Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ конструктивных особенностей и точности затяжки резьбовых соединений существующими образцами одношпиндельных завинчивающих устройств 14
1.1 Анализ точности затяжки резьбовых соединений существующими образцами одношпиндельных завинчивающих устройств 14
1.2 Высокоточное одношпиндельное завинчивающее устройство прямого действия 17
1.3 Высокоточные одношпиндельные завинчивающие устройства ударного действия 20
1.4 Одношпиндельные завинчивающие устройства с поршневым двигателем 24
1.5 Одношпиндельные завинчивающие устройства на основе центробежных сил инерции 25
1.6 Одношпиндельные завинчивающие устройства на основе центробежных сил инерции с динамической опорой 29
Глава 2 Выявление путей повышения точности затяжки резьбовых соединений завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции 33
2.1 Сравнительный анализ достижимой точности способов обеспечения и контроля осевых сил затяжки резьбовых соединений одношпиндельными завинчивающими устройствами 33
2.1.1 Контроль качества затяжки резьбовых соединений по крутящему моменту 34
2.1.2 Контроль точности затяжки резьбовых соединений по удлинению резьбовой детали 37
2.1.3 Комбинированный способ обеспечения и контроля точности затяжки резьбовых соединений
2.2 Математическое описание процесса затяжки резьбовых соединений завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции 42
2.3 Анализ степени влияния параметров завинчивающего устройства на основе центробежных сил инерции на точность затяжки резьбовых соединений 55
2.4 Пути повышения точности затяжки резьбовых соединений одношпиндельными завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции 59
Выводы по главе 60
Глава 3 Разработка кинематических схем высокоточных завинчивающих устройств на основе центробежных сил инерции 63
3.1 Разработка кинематической схемы шпильковертов и гайковертов на основе центробежных сил инерции 63
3.1.1 Одношпиндельный шпильковерт на основе центробежных сил инерции с контролем точности затяжки по моменту отключения муфты 65
3.1.2 Одношпиндельный шпильковерт на основе центробежных сил инерции с двумя кинематическими ветвями вращения и с контролем точности затяжки датчиком момента 68
3.1.3 Одношпиндельный шпильковерт на основе центробежных сил инерции с контролем точности затяжки датчиком момента 71
3.1.4 Одношпиндельный гайковерт на основе центробежных сил инерции с контролем точности затяжки датчиком момента 73
3.1.5 Одношпиндельный высокоточный гайковерт на основе центробежных сил инерции с электромеханической системой управления 74
3.1.6 Параметры импульсаторов для завинчивающих устройств 78
Выводы по главе 80
Глава 4 Погрешности осевых сил (моментов) затяжки резьбовых соединений завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции 82
4.1 Погрешности моментов затяжки шпильковертами на основе центробежных сил инерции с контролем точности муфтой предельного момента 83
4.1.1 Погрешность момента затяжки шпильки от нестабильности угловой скорости поворота резьбовой детали 85
4.1.2 Погрешность момента затяжки шпильки от нестабильности моментов сопротивления в муфте предельного момента , оказывающих влияние на стабильность ее отключения 88
4.1.3 Погрешность момента затяжки шпилек от нестабильности моментов сопротивления в резьбовом сопряжении 91
4.1.4 Погрешность момента затяжки шпилек от нестабильности моментов сопротивления в подвижных элементах устройства 93
4.1.5 Погрешность момента затяжки шпилек от кинематических погрешностей в зубчатых передачах - 93
4.2 Погрешности моментов затяжки шпильковертами на основе центробежных сил инерции с контролем точности датчиком момента 95
4.3 Погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений высокоточными одношпиндельными гайковертами на основе центробежных сил инерции с электромеханической системой управления 99
4.3.1 Погрешности моментов на этапе предварительной затяжки резьбовых соединений 101
4.3.2 Погрешности осевых сил на этапе окончательной затяжки резьбовых соединений 107
Выводы по главе 111
Глава 5 Экспериментальное подтверждение работоспособности и точности затяжки резьбовых соединений одношпиндельными завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции 114
5.1 Приборы контроля при экспериментальных исследованиях 114
5.2 Экспериментальное подтверждение работоспособности и точности осевых сил затяжки резьбовых соединений гайковертами на основе центробежных сил инерции 116
5.3 Обработка экспериментальных данных 119
5.4 Методика разработки высокоточных одношпиндельных завинчивающих устройств на основе центробежных сил инерции 122
5.5 Пример разработки одношпиндельного гайковерта на основе центробежных сил инерции 127 Выводы по главе 131
Заключение по диссертационной работе 132
Список литературы
- Высокоточное одношпиндельное завинчивающее устройство прямого действия
- Контроль качества затяжки резьбовых соединений по крутящему моменту
- Одношпиндельный шпильковерт на основе центробежных сил инерции с двумя кинематическими ветвями вращения и с контролем точности затяжки датчиком момента
- Погрешность момента затяжки шпилек от нестабильности моментов сопротивления в подвижных элементах устройства
Высокоточное одношпиндельное завинчивающее устройство прямого действия
Авторами [81] разработан высокоточный одношпиндельный гайковерт прямого действия, кинематическая схема которого представлена на рисунке 1.2.
