угол профиля.

Особенности упорной специальной резьбы:

1) небольшая глубина впадин t = 0,3S (для стандартных резьб t = 0,86S);

2) отношение ширины витка к ширине впадины по среднему диаметру всегда больше 1.

3) Изменение наружного диаметра в пределах допуска изменяет величину ширину витка резьбы в среднем на 1 %.

Основные параметры упорной резьбы имеют следующие значения:

Шаг резьбы S = 10 (мм);

Передний угол профиля γ = 5º;

Задний угол профиля β = 45º;

Высота профиля t = 0,2S = 2 (мм);

Ширина витка Sв = 7,266 (мм);

Радиус закругления r = 0,05S = 0,5 (мм);

                             r₁ = 0,02S = 0,2 (мм).

Наружный диаметр и шаг резьбы выбирают в зависимости от назначения детали и требований прочности ко всему резьбовому соединению[3].

Итак, исходя из требований, предъявляемых к выбранному соединению и характеристик резьб, применяемых для стеклопластиковых изделий наиболее правильным будет применение упорной несимметричной резьбы. Так как она имеет ряд преимуществ, по сравнению с другими профилями:

1. не создает радиальных усилий при нагрузке;

2. большая площадь среза;

3. наибольшая прочность из всех профилей.

Однако, следует учитывать, что применение того или иного профиля будет зависеть так же и от свойств самого материала, его обрабатываемости, схемы армирования.

Обрабатываемость того или иного материала – понятие комплексное. Ее основные показатели: интенсивность затупления режущего инструмента, характеризуемая скоростью резания при определенной стойкости; качество поверхностного слоя, постоянство размеров в пределах допусков; сила резания ирасходуемая мощность.

Анализ свойств и состава применяемых материалов позволяет выделить основные критерии, по которым их следует относить к той или иной группе обрабатываемости. Это, в первую очередь, тип связующего (термопластичный или термореактивный). Важным фактором является тип наполнителя, т.е. его состав (органический или неорганический), его физическая природа и свойства, и, наконец, - структура наполнителя (волокнистый, листовой, порошкообразный и т.д.) [9].

 

1.4 Особенности процесса резания и формирования поверхностного слоя

Обработка резанием стеклопластика имеет ряд особенностей, отличающих их от аналогичной обработки металлов. Эти особенности сводятся к следующему.

1) Ярко выраженная анизотропия свойств. Это определяет различие процесса резания при обработке вдоль и поперек армирующих волокон. Схема армирования существенно влияет на качество и производительность обработки. Поэтому при разработке технологической операции механической обработки композиционных материалов следует учитывать также направление обработки относительно направления армирования.

2) Сложность получения высокого качества поверхностного слоя. Слоистая структура приводит к тому, что при износе инструментов происходит расслоение материала. Кроме того, при перерезании армирующих волокон, особенно при перекрестном армировании, наблюдается разлохмачивание перерезанных волокон, что приводит к ухудшению качества поверхностного слоя, поэтому иногда применяют дополнительную отделочную операцию, например зачистку шкуркой.

3) Низкая теплопроводность материалов, обуславливающая плохой отвод теплоты из зоны резания со стружкой и в обрабатываемое изделие. Поэтому при обработке высокопрочных композиционных материалов основная доля теплоты отводится через режущий инструмент. Согласно экспериментальным данным тепловой баланс при обработке полимерных материалов следующий: в инструмент – 90 %, в стружку – 5 %, в обрабатываемую деталь – 5 %, в то время как при обработке металлов иногда до 90 % теплоты уносится стружкой и только 10 % поглощается деталью и инструментом.

4) Интенсивное воздействие стекловолокна, обладающего высокой твердостью и абразивной способностью.

5) Высокие упругие свойства. Силы резания при обработке композитов в 10…20 раз ниже, чем при обработке металлов, а упругие характеристики выше, поэтому точность обработки в меньшей мере определяется упругими деформациями системы: станок – приспособление – инструмент.

6) Невозможность применения смазочно-охлаждающих жидкостей. Это обуславливается тем, что большинство стеклопластиков обладает высоким влагопоглощением. Поэтому применение СОЖ во многих случаях влечет за собой введение дополнительной операции – сушки изделия – или вообще недопустимо из – за необратимого изменения физико-механических свойств.

7) Специфические требования техники безопасности при резании композиционного материала. Это связано с выделением мельчайших частиц материала при резании.

Состояние поверхностного слоя играет очень важную роль в обеспечении высоких эксплуатационных показателей изделий. Он оказывает существенное влияние на прочность, износ, диэлектрические показатели, водопоглощение и т.д.

Механическая обработка существенно изменяет свойства поверхностного слоя (в часности, шероховатости). А перерезание армирующих волокон приводит к прочности изделий на 20 %. Шероховатость поверхности влияет как на водопоглощение и прочностные свойства, так и на износостойкость.

Механическая обработка изделий из композитов интенсифицирует процесс водопоглощения. Это происходит за счет того, что при обработке, во-первых, снимается всегда имеющийся на поверхности слой полимеризованного связующего, являющийся как бы защитным слоем; во-вторых, перерезаются армирующие волокна наполнителя; при этом образуются микротрещины и другие дефекты материала, нарушающие его сплошность[9].