Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние вопроса обеспечения качества сборки резьбовых соединений. цель и задачи исследований 12
1.1 Основные направления исследований в области совершенствования технологии сборки резьбовых соединений 12
1.2 Практика назначения усилия затяжки резьбовых соединений 15
1.3 Методы контроля затяжки резьбовых соединений и их технологические возможности 19
1.4 Характеристика технологических факторов, влияющих
на качество сборки резьбовых соединений 27
1.5 Технологические возможности резьбосборочного оборудования и влияние его особенностей на качество сборки резьбовых соединений 30
1.6 Выводы. Цель работы и задачи исследований 46
ГЛАВА 2 Теоретические исследования динамической взаимосвязи пневматического гайковерта с затягиваемым резьбовым соединением
2.1 Затяжка резьбового соединения пневматическим гайковертом 50
2.2 Математическое описание процесса затяжки резьбовых соединений пневматическим гайковертом с двигателем ротационного типа
2.2.1 Влияние конструктивных параметров ротационного пневматического двигателя гайковерта на его механические характеристики 58
2.2.2 Уравнение движения лопаток ротационного пневматического двигателя гайковерта 63
2.2.3 "Динамическая" составляющая, возникающая в пневматическом двигателе гайковерта под воздействием движущихся лопаток з
2.3 Переходные процессы при затяжке резьбовых соединений пневматическим гайковертом 77
2.4 Выводы 83
ГЛАВА 3 Методика экспериментальных исследований
3.1 Программа, условия и методическое построение экспериментальных исследований 84
3.2 Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование 85
3.3 Методика оценки точности изготовления элементов резьбовых соединений 92
3.4 Обоснование факторов и диапазонов их варьирования для экспериментальной проверки основных теоретических положений 93
3.5 Выводы 95
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования влияния конструкторских и технологических факторов на показатели качества сборки резьбовых соединений
4.1 Влияние конструктивных параметров пневматического двигателя гайковерта на изменение момента инерции ротора 96
4.2 Оценка влияния конструктивных параметров пневматического двигателя гайковерта на его технические характеристики 98
4.3 Анализ размерной точности изготовления резьбового крепежа 100
4.4 Определение влияния конструкторских и технологических факторов на разброс момента затяжки резьбовых соединений 103
4.5 Исследование влияния конструкторских и технологических факторов на показатели качества сборки резьбовых соединений 115
4.6 Выводы 116
Глава 5 Практическая реализация результатов исследований 118
5.1 Рекомендации по выбору конструктивных параметров пневматических двигателей гайковертов 118
5.2 Методика обеспечения качества сборки резьбовых соединений на основе установления совместного влияния конструкторских и технологических факторов 124
5.3 Опытно-промышленные образцы пневматических гайковертов 128
5.4 Использование полученных параметров в гайковертах с активным контролем 129
5.5 Технико-экономическое обоснование эффективности применения гайковертов с нечетным числом лопаток 130
5.6 Выводы 137
Заключение 139
Литература
- Методы контроля затяжки резьбовых соединений и их технологические возможности
- Математическое описание процесса затяжки резьбовых соединений пневматическим гайковертом с двигателем ротационного типа
- Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование
- Определение влияния конструкторских и технологических факторов на разброс момента затяжки резьбовых соединений
Методы контроля затяжки резьбовых соединений и их технологические возможности
Кроме того, этот метод наиболее прост и позволяет вести контролируемую затяжку PC независимо от размеров применяемого крепежа и жесткости всего соединения в целом [59].
При ручной (немеханизированной) затяжке PC контроль осуществляется динамометрическими и предельными ключами, конструкции и расчет которых подробно описаны в работах [10, 59, 75, 76]. Предельными ключами, отрегулированными на заданный момент затяжки, обычно производят сборку PC. При достижении требуемого Мзат PC срабатывает предохранительное устройство, и передача крутящего момента прекращается. Динамометрические ключи являются контрольным инструментом. С их помощью проверяется момент затяжки PC.
Необходимо также отметить, что точность контроля ?зат по любой из приведенных зависимостей (1.6) - (1.15) определяется правильностью выбора коэффициентов трения в резьбе и на опорной поверхности гайки (головки винта, болта) fy, так как они не остаются постоянными даже для партии крепежа и изменяются в широких пределах.