Гайковерт включает в себя электро- или пневмо- двигатель 1; планетарный редуктор 38, который состоит из корпуса 34, входной шестерни 2, взаимодействующая с колесами 3 и 39. Колесо 3 с шестерней 4 и колесо 39 с шестерней 37 выполнены жестко скрепленными. Шестерни 4 и 37 перекатываются по зубчатому колесу 36, имеющему внутреннее зацепление. Осями спаренных зубчатых шестерен и колес являются оси, жестко скрепленные с водилом 6. На ось водила запрессована центральная шестерня 33, входящая в зацепление одновременно с колесами 7 и 32, что обеспечивает возможность передачи момента по двум цепям: по быстроходной маломоментной и тихоходной высокомоментной.
Быстроходная цепь от шестерни 33 передает вращение на колесо 7, зубчатую пару 9, 8 и муфту предельного момента 13. Муфта включает в себя крышку 29, при помощи которой имеется возможность регулирования поджатия пружины 27, которая определяет требуемый момент срабатывания муфты. На ободе муфты имеются зубья, предназначенные для настройки необходимого момента отключения за счет введения в зацепление подпружиненной пружиной 12 шестерни 10.
Ведущая полумуфта 26 имеет возможность перемещаться вдоль оси, а неподвижная ведомая полумуфта 25 жестко закреплена на валу. К оси неподвижной полумуфты шлицевым соединением прикреплен шпиндель 77 с патрон-вставкой 18, обеспечивающей захват и удержание резьбовой детали во время сборки.
Тихоходная цепь от шестерни 33 передает вращение колесу 32, напрессованному на вал 31, на конце которого расположена шестерня 22, имеющая возможность осевого перемещения и подпружиненная пружиной 20. 1-двигатель; 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 14, 22, 32, 33, 36, 37, 39-шестерня; 6, 35-водило; 12, 16, 20, 23, 27-пружина; 13-муфта предельного момента; 17-шпиндель; 18-патрон; 21, 30-контакты; 24-курок; 25-ведомая полумуфта; 26-подвижная полумуфта; 28-шток; 29-крышка; 31-вал; 34-корпус; 38-планетарный редуктор. Одношпиндельный гайковерт на основе электропривода, планетарного редуктора, муфты предельного момента и механизма переключения вращений При передвижении рычага 24, подпружиненного пружиной 23, подвижная шестерня 22 может входить в зацепление с имеющим возможность перемещения вдоль оси шестерней 14, поджатой с помощью пружины 16. Подпружинивание позволяет шестерне 22 возвращаться в исходное положение после отпускания рычага 24, а подпружинивание колеса 14 исключает резкое возрастание сопротивления при зацеплении шестерни 22 с колесом 14, которое, в свою очередь, вращает шпиндель 17 с патроном 18.
Гайковерт работает следующим образом. Патрон захватывает резьбовую деталь. Оператор нажимает на рычаг 24, переводит его в положение предварительной затяжки, перемещая шток 28 и замыкая контакты 30 в цепи питания двигателя 1. Вал двигателя передает вращение на шестерню 2 со сдвоенными колесами - шестернями 39, 37 и 3, 4 планетарного редуктора 38. Колеса 4 и 37 перекатываться по колесу 36 с внутренним зацеплением. В связи с тем, что оси жестко скрепленных шестерен-колес являются водилом 35, начинает вращаться вал 6. Так как на валу 6 напрессована центральная шестерня 33, вращение от нее передается по двум отдельным кинематическим цепям. По тихоходной высокомоментной цепи передачи крутящий моментпередается от шестерни 33 на колесо 32, вал 31 и подпружиненную шестерню 22. Так как шестерня 22 в данный момент времени не введена в зацепление с подвижным зубчатым колесом 14, момент завинчивания по данной кинематической цепи передаваться не может. Шестерня 33 одновременно с тихоходной частью кинематической цепи передает вращение колесу 7, зубчатой паре 9, 8 и ведущей полумуфте муфты предельного момента 13. Подвижная полумуфта своими зубьями входит в зацепление с ведомой (неподвижной) полумуфтой, и крутящий момент через муфту предельного момента передается на шпиндель 17, патрон 18 и резьбовую деталь. Происходит процесс завинчивания, а затем предварительная затяжка соединения. Как только момент сопротивления достигает заданного момента настройки муфты предельного момента (предварительного момента затяжки) процесс предварительной затяжки завершится. Как только шпиндель гайковерта прекратит вращение, оператор нажимает на рычаг 24 и переводит его в положение окончательной затяжки, обеспечивая перемещение вдоль оси вала шестерни 22, и вхождение ее зубьев в зацепление с зубьями подпружиненного колеса 14. При этом на шпиндель начнет передаваться крутящий момент по тихоходной высокомоментной цепи вращения, то есть начнется процесс окончательной затяжки резьбового соединения.
