автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Влияние радиальной деформации тела гайки, шероховатости поверхности витков и опорного изгибающего момента на жесткость и демпфирующие свойства резьбовых соединений

На правах рукописи

Цхай Эдуард Борисович

ВЛИЯНИЕ РАДИАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ТЕЛА ГАЙКИ, ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ВИТКОВ И ОПОРНОГО ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА НА ЖЕСТКОСТЬ И ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 2 Я ДПР 2013

Томск-2013

005057827

005057827

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Максак Владислав Иванович

Официальные оппоненты:

Максименко Андрей Алексеевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный университет им. И.И. Ползунова», проректор по развитию.

Люкшин Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», заведующий кафедрой механики и графики.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Защита состоится « 22 » марта 2013 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.265.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп.2, ауд. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: Томск, пл. Соляная 2, корп.1

Автореферат разослан «22» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н., профессор А.А. Клопотов Klopotovaa@tsuab.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. История науки доказывает, что теория получает признание лишь тогда, когда подтверждена экспериментом. При большом количестве теоретических работ по резьбовым соединениям экспериментальных работ в этой области явно недостаточно.

Анализ опубликованных работ показал, что в существующих методах расчета жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений не учитываются в совокупности контактные деформации, опорный изгибающий момент и радиальная деформация тела гайки.'

Совокупный учет этих факторов позволит лучше представить закономерности распределения нагрузки по виткам резьбы и определить рассеяние энергии в резьбовом соединении.

Актуальность исследований резьбовых соединений подтверждается аварией на Саяно-Шушенской ГЭС, которая произошла в результате срыва витков резьбы на шпильках крепления крышки гидроагрегата №2.

Целью работы являлось изучение отдельных процессов, протекающих в резьбовом соединении в пределах длины свинчивания с учетом нормальных и тангенциальных контактных деформаций, радиальной деформации гайки и опорного изгибающего момента.

Задачи исследования:

1. На основании эксперимента уточнить деформации в резьбовых соединениях при осевой нагрузке.

2. Разработать методику экспериментальных исследований, спроектировать и изготовить установку для исследования, разработать конструкции датчиков для измерения и исследования деформаций в резьбовом соединении.

3. Определить экспериментально распределение нагрузки по виткам резьбы.

4. Исследовать влияние шероховатости поверхности витков резьбы, радиальной деформации тела гайки и опорного изгибающего момента на жесткость и демпфирующие свойства резьбовых соединений.

5. Разработать способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений.

6. Разработать способ выбора из партии резьбовых соединений образца, лучшего по своим демпфирующим характеристикам.

7. Исследовать причины самоотвинчивания резьбовых соединений.

8. Создать математическую модель резьбового соединения распределения нагрузки по виткам резьбы с учетом контактных деформаций.

Научная новизна работы ..":."

1. Впервые разработана и внедрена методика экспериментального исследования деформаций резьбового соединениями, позволяющая определить перемещения витков гайки относительно витков болта, спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, создан комплекс измерительной аппаратуры.

2. Экспериментально определено распределение нагрузки по виткам двумя способами, признанными изобретениями.

3. Предложены новый способ контроля усилия затяжки, способ определения нагрузки на витки резьбового соединения и измерения сближения шероховатых поверхностей, защищенных патентами на изобретения.

4. Предложен способ выбора образца резьбового соединения для конструкционного демпфирования.

5. Впервые выявлена одна из причин самоотвинчивания резьбового соединения и даны рекомендации, при которых сохраняется усилие затяжки.

Практическая значимость работы заключается в разработке:

- методики определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений с учетом шероховатости поверхности, габаритных размеров тела гайки и опорного изгибающего момента.

- способа прогнозирования самоотвинчивания гайки при осевой переменной нагрузке;

- способа оценки конструкционного демпфирования резьбового соединения, который можно использовать для снижения вибраций.

- методических рекомендаций для конструкторов вырубных штампов в инструментальном производстве.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены на межотр. научно-технич. конф. «Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений» (Ульяновск, 1983 и 1986); Всес. научно-технич. конф. «Прогрессивные методы повышения прочностных характеристик крепежных соединений (Уфа, 1981.); 16 и 17 межд. научно-практич. конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. (Абакан, 2010; Томск, 2011); У1-Й Международной научно-технической конф. «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011).

Полное содержание работы доложено на научном семинаре кафедры строительной механики и межкафедральном научном семинаре строительного факультета Томского государственно архитектурно-строительного университета (ТГАСУ, Томск, 2011 и 2012).

Методика определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых ссоединений внедрена в институте мониторинга климатических и экологических

систем СО РАН; в ООО «Купир» при выполнении строительно-монтажных рабог при монтаже оборудования Томского нефтеперерабатывающего завода; в ОАО «Манотомь» и ОАО «Сибэлектромотор» при конструировании штампов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в т.ч. 3 статьи входящие в перечень ведущих научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК, получены три патента на полезные модели, три патента и авторское свидетельство на изобретения.

Лнчпый вклад автора состоит в постановке задач исследования, выборе методов их решения, проведении всех экспериментов и обобщении результатов исследований. Во всех изобретениях автору принадлежат составление формулы изобретения, изготовление моделей и проведение экспериментов. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Методика определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений в пределах длины свинчивания.

2. Измерительные средства для исследования резьбовых соединений.

3. Способы экспериментального определения распределения нагрузки по виткам резьбы и контроля усилия затяжки резьбового соединения.

4. Результаты исследования влияния радиальной деформации тела гайки, шероховатости поверхности витков и опорного изгибающего момента на жесткость и демпфирующие свойства резьбовых соединений.

5. Способ выбора резьбового соединения, обладающего наилучшими демпфирующими свойствами для гашения колебаний.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения, изложена на 16В страницах, содержит 81 рис. и 1таблицу. Список цитируемой литературы состоит из 171 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит описание исследуемой проблемы, обоснование актуальности, научной новизны и практической значимости. Описаны предполагаемые к исследованию задачи, представлены данные о публикациях и апробации работы, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу истории развития исследований по резьбовым соединениям. Отмечена роль ученых Н.Е.Жуковского, И.А.Биргера, Г.Б. Иосилевича, E.Jacquet, Ь.МааиБсЫса, Н.Л. Клячкина, В.Б. Куклина, В.В. Менга, В.И. Стрижака, В.Б. Жукова, И.С. Антонова и др. исследователей в изучении распределения нагрузки по виткам резьбы. Исследованиям контактных деформаций посвящены работы Д.Н. Решетова, А.П. Соколовского,

И.В. Крагельского, Н.Б. Демкина, А.Г. Суслова, Э.В. Рыжова, З.М. Левиной, В.В. Измайлова, В.И. Максака, A.A. Максименко.

