Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов обеспечения качества затяжки резьбовых соединений и существующих конструкций поршневых гайковертов 12
1.1 Показатели качества сборки резьбовых соединений 12
1.2 Контроль затяжки резьбовых соединений, применяемый при различных условиях сборки 14
1.3 Характеристика технологических факторов, влияющих на качество сборки резьбовых соединений 24
1.4 Основные типы гайковертов, применяемые при сборке резьбовых соединений 27
1.5 Гайковерты с приводами ротационного типа 29
1.5.1 Гайковерты статического действия 29
1.5.2 Гайковерты ударного действия 31
1.6 Гайковерты с приводами поршневого типа 31
Выводы. Цель работы и задачи исследований 38
2 Теоретическое исследование процесса затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами 40
2.1 Выявление погрешностей осевых сил затяжки резьбовых соединений комбинированным способом пневматическими поршневыми гайковртами 40
2.2 Исследование факторов, влияющих на нестабильность осевых сил затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами при сборке комбинированным способом 41
2.3 Выявление погрешностей усилия затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковртами при сборке с контролем момента з
2.4 Теоретическая модель процесса затяжки резьбового соединения поршневым пневматическим гайковертом 50
2.4.1 Теоретическая модель пневмопривода 50
2.4.2 Математическое моделирование процесса затяжки резьбового соединения 54
Выводы 65
3 Разработка конструкции поршневого пневматического гайковерта, обеспечивающего качество затяжки резьбовых соединений 67
3.1 Обоснование функциональных требований к пневматическим поршневым гайковертам 67
3.2 Разработка конструкции пневматического поршневого гайковерта, обеспечивающего точность затяжки резьбовых соединений 71
3.3 Описание опытного образца пневматического поршневого гайковрта 78
Выводы 81
4 Экспериментальное исследование показателей затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами 83
4.1 Методика экспериментальных исследований и применяемое оборудование 83
4.2 Методика оценки точности изготовления элементов резьбовых соединений 92
4.3 Экспериментальное исследование точности осевых сил и момента затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковртами 94
Выводы 100
5 Практическая реализация результатов исследований
5.1 Технология и режимы сборки пневматическим поршневым гайковертом 101
5.2 Промышленный образец пневматического поршневого гайковерта 104
5.3 Внедрение пневматического поршневого гайковерта в производство 107
Выводы 110
Заключение 112
Литература 115
- Основные типы гайковертов, применяемые при сборке резьбовых соединений
- Исследование факторов, влияющих на нестабильность осевых сил затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами при сборке комбинированным способом
- Разработка конструкции пневматического поршневого гайковерта, обеспечивающего точность затяжки резьбовых соединений
- Экспериментальное исследование точности осевых сил и момента затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковртами
Введение к работе
Актуальность темы. Сборка является завершающим этапом производственного процесса в машиностроении и во многом определяет качество изготавливаемой продукции. Резьбовые соединения (РС) составляют более 20–35 % от общего количества разъемных соединений и являются наиболее распространенным средством соединения различных деталей и узлов.
Операции сборки РС отличаются высокой трудоемкостью, достигающей 50 % от всего объема сборочных работ, связанной со сложностью автоматизации или необходимостью достижения требуемого качества сборки.
Под качественной сборкой РС понимают сборку, при которой достигаются требуемая плотность и герметичность стыков соединяемых деталей с обеспечением заданной точности осевых сил затяжки. Проблему повышения качества операций сборки РС решают разнообразными способами: использованием активного контроля, применением средств стопорения, а также совершенствованием процесса сборки и конструкции применяемого оборудования (инструмента) с учетом конструкторско-технологических особенностей резьбового узла.
Во многих случаях РС являются ответственными элементами конструкции, требующими строго нормированной точности затяжки. К таким соединениям относятся групповые РС, используемые для крепления головки блока цилиндров ДВС, крышек резервуаров в химическом машиностроении, работающих при высоких температурах и давлении, и др.