Это различие может быть весьма значительным при использовании различных партий болтов (винтов). Так из рисунка 1.2, где показаны диапазоны рассеяния усилий и моментов затяжки для оцинкованных болтов Л/10 с использованием гайки без покрытия, следует, что при одном и том же моменте усилие затяжки для болтов различных партий (использовались три партии болтов) может изменяться более чем в три раза [21]. Вследствие этого зависимость Af = /(( ат) является не устойчивой.
Таким образом, установлено, что на качество сборки PC оказывают влияние точность применяемого резьбового крепежа, вид покрытия и смазки. Поэтому для ответственных PC коэффициенты трения f И fj. рекомендуется [21, 44] определять экспериментальным путем, в условиях и на образцах, в наибольшей степени соответствующих реальным.
Отметим также, что при механизированной сборке PC необходимо учитывать особенности, связанные с применяемым резьбосборочным оборудованием, а именно: нестабильность его работы, вызванную конструктивными особенностями, а также скорость выполнения резьбосборочной операции [36, 59, 104, 105,...].
В результате низкая точность метода контроля затяжки по моменту не обеспечивает требуемой точности и стабильности усилия затяжки, что требует после механизированной сборки ответственных PC дополнительного контроля и дотяжки их динамометрическими ключами. Характеристика технологических факторов, влияющих на качество сборки резьбовых соединений В последнее время существенно повысились требования и качеству выпускаемой продукции, которое во многом зависит от качества сборки, в том числе и от качества сборки PC, которое, в свою очередь, характеризуется точностью и минимальным разбросом параметра, контролируемого при затяжке.
На основании работ [10, 11, 12, 19, 21, 28, 44, 59, 62, 64, 70, 105, 111, 112,...] установлено, что на качественные параметры процесса затяжки, а именно, при контроле затяжки PC по моменту, на разброс момента затяжки ДЛ/зат оказывают влияние следующие группы факторов: 1. Связанные с особенностями изготовления резьбового узла, применяемых материалов и покрытий; 2. Обусловленные особенностями используемого резьбосборочного оборудования (гайковертов, винтовертов), стабильностью его работы и скоростью затяжки PC; 3. Зависящие от точности применяемых средств контроля. Рассмотрим эти группы факторов подробно.
Как уже отмечалось выше, в условиях резьбосборочного производства повышение точности и обеспечение минимального разброса усилия затяжки PC, при использовании крутящего момента как контролируемого параметра, зависит от правильного определения коэффициентов трения в резьбе fp и на торце fx резьбовой детали.
Анализ многочисленных экспериментальных исследований позволяет выделить основные факторы, влияющие на величину коэффициентов трения, а именно:
Математическое описание процесса затяжки резьбовых соединений пневматическим гайковертом с двигателем ротационного типа
Отметим, что крутящий момент наилучшим образом учитывает особенности применяемого гайковерта, а угол поворота - особенности резьбы (главным образом податливости) [59, 105]. В совокупности данные характеристики определяют работу затяжки, которая, в общем виде, может быть выражена формулой [105]: м зат 4ат= J Af3aTrfq , 0 где ф - угол поворота резьбовой крепежной детали; М - момент в процессе затяжки PC М= М((р). (2.1) Здесь принципиально используется следующее обстоятельство [105]: несмотря на различный (нелинейный) характер зависимости М= Дф) для абсолютного большинства соединений, момент сопротивления вращению, начиная с какого-то определенного значения ф, резко возрастает; при этом характер возрастания момента позволяет с достаточной степенью точности рассматривать его как линейную зависимость, то есть считать, что М пропорционален ф. В линеаризованном виде, зависимость М= Дф) можно выразить следующим соотношением: М Млин=МСо+Ц , (0 ф ф ), (2.2) где g - коэффициент пропорциональности. Из данного выражения вытекает, что dM=gdq , следовательно, возможен переход от угла поворота к моменту затяжки посредством соотношения d(p = . В этом случае, пренебрегают той частью работы g завертывания, которая совершается при весьма малом моменте Мс и поэтому имеет малую величину. Подставляя (2.2) в (2.1) получим: 4ат=- \ MdM= . (2.3) 8 о 28 Полученное значение А ж состоит из трех компонентов: где работа А привода гайковерта в период эффективного торможения (завинчивания), определяется в виде: М2 А= лш.- (2.5) 2g v4 работа, совершаемая приводом гайковерта за период торможения (до полного стопорения): _ ( зат max ) max . Al= -зат —max/—max . .6) / есть кинетическая энергия вращающихся частей гайковерта, определяемая выражением: 4 = . (2-7) где сОд - угловая скорость вращения рабочего наконечника (шпинделя гайковерта); / - момент инерции вращающихся частей привода гайковерта. Подставив в 2.3 компоненты из 2.4 получим окончательное выражение для момента сопротивления вращению, которое определится в виде [105]: Мзат — -Л тах Jjgv&. (2-8) Параметр g, входящий линеаризованное выражение (2.2) для момента сопротивления вращению М определен в виде: g=lgQ=M3 Lm (2.9) Фтах Таким образом, полученные соотношения исчерпывающим образом представляют затяжку PC пневматическим гайковертом с муфтой прямого привода.