Значительно меньше работ опубликовано по исследованию диссипатив-ных свойств резьбы. Наиболее известные из них были выполнены Я.Г. Пановко и Г.И. Страховым, Д.Н. Решетовым и Н.В. Палочкиной, Н.Г. Калининым.

По результатам анализа выявлено, что расчет распределения нагрузки по виткам резьбы не подтвержден убедительным экспериментом.

Расчет контактных деформаций сложен. Определение конструкционного демпфирования затруднено тем, что контактирующие витки изолированы от непосредственного измерения.

Я.Г. Пановко, Г.И. Страхов, Д.Н. Решетов и Н.В. Палочкина принимают допущение, что болт и гайка из-за эффекта Пуассона изменяют свои поперечные размеры, что приводит к проскальзыванию витков по конической поверхности.

Как показывают эксперименты Дж. Гудьера, Е. Поланда и Э.Б. Цхая радиальные деформации на порядок превышают деформации от эффекта Пуассона, что вносит ошибки при оценке демпфирования в резьбовых соединениях.

Сердюков Б.В., Вольфсон И.И., Перфильева Н.В., Максименко A.A. и другие исследователи, демпфирующую способность резьбовых соединений оценивают по логарифмическому декременту затухающих колебаний.

Приведены задачи исследования.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований, приведены выбор способа оценки рассеяния энергии, образцов для эксперимента, измерительных средств и нагружающих устройств.

Показано, что совокупный учет влияния радиальной деформации, шероховатости поверхности и опорного изгибающего момента позволит уточнить оценку жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений.

В машиностроении наиболее применяемые резьбы имеют номинальный размер от 10 до 24 мм, в нефтедобывающей промышленности до 60 мм. С учетом этого для эксперимента выбраны образцы от М12 до М42 мм. Гайки были изготовлены из стали 45, болты - из стали 38 ХСА. Гайки М12имели размер «под ключ» - 17, 19 22 и 24 мм, высотой 10, 20 и 30 мм. Гайки М36 и М42 выполнены круглыми, диаметром 63 мм.

Для измерения относительных перемещений витков резьбы была разработана и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая создавать циклическую нагрузку до 120 кН (рис.1).

Рис.1. Фотография установки, где на переднем плане самопишущий потенциометр ПДС-021м и нагружающее устройство, далее трехканальный измеритель малых перемещений.

Контроль нагрузки осуществлялся образцовым манометром и тензо-резисторами на штоке гидроцилиндра. Для измерения взаимных перемещений витков был разработан дифференциальный емкостной преобразователь (рис.2). При осевой нагрузке образца изменяются зазоры между средними наружними электродами 1 и 2, которые фиксируется измерительным прибором. Разжимной трубчатый кронштейн 3 устанавливается в отверстие гайки 5, так, а стержень среднего электрода 6 вставлен в коническое отверстие тела болта.

Для измерения радиальной деформации гайки М 12x1,5 был разработан датчик (Рис.3), представляющий из себя кольцо 3 с микрометрическим винтом 2 для настройки, призматической опорой и тензорезисторами 1, накле-

преобразователь

Разработка такого датчика была вызвана необходимостью исключения влияния радиального отверстия для гайки М12х1,5.

В третьей главе приведены виды деформаций резьбового соединения при осевой нагрузке, методика и результаты определения распределения нагрузки по виткам, влияние на жесткость резьбовых соединений шероховатости поверхности витков, радиальной деформации тела гайки и опорного изгибающего момента, математическая модель распределения нагрузки по виткам с учетом шероховатости.

Первым решил задачу о распределении нагрузки Н.Е. Жуковский в 1902г. По его схеме разность осевых деформаций тела болта и тела гайки переходит в разность прогибов витков. Решение задачи с непрерывной резьбой получил И.А. Биргер, которое повторялось им в 1951, 1959 и 1973 гг. Впоследствии было опубликовано много работ по этой теме, но они практически ничего не добавили к решению Биргера И. А. Вместе с тем, заслуживают внимания работы Н.Л. Клячкина и И.С. Антонова, а также В.Б. Жукова, который учитывал опорный изгибающий момент, В.Б. Куклина, отметившего роль контактных деформаций, В.И. Самуля и Л.Б. Быховского по определению податливости витков трапецеидальной резьбы.

В результате экспериментальных исследований определена разность осевых деформаций болта и гайки и относительные перемещения контактирующих витков. Схемы измерений показаны на рис.4 и рис.5 .

Указанные схемы позволяют использовать в уравнении Жуковского — Биргера деформации болта, гайки и витков конкретного резьбового соединения и сравнивать их с расчетными значениями.

Для определения зависимости взаимных перемещений витков от нагрузки у гайки срезаются все витки, кроме одного, находящегося в центре и сверлится радиальное отверстие для емкостного преобразователя.

Рис.4 Схема измерения деформации гайки (слева) и тела болта (справа)

Рис.5. Схема измерения перемещений витков гайки относительно витков болта

Определяют перемещения витка гайки относительно витка болта. Таким образом получают тарировочный график в координатах «осевая нагрузка -относительные перемещения витка». Затем определяют взаимные относительные перемещения у трёх пар витков реального соединения.

Зная относительные перемещения витков и используя тарировочный график, можно определить распределение осевой нагрузки по виткам и, в частности, у опорного, свободного торцов, в середине гайки, что и показанно на рис. 6.

Перемещения витков гайки относительно витков болта, мкм

Рис. 6. Перемещения витков гайки М3бх1,5 относительно перемещений витков болта у свободного (слева), в середине гайки и у опорного торцов (справа)

Предложенный автором способ позволил определить перемещения витков гайки относительно витков болта при осевой нагрузке по высоте гайки, оценить влияние на распределения осевой нагрузки на витки шероховатости поверхности витков, габаритных размеров гайки, номинального диаметра и опорного изгибающего момента.

Рассмотрим перемещения витков после шлифования болта при увеличении нагрузки от 35 до 105 кН. Параметр Иа=2мкм. Нагрузочные и разгрузочные ветви при нагрузке образовывали петли гистерезиса, показанные на рис.7. Вначале образец нагружался до 105 кН с последующей разгрузкой, после чего происходила нагрузка, но уже до 91 кН,

17.35 образец вновь разгружался и т.д.

Рис.7 Относительные перемещения витков резьбы МЗбхЗ. Датчик у опорного торца.