Одновременно при перемещении рычага 24 произойдет перемещение штока 28 и замыкание контактов 27 системы контроля поворота резьбовой детали при окончательной затяжке на определенный угол. Перемещение крышки 29 и подвижной полумуфты 26 по оси вала в момент касания зубьев полумуфт муфты предельного момента 13 фиксируется датчиком Д, и система контроля угла поворота начинает отсчет импульсов, количество которых соответствует заданному углу поворота. Устройство согласования сигналов (на схеме УСС) и счетчик импульсов (на схеме СИ) начнут отсчет количества импульсов.
При достижении заданного числа импульсов размыкается контакт реле (на схеме Р) в цепи питания двигателя и процесс затяжки прекращается. Оператор отпускает рычаг 24, приводя в исходное состояние гайковерт.
К недостаткам высокоточных одношпиндельных завинчивающих устройств прямого действия относится использование электро- и пневмодвигателей относительно большой мощности и увеличение масса-габаритных параметров устройств.
Контроль качества затяжки резьбовых соединений по крутящему моменту
Для гостированных отклонений параметров и физико-механических свойств резьбовых деталей погрешности осевых сил при контроле качества сборки по удлинению резьбовой детали , то есть 14,836% от требуемого значения. Погрешности осевых сил затяжки по сравнению со способом обеспечения и контроля качества сборки по моменту [10] почти в два раза меньше. Но если ужесточить допустимые отклонения диаметра растягиваемой части резьбовых деталей до 0,035 мм, то погрешности осевых сил могут составить , что соответствует погрешности в 6,247% от номинального значения. Экспериментально подтверждено хорошее совпадение значений погрешности осевых сил затяжки с расчетными значениями.
Данный способ обеспечения и контроля качества затяжки может применяться только для шпилечных соединений, где удлинение можно измерить, а механизация или автоматизация этого процесса связана с большими трудностями.
Комбинированный способ обеспечения и контроля качества затяжки [10, 24] основан на предварительной затяжке резьбовых соединений с контролем по моменту и окончательной затяжке с контролем по углу поворота резьбовой детали.
Если назначить момент предварительной затяжки резьбовых соединений в пределах 5% от номинального значения, то при контроле качества затяжки по моменту погрешности осевых сил затяжки с учетом того, что , составляет 25,68% от заданного момента, т.е. в пересчете , что соответствует погрешности в 5% от номинального значения. Оценим погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений при контроле качества по углу поворота резьбовой детали. Согласно выражению (2.3) зависимость осевой силы затяжки от угла поворота резьбовой детали запишется как: (2.5) где – осевая сила окончательной затяжки; – шаг резьбы.
На этапе окончательной затяжки с контролем качества сборки по углу поворота резьбовой детали погрешность осевых сил: и
Для параметров резьбовой детали (табл. 2.3) погрешности осевых сил затяжки на этапе окончательной затяжки резьбовых соединений при контроле качества сборки по углу поворота составят, кН:
Параметр Уголзатяжкирезьбовогосоединения Диаметр тела резьбовой детали , см Модульупругостиматериаларезьбовойдетали, МПа Шаг резьбы , см Длинарастягиваемойчастирезьбовойдетали, см
Номинальное значение 1,2 0,15 1,0 Допустимое отклонение 0,0029 рад 0,0035…0,0260 0,00245 0,02 Погрешности осевых сил на этапе окончательной затяжки с контролем качества сборки по углу поворота резьбовой детали , что соответствует погрешности в 7,326% от номинального значения. Суммарные погрешности осевых сил затяжки находят из выражения: (2.6) что составляет 8,875% от номинального значения, но в условиях реального производства осуществить такой контроль невозможно. Вполне доступен контроль точности затяжки резьбовых соединений комбинированным способом [21, 24], при котором на этапе предварительной затяжки контроль осуществляется по моменту, а окончательный – по углу поворота резьбовой детали.