Отметим, что соотношение (2.2), с учетом (2.9), можно представить в более удобном для практического применения виде M=Mnm=MCo+ Lq , (2.10) Щ Фтах где 0 ф фтах, причем ф фтах. Анализ полученных выражений показывает, что если величина развиваемого двигателем гайковерта крутящего момента Мтах обуславливается конструктивными особенностями его двигателя и передаточным числом редуктора, то качество сборки PC, оцениваемое по ЛМзат, обусловлено так называемым "динамическим моментом" (инерционной составляющей Мзат) - вторым слагаемым в формуле 2.8, обеспечивающим инерционную затяжку PC после того как двигатель выработал Мтах. Из формулы 2.8 следует, что величина "динамической" составляющей, в свою очередь, зависит от момента инерции вращающихся частей гайковерта / и их угловой скорости со.
Существующие конструкции муфт, применяемые в конструкциях гайковертов статического действия, по характеру их работы классифицируются на ряд групп [105], однако всех их объединяет то важное обстоятельство [105, с. 28], что для абсолютного большинства PC момент сопротивления вращению может быть линеаризован с достаточной для практики степенью точности. Тем самым открывается возможность получения математического описания процесса динамического взаимодействия пневматического двигателя гайковерта и затягиваемого PC, базирующихся на принятых критериях качества сборки.
Как уже было отмечено в главе 1, наиболее широкое применение в конструкциях резьбосборочного оборудования (гайковертов) находят пневматические двигатели [38, 54, 59, 105]. Из всего их многообразия наибольшее применение получили пневматические двигатели вращательного движения - ротационные пневматические двигатели (РПД) [38, 105]. Уравнение движения ротора РПД имеет вид [22]: 2 T dm со dJ лж . /0 л л N /— + = Мп-Мс, (2.11) dt 2 da д с со=со(0 где / = /(/) - момент инерции вращающихся масс, приведенный к ротору; а, со - соответственно текущий угол поворота ротора и его угловая ( da скорость v dt j Л/ц - движущий момент; Мс - момент (суммарный) сил сопротивления, действующий на ротор. Л/д и Мс в совокупности формируют рабочие характеристики РПД гайковерта. Уравнение (2.11) вытекает из следующих соотношений: tf(/co2/2) ( Td(d corf/ l J Л = Л/Ш = = со dt = со(Мд-Л/с), (2.12) V dt 2 dt где А = соЛ/ф - мощность вращательного движения на валу РПД, /со2 = 7з - кинетическая энергия вращательного движения [24,43].
Поперечный разрез типового РПД и его рабочие характеристики Л/д заимствованы из [105] и представлены на рисунке 2.2 (а, б), а динамика его работы и расчетные параметры исчерпывающим образом представлены в фундаментальных работах [6, 22].
В качестве основной характеристики нагрузки РПД гайковерта принята линеаризованная зависимость возрастания момента при затяжке PC, представленная выражением (2.10) в п. 2.1. Окончательно представим её в виде:
Экспериментальная установка и контрольно-измерительное оборудование
Интегрирование производится по всему объему тела V. Аналогично вычисляем значения Jyy и /, ,.
Чтобы вычислить, например, величину осевого момента инерции Jww разобьем тело на элементарные столбики с площадью основания, равной dS- dudv (см. рисунок 2.7). Все элементы такого столбика, очевидно, имеют одинаковые значения координат и и v.