75

85

95

65

45

55

В ходе эксперимента в отдельных случаях наблюдались петли гистерезиса необычной формы, в виде «клюшек», например, на рис.8. В районе 86-87 кН нагрузочные ветви резко меняют свое направление. Изменение угла заметно у всех петель. Здесь к деформациям витков от изгиба добавляются перемещения за счет проскальзывания витков по образующей конической поверхности, когда процесс переходит в скольжение, что сопровождается

радиальной деформацией тела гайки.

35

О 1 2 3 4 5, мкм Рис.8. Резьба МЗбхЗ. Перемещения витков друг относительно друга у свободного торца

Стандартом предусмотрено для одного номинального размера резьбы применение гаек с различными осевыми и поперечными размерами. Известны многочисленные исследования влияния этих параметров гайки на прочность резьбового соединения при статических и переменных нагрузках.

Так, например, в монографии Биргера И. А. утверждается, что увеличение высоты гайки свыше (0,5 - 0,6) <А, где А - номинальный диаметр резьбы, не должно приводить к существенному повышению усталостной прочности, т.к. нагрузка на наиболее нагруженный виток почти не изменяется. Эксперименты А.И. Якушева показали, что увеличение высоты гайки до 2с1 приводит к увеличению значения предельной амплитуды переменного напряжения на 57%.

Таким образом, противоречивые мнения ученых подтверждают, что выбор оптимальных размеров гайки остается актуальным.

Аналитическое решение задачи по определению величины радиальной деформации гайки достаточно проблематично. Гайку можно моделировать толстостенной трубой, нагруженной внутренним давлением и воспользоваться известным решением Лямэ. Однако более предпочтительным будет метод Ритца, учитывающий неравномерное распределение внутреннего давления по оси. Учитывая сложность расчета контактных деформаций по конической винтовой поверхности, неизвестный характер распределения нагрузки по виткам и влияние опорного изгибающего момента, рекомендуется применение экспериментального метода.

В качестве образцов были использованы шпильки и гайки М12х1,5 . Для регистрации деформации гайки использовался датчик радиальной деформации, тензостанция ТА-5 и самопишущий потенциометр, позволяющий

деформации, тензостанция ТА-5 и самопишущий потенциометр, позволяющий записывать петли гистерезиса. Циклическая нагрузка образцов производилась на прессе ZDMU-10. Для регистрации осевой нагрузки применялись тензорезисторы. Датчик позволял измерять радиальную деформацию гайки в любом сечении по высоте с погрешностью до 0,01 мкм.

Результаты измерения абсолютных поперечных размеров гаек М12х1,5 высотой 10 и 30 мм у свободного и опорного торцов показаны на рис. 9. и рис.10.Таким образом, подтверждается, что в процессе нагружения гайка принимает форму усеченного конуса. Так, например, в процессе нагружения поперечные размеры у свободного торца могут сначала увеличиваться, а затем уменьшаться. При разгрузке образца деформация гайки происходит в обратной последовательности. Первый этап можно объяснить относительным проскальзыванием витков вдоль образующей конической поверхности витка, а второй - влиянием опорного изгибающего момента.

Более сложным является зависимость радиальной деформации от поперечных размеров гайки. Для низких и нормальных гаек величина радиальной деформации с увеличением размера под ключ с 17 до 22 мм у опорного торца уменьшается, а в диапазоне от 22 до 24 мм - увеличивается. При исследовании высоких и особо высоких гаек (А>1,5й0 выявлено, что с

увеличением размера «под ключ» от 19 до 22 мм величина радиальной

Рис.9. Радиальная деформация гайки Рис.10. Радиальная деформация гайки

М12х1,5 (8=24, 11=30 мм); а) -у опорного М12х1,5 (8=24, Ь=10 мм); а) -у опорного и

б) - у свободного торца б) - у свободного торца

Дальнейшее увеличение размера до 24 мм приводит к уменьшению радиальной деформации на 27% по сравнению с гайкой из шестигранника 22мм.

Установлено, что контролировать усилие затяжки можно измерением поперечных размеров гайки у опорного торца. Для выяснения причин падения

усилия затяжки использовался емкостной преобразователь у которого плоскости электродов были повернуты параллельно оси резьбы. Это позволило записывать поворот гайки М36х4 относительно болта при осевой циклической нагрузке (рис. 11). При разгрузке до нуля, с каждым циклом происходит разворот гайки на 2,5 мин. Если нагрузка не превысит 7 кН, то петля замыкается и самоотвинчиваниене наблюдается.

кН

9,0 8.0

17'°

¡6,0

§5.0

3,0 2.0 1,0

/

Я (мин)

0 12 3 4 5 6 7 относительный поворот гайки

Рис.11. Угловые перемещения резьбового соединения

В разделе предлагается расчет деформации гайки, связанный с опорным изгибающим моментом и экспериментальная проверка этого расчета. Схема нагрузки резьбового соединения показана на рис.12. На рис. 13.а показаны внутренние силовые факторы, на рис. 13 Ь- схема деформации гайки.

Ми ъ

Рис.12.Схема нагрузки резьбового соединения

Рис.13, а) - схема нагружения;

Ь) - схема деформации

Принимая во внимание, что ц = и то, что элементарная сила <1Р на дуге (к =

Якс1<р равна йР = цйз = —й(р, получим элементарный момент ¿М = йР {Як-гс)

= р(-Кк~Гс)с1<р , здесь = Ок/2 - радиус серединной контактной окружности; 2 п

гс = йс/2 - средний радиус резьбы.

Изгибающий момент относительно оси 2, будет равен

Этот момент действует в любом продольном сечении гайки и нормальное

напряжение а в нижней точке любого сечения будет равно

--(2)

Относительная деформация е в этой точке соответствует закону Гука га/ Е, где Е - модуль упругости. Так как, изменение радиуса Ис окружности нижнего опорного торца равно ЛЯС = еЯС) то угол 0 поворота сечения будет

Для проверки полученных результатов использованы экспериментальные данные представленные нарис.9 и Ю.Так для гайки Н = 30 мм разница в радиальном перемещении наружных точек у опорного и свободного торцов при нагружении до 45 кН составляет 4,5 мкм.Экспериментально полученный угол поворота сечения вэ — 1,5 • Ю-4 рад.

Для гайки высотой 10 мм этот угол составляет:Н= 17-10"3 рад. Расчетное

значение углов поворота: для гайки Н = 30мм

вр = 0,986 -Ю-4 рад. Для сравнения 0Экс. = 1.5 • Ю-4 рад.

