Особенности технологии сборки узлов при ремонте машин

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.3-1/-9
В.Л. Соловьев, С.А. Корнилович
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ УЗЛОВ ПРИ РЕМОНТЕ МАШИН
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Рассказано об основных неисправностях, возникающих в процессе эксплуатации сельхозтехники при неточной и неравномерной затяжке резьбовых соединений при сборке узлов. Рассмотрены недостатки контроля
усилия затяжки резьбовых соединений по вращающему моменту, а также теоретическая зависимость момента
от усилия затяжки. Указан способ повышения точности контроля усилия затяжки по вращающему моменту.
Ключевые слова: резьбовое соединение, момент затяжки, усилие затяжки, коэффициент трения, динамометрический ключ.
Введение
Недостаточная надежность существующей сельскохозяйственной техники приводит к
снижению ее производительности, значительному недобору и потерям продукции, увеличению непроизводительного времени и средств на обеспечение ее работоспособности [1].
В конструкциях машин резьбовые соединения составляют 15–25% от общего количества. Для них характерны простота и удобство сборки (разборки), универсальность и взаимозаменяемость. Для надежного и герметичного соединения узла главным условием при сборке
резьбовых соединений является обеспечение точности и равномерности распределения расчетного усилия предварительной затяжки. Особенно важно выполнить данное условие, если
соединение подвержено переменным внешним нагрузкам. Предварительная затяжка (далее
усилие затяжки) создает определенное контактное напряжение на стыке соединяемых деталей, обеспечивая этим необходимую плотность и герметичность стыка [2].
Надежность резьбового соединения характеризуется точностью реализации расчетного
усилия затяжки, стабильностью усилия в период эксплуатации, равномерностью распределения усилий затяжки в групповом резьбовом соединении. С увеличением усилия затяжки
прочность и долговечность соединения повышается, однако необходимо учитывать допустимое напряжение материала болта на растяжение. Степень предварительной затяжки определяется внешней нагрузкой.
В результате недостаточной и неравномерной затяжки резьбовых соединений в процессе работы машины наблюдается повышенная вибрация, разгерметизация стыков узлов, интенсивный износ и разрушение резьбовых соединений, деформация стянутых деталей. Такая
неточность сборки приводит к последующему трудоемкому и нередко дорогостоящему ремонту. До 70% повреждений соединяющих болтов (например, шатунных) – это результат неточной затяжки [3].
Соловьев В.Л., Корнилович С.А., 2012
111
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
По данным испытаний сельхозтехники, выпускаемой отечественными производителями, неточная сборка является причиной 10–20% всех отказов. Отказы многих тракторов – в
2–3 раза превышает нормативный показатель, т. к. более половины из них имеют течь рабочих жидкостей, повреждения различных прокладок и т. д. [4].
Контроль усилия предварительной затяжки в большинстве случаев осуществляют методом приложения вращающего момента. Преимущества метода в простоте его осуществления, а также большой номенклатуре инструмента (предельные и динамометрические ключи
и т. д.). Однако недостатки данного метода могут существенно влиять на точность усилия
затяжки. Поэтому существует необходимость в обеспечении точности и равномерности распределения усилий при затяжке резьбовых соединений методом приложения вращающего
момента.
Особенности контроля усилия по моменту затяжки
При эксплуатации машин детали, стянутые резьбовыми соединениями, испытывают
значительные упругие деформации. Предварительная затяжка должна быть такой, чтобы упругие деформации деталей соединения при установившемся режиме работы машины находились в определенных пределах, обусловленных конструктивными особенностями [3].
Метод приложения вращающего момента заключается в создании на гайке (болте) вращающего момента (момента затяжки ТКЛ), косвенно обеспечивающего необходимое усилие
затяжки по определенной зависимости. Кратко данную зависимость можно представить следующим образом. Момент затяжки расходуется на преодоление сил трения на опорной поверхности гайки (головки болта) и в резьбе [5].
TКЛ TТ TР ,
(1)
где TТ – момент сил трения на опорной поверхности гайки (головки болта) [Нм];
TР – момент сил трения в резьбе [Нм].
Момент трения на опорной поверхности гайки
TТ fT F0 RT ,
(2)
где fT – коэффициент трения на опорной поверхности гайки;
F0 – усилие предварительной затяжки [H];
RТ – приведенный радиус трения (зависит от формы торца), мм.
Приведенный радиус трения
(3)
RТ D1 / 2 ,
где D1 – диаметр опорной поверхности гайки, мм.