Для осевого усилия затяжки таких РС устанавливается допускаемая относительная погрешность не более 10 % от номинального значения. Следовательно, кроме достижения высокой производительности процесса сборки с использованием гайковертов, необходимо также обеспечивать и требуемое качество выполнения резьбосборочной операции.
Из всего многообразия часто используются гайковерты, основу которых составляют пневматические двигатели ротационного типа в сочетании с планетарным редуктором. Такие устройства отличаются сложностью конструкции и кинематики, а также существенными относительными погрешностями осевой силы затяжки (до 20–25 %). В работах Б. Ю. Житникова, И. В. Житниковой и др. описан прогрессивный комбинированный метод сборки РС, основанный на предварительной затяжке с контролем момента завинчивания и окончательной затяжке с контролем угла поворота резьбовой детали. При применении пневматических гайковертов с приводами ротационного типа прямого действия при сборке комбинированным методом достигнута относительная точность усилия затяжки 11,5 %.
В работе предлагается использовать усовершенствованный пневматический гайковерт с приводом поршневого типа, имеющий расширенные технологические возможности, который позволяет рационально обеспечить
заданную точность усилия затяжки как при сборке комбинированным методом, так и при сборке с контролем только момента затяжки.
Таким образом, можно сделать вывод, что актуальной является задача обеспечения точности механизированной сборки РС, решение которой возможно при применении пневматических поршневых гайковертов, имеющих ряд преимуществ перед гайковертами с двигателями ротационного типа.
Объект исследования – процесс затяжки РС с применением автоматизированного оборудования – гайковертов.
Предмет исследования – установление взаимосвязей между точностью параметров затяжки РС, влияющими факторами и конструктивными особенностями поршневых гайковертов.
Цель исследования – обеспечение качества затяжки РС пневматическими поршневыми гайковертами на основе установления взаимосвязей между параметрами затяжки и конструктивными особенностями поршневых гайковертов.
Задачи исследования:
-
Выявление взаимосвязей между параметрами высокоточной затяжки резьбовых соединений различными способами и конструктивными особенностями пневматических поршневых гайковертов.
-
Выявление влияющих факторов и определение погрешностей осевых сил затяжки пневматическими поршневыми гайковертами.
-
Теоретическое описание процесса затяжки РС пневматическим поршневым гайковертом.
-
Определение рациональных конструктивных параметров и разработка новой конструкции пневматического поршневого гайковерта.
-
Экспериментальное определение точности затяжки РС при использовании модернизированного пневматического поршневого гайковерта.
-
Создание опытно-промышленного образца пневматического поршневого гайковерта и реализация результатов проведенных исследований в производственных условиях.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием основных положений технологии машиностроения, теоретической и прикладной механики, методов математического моделирования, оригинальных компьютерных программ. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях с использованием стандартных и оригинальных методик, аттестованных приборов, установок и средств измерения.
Научная новизна (пункты 2, 3, 4 паспорта специальности): 1. Выявлены влияющие факторы и получены зависимости для определения отдельных составляющих и суммарной относительной погрешности осевых сил затяжки РС пневматическими поршневыми гайковертами,
достоверность этих зависимостей подтверждена результатами экспериментальных исследований.
-
Предложена система уравнений, описывающая процесс затяжки РС пневматическим поршневым гайковертом, учитывающая процессы, происходящие в полости пневмоцилиндра поршневого гайковерта, и сопротивление, возникающее в РС при его затяжке, использование которой позволяет определить рациональные параметры поршневых гайковертов.
-
Сформулированы требования к конструкциям поршневых гайковертов, реализация которых обеспечивает затяжку РС рациональным образом и с заданной точностью.
Практическая значимость работы:
-
Разработана новая конструкция пневматического поршневого гайковерта, позволяющая реализовать непрерывное вращение выходного вала, исключить холостой ход, расширить диапазон возможных крутящих моментов на выходном валу и технологические возможности гайковерта.
-
Разработана методика назначения технологических режимов сборки РС усовершенствованным пневматическим поршневым гайковертом, обеспечивающих погрешность осевых сил затяжки не более 10 %.