Для гайки Н = 10 мм вр = 26,6- 10~4 рад . Сравним вжс, = 17 • 10~4. Близки к расчетному и экспериментальные значения влияния высоты гайки. Так расчетное значение отношения угла поворота 9щ гайки с Н = 10 мм к углу поворота внз с Н = 30 мм составляет величину обратно пропорциональную отношению Нг к Я3 в кубе, а именно:

вн! _ 26,6 _ „ _ Зз _ - Нз.з _ , 30. з внз 0,986 Н/ ^ 10^

Для экспериментальных значений отношение равно ^ = ^ = 11,3 = 2,2443

В целом, различие между расчетными и экспериментальными значениями углов поворота составляет 25-36 % , что можно считать вполне удовлетворительным результатом.

9

а.

1

—% . / /

и ы г

И !

--

12 3 4

Число циклов, млн

Влияние длительности

нагружения на радиальную деформацию гайки изучалось на вибростенде ВС-68 по программе:

0,1- 0,16-0,2-0,25 -- 0,40,6 - 0,8 - 1 -2 -3 -4 и т.д. до 10 млн.

На (рис.14) показаны усредненные значения радиальной деформации гайки М12х1,5

Рис.14. Влияние числа циклов нагружения на радиальную деформацию гайки, где:1)-40 Гц, 2) - 60 Гц

После каждого числа циклов нагружения производились измерения радиальных деформаций при осевой нагрузке. Эксперимент показал, что приработка, ограничивается до 1 млн. циклов. Частота нагружения практически не изменяет радиальной жесткости. Большее влияние имеет количество циклов нагружения. Так, вначале происходит смятие наиболее высоких выступов шероховатостей и радиальные деформации увеличиваются. В дальнейшем начинаются процессы микросхватывания, повышается тангенциальная жесткость контакта и как результат - снижение радиальной деформации.

Влияние шероховатости поверхности на жесткость резьбы исследовались с использованием специальных образцов. Относительные перемещения витков у опорного торца резьбы М36х2 приведены на рис. 15 и рис. 16.

КН

7

|/

г з « 5 /«км

Относительные перемещения витков Рис.15. Шероховатость витков Рис.16. Шероховатость витков болта

болта соответствует ^ = 60 мкм соответствует Я = 2,5 мкм

Как видно из приведенных графиков повышение качества обработки приводит при одинаковой осевой нагрузки к значительному повышению относительного проскальзывания витков резьбы, что способствует увеличению радиальной деформации тела гайки. Это явление подтверждается величиной абсолютных радиальных деформаций гаек М12х1,5 различной шероховатости. Например, у опорного торца образца с &а=2,5 мкм радиальная деформация -2,5 мкм, а при Дг= 60 мкм - она достигает почти 6 мкм.

Учитывая сложность расчета контактных деформаций на распределение нагрузки q по виткам резьбы, нами была разработана математическая модель, позволяющая на стадии разработки изделия учитывать контактные деформации.

Уравнение совместности деформации с учетом контактных деформаций витков имеет вид:

X ( * 1 (2 2 \

е ±с = К -я!"1

0 0 К. У

-2*„Ы-24,Ы- (4)

где коэффициент в выражается через модуль Юнга Е и площади поперечных сечений болта ^,= 0,25 я 4 и гайки ^,= 0,75 5 и-о,25 п ¿¡^ _ внутренний диаметр резьбы, Б - «размер под ключ», Б - диаметр опорной поверхности гайки, dн - номинальный диаметр резьбы) следующим .0 =(А1+А1)/ЕА1А1..

образом: ^^"гИ. коэффициент К находится по формуле

К = (1,5 я- / Л^ДаГз О)5^-через 4(9а) и ¿¡¿(дг) обозначены выражения

<Ш) =

12 <?„

1;

сЬс , 12

сЫ

(5)

(6)

Е > (х + 0,5*у "" Е ' (х + 0,5¡У Дважды дифференцируя равенство (4) по переменной х, получаем уравнение

Ях ■■

2 К

я?

24 ■ 1п 2 -15

/ У

2у + 1 " Е

Ч

Понижая порядок уравнения (7), получаем уравнение

(7)

2 К 24-1п2-15

2у + \

0=±

4 К 2и + 3

24-1п2-15

(8)

содержит интеграл, не выражающийся через элементарные функции, который находился численным методом. Использовались следующие значения параметров: №28 мм, £=2-Ю11 Па, ¿ЕН = 30,8мм, йн=36мм, 5=50 мм, В= 57,1 мм, 0,3,

1=2(1-¡г) / Е, 32 мкм, 7= 0,5 гср , Яа= 0,76 мкм, Яр= ЗЯа, А'3=0,7 ,£т=0,5 , у=2. Нагрузка и варьировалась на интервале (50...300) кН.

На рис. 17 приведены результаты вычислений и результаты эксперимента для резьбового соединения М3бх4 с размерами гайки с О нар-70 мм.

На рис. 18. показаны результаты расчетов распределения нагрузки на витки в зависимости от параметров шероховатости поверхности.

Применение математической модели позволяют определить влияние шероховатости витков резьбового соединения на распределение осевой нагрузки для различных видов резьбы на стадии разработки. Например, из 2-х вариантов при равных наружных размерах гайки выбрать резьбу МЗбхЗ с ЛгЗО мкм или М42хЗ с шероховатостью витков Яа2 мкм, который обеспечит более надежное резьбовое соединение, обладающее наименьшей податливостью.

Рис. 17. Распределение расчетного осевого усилия на витки резьбового соединения от свободного до опорного торца, с учётом только деформаций витков. • - результаты эксперимента для нагрузки Р = 100 кН

1 -/• = 21 Ш, Я„ = 2 мкм

2-Р = 2\кН, Яа = 20мкм

3 - *= 49 Ш, Я, = 2 мкм

4-.Г-49 кН, Я = 20 мкм

10 15 20 х, мм

25 30

Рис. 18. Распределение осевого

усилия на витки резьбового соединения с учетом шероховатости поверхности витков Яг = 2 и 20 мкм

В 4-й главе приводятся теоретические и экспериментальные исследования рассеяния энергии в резьбовых соединениях при циклическом нагружении, влияние параметров резьбы на диссипацию энергии. Установлено, что в сечении у опорного торца при осевом нагружении поперечные размеры гайки увеличиваются практически сразу, т.к. для метрической резьбы угол профиля 60° значительно превышает угол конуса трения покоя. В сечении у свободного торца поперечные размеры гайки изменяются в зависимости от

размера «под ключ» и высоты гайки (Рис.9 и Рис.10). В общем случае относительные перемещения витков болта и гайки при восходящей и нисходящей ветвях петли гистерезиса в любом сечении по высоте могут быть определены по формуле

4 = лв+л,.+4, (п)

где Лп - перемещения при нагружении, а - перемещения при разгрузке; Лг-перемещения за счет радиальной деформации гайки;, перемещения от контактных

деформаций при действии наклонных сил вне конуса трения.