Объем данного столбика равен dV= dS2J , а его масса dman =ynndV=2ynjIl2dudv. Поэтому элементарный вклад столбика в /„ определяется выражением: столбика = 2упл/з ( + ) dudv. (2.27)
Проинтегрировав выражение (2.27) по U, найдем вклад в 7 , который дает показанный на рисунке 2.6 слой длиной 2/j, шириной 2/3 и толщиной dv: +h +h dfj% = 2Упл4 (и1 + ) dudv= 2ynnJ3dv \u2du + 2упл73 dv \ du = V -J, -I2 = \ lunhi + ЧшМ J- V. (2-28) Напомним, так как тело однородно, упл не зависит от координат и, v и и/. Проинтегрировав выражение (2.28) по К, получим J ww всего тела в виде: -v J -h -h = тпл +тПлМ =Уші(2А)(2/2)(2 )(і?+ ) = = f bi( ). (2-29) где /7 л = упл V= упл (2 )(2 )(2 ) - масса пластины (параллелепипеда). Аналогичные вычисления дают, что: ии=\щт($+$) уу = \щт{$+%\ (2-30)
Теперь вычислим один из центробежных моментов инерции, например, Juv, используются соотношения: Juv=Jvu = -\uvdm, Jvw=Jwv - vwdm, Juw =JWU -- \wudm. (2.31) V V V Покажем их тождественность нулю. Вклад в этот момент столбика с отношением dS= dudv и равен: толбика = _lnRuVlhdudv, (2.32) djf = -2упл73 vdv j udu = 0. (2.33) -h Следовательно Juv= Jщ = 0. Аналогичные результаты получаются и для остальных центробежных моментов. Таким образом, при указанном на рисунке 2.6 выборе координатных осей тензор момента инерции однородного прямоугольного параллелепипеда (пластины) имеет вид:
Используя теперь теорему Гюйгенса - Штейнера [24, 45], можно определить (см. рисунок 2.7) момент инерции /-ой пластины, количество которых / изменяется в пределах от 1 до z, вращающейся соосно ротору и которую необходимо вычесть из общей характеристики момента инерции ротора (однородного цилиндра без пазов) РПД, поскольку данные пазы в дальнейшем будут заменены лопатками с той же геометрией, но не обладающие характеристикой пластин ул Ф ур, где ур - плотность материала ротора. Отметим, что в дальнейшем необходимо будет вычесть из общей характеристики момента инерции ротора момент инерции z пазов, по числу пластин (лопаток) в конструкции ротора.
В нашем случае, поскольку ось вращения ротора параллельна оси Cv (во веденной нами системе координат Cuvw, рисунок 2.6), то на основании теоремы Гюйгенса - Штейнера, и полученных соотношений (2.34), (2.35), (2.24) получим: - r2 s, 2\ 2j +U V 4%( l2 + b2 (2.37) 1Л Л2 /Г=/?л+ лк-Л =±щІЯ{і2+Ь2)+щІЛ(яр-1 (2.38) Тогда в случае zчисла пластин (лопаток) получим: J = z ±-mnn{l2 + b2) +т. ( р 1 J (2.39) гПЛ
Вычитая определенную таким образом величину /у , из расчетного значения момента инерции ротора /р, получим фактический момент инерции ротора РПД, с учетом вычитания пазов, в которые затем будут помещены лопатки. Величину /р определяем по известной формуле [29, 53, 97]: /р= /Айц,, (2.40) где dmu = ypd\. Здесь yp - плотность материала ротора. В связи с тем обстоятельством, что нас интересует момент инерции относительно оси вращения ротора, проходящей через центр масс тела (ось симметрии), то целесообразно решение данной задачи осуществить в цилиндрических координатах (r,a,z), которые связаны с декартовыми (х, у, z) известными соотношениями: r = Jj? + f, (2.41) где: 0 r i , = rcosa, y = rsina, 0 ос 2ті; dS= dxdy= rarda. Таким образом, имеем: h 2я Яр /р = J r2dm= Yp jr2dV= yp jr2dSdz yp \dz \da\ dr. (2.42) Vp V V 0 0 0 Соотношение (2.41), после соответствующих вычислений приводится к виду: $ _ 4 /р=урЛ27С = тр- . (2.43) Учитывая что масса ротора определяется по формуле іти = Yp К = Yp71 ) то после подстановки пи, в данное выражение получим следующее расчетное соотношение: /р = \v = const. (2.44) 2 Полученное значение момента инерции сплошного ротора не зависит da dJ-o от угла поворота а (угловой скорости со = —) и тем самым —— = 0.
Следовательно, основную динамическую компоненту в пульсации момента инерции ротора вносят его лопатки. Вычитая из (2.44) выражение (2.39) получим искомое значение момента инерции ротора РПД с учетом пазов, что адекватно фактическому состоянию объекта анализа.