На защиту выносятся:
-
теоретическое обоснование повышения качества сборки РС пневматическими поршневыми гайковертами на основе предложенных зависимостей для определения суммарных и составляющих погрешностей осевых сил затяжки РС пневматическими поршневыми гайковертами;
-
система уравнений, описывающая процесс затяжки РС пневматическим поршневым гайковертом;
-
сформулированные требования к конструкции поршневых гайковертов и к технологическим режимам сборки, позволяющие осуществлять затяжку РС с заданной точностью;
-
оригинальная конструкция пневматического поршневого гайковерта;
-
результаты экспериментальных исследований относительной точности параметров затяжки пневматическим поршневым гайковертом.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований, их хорошей сходимостью, использованием стандартных методик исследования и аттестованного оборудования, внедрением результатов исследования и проектирования на промышленном предприятии.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Современные технологии сборки» (Москва, МГТУ «МАМИ», 2011 г.); III научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, ПензГТУ, 2010 г.); IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования»
(Пенза, ПензГТУ, 2011 г.); V научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (Пенза, ПензГТУ, 2012 г.); I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, ПГУ, 2012 г.).
Материал диссертационной работы является составной частью Государственного контракта № 14.740.11.0984 на поисковые научно-исследовательские работы по программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Сборка машин: конструкция, технология, оборудование».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 работы – в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и трех приложений. Работа изложена на 143 страницах, включает 46 рисунков и 15 таблиц.
Основные типы гайковертов, применяемые при сборке резьбовых соединений
Обычный гаечный ключ 1 через шарнир 2 и пружинный динамометр 3 связан с рукояткой 4 устройства. В случае приложения к рукоятке 4 устройства силы Р на плече / возникает изгибающий момент, который визуально отсчитывается со шкалы пружинного динамометра 3. При этом изгибающий момент принимается равным моменту затяжки М, т. е. M = P-l. (1.9) Часто вместо расчетов производят тарировку ключей в простых приспособлениях с помощью мерных грузов. Затяжка динамометрическими ключами прекращается, когда крутящий момент на ключе достигает величины, установленной техническими условиями. Работа предельных ключей основана на принципе ограничения величины момента затяжки. Для этого в конструкции ключей предусмотрены отжимные муфты или фрикционные ограничения. При достижении заданного момента затяжки, или отключается ключ, или подается сигнал.
Недостатками динамометрических и предельных ключей является низкая производительность.
Применение способа контроля усилия затяжки по крутящему моменту и достоверность полученных соотношений зависят в основном от точности определения коэффициентов трения и усилия затяжки. Кроме того, следует учитывать характер нагружения, а также погрешности, связанные непосредственно с регистрацией коэффициентов трения (особенности конструкции контрольного устройства), так как в противном случае значение всех видов погрешностей будет возрастать. Значения коэффициентов трения зависят от: - наличия и вида покрытия резьбы; - состояния трущихся поверхностей (шероховатость поверхности, наличие смазки и др.); - скорости завинчивания и др.
Следует отметить, что коэффициенты трения не стабильны и существенно отличаются для различных партий болтов даже внутри одного производства, поэтому пользоваться справочными данными не рекомендуется. Коэффициенты трения желательно определять для каждой партии болтов. Второй способ контроля усилия затяжки по углу поворота крепежного элемента (головки болта или гайки) основан на зависимости [18] p = 3602(/L+/L), (1.10) где ф - угол поворота крепежного элемента, град; Р - шаг резьбы; Аб - податливость стержня болта; А - податливость сопрягаемых деталей. Также используется зависимость [53] 360сг/б 2 ф = зй1 л п) PEбd 2 где /б - длина стержня крепежного элемента (болта, винта), Еб - модуль упругости материала болта (винта).
В зависимостях (1.10, 1.11) отсутствуют коэффициенты трения, в этом заключается преимущество данного способа в сравнении с предыдущим. Однако способ затяжки при контроле угла поворота имеет ряд недостатков. На точность затяжки существенно влияет податливость деталей соединения, задача определения которой сложна и решается только приближенно. Погрешности размеров деталей соединения, а также неравномерное распределение напряжений по длине болта уменьшают точность способа. Также представляет трудность определение начального угла (р0 при котором полностью выбираются зазоры в соединении.