Для определения гистерезисных потерь за один цикл нагружения, кроме относительных перемещений, необходимо знать нормальное контактное давление которое в первом приближении можно вычислить, используя закон Биргера по распределению нагрузки по виткам. Наличие зависимости перемещений ^пот осевой нагрузки () позволяет определить рассеяние энергии:

^Г'^пШ-^ШШ ,(12)

Исследовались образцы резьбы М12х1,5 и образцы М36 и М42 с наружним диаметром гайки 60, 65 и 70 мм с различными параметрами резьбы. Некоторые результаты экспериментов приведены в таблице.

1 М36х2 Днар=70 мм 21-49 17 41,65 21

2 М36х2 Д нар=65 мм 6 18 14

3 М36х2 Днар.= 60 мм 21-49 8 28 12,2

4 М36х1,5 Днар=70 мм 112=40 мкм 14-42 21 53,34 17

5 М36х1,5 Днар=70; 11а=2мкм 14-42 19 20,43 13

6 М42х2 опорный торец Днар.=70мм 35-105 65,5 322,4 12,4

7 М42х2; свободн.торец Днар ~70мм 35-105 43 192 7,34

8 М42х2; свободн. торец Днар.=70мм 40-94 27 120,6 4,3

9 М42х2; свободн. торец Днар.=70мм 52-89 10 44,68 1,4

10 М12х1,5 8=19; Ь=10 20-40 23,4 21,39 Радиальн. деформац.5,4 мкм

11 М12х1,5 8=22;Ь=10 20-40 21 18,98 5,2 мкм

12 М12х1,5 8=24; Ь=10мм 20-40 19,8 18,8 4,9 мкм

13 М12х1, Ка=2,5мкм 28-49 13 28,7 2,5 мкм

14 м 12X1,5 Кг=60 мкм 28-49 20 42,6 5,8 мкм

15 М12х 1,5 свободн. торец 8=19; Ь=10 0-49 8,2 175,2 11,45мкм

16 М12х1,5; свободн. торец. 8=19; Ь=20 0-49 8 168,8 16,85 мкм

18 М12х1,5;8=22мм,Ь=20; Дотв. под болт=12,5 21 -105 61 96,99 4,7 мкм

19 М12х1,5; 8=22ммЬ=20; Дотв.под болт=14мм 21 - 105 41,5 65,15 2,96 мкм

Лг=40 до Яа=2 мкм, приводит к снижению поглощаемой энергии в резьбе с 53,34кН-мкм/см2 до 20,43 кН-мкм/см2. То же самое подтверждается с образцами М 12x1,5 при изменении параметров шероховатости от Яг=60 мкм до 11а=2,5.. При этом демпфирующая способность уменьшилась в 1,5 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Анализ работ по резьбовым соединениям выявил, что:

1 .Исследования по распределению нагрузки по виткам резьбы носят преимущественно теоретический характер; отсутствуют работы, учитывающие в комплексе влияние шероховатости поверхности витков по винтовой поверхности, радиальной деформации тела гайки и опорного изгибающего момента;

2.На период исследования отсутствовали экспериментальные работы с автоматической записью петель гистерезиса;

3. В расчетах контактных деформаций используются формулы для определения сближения плоских, а не винтовых конических поверхностей;

4. Вывод В.Б. Куклина, что «при нагрузках близких к нулю, когда контактная податливость очень высокая, нагрузка по виткам распределяется почти равномерно» не имеет практического значения, т.к. фактическая нагрузка в резьбе достигает 60-80 процентов от предела текучести;

Результаты работы

1. Сконструированы и изготовлены установка для исследования, датчики, приборы и оборудование, разработана методика определения деформаций тела гайки и относительных перемещений витков резьбы, поворота гайки относительно болта, позволяющая оценить влияние шероховатости поверхности, радиальной деформации гайки, опорного изгибающего момента

2. Впервые предложены и внедрены способы определения распределения нагрузки на витки, контроля усилия затяжки, устройство для измерения

сближения шероховатых поверхностей, датчик радиальной деформации и дифференциальный емкостной преобразователь, защищенные патентами РФ.

3. Предложен способ выбора из партии резьбовых соединений, образца, обладающего наилучшими демпфирующими свойствами.

4. Исследовано явление самоотвинчивания при осевой циклической нагрузке.

5. Разработаны методические рекомендации « О резьбовых соединениях» для конструкторов вырубных штампов в инструментальном производстве, которые внедрены на заводах ОАО «Манометр» и ОАО «Сибэлектромотор».

6. Изобретение дифференциального емкостного преобразователя и датчика радиальной деформации позволило автоматизировать запись петель гистерезиса при исследовании рассеяния энергии в резьбовом соединении.

Основные выводы

1. Не подтверждается вывод Паланда [168] о том, что в процессе осевого нагружения гайка уменьшает у свободного торца поперечные размеры. Это не соответствует результатам эксперимента для высоких гаек.

2. Фактическое распределение нагрузки по виткам более равномерное, чем по закону гиперболического косинуса.

3. Не подтверждается вывод в работе Биргера И.А. о том, что при одинаковой осевой нагрузке интенсивность распределения её по высоте для нормальных и высоких гаек отличается незначительно. При более равномерном распределении нагрузки, уменьшение высоты гайки, (к примеру, в п раз) приводит к увеличению интенсивности распределения нагрузки (почти в п раз).

4. Увеличение высоты гайки приводит к снижению нагрузки на опорном витке, что снижает и их радиальную деформацию. В свою очередь это увеличивает её изгибающую жесткость. В результате первоначальное увеличение высоты за счет образования конусности приводит к увеличению разности радиальных размеров у опорного и свободного торцов, т.е. к увеличению радиальной деформации у оперного торца В дальнейшем влияние увеличения изгабной жесткости начинает доминировать и рост радиальной деформации у опорного торца снижается.

5. Для высоких и особо высоких гаек с увеличением радиальных размеров при постоянном номинальном диаметре резьбы величина поперечной деформации гайки сначала возрастает, а затем снижается. Связано это с тем, что с увеличением размера увеличивается не только роль изгибающего момента, но и растет радиальная жесткость гайки. При этом накладываются два влияния.

6. Увеличение наружных размеров гайки приводит к увеличению взаимных относительных перемещений витков вследствие увеличения её жесткости и перераспределению нагрузки по виткам.