Рассмотрим влияние на изменение момента инерции ротора лопатки, обладающей плотностью ул и геометрическими размерами паза ротора, а именно l,h и b (см. введенные выше параметры пластины). Осуществим вывод требуемого выражения для дальнейшего определения момента инерции лопатки / относительно оси z вращения ротора двигателя. Вначале условимся, что лопатка не перемещается радиально относительно паза ротора, тогда, пользуясь расчетной схемой, представленной на рисунке 2.8, получим вспомогательное выражение для расчета момента инерции J :
Определение влияния конструкторских и технологических факторов на разброс момента затяжки резьбовых соединений
Для исследования влияния точности изготовления резьбового крепежа на разброс момента затяжки ЛМзат PC все крепёжные детали подвергались контролю. В процессе исследования точности изготовления резьбового крепежа измерялись следующие параметры резьбового профиля: - средний диаметр резьбы винта и гайки d и Г і; - наружный диаметр резьбы винта и гайки d и D. Измерение параметров резьбового профиля винтов проводилось на измерительном двухкоординатном приборе мод. ДИП-6-У (зав. №910038) по методике, рекомендованной в работе [86].
Контроль точности изготовления внутренней резьбы в отверстиях плит проводился с помощью резьбовых калибров. Обработка результатов исследования точности изготовления резьбового крепежа проводилась методами математической статистики [94] в два этапа: - по результатам контроля строились кривые действительного распределения размеров резьбового профиля; - по действительному распределению рассчитывались характеристики теоретического распределения и строились теоретические кривые распределения.
Как отмечалось в главе 1, при использовании метода контроля по моменту, параметром, характеризующим качество сборки PC, является момент затяжки Мггт. С позиций резьбосборочной операции, основным показателем качественной сборки PC является достижение требуемой точности и минимального разброса АМзат контролируемого параметра, который определяется по разности между фактически полученными значениями момента затяжки.
На основании анализа данных литературного обзора, выполненного в главе 1, было установлено, что на разброс момента затяжки АМзат PC оказывает влияние большое количество факторов, связанных как с особенностями применяемого оборудования, режимами его работы, так и с параметрами PC. Очевидно, что исследовать влияние их всех одновременно не представляется возможным. Исследование даже их части представляется весьма трудоёмкой задачей. Поэтому приходится ограничиться либо оценками на основе упрощенных моделей, либо рассмотрением ограниченного числа факторов (например четырех).
По результатам литературного обзора представленного в главе 1, и предварительных исследований, в качестве значимых были выбраны следующие конструкторские и технологические факторы: - число лопаток РПД гайковерта -z, шт.; - эксцентриситет ротора двигателя е, мм (относительный эксцентриситет Пе); - размер среднего диаметра резьбы винта с , мм; - угловая скорость вращения шпинделя гайковёрта со, рад/с. Под областью определения фактора понимается совокупность всех значений, которые может принимать данный фактор при осуществлении процесса. Основания выбора областей определения указанны ниже.
Нижний предел числа лопаток z РПД принят исходя из конструктивных соображений, как минимально возможное число лопаток двигателя гайковерта [38], то есть z= 4. Верхний предел z= 6 был ограничен числом лопаток двигателя-прототипа и является наиболее часто применимым числом лопаток РПД, применяемым в современных конструкциях гайковертов [38, 54, 83, 95, 105,...]. Для установления влияния на разброс момента затяжки АЛ/зат PC нечетного числа лопаток ротора РПД, дополнительно были проведены эксперименты при минимальном нечетном числе лопаток z= 5.
Область определения эксцентриситета е находится в пределах 2,50 -2,75 мм, что соответствует, в соответствии с ГОСТ 16850 -71, значениям относительного эксцентриситета Пе равным 0,16 - 0,17, применяемым при 4 z 6 [36].
Область определения угловой скорости шпинделя гайковерта со находится в пределах 18,85 - 25,13 рад/с, что соответствует 3-4 об/с, и ограничивается с одной стороны требованием минимальной скорости вращения шпинделя гайковерта [105], с другой - требованием максимальной производительности резьбосборочной операции, исходя из возможностей гайковёрта. Область определения размера среднего диаметра резьбы /2 винта М6х1 соответствует посадке &g [31]. Исходя из сказанного выше, были определены условия проведения экспериментов и диапазоны изменения факторов, численные значения
Похожие диссертации на Обеспечение качества сборки резьбовых соединений пневматическими гайковертами