Область применения данного способа ограничивается соотношением длины l и диаметра крепежного элемента d: если l d, способ не пригоден, так как в случае коротких винтов возможны значительные погрешности при регистрации этого контролируемого параметра.
Третий способ контроля качества затяжки - измерение удлинения тела крепежного элемента. Он позволяет устанавливать взаимосвязь усилия затяжки Q или напряжения затяжки тЗ с податливостью и изменениями размеров болта до и после затяжки. Основные зависимости имеют вид [18]: где А/б - изменение размеров болта до и после затяжки. Метод контроля по удлинению стержня болта обеспечивает наибольшую точность измерения усилия. Его широко применяют при контроле усилия затяжки особо ответственных резьбовых соединений. Для прямого измерения удлинения стержня необходимо иметь доступ к болту с двух сторон (рисунок 1.3 а). Торцы болта, контролируемые измерительным инструментом, выполняют либо плоскими, либо делают на них центровые конические отверстия под сферические наконечники инструментов. На рисунке 1.3 lи -длина измерения, lд - длина деформируемой части соединения. Однако все это увеличивает трудоемкость сборки.
При одностороннем доступе к крепжному элементу (рисунок 1.3 б) или при большой его длине для контроля его удлинения используют встроенный в тело индикатор деформации. Индикатор представляет собой цилиндрический стержень, который вставляют в центральное отверстие со стороны головки элемента и запрессовывают у основания отверстия. Длину стрежня подбирают такой, чтобы при полной затяжке торец стрежня был заподлицо с торцем головки.
Точность контроля по удлинению стержня болта определяется точностью измерения и величиной измеряемого удлинения, прямо пропорциональной напряжению затяжки и длине деформируемой части болта lд . Очевидно, что при небольших напряжениях затяжки коротких болтов их удлинения невелики. При измерении малых удлинений может быть допущена существенная ошибка. Для непосредственного измерения удлинения стержня болта разработан способ на основе применения ультразвуковых колебаний [18, 73]. Сущность способа заключается в том, что через головку болта посылаются ультразвуковые волны, которые, отражаясь от торца болта, возвращаются назад и воспринимаются датчиком. При этом производится измерение времени t прохождения сигнала внутри болта с - скорость распространения ультразвуковых волн. После затяжки болт удлиняется под действием осевого усилия. Зная время распространения сигнала t0 в болте до затяжки, и, измерив время распространения волн в затянутом соединении ta, можно определить удлинение болта по формуле
Для данного способа контроля существует несколько ограничений. Во-первых, это повышенные требования к чистоте торцевых поверхностей болта и однородности материала. Как следствие этого должна быть удалена выступающая маркировка указывающая предел прочности на разрыв. Во-вторых, для облегчения передачи звуковых волн через головку болта к ней необходимо регулярно подводить вспомогательную жидкость, как правило, это машинное масло или смесь воды и глицерина. Кроме того, чувствительность измерений зависит от изгиба стержня болта. Наиболее эффективен этот метод при диаметре болта более 10 мм, т.к. в случае меньшего диаметра происходит ухудшение точности измерений.
Существует способ измерения удлинения болта с помощью тензодатчиков [8]. Тензодатчики наклеиваются на гладкую поверхность болта или заливаются в центральное отверстие и после измерения могут оставаться на детали при дальнейшей эксплуатации. При затяжке гайки тензодатчики регистрируют величину удлинения тела болта.
Исследование факторов, влияющих на нестабильность осевых сил затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами при сборке комбинированным способом
Гайковерты прямого действия передают развиваемый двигателем момент на РС. При достижении максимального момента затяжки двигатель останавливается, а реактивный момент предается на корпус гайковерта. Величина крутящего момента таких устройств зависит от давления воздуха в сети.
