§7.16 Резьбовые соединения
Формы резьбы.
Соединения осуществляются болтами, шпильками, винтами.
Существуют подвижные и неподвижные резьбовые соединения. 1-е обеспечивают высокую точность перемещений, равномерность, плавность, бесшумность хода, реверсивность; 2-е – высокую прочность, герметичность и т.п.
Подвижные резьбовые соединения применяются в виде ходовых винтов станков, прессов.
Неподвижные- при креплении фланцев, труб и т.п.
В подвижных соединениях используются резьбы трапецеидальные, упорные, имеющие высокие к.п.д. и износостойкость. В них должно быть как можно меньшее трение.
Крепежные резьбы (метрические, конические, трубные и др.) должны иметь самоторможение. Кроме того, конические, трубные резьбы должны обеспечивать герметичность соединения.
Для точных ненагруженных винтов измерительных и делительных механизмов часто применяют треугольную резьбу с углом профиля 30 и 60.
На рис.7.24 показаны некоторые профили резьб.
На рис. 7.24,а изображен профиль метрической резьбы. Такая резьба болта, винта наружным диаметром 20 мм обозначается следующим образом М2О; М20х1,25. Цифры 20 соответствуют диаметру d, а 1,25 – шагу- s резьбы. Отсутствие указания о шаге резьбы, свидетельствует, что применен крупный (нормальный) шаг. Резьба на гайке имеет такое же обозначение.
Рис. 7.24 Формы резьб:
а) метрическая резьба (М20…); б) трапецеидальная одноходовая резьба (Трап. 90х12) в) трубная цилиндрическая резьба (Труб. 2” кл.2; G1/2); г) подъем резьбы.
Резьбы могут быть одноходовые или многоходовые (многозаходные). Ход резьбы h= zs, где z- число заходов.
Установлено 3 класса точности резьб: точный (4H/4h; 5H/ 4h) , средний (6G/6h, Gh/6g) и грубый (7H/8g, 7G/8h). Здесь в обозначении посадок числитель- гайка, знаменатель- винт.
Трапецеидальная резьба (рис. 7.23,б) применяется для передачи движения, например, в ходовых винтах.
Трубная цилиндрическая резьба (рис.7.24,в) применяется для соединения труб. Ее профиль предполагает герметичность соединения. Однако на практике такая резьба требует дополнительного уплотнения, например, льняными волокнами. Номинальный диаметр измеряется в дюймах 1/8”….6”.
Угол подъема резьбы tg= s/(dсрz) (Рис. 7.24,г).
Конические резьбы (рис. 7.25) хорошо обеспечивают герметичность. Для их изготовления нужны калибры: кольца и пробки. При проверке резьбы определяется крутящий момент во время свинчивания механическим ключом или натяг в процессе свинчивания от руки.
Рис. 7.25
Детали конического резьбового соединения.
муфта ниппель
Соединения осуществляются болтами, шпильками, винтами. У болта чаще всего головка имеет шестигранную форму, а винт может иметь головку с шестигранником, с прорезъю, крестообразным углублением и т.п.
На рис.7.26 показаны виды резьбовых соединений.
Рис. 7.26
Виды резьбовых соединений:
а) болтовое соединение (1- болт, 2- гайка, 3- соединяемые детали, 4 шайба);
б, г) соединение на шпильках (5);
в) винтовое соединение (6- винт ).
Способы стопорения резьбовых соединений.
Самоотвинчивание разрушает соединение и может проивести к аварии. Предохранение от самоотвинчивания очень важно для повышения надежности резьбовых соединений и совершенно необходимо при вибрациях, переменных и ударных нагрузках.
Рис.7.27 Стпорение с помощью:
а) контргайки (1); б) пружинной шайбы (гровер-шайба).
Существует много способов стопорения. Часто они дают хороший результат, но иногда стандартные методы не действуют, и тогда возникает необходимость в разработке иного способа стопорения. На рис.7.27- 7.30 показаны некоторые способы стопорения.
Рис. 7.28. Стопорение с помощью шплинта.
Рис. 7.29. Стопорение с помощью прошивки проволокой.
Рис. 7.30. Стопорение с помощью специальной шайбы (а) или планки (б).
Условие правильной сборки заключается в обеспечении такой затяжки, чтобы стык не раскрылся. При этом усилие затяжки должно быть
Qз= F(1-),
где F - внешняя нагрузка, приходящаяся на один болт; = 0,2- 0,4 коэффициент внешней нагрузки; - запас по плотности, обеспечивающий нераскрытие стыка при увеличении нагрузки в - раз (= 1,25- 2- для постоянной нагрузки; = 2,5- 4- для переменной нагрузки; = 1,25...2,5- для мягкой прокладки, по герметичности; = 2,5... 3,5 - для металлических прокладок).
Интенсивность напряжения от затяжки в болте (шпильке) определяется из выражения
i=(p2+32)1/2 (0,5...0,7)т, (7-12)
где p - напряжения растяжения; - касательные напряжения от крутящего момента; т - предел текучести.
В ответственных соединениях затяжку фиксируют по крутящему моменту (для этого используют гайковерты моментные); по удлинению болта; по углу поворота гайки.
В групповых соединениях затяжку осуществляют в определенной последовательности:
Фланцы - крест на крест по диаметру или сначала средние гайки, затем пару соседних справа и слева и т.д., постепенно приближаясь к краям. Затяжку надо производить постепенно в 2-3 приема.