7. Осевое циклическое нагружение затянутого соединения приводит к циклическому знакопеременному угловому микроперемещению гайки, несмотря на одностороннюю угловую направленность подъема витков резьбы. В зависимости от соотношения амплитуды циклического нагружения и среднего усилия эти микроперемещения могут иметь либо замкнутую гистере-зисную петлю, когда не происходит самоотвинчивание, либо не замкнутую, когда происходит самоотвинчивание.

8. В процессе осевого нагружения резьбового соединения происходит два переходных процесса взаимных перемещений контактирующих витков: первый период нагружения - деформация контакта за счет микронеровностей шероховатой поверхности нагруженного одновременно сжимающими и сдвигающими нагрузками ;второй - при дальнейшем увеличении нагрузки взаимное проскальзывание контакифукшшх, поверхностей за счет радиальной деформации гайки.

9. Значительное влияние на уменьшение поперечного сечения гайки у свободного торца оказывает опорный изгибающий момент.

10. Если у опорного торца при осевом нагружении происходит увеличение поперечных размеров, то у свободного торца изменения могут происходить в три этапа: увеличиваться, сохранять свои размеры, затем уменьшаться.

11. Знакопеременное изменение радиальных размеров сечения гайки у свободного торца связано с двумя переходными процессами взаимных перемещений контактирующих витков: в зоне предварительного смещения и в зоне проскальзывания.

12. При разгрузке соединения этапы изменения размеров сечения происходят в обратной последовательности.

13. Исследование многоциклового нагружения в интервале частот 40-60 Гц не обнаруживает их влияния на контактные деформации в резьбе. Значительные изменения этих деформаций происходят в процессе приработки на протяжении первых десятков тысяч циклов и до 1 млн.

14. Увеличение поперечных размеров гайки приводит к увеличению рассеивания энергии.

15. Улучшение качества поверхности снижает рассеяние энергии.

16. Математическая модель распределения нагрузки по виткам с учетом шероховатости поверхности удовлетворительно соответствует экспериментальным данным.

Основные публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Цхай Э.Б. Измерение перемещений при исследовании жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений // Доклады Томского государствен-

20

ного Университета систем управления и радиоэлектроники. -2009. — Т.2. -С.65-68.

2. Максак В.И., Цхай Э.Б. О деформации резьбового соединения при осевом циклическом нагружении // Ползуновский вестник. - 2010. - №4. - С.257-261.

3. Максак В.И., Черепанов Д.Н., Цхай Э.Б. Распределение нагрузки в винтовом соединении с учетом шероховатости поверхности витков / Вестник ТГАСУ, 2012.-№ 1. - С.94-99.

Авторские свидетельства и патенты на изобретения

4. A.c. 720290 СССР, МКИ G01B 7/08. Дифференциальный емкостной преобразователь / Цхай Э.Б., Советченко Б.Ф., Талантов В.Г. - опубл. 5.04.1980. Бюл. №9.

5. Патент на полезную модель 93145 МПК G01B7/34. Устройство для измерения сближения шероховатых поверхностей / В.И. Максак, Э.Б. Цхай. -заявлено 14.12.2009; опубл. 20.04.2010. Бюл. № 11.

6. Патент на изобретение №2401423, МПК G01L 5/24 Способ контроля усилия затяжки / В.И. Максак, Э.Б. Цхай. - заявл. 01.09.2009, опубл. 10.10.2010. Бюл. № 28.

7. Патент на полезную модель 90893 МПК G01B 7/16 Датчик радиальной деформации / В.И. Максак, Э.Б. Цхай. - опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.

8. Патент на изобретение. № 2436053 МПК G01L 5/24 Способ определения нагрузки на витки резьбового соединения / Э.Б. Цхай, В.И. Максак, Д.Н. Черепанов. - заявл. 24.05.2010, опубл. 10.12.2011. Бюл. № 34.

9. Патент на полезную модель № 114525 МПК G01L5/24 Устройство для определения нагрузки на витки резьбового соединения /' Цхай Э.Б., Столберов Л.Е.

- заявл. 06.12.2011, опубл. 27.03.2012. Бюл. № 9. Прочие публикации

10. Цхай Э.Б. Исследование способности резьбового соединения / межвуз. науч. сб. // Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений. Ульяновск: изд-во Саратовского ун-та, 1980. - С.95-99.

11. Цхай Э.Б.Радиальная деформация гайки // Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений/ межвуз. науч. сб. - Саратов, 1983. - С. 3-8.

12. Цхай Э.Б. Определение нагрузки по виткам резьбы. Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: сб. докл. 16-й межд. научн. практ. конф. Абакан, 2010,- С.143-145.

13. Максак В.И., Цхай Э.Б. О рассеянии энергии в резьбовом соединении. Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: сб. докл. 16-й межд. научно-практ. конф. Абакан, 2010. - С.146-148.

14. Максак В.И., Максак Т.В., Цхай Э.Б. О влиянии опорного изгибающего момента: сб. докл. 17-й межд. научно-практ. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». - Томск. - 2011. - С.64-67.

15. Цхай Э.Б. Оптимальное демпфирование резьбовыми соединениями //'труды VI Международной научн. технич. конф. «Современные проблемы машиностроения», Томск. - 2011. - С. 143-146.

16. Петров E.H., Цхай Э.Б. Применение дилатометрических эффектов для повышения равномерности распределения нагрузки по виткам резьбы - В кн.: Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений. Динамика и расчет резьбовых соединений. Межвуз. научн. сб. изд-во Саратовского ун-та, 1986,-С. 59-62.

Отпечатано с оригинал макета заказчика в «Томском ЦНТИ» Россия, г. Томск, пр. Фрунзе,115/3. Тел.: 44-40-50 Заказ №141. Тираж ЮОэкз.