На рисунке 1.4 представлен угловой пневматический гайковерт прямого действия ИП 3701 [96]. Он предназначен для работы в труднодоступных местах. Основными узлами гайковерта являются ротационный реверсивный пневматический двигатель 4, двухступенчатый планетарный редуктор. Они помещены в корпусе, в задней части которого крепится рукоятка 5, в которой смонтировано пусковое устройство с курком. К передней части корпуса крепится головка 1, в которой размещена коническая передача 2. Ведомая шестерня конической передачи посажена непосредственно на шпиндель со сменной торцовой головкой. Вращение от установленного на двух шарикоподшипниках вала ротора передается двухступенчатому планетарному редуктору, коническим шестерням и далее непосредственно шпинделю с одетой на него сменной торцовой головкой. Рукоятка с пусковым устройством позволяет в случае необходимости дотягивать РС вручную.
Точность момента затяжки подобных гайковртов лежит в пределах 40-50%. Такие устройства используются при сборке неответственных резьбовых соединений. Гайковерты с ограничительными муфтами. В отличие от гайковертов прямого действия данные гайковерты снабжены ограничительными муфтами. Ограничительные муфты настраиваются на определенный момент, при достижении которого происходит их размыкание. Наибольшее распространение получили кулачковые ограничительные муфты, обеспечивающие точность момента затяжки в пределах 30-40%. Гайковерты с предельными муфтами.
Данные устройства по своему принципу действия аналогичны гайковертам прямого действия, но дополнительно снабжены предельными муфтами. Предельные муфты настраиваются на определенный параметр затяжки резьбового соединения, при достижении которого воздействуют на приводной двигатель, отключая его. В качестве ограничивающего параметра обычно используется максимальный момент затяжки.
Гайковерты с предельными муфтами позволяют получить стабильность момента затяжки в пределах 25-30%. Таким образом, для гайковертов внешнего крутящего момента характерна низкая точность параметров затяжки, а также возникновение значительного реактивного момента на корпусе.
По характеру движения ударника ударно-импульсной муфты их можно разделить на гайковерты с винтовым движением ударника и гайковерты с тангенциальным колебанием ударника. Для ударных гайковертов характерны: повышенная вибрация, шум, низкая долговечность. Особенностями работы ударных гайковертов является неравномерное вращение выходного вала, обусловленное наличием ударно-вращательной муфты. Существенным недостатком ударных гайковертов является нестабильность энергии удара.
Рассмотрим особенности функционирования гайковертов, использующих в качестве привода поршневой привод. Существующие конструкции поршневых гайковертов используют в основном гидропривод и применяются для сборки крупных резьбовых соединений.
Работа гайковерта основана на принципе преобразования усилия, развиваемого цилиндром при поступательном движении его поршня в крутящий момент, передаваемый храповым колесом. Рисунок 1.5 – Поршневой гайковерт
Гайковерт через узел 21 и муфту 22 подсоединяется к источнику давления с двухпозиционным распределителем. На квадратную часть 5 шпинделя 4 устанавливается головка необходимого размера. Нажатием фиксатора 25 отсоединяется реакционная опора 24 от корпуса 1 и устанавливается на любую опорную площадку для создания противодействия от поворачивания гайковерта вокруг завинчиваемой (или отвинчиваемой) гайки. Вставляется упорная опора 24 в корпус и опускается фиксатор 25 в канавку корпуса 1, зафиксировав положение опоры 25. Затем нагнетается давление в поршневую полость 16, при этом поршень 12 со штоком 13 начинает перемещаться в полости 11, совершая рабочий ход. Шток 13 воздействует на рычаг 2 через самоустанавливающуюся опору 17, которая сопряжена с рычагом 2 и который поворачивается относительно оси шпинделя 4. Одновременно с перемещением рычага 2 происходит его воздействие на силовую собачку 7, которая воздействует в свою очередь всеми зубьями на храповое колесо 3, вращает его и которое в свою очередь вращает шпиндель 4, осуществляя поворот гайки.
При достижении поршнем крайнего положения, распределитель переключается во вторую позицию (на возврат), рабочая среда поступает в штоковую полость 14, при этом поршень 12 со штоком 13 совершает обратный ход.
При этом перемещении поршня 12 одновременно с ним перемещается шаровая опора 17 и стержень 20 перемещает рычаг 2 по радиусу в обратном направлении. Рычаг 2 возвращается в исходное положение.