Для повышения точности обеспечения и контроля осевых сил затяжки резьбовых соединений следует ужесточить допустимое отклонение диаметра резьбовой детали до 0,0035 см. В этом случае суммарная погрешность составит , что соответствует погрешности в 7,774% от номинального значения.
Как следует из анализа:
1. Способ обеспечения и контроля качества сборки по моменту затяжки обладает самой низкой точностью обеспечения осевых сил затяжки. Погрешности осевых сил затяжки составляют не менее 25% от номинального значения.
2. Самой высокой точностью обеспечения осевых сил затяжки является способ контроля удлинения резьбовой детали в процессе затяжки. Погрешности осевых сил затяжки составляют порядка 6,3% от номинального значения. Однако следует учитывать, что для обеспечения такой точности разброса осевых сил затяжки необходимо обеспечить изготовление диаметра растягиваемой части резьбовой детали с погрешностью не более 0,035 мм и использовать данный способ только при сборке шпилечных соединений.
3. Комбинированный способ обеспечивает высокую точность достижения осевых сил затяжки резьбовых соединений с погрешностью порядка 8…9% от номинального значения и в отличие от предыдущего способа не имеет ограничений при использовании его в сборочном производстве и не вызывает трудностей механизации и автоматизации процесса сборки.
Одношпиндельный шпильковерт на основе центробежных сил инерции с двумя кинематическими ветвями вращения и с контролем точности затяжки датчиком момента
Анализ конструктивных особенностей рисунка 1.4 и точности затяжки резьбовых соединений рассматриваемыми завинчивающими устройствами показал, что без значительных доработок кинематических схем обеспечить высокую точность осевых сил затяжки, при которой погрешности не будут превышать 10% от требуемых значений, нельзя.
Поэтому для создания шпильковертов и гайковертов повышенной точности осевых сил затяжки на основе использования центробежных сил инерции необходимо решить следующие задачи:
1. Для обеспечения стабильной и надежной работы устройств: - уменьшить вес неуравновешенных грузиков сателлитов на каждом импульсаторе до 10 – 15 грамм; - довести частоту вращения сателлитов с неуравновешенными массами до n=(120-150) об/мин.
2. Для обеспечения затяжки резьбовых соединений в диапазоне диаметров D=(4-12) мм с быстрой переналадкой: - повысить максимальный момент затяжки резьбовых соединений, согласно [24], до M=18 (кгм), что соответствует моменту затяжки соединений D=12 мм; - предусмотреть в конструкции устройства механизм быстрой переналадки завинчивающего устройства на затяжку резьбовых деталей в диапазоне от D=(4-12) мм.
3. Для повышения производительности сборки резьбовых соединений в процессе завинчивания необходимо: - процесс завинчивания производить не импульсно, а непрерывным вращением шпинделя; - ввести в конструкцию устройств механизм автоматического управления переключением с непрерывного вращения в процессе завинчивания на импульсную затяжку резьбовых соединений.
4. Для обеспечения качественной, высокоточной затяжки резьбовых соединений: - обеспечивать контроль затяжки комбинированным методом – предварительную по моменту, а окончательную – по осевой силе затяжки; - ввести высокоточную систему контроля осевой силы затяжки с автоматическим отключением завинчивающего устройства в момент окончания сборки.
1. На основе дифференциальных уравнений движения описан процесс затяжки резьбовых соединений одношпиндельными завинчивающими устройствами на основе центробежных сил инерции в зависимости от параметров импульсатора, самого устройства и резьбовых деталей, режимов вращения шпинделя при завинчивании и затяжке соединений, с учетом комбинированного метода обеспечения и контроля качества сборки.
Последовательно решая дифференциальные уравнения при нулевых начальных условиях, определяется угол затяжки резьбовых соединений в зависимости от требуемого момента или осевой силы затяжки, который устанавливается в системе контроля параметров затяжки резьбовых соединений.
2. Выявлены факторы, оказывающие существенное влияние на точность затяжки резьбовых соединений на этапах предварительной и окончательной затяжки, устранение или уменьшение влияния которых позволит создать высокоточные, надежно работающие завинчивающие устройства.