На правах рукописи

Цхай Эдуард Борисович

04201355188

ВЛИЯНИЕ РАДИАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ТЕЛА ГАЙКИ, ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ВИТКОВ И ОПОРНОГО ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА НА ЖЕСТКОСТЬ И ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.И. Максак

Томск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................... ...„г:...!..................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................11

1.1. История исследований по резьбовым соединениям......................................................11

1.2. Обзор работ по контактным деформациям..........................................................................14

1.3.Исследования демпфирующих свойств резьбовых соединений......................18

1.4.3адачи исследования..................................................................................................................................22

1.5. Выводы по главе 1 ......................................................................................................................................22

2.МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИБОРЫ............................................................24

2.1. Обзор работ по методике теоретического исследования........................................24

2.2. Методика экспериментальных исследований..................................................................26

2.2.1 Выбор средств измерений................................................................................................................26

2.3.Выбор образцов..........................................................................................................................................31

2.4. Экспериментальная установка......................................................................................................33

2.5. Тарировка измерительных приборов и оценка погрешностей..............................37

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЖЕСТКОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ............44

3.1. Теоретические исследования контактных деформаций..........................................44

3.2.Деформации резьбового соединения при осевом нагружении......................................47

3.2.1. Определение распределения осевой нагрузки по виткам резьбы..................51

3.2.2. Перемещения витков гайки относительно витков болта......................................55

3.3.Влияние геометрических параметров гайки на жесткость резьбовых соединений......................................................................................................................................................................60

3.3.1. Влияние высоты гайки на радиальную деформацию гайки ........................62

3.3.2. Влияние поперечных размеров на радиальную деформацию..........................66

3.4. Влияние усилия затяжки. Механизм самоотвинчивания............................................68

3.5.Опорный изгибающий момент и его влияние на радиальную деформацию

гайки и относительные перемещения витков..........................................72

3.6.Влияние многоциклового нагружения на радиальную деформацию гайки 75

3.7. Влияние шероховатости поверхности витков на жесткость резьбы................80

3.8. Зависимость взаимных относительных перемещений витков от программы их нагружения............................................... .................................83

3.9. Применение дилатометрических эффектов для повышения равномерности распределения нагрузки по виткам резьбы..............................................................85

3.10. Математическая модель распределения нагрузки по виткам ........................86

3.11.Выводы и результаты по главе 3..........................................................................................92

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ РЕЗЬБОВОГО

СОЕДИНЕНИЯ......................................................................................................................................................95

4.1.Модели резьбовых соединений при исследованиях....................................95

4.2.Экспериментальные исследования сближения плоских шероховатых

поверхностей..............................................................................................................................................................102

4.3.Экспериментальные исследования демпфирующих свойств резьбовых

соединений..................................................................................................................................................................105

4.3.1. Влияние параметров резьбы на диссипацию энергии............................................106

4.4. Демпфирование резьбовыми соединениями....................................................................111

Выводы и результаты по главе 4............................................................................................................113

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ПРОЧНОСТИ И ОЦЕНКЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ..................115

6. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ..........................................................................116

7.ЛИТЕРАТУРА ..........................................................................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................135

.- методические рекомендации для конструкторов. Резьбовые соединения -

- Авторское свидетельство на изобретение и патенты РФ............

- Акты внедрения ООО «Манотомь», института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, ООО «Купир» и ОАО «Сибэлекгромотор»......

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность гтоблемы

V А

История развития науки подтверждает, что теория всегда опирается на эксперимент и получает признание лишь тогда, если проверена экспериментом. Существует огромное количество теоретических работ по резьбовым соединениям при весьма скромных экспериментальных результатах. Именно поэтому, несмотря на то, что резьбовые соединения являются древнейшими деталями машин, их изучение продолжается до настоящего времени. Это объясняется тем, что более 60% деталей машин крепятся резьбовыми соединениями, выход которых из строя приводит к простою всей машины или повреждению других деталей.

Важнейшими показателями качества машин, приборов и аппаратуры являются жесткость и демпфирующие свойства сочленений. Если податливость болтов можно определять экспериментально или расчетными методами, то диссипативные характеристики резьбовых соединений требуют дополнительного изучения, т.к. перемещения витков резьбы гайки относительно перемещений витков болта исследованы еще недостаточно. В свою очередь, расчеты прочности и долговечности резьбовых соединений не могут обойти вопрос о деформации тел соединения и витков резьбы. Экспериментальные работы по определению перечисленных деформаций малочисленны и не обладают необходимой достоверностью.

Изучение жесткости и демпфирующей способности резьбовых соединений в пределах длины свинчивания затруднено тем, что в процессе деформации резьбы участвуют поверхностные слои, а контактирующие витки изолированы от непосредственного наблюдения и измерения.

Анализ опубликованных работ показал, что в существующих методах

расчета жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений

учитываются не все факторы, влияющие на указанные параметры резьбы, в

том числе нормальная и тангенциальная контактные деформации, опорный

изгибающий момент и радиальная деформация тела гайки

5

Наиболее близкие работа по тёмё дйссертации [3,4,8Д 1,19,26,27,46,47,49, 50,52,55,88,89,97,108,105,110,120,125,126,141] были выполнены 20-30 лет назад. За последующий промежуток времени исследования закономерностей контактной жесткости и теории предварительного смещения [56,64,66,70,71,76,87] получили существенное развитие, что предоставило возможность учесть контактные деформации в расчете распределения нагрузки по виткам резьбы.

Основным в расчете резьбовых соединений является решение задачи о распределении осевой нагрузки по виткам резьбы. Н.Е. Жуковский [35] первым предложил для расчета обычного болтового соединения дискретную схему. Свои решения получили, используя замещающую систему уравнений в конечных разностях, E.Jacguet [155] и L. Maduschka [160], но их решения приводят к громоздким конечным формулам.

Достаточно простое дифференциальное уравнение совместности деформаций витков болта и гайки, сжатия гайки и растяжения болта, в пределах длины свинчивания дал И.А. Биргер [10]. Его решение позволяет определить изменение интенсивности осевых сил по высоте гайки и имеет неоспоримое достоинство по сравнению с кольцевыми витками по схеме Жуковского, т.к. дает возможность определять нагрузку не только на опорном торце, но и на любом уровне по высоте.

Анализ литературы за последующие годы приводит к выводу, что многочисленные исследователи резьбовых соединений практически ничего не добавили к решению задачи И. А. Биргера о распределении нагрузки.

Развитие учения о контактных деформациях предоставляет возможность учесть в деформациях резьбового соединения более точно деформации от сближения шероховатых поверхностей контактирующих витков.

Отсутствие четких представлений о деформациях тела гайки и их влиянии на распределение нагрузки по виткам резьбы приводит к тому, что большинство исследователей принимают во внимание лишь отдельные факторы, влияющие на жесткость и диссипативные характеристики резьбы.

Очевидно, что совместный учет опорного изгибающего момента, радиальной деформации гайки, контактных деформаций, относительных перемещений витков, геометрических параметров витка и длительности нагружения позволят, наиболее полно представить закономерности распределения нагрузки по виткам и определить рассеяние энергии в соединении.

Группа ученых (Пригоровский Н.И. и др.) [103] утверждают, что «задачу о напряженном состоянии реальных резьбовых соединений решить расчетными методами невозможно.., все указанные методы основаны на упрощающих допущениях, которые не позволяют учесть все существующие особенности работы резьбовых соединений. Поэтому проведение расчета должно сочетаться с экспериментальным исследованием напряжений в соединении».