Приближенно Мз= 0,2Qзd. Точное значение момента затяжки зависит от коэффициентов трения в резьбе и по торцу гайки, которые могут иметь значения = 0,05- 0,5.
Для достижения стабильных значений коэффициента трения и предотвращения от заедания применяют металлические покрытия (кадмирование, меднение, латунирование, серебрение...) и смазку (графитовая смазка, НК-50, дисульфит молибдена и др.)
Затяжка по углу поворота гайки производится после ее контакта со стягиваемой деталью. При этом
р= 360Qз(б+ д)/s, (7-13 )
где s- толщина гайки; б= lб/(Ебfб)- податливость болта (lб ,Еб ,fб- длина, модуль упругости и площадь сечения болта); д- коэффициент податливости детали, например для дух соединяемых деталей
д= 9,2 (Eдd0)-1lg[2,2(0,2d0+ 0,5l1)[0,2(2,2d0+ 0,5d0)]-1,
d0- диаметр отверстия.
Перед затяжкой по формуле надо 2-3 раза затянуть на угол меньший расчетного. При этом сминаются неровности, устраняются перекосы.
Затяжка на удлинение болта (шпильки) производится по выражению
lб= Qзб. (7-14 )
Удлинение измеряют микрометром, индикаторами часового типа. Такая затяжка наиболее точная. Однако применяется при lб / d 10.
Могут применять полые тензометрические болты (шпильки), т.е. здесь по оси выполнено отверстие и закреплен стержень, длина которого такова, что при затяжке торец стержня становится заподлицо с торцем болта (шпильки). Может использоваться специальная мерная шайба.
Распространен способ вытягивания стержня болта гидродомкратом и последующим свободным до упора навинчиванием гайки. Этот способ исключает скручивание болта или шпильки.
Используется также предварительный нагрев больших стяжных болтов
T= lt/ k, (7-15)
где k- коэффициент линейного температурного расширения металла.
При использовании шпилек ее надо сначала надежно закрепить в корпусе. Здесь момент крепления должен быть больше момента при затяжке и откручивании гайки Мкр0,2[]d13..
Шпильки ввертываются как вручную, так и с помощью специального инструмента. Их можно ставить на клей (обычно для магниевых и алюминиевых корпусов). При этом они ввертываются при минимальном крутящем моменте, т.е. в резьбе должен быть зазор. Выполняется следующая последовательность операций:
1. Обезжиривание резьбы шпильки и отверстия (бензин, ацетон).
2. Нанесение на резьбу клея с последующей выдержкой по времени (клей ВС- 50, Л-4).
3. Ввертывание шпильки в корпус на заданную глубину.
4. Создание давления на витках резьбы через гайку и распорную втулку.
5. Отверждение клея.
В процессе работы резьбовые соединения могут из-за релаксации, вибрации ослабляться. Гайки могут откручиваться. Для предотвращения этого сокращают число стыков, увеличивают крутящий момент, стопорят (см. рис.7.27…7.30).
Существуют подвижные и неподвижные резьбовые соединения. 1-е обеспечивают высокую точность перемещений, равномерность, плавность, бесшумность хода, реверсивность; 2-е – высокую прочность, герметичность и т.п.
Подвижные резьбовые соединения применяются в виде ходовых винтов станков, прессов.
Неподвижные соединения- при креплении фланцев, труб и т.п.
В подвижных соединениях используются резьбы трапецеидальные, упорные, имеющие высокие к.п.д. и износостойкость. В них должно быть как можно меньшее трение.
Крепежные резьбы (метрические, конические, трубные и др.) должны иметь самоторможение. Кроме того, конические, трубные резьбы должны обеспечивать герметичность соединения.
В конструкции соединения возможно сочетание изгиба с растяжением. В таком случае соотношение геометрических размеров и напряжений должно соответствующим образом определяться..
Исследованиями установлено, что нагрузка по виткам распределяется в соответствии с уравнением (см. рис. 7.31)
Q(z)= Pm ch(mz)/sh(mH), (7-16) где m 2,7/d+ 0,003d/s2; H- высота гайки; s- шаг резьбы.
Рис.7.31
Распределение нагрузки q(z) по виткам.
Так, для М=16 при Н= 1- получается, что три первые витка воспринима-ют 81% от всей нагрузки.
При внешней нагрузке P= Pasin (t) напряжение равно
a= 0,5Pa/(0,786d21).
Амплитуду колебаний можно снизить, если ввести специальные упругие элементы в систему соединения или увеличить жесткость соединяемых деталей.
Оценивают прочность в этом случае по величине -1б= -1/кб, где
кб,= 3…4,5 – для углеродистых сталей;
кб,= 3…4,5 – для легированных сталей.
Если у резьбы обкатать впадины роликом или изготовить ее холодной высадкой, то резьба станет прочней, чем после точения или шлифования.
Прочность резьбовых соединений при высоких температурах.
При высоких температурах (Т> 300) в резьбовых соединениях из углеродистых сталей следует учитывать ползучесть и длительную прочность материала.
При Т> 500 применяют специальные жаропрочные стали, например, ЭИ- 69.
Во время учета статической прочности принимают во внимание запасы по пределу ползучести k= 1,4- 2,5 и по длительной прочности k= 1,6- 4.
При высоких температурах в резьбовых соединениях наблюдается заедание. Предупреждают это использованием резьб с увеличенными зазорами по среднему диаметру и применением крупного шага.