Момент трения в резьбе (рисунок):
TP 0,5 RA d 2 0,5 d 2 F0 tg(
),
(4)
где R A – окружное усилие [H];
d 2 – средний диаметр резьбы, мм;
– угол подъема резьбы;
– угол трения.
Угол подъема резьбы
(5)
P / ( d2 ) ,
где P – шаг резьбы, мм.
Угол трения
(6)
arctg( f P ) ,
где f P – приведенный коэффициент трения в резьбе.
Приведенный коэффициент трения зависит от вида резьбы (для метрической резьбы)
(7)
f P f / cos( / 2 ) ,
112
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
где f – коэффициент трения фрикционной пары;
– угол профиля резьбы.
Преобразуя выражение (4), получим
TP
0,5 d 2 F0 ( f P
P
).
d2
(8)
Схема сил в винтовой паре
Подставив выражения (2) и (8) в выражение (1), получим расчетную формулу зависимости момента на ключе (момента завинчивания) от усилия затяжки
D
P
.
(9)
TКЛ TЗАВ 0,5 F0 d 2 ( f T 1 f P ) F0
d2
2
Момент отвинчивания меньше момента завинчивания на величину тангенса угла подъема винтовой линии
D
P
.
(10)
TОТВ 0,5 F0 d 2 ( f T 1 f P ) F0
d2
2
Из формулы (9) следует, что при неизменных коэффициентах трения сила затяжки пропорциональна моменту на ключе. В действительности коэффициенты трения зависят от загрязнения (коррозии), величины контактного давления, вида покрытия резьбы, скорости и
повторности завинчивания, шероховатости поверхностей трения, наличия смазки, величины
износа резьбы, точности угла профиля, температуры и других факторов.
Под воздействием вибраций и нагрузок в резьбовом соединении возникают относительные микроперемещения рабочих поверхностей, что является причиной их механического износа в условиях фреттинг-коррозии. Отделение частиц металла поверхностного слоя в
зоне контакта оказывает абразивное воздействие. Интенсивность износа возрастает при работе резьбовых соединений в агрессивных средах [6].
В результате загрязнения, износа и коррозии изменяется состояние рабочих поверхностей резьбового соединения, а также угол профиля резьбы, что влияет на коэффициенты тре113
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ния. Коэффициенты трения увеличиваются и рассеиваются в пределах от 0,05 до 0,5. Это
главный недостаток контроля усилия по моменту затяжки.
Экспериментальная часть
Экспериментальные исследования, проведенные в лабораториях кафедры технологии
машиностроения и технического сервиса факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ,
показали, что состояние рабочих поверхностей резьбового соединения (очищенное, загрязненное, сухое, смазанное), наличие микроповреждений резьбы влияют на моменты завинчивания и отвинчивания. Опыты проводились на узлах и агрегатах сельхозтехники, бывшей в
эксплуатации, и состояли из двух серий.
В первой серии опытов определялись значения моментов TЗАВ и TОТВ динамометрическим ключом при разных состояниях рабочих поверхностей резьбовых соединений. В затянутом групповом резьбовом соединении наносилась разметка положений головок болтов относительно корпуса детали. Затем болты «срывались» без измерения моментов. Производя
затяжку болтов до совпадения меток, определяли значения TЗАВ , а при отвинчивании – TОТВ .
После разборки резьбовые соединения промывали и смазывали. Затем проводили повторные
измерения TЗАВ и TОТВ с затяжкой до совпадения меток. После тщательной промывки и смазки резьбовых соединений значения моментов уменьшились на 5–25% от начальных. Следовательно, с увеличением трения в резьбовом соединении моменты завинчивания и отвинчивания
увеличиваются, с уменьшением трения, наоборот, уменьшаются.
Во второй серии опытов наблюдались отклонения меток болтов и корпуса детали при
разных состояниях рабочих поверхностей. В групповом резьбовом соединении узла проводили затяжку болтов динамометрическим ключом с рекомендуемым моментом TЗАВ . Затем
наносилась разметка положений головок болтов относительно корпуса детали. После разборки резьбовые соединения промывали и смазывали с целью изменить (уменьшить) коэффициенты трения. После повторного затягивания болтов с тем же значением TЗАВ отнаблюдали: метки болтов отклонились от исходного положения в сторону поворота болта. В результате сделан вывод: с увеличением коэффициентов трения угол поворота болта уменьшается, а с уменьшением коэффициентов трения угол поворота увеличивается при одинаковом
значении TЗАВ . Наличие смятых витков и других микроповреждений резьбы так же, как и коэффициент трения, уменьшает угол поворота болта при затяжке. Поскольку изменение коэффициентов трения влияет на угол поворота болта при одном и том же значении TЗАВ , усилие затяжки будет создаваться в разной степени отличным от расчетного.