В данном случае возврат поршня в исходное положение осуществляется с помощью подачи рабочей среды в надпоршневую полость цилиндра. На рисунке 1.6 представлена схема другого поршневого гайковерта [2]. При подаче давления поршень перемещается влево и поворачивает рычаг 18, зубья блока собачек входят в зацепление с зубьями храпового колеса вращают его, тем самым совершая рабочий цикл. В конце рабочего хода поршня подача рабочей среды прекращается, и поршень перемещается вправо под действием пружины 45. Рычаг 18 также поворачивается вправо под действием пружины 28, а зубья блока собачек 17 проскакивают через зубья храпового колеса 16. Поршень возвращается в исходное положение, после чего цикл повторяется.
Особенностью конструкции является способ возврата поршня в исходное положение – пружиной, в других конструкциях – за счет дополнительного поршня, подачи рабочей среды в запоршневую полость. Общими недостатками подобных гайковертов является наличие холостого хода, во время которого вращение на болт не передается (затяжка временно приостанавливается), из-за чего увеличивается общая продолжительность процесса. Рисунок 1.6 – Поршневой гайковерт
При применении пружины для возврата поршня в исходное положение, снижается максимальный момент затяжки, развиваемый гайковертом, т.к. поршню необходимо преодолеть усилие пружины. Также вследствие наличия пружины появляется неравномерность усилия, развиваемого поршнем, в зависимости от его положения, т.к. сопротивление пружины меняется при разной степени ее сжатия, что не позволяет использовать подобные конструкции при затяжке РС с нормированным моментом затяжки.
Этот недостаток может и отсутствовать, например, в следующем устройстве [3] (рисунок 1.7). При подаче давления попеременно в правую и левую полости цилиндра 3 оба поршня 4, соединенные косозубыми рейками 5 и 6, совершают возвратно-поступательное перемещение относительно вала 1. При движении поршня вправо зубья верхней рейки входят в зацепление с роликами 10, а зубья нижней рейки проскакивают через ролики. В результате усилие передается через ролики 10 на обоймы 7, вал 1 и далее на рабочую головку 2 и затягиваемую гайку. При обратном ходе поршня работает нижняя рейка, а верхняя рейка прощелкивает ролики 10.
Разработка конструкции пневматического поршневого гайковерта, обеспечивающего точность затяжки резьбовых соединений
Допустимые отклонения на линейные размеры назначаются в зависимости от степени точности резьбы. Следует отметить, что ГОСТ 16093-2004 «Резьба метрическая. Допуски и посадки» не регламентирует значение допуска на шаг резьбы Р, т.к. погрешность шага учитывается в допуске, устанавливаемом на средний диаметр резьбы, т.е. погрешность усилия затяжки от изменения шага резьбы будет отсутствовать.
Допустимые отклонения на коэффициенты трения устанавливаются 20% от номинальных значений (большей точности определения коэффициентов трения добиваются использованием специальных контрольно-диагностических стендов [73] на стадиях подготовки производства).
Допустимые отклонения момента затяжки назначались из следующих соображений: контроль момента осуществляется настройкой регулятора давления на необходимое значение давления в пневмосети, в качестве регулятора давления используется редукционный клапан, погрешность которого, с учетом погрешности настройки, составляет 10 %, следовательно, погрешность момента затяжки также составляет 10 %. Таблица 2.1 – Значения параметров резьбового соединения и их отклонения
Результаты определения погрешностей усилия затяжки на этапе предварительной затяжки в зависимости от изменения параметров приведены в таблице 2.2. При расчете относительных погрешностей номинальное усилие затяжки принималось 2,323 кН, т.к. на предварительном этапе осуществляется затяжка только на 10 % от требуемого усилия. Таблица 2.2 – Погрешности усилия затяжки от параметров резьбы Составляющиепогрешностей усилиязатяжки отнестабильностисопротивления врезьбовом соединенииQр SQM 8QU 8QD 0 Q d2 SQp Значения погрешностей, Н 230 253,5 13,2 10,9 11,8 173 Значенияотносительныхпогрешностей усилиязатяжки, % 1,0 1,09 0,06 0,05 0,05 0,75 Т.к. колебания составляющих формулы (2.5) носят случайный характер, погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений от нестабильности сопротивления в резьбе при контроле усилия затяжки по моменту определяются
Погрешность осевой силы затяжки от нестабильности момента сопротивления в резьбовом соединении можно найти, используя зависимость (2.8) методом дифференцирования с нахождением частных производных.