3. Сформулированы требования к завинчивающим устройствам на основе центробежных сил инерции, при конструктивном выполнении которых будет обеспечена высокоточная сборка резьбовых соединений, включающие: - уменьшение веса неуравновешенных грузиков сателлитов до 10-15 грамм, что позволит обеспечить требуемые габариты завинчивающего устройства; - уменьшение частоты вращения до n = 120 -150 об/мин, что позволит обеспечить надежную, стабильную и долговечную работу элементов завинчивающих устройств; - повышение момента для затяжки резьбовых соединений D = 12 мм за счет комплекса мер – увеличить момент импульса, не увеличивая частоту вращения сателлитов и неуравновешенных грузиков; - увеличение производительности завинчивания путем разделения кинематических ветвей вращения: быстроходной, но маломоментной для исключения процесса импульсного завинчивания, и тихоходной, но высокомоментной для обеспечения требуемого момента затяжки резьбовых соединений; - введение механизма быстрой переналадки для перехода на завинчивания резьб меньшего диаметра, чем 12; - введение механизма автоматического переключения с быстроходной кинематической ветви на тихоходную; - обеспечение контроля затяжки резьбовых соединений комбинированным способом: на этапе предварительной затяжки по моменту, а на этапе окончательной – по углу поворота резьбовой детали; - введение механизма автоматического отключения завинчивающего устройства в момент окончания затяжки резьбового соединения. Выполнение этих требований позволит создать высокоточные завинчивающие устройства, погрешности моментов затяжки которых не превысят 10-12% от номинального значения.
Погрешность момента затяжки шпилек от нестабильности моментов сопротивления в подвижных элементах устройства
Точность моментов затяжки шпилек шпильковертами на основе центробежных сил инерции рисунок 3.1 с отключением работы двигателя при помощи муфт предельного момента зависит от следующих факторов: 1. Точности изготовления элементов шпильковерта: - импульсатора, в котором формируются моменты импульсов - ; - муфты предельного момента, определяющей стабильность отключения двигателя - ; - зубчатой передачи, вызывающей появление кинематических погрешностей - ; - механизма свободного хода храпового типа - . 2. Нестабильности частоты угловой скорости вращения: - сателлитов с неуравновешенными грузиками - ; - резьбовой детали (шпильки) в процессе затяжки - . 3. Нестабильности моментов сопротивления: - муфты предельного момента – погрешность срабатывания (отключения) - ; - в резьбовом сопряжении - ; - в подвижных элементах устройства (шпильковерта) - . 4. Неточности настройки муфты предельного момента на требуемое значение момента затяжки шпильки - .
Следует заметить, что погрешности моментов затяжки следует разделить на систематические и случайные. Случайные погрешности появляются от: - нестабильности частоты вращения сателлитов с неуравновешенными грузиками - ; - нестабильности частоты вращения резьбовой детали (шпильки) в процессе затяжки - ; - нестабильности моментов сопротивления в муфте предельного момента - нестабильности моментов сопротивления в резьбовом сопряжении - ; - нестабильности моментов сопротивления в подвижных элементах устройства - ; - кинематической погрешности в зубчатых передачах - . Появление систематических погрешностей моментов затяжки вызываются: - неточностью изготовления элементов импульсатора - ; - неточностью изготовления элементов муфты предельного момента - неточностью изготовления механизма свободного хода храпового типа Суммарную погрешность моментов затяжки шпилек можно записать: J( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (f
Считаем, что при настройке муфты предельного момента на требуемое значение момента затяжки, систематические погрешности сводятся к погрешности настройки - .
Кроме того, при срабатывании муфты предельного момента отсекаются погрешности превышения момента импульсатора за счет нестабильности угловой скорости вращения сателлитов. С учетом сказанного выражение (4.1) примет вид: 1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (4.2) Найдем составляющие погрешности выражения (4.2) для завинчивания и затяжки шпилек Д=12(мм).
В момент воздействия последних моментов импульсов при окончании затяжки шпильки - . В процессе воздействия момента импульса в момент его уменьшения от максимального значения до нуля имеет место замедление вращения. Считаем, что происходит равнозамедленное движение. Возникает момент силы инерции, который направлен в сторону затяжки. Согласно [9], момент силы инерции запишется: (4.3) где – приведенный момент инерции подвижных элементов шпильковерта к оси шпинделя шпильковерта; – угловое ускорение (замедление) в процессе затяжки. Учитывая, что процесс затяжки равнозамедленный, согласно [9], имеем: (4.4) где – угол поворота резьбовой детали в момент затяжки под действием последнего момента импульса; t – время поворота резьбовой детали; – конечная угловая скорость поворота детали ( =0); – начальная (максимальная) угловая скорость поворота резьбовой детали под действием момента импульса.