Актуальность исследований резьбовых соединений подтверждается аварией на Саяно-Шушенской ГЭС, которая произошла в результате срыва витков резьбы на шпильках крепления крышки гидроагрегата. По выводам государственной комиссии авария привела к гибели 75 человек и ущербу в 42 млрд. рублей. [7].

Целью работы является изучение некоторых физических процессов, протекающих в резьбовом соединении в пределах длины свинчивания с учетом нормальных и тангенциальных контактных деформаций, радиальной деформации гайки и опорного изгибающего момента.

Задачи работы

1.На основании анализа литературных источников и экспериментальных исследований уточнить деформации в резьбовых соединениях.

2.Разработать методику экспериментальных исследований; изготовить установку для исследования жесткости резьбового соединения и разработать конструкции датчиков для измерения деформаций в резьбовом соединении.

3.Экспериментальным способом определить распределение осевой нагрузки по виткам резьбы.

4. Исследовать влияние шероховатости поверхности резьбы, радиальной деформации тела гайки и опорного изгибающего момента на жесткость и демпфирующие свойства резьбового соединения.

5. Создать математическую модель резьбового соединения для расчета распределения нагрузки по виткам резьбы с учетом контактных деформаций.

6. Исследовать механизм самоотвинчивания резьбового соединения.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана методика экспериментального исследования резьбового соединения, позволяющая определить перемещения витков гайки относительно витков болта, спроектирована и изготовлена установка, создан комплекс измерительной аппаратуры для проведения исследований.

2. Впервые экспериментально определены радиальная деформация гайки и перемещения витков гайки относительно витков болта при осевом циклическом нагружении резьбового соединения в автоматическом режиме.

3. Разработанные автором датчик радиальной деформации тела гайки, устройство измерения сближения шероховатых поверхностей, способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений, дифференциальный емкостной преобразователь перемещений, способ и устройство определения нагрузки по виткам резьбы, защищены патентами на изобретения.

4. Предложенные способы экспериментального определения распределения нагрузки по виткам для резьбового соединения с использованием дифференциального емкостного преобразователя и устройство для определения нагрузки на витки резьбового соединения при помощи резьбовой вставки, признаны изобретениями.

5. Выявлен один из механизмовсамоотвинчиваниярезьбового соединения.

6. Разработана методика экспериментального определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений.

Практическая значимость работы , завйючается в разработке методики определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений с учетом шероховатости поверхности, габаритных размеров тела гайки и опорного изгибающего момента, что позволяет уточнить расчет на прочность резьбовых деталей при разработке машин и механизмов.

Предложены экспериментальные способы определения распределения нагрузки по виткам резьбового соединения, признаны изобретениями.

Разработанная методика измерения поворота болта относительно гайки, позволяет прогнозировать самоотвинчивание гайки при осевой пульсирующей нагрузке.

Предложен новый способ оценки конструкционного демпфирования резьбовыми соединениями, который можно использовать при выборе наиболее эффективных резьбовых соединений для снижения вибраций.

Использование указанных методик при конструировании новых устройств позволит прогнозировать их работу на начальной стадии проекта.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены на научно-техническом совещании «Контактная жесткость в машиностроении» (Куйбышев, 1977); межотраслевой научно-технической конференции «Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений» (Ульяновск, 1978); Всес. науч.-технич. конференции «Проблемы обеспечения технологичности конструкций в машиностроении» (Брянск, 1980.); Всес. научн.-технич. конф. «Прогрессивные методы повышения прочностных характеристик крепежных соединений (Уфа, 1981.); 16 и 17 междунар. научн.-практич. конференциях «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». (Абакан, 2010; Томск, 2011); VI Международной науч.-техн. конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2011).

Полное содержание работы доложено на научном семинаре кафедры строительной механике (2012) и межкафедральном семинаре строительного факультета Томского государственно архитектурно-строительного университета (Томск, 2012 г.).

Методика определения жесткости и демпфирующих свойств резьбовых соединений внедрена в институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (г. Томск); в ООО «Купир» при выполнении строительно-монтажных работ, в т. ч. при установке и монтаже оборудования Томского нефтеперерабатывающего завода в с. Семилужки и подвесной канатной дороги ППКД-25 в п. Шерагаш Кемеровской области; в ОАО «Сибэлектромотор» и ОАО «Манотомь» при разработке и конструировании штампов в инструментальном производстве (г. Томск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в т.ч. 3 статьи входящие в перечень ВАК для докторских и кандидатских диссертаций, получены три патента на полезные модели, три патента и авторское свидетельство на изобретения.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, выборе методов их решения, проведении всех экспериментов и обобщении результатов исследований. Во всех патентах и изобретениях автору принадлежат идеи, составление формулы изобретения, изготовление моделей и проведение экспериментов.

В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты и выводы, сформулированные в диссертации.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения изложена на 150 страницах, содержит 81 рисунок и 1 таблицу. Список цитируемой литературы состоит из 171 наименований.

ю

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. История исследования резьбовых соединений

Жесткость и демпфирующие свойства резьбовых соединений тесно связаны с задачей распределения нагрузки по виткам резьбы. Общепризнано, что решение задачи о распределении нагрузки впервые опубликовал Жуковский Н.Е. в 1902 г.[41]. Это решение повторили за границей в 1931 г. Jacquet Е. [155] ив 1936 г. MaduschkaL. [160].

В оригинальной работе К.И. Коленчук [55], сделал следующие выводы:

- чем больше коэффициент податливости гайки и болта, тем неравномернее распределение усилий по высоте гайки;

- чем больше податливость витков, тем равномернее распределение нагрузки по виткам;

- распределение осевой нагрузки более равномерно при увеличении модуля упругости и увеличении шага резьбы.

До деформации После деформации

Рис. 1.1. Модель резьбового соединения по Жуковскому Н.Е. где 8г{Х) + 82 - сумма прогибов витков болта и гайки в сечении Ъ\ 5Х(0) + 52(0) - то же, в сечении 2=0. Аг - удлинение болта на участке АВ, Л2 -сжатие гайки на участке СД

Уравнение совместности деформаций может быть записано в виде

Лг + Л2 = [ 8г{7) + 82{Т) ] - [ ^(0) + 82(0)] (1.1.),

т.е. разность осевых деформаций тела болта и тела гайки компенсируется разностью прогибов витков. За пять лет до опубликования работы[159] решение задачи о распределении нагрузки по виткам для модели с непрерывной резьбой получил И.А. Биргер, к