Заключение
Необходимо отметить, что на точность контроля усилия по моменту затяжки могут
влиять: изменения коэффициентов трения, микроповреждения резьбы (царапины, смятие,
забитость), перекос резьбы (брак при изготовлении), перекос отверстия под болт (шпильку),
погрешность динамометрического ключа, человеческий фактор.
Наибольшее влияние на точность затяжки оказывают коэффициенты трения в резьбе и
на опорной поверхности болта. Существенно влияют также неточность угла профиля резьбы
и изменение среднего диаметра торца гайки. Погрешности шага и среднего диаметра, а также величина диаметра резьбы оказывают малозаметное влияние на точность затяжки [3].
На основе экспериментальных данных можно сказать, что в зависимости от сопротивления (сил трения) в резьбовых соединениях, при одном и том же значении момента TКЛ , могут создаваться различные (в разной степени отличные от расчетного) усилия затяжки. Поэтому затяжка резьбовых соединений узлов машин, уже бывших в эксплуатации, с регламентируемым моментом не обеспечит расчетного (необходимого для надежного соединения)
114
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
усилия, а также равномерности распределения усилий. Для реализации расчетного усилия
затяжки необходимо определить новый момент TКЛ (выражение (9) с учетом фактического
состояния и коэффициентов трения рабочих поверхностей, это трудоемкий прием. В таком
случае зависимость между моментом на ключе и усилием затяжки можно установить по отношению моментов завинчивания и отвинчивания, без учета коэффициентов трения в явном
виде [7].
Решая совместно уравнения (9) и (10), получим
F P
.
(11)
TКЛ
T
( 1 ОТВ )
TЗАВ
Выражение (11) представляет зависимость момента на ключе от расчетного (заданного)
усилия затяжки и шага резьбы с учетом фактических коэффициентов трения, которые характеризуются отношением TОТВ / TЗАВ . Зная расчетное усилие затяжки, шаг резьбы, рекомендуемый момент затяжки, а также определив частное от деления TОТВ / TЗАВ , можно установить
необходимый (достаточный для надежного соединения) момент на ключе для конкретного
резьбового соединения. Это позволит обеспечить точность и равномерность распределения
усилий предварительной затяжки при сборке групповых соединений, тем самым повысить
надежность как узла, так и машины в целом.
Список литературы
1. Немцев, А.Е. Основы формирования системы технического сервиса в АПК Сибири / А.Е. Немцев,
В.В. Коротких. – Новосибирск : Россельхозакадемия, 2009. – 153 с.
2. Биргер, И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. – М. : Машиностроение, 1990. – 368 с.
3. Новиков, М.П. Основы технологии сборки машин и механизмов / М.П. Новиков. – 5-е изд. – М. : Машиностроение, 1980. – 592 с.
4. Жукова, О.И. Повысить качество техники, поставляемой селу // АПК : экономика и управление [Электронный ресурс]. – Электрон. жур., 2009. – № 7. – С. 2. – Режим доступа : [http://www.vniiesh.ru/
documents/document_9541_ Повысить_качество_техники,_поставляемой_селу.doc].
5. Иосилевич Г.Б. Прикладная механика / Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Г.С. Маслов. – М. : Высш. шк.,
1989. – 351 с.
6. Измайлов, В.В. Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования / В.В. Измайлов. – Тверь : ТГТУ, 2011. – 144 с.
7. Корнилович, С.А. К расчету момента затяжки / С.А. Корнилович, А.Н. Ставских // Вестн. ОмГАУ. –
1997. – № 3. – С. 33.
SUMMARY
V.L. Solovev, S.A. Kornilovich
Technological peculiarities of agricultural machines
units assembling during maintenance
The article states main faults which appear in operation of agricultural machinery due to inaccurate and uneven
threads tightening during units assembling. It analyzes disadvantages of preload force control of threaded connections
and а mathematic relationship between torque and preload force. It indicates the method of torque controlled preloading
accuracy increase.
Key words: threaded connection, torque, preload force, coefficient of friction, torque wrench.
115