Контроль угла поворота резьбовой детали на втором этапе затяжки осуществляется с помощью датчика угла поворота. Для уменьшения влияния упругих отжатий системы, инерционности подвижных частей гайковерта и пневматической линии, погрешностей из-за неравномерности зазора в подвижных соединениях, проводилась настройка датчика на требуемый угол поворота на специальном стенде. В результате погрешность угла поворота можно оценить как ±1,50. Таким образом, допустимое отклонение угла поворота составит 30 или 0,0524 рад. Результаты определения погрешностей усилия затяжки на этапе окончательной затяжки в зависимости от изменения параметров резьбы приведены в таблице 2.4. Таблица 2.4 – Погрешности усилия затяжки от параметров резьбы
Составляющие погрешностейусилия затяжки отнестабильности моментасопротивления в резьбовомсоединенииQр 8Qq 8QF sQa2 sQi6 Значения погрешностей, Н 1779 0,0016 678 387 Значения относительных погрешностей, % 7,7 0 2,9 1,2 Т.к. колебания составляющих формулы (2.9) носят случайный характер, погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений от нестабильности сопротивления в резьбе при контроле усилия затяжки комбинированным методом на этапе окончательной затяжки определяются В результате получено, что погрешность усилия затяжки от нестабильности момента сопротивления резьбе на этапе окончательной затяжки составляет 8,2%, т.е. бро=8,32%
В итоге суммарные погрешности осевых сил затяжки пневматическими поршневыми гайковертами на этапах предварительной и окончательной затяжки находятся следующим образом
При подстановке значений составляющих погрешностей в формулу (2.11) получено, что относительная суммарная погрешность осевой силы затяжки при комбинированном методе контроля процесса сборки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами не превышает 10%, что соответствует заданной точности затяжки для ответственных РС.
При затяжке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами с контролем усилия затяжки по моменту возникают те же погрешности, что и на этапе предварительной затяжки с контролем усилия комбинированным методом, поэтому расчет можно провести по формулам 2.6 и 2.7, при этом номинальное усилие затяжки будет составлять 23,2 кН. Воспользовавшись таблицами 2.1, 2.2 и формула 2.6 и 2.7, получаем, что суммарная погрешность усилия затяжки при сборке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами с контролем по моменту составляет Q = 16,6%.
Проанализировав результаты расчетов предыдущих разделов, можно определить, что наибольший вклад в погрешность усилия затяжки комбинированным методом вносит погрешность угла поворота, т.к. отклонение угла поворота остается неизменным, то можно найти угол поворота, при котором погрешности метода комбинированной затяжки и затяжки с контролем усилия по моменту приблизятся.
Воспользовавшись формулами 2.9, 2.10, 2.11, получаем, что при угле поворота 0,36 рад суммарная относительная погрешность усилия затяжки при контроле комбинированным методом составит 16,4%, т.е. практически приравняется суммарной относительной погрешности усилия при затяжке с контролем момента затяжки. Т.е. при сборке РС с требуемым углом поворота меньше 0,36 рад более точным будем метод затяжки с контролем момента.
Экспериментальное исследование точности осевых сил и момента затяжки резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковртами
Пневматический поршневой гайковерт содержит два жестко связанных между собой пневмоцилиндра 1 и 2 с поршнями 3 и 4. Поршни 3 и 4 кинематически связаны с храповым колесом 5 посредством промежуточного звена, выполненного в виде двух блоков подпружиненных собачек 6 и 7; причем, блок собачек 6 ориентирован в противоположную сторону относительно блока собачек 7; кинематическую связь храпового колеса 5 с головкой болта или гайкой обеспечивает рабочая головка 8.
Управляющий золотник 9 для переключения подачи сжатого воздуха между пневмоцилиндрами 1 и 2 установлен в корпусе золотника 10 с возможностью перемещений, а пластины 11 и 12 , закрепленные на штоке 13 – обеспечивают поступательные перемещения первого.
Каналы 14 и 15 пневматически связаны с камерами 16 и 17 пневмоцилиндров 1 и 2 соответственно, а канал 18 обеспечивает взаимосвязь устройства с напорной линией; каналы 19 и 20 соединены с атмосферой. Инкрементальный энкодер 21 установлен на корпусе 22, вал энкодера жестко связан с выходной частью храпового колеса 5 с помощью специальной муфты. Корпус золотника 10 также закреплен на корпусе 22. Поршневой пневматический гайковерт работает следующим образом. На этапе предварительной затяжки к гайковерту с помощью пневмораспределителя (см. рисунок 3.1) подключается маломоментная ветвь, где давление с помощью регулятора давления настроено на предварительный момент затяжки.
Воздух из пневморапределителя попадает в управляющий золотник 9 по каналу 18, проходит через канал 14 и попадает в камеру 16 пневмоцилиндра 1, вследствие чего поршень 4 начинает перемещаться справа налево. При этом, блок подпружиненных собачек 6 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время, второй блок подпружиненных собачек 7 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. В результате усилие передается на рабочую головку 8 и затягиваемую гайку.
При достижении крайнего левого положения поршнями 3 и 4, пластина 12 переводит управляющий золотник 9 в крайнее правое положение, тем самым соединяя канал 15 с напорной линией (через канал 18), а канал 14 с атмосферой через канал 19.
Затем сжатый воздух поступает в камеру 17 пневмоцилиндра 2, вследствие чего поршень 3 начинает перемещаться слева направо. При этом блок подпружиненных собачек 7 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время блок подпружиненных собачек 6 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. В результате усилие передается на рабочую головку 8 и затягиваемую гайку.
При достижении крайнего правого положения поршнями 3 и 4, пластина 12 переводит управляющий золотник 9 в крайнее левое положение, тем самым соединяя канал 14 с напорной линией (через канал 18), а канал 15 с атмосферой через канал 20.
Затяжка гайки будет производиться до тех пор, пока поршень пневмоцилиндра не остановится, это означает, что момент предварительной затяжки достиг требуемого значения, предварительно настроенного регулятором давления. Далее оператор, работающий с гайковертом, с помощью пневмораспределителя соединяет гайковерт с высокомоментной ветвью, одновременно подается питание на инкрементальный энкодер. Начинается второй этап затяжки с контролем по углу поворота.
Во время вращения храпового колеса 5, вращение передается на вал энкодера, который при вращении выдает импульсыи передает их на счетчик импульсов. При достижении заданного числа импульсов гайковерт отключается с помощью пневмораспределителя. Затяжка окончена. При затяжке тех резьбовых соединений, для которых требуется контроль затяжки только по значению момента, маломоментая ветвь с помощью регулятора давления настраивается на требуемый номинальный момент затяжки. Таким образом, можно перенастроить гайковерт на затяжку с контролем только по моменту.
Большинство поршневых гайковертов, описанных в патентной литературе и используемых в производстве, имеют гидравлический привод. Описанная выше конструкция использует более универсальный пневматический привод, что позволяет применять ее для сборки средних по размерам резьбовых соединений.
Разработанный гайковерт, в отличие от аналогичных изделий, отличается простотой конструкции и обеспечивает непрерывное вращение выходного вала. Также его особенностью является возможность подключения сжатого воздуха в один или в два цилиндра одновременно, что существенно расширяет диапазон развиваемых крутящих моментов на выходном валу и позволяет использовать данный гайковерт при затяжке широкого диапазона резьбовых соединений (от М6 до М14). На разработанную конструкцию получен патент РФ [91].
Для экспериментальных исследований разработан и изготовлен опытный образец пневматического поршневого гайковерта стационарного исполнения, который соответствует конструкции, показанной на рисунке 3.3. Общий вид опытного образца показан на рисунке 3.4.