Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опыта применения, проектирования и методов обеспечения качества резьбовых соединений 12
1.1 Опыт применения резьбовых соединений в машиностроении 12
1.2 Существующие модели и методики конструкторско-технологического проектирования резьбовых соединений 19
1.3 Анализ конструкторско-технологических методов обеспечения качества резьбовых соединений 29
1.4 Анализ производственных и литературных данных по применению анаэробных материалов при сборке резьбовых соединений 36
Выводы. Задачи исследования 42
2 Теоретические исследования влияния анаэробных материалов на функциональные характеристики резьбовых соединений 45
2.1 Разработка и исследование функциональной модели резьбового соединения при частичном заполнении анаэробным материалом резьбового зазора 45
2.2 Разработка и исследование функциональной модели резьбового соединения при полном заполнении анаэробным материалом резьбового зазора 59
2.3 Влияние анаэробных материалов на статическую прочность и жёсткость резьбовых соединений 70
Выводы 82
3 Исследование функциональных характеристик резьбовых соединений методом конечных элементов. определение рациональных технологических параметров процесса сборки. многокритериальный анализ прочности материалов деталей 84
3.1 Моделирование резьбовых соединений при применении метода конечных элементов 84
3.2 Исследование влияния анаэробных материалов на напряжённо-деформированное состояние и эксплуатационные характеристики резьбовых соединений 93
3.3 Определение рациональных технологических параметров при сборке резьбовых соединений с анаэробными материалами 104
3.4 Многокритериальный подход к оценке прочности материалов деталей резьбовых соединений 108
Выводы 116
4 Экспериментальные исследования характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами 118
4.1 Методика и анализ результатов экспериментальных исследований статической прочности резьбовых соединений 118
4.1.1 Оборудование, приборы и анаэробные материалы, применяемые при экспериментальных исследованиях 118
4.1.2 Сборка, испытание и анализ результатов исследования прочности резьбовых соединений 125
4.2 Методика и анализ результатов экспериментальных исследований жёсткости резьбовых соединений 130
4.2.1 Оборудование, приборы и анаэробные материалы, применяемые при экспериментальных исследованиях 130
4 4.2.2 Сборка, испытание и анализ результатов исследования жёсткости резьбовых соединений 132
4.3 Методика и анализ результатов экспериментальных исследований циклической прочности резьбовых соединений 138
4.3.1 Оборудование, приборы и анаэробные материалы, применяемые при экспериментальных исследованиях 138
4.3.2 Сборка, испытание и анализ результатов исследования циклической прочности резьбовых соединений 143
Выводы 147
5 Разработка нового спосба сборки и системы технологического обеспечения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений с применением анаэробных материалов. примемеры внедрения результатов работы 148
5.1 Разработка и исследование нового способа сборки резьбовых соединений с применением анаэробных материалов 148
5.2 Система технологического обеспечения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений при сборке с применением анаэробных материалов 154
5.3 Примеры совершенствования резьбовых соединений при сборке
с анаэробными материалами 159
5.3.1 Совершенствование резьбового соединения штока и тяги пневмогидропривода шарового крана 159
5.3.2 Совершенствование резьбового соединения штока и поршня пневмогидропривода шарового крана 167
5.3.3 Совершенствование резьбового соединения шпильки и гайки пневмогидропривода шарового крана 171
Выводы 175
Заключение 177
Список использованной литературы 179
- Существующие модели и методики конструкторско-технологического проектирования резьбовых соединений
- Разработка и исследование функциональной модели резьбового соединения при полном заполнении анаэробным материалом резьбового зазора
- Определение рациональных технологических параметров при сборке резьбовых соединений с анаэробными материалами
- Методика и анализ результатов экспериментальных исследований жёсткости резьбовых соединений
Введение к работе
Актуальность темы. Снижение ресурсоемкости производства на основе внедрения новых эффективных технологий является главной проблемой современного машиностроения.
Резьбовые соединения (PC) являются самыми распространенными среди неподвижных соединений деталей, к ним предъявляются такие эксплуатационные требования, как прочность (статическая и динамическая), жесткость, герметичность, фреттингостойкость, коррозионная стойкость, сопротивление самоотвинчиванию. Однако в ряде случаев для обеспечения заданных характеристик PC используются дополнительные крепления, стопорные и разгрузочные элементы, увеличиваются диаметр и длина соединения, применяются ресурсоемкие технологические операции и др., что приводит к существенному повышению себестоимости узлов машин. Кроме того, для комплексного обеспечения характеристик PC часто необходима совокупность конструкторских и технологических решений, что нерационально.
В последнее время разрабатываются конструкторские и технологические методы, позволяющие более рационально обеспечить характеристики PC. Среди них весьма эффективной является технология сборки PC с применением анаэробных материалов (AM), которые по-лимеризуются в зоне контакта деталей при отсутствии кислорода воздуха. В ряде исследований доказано, что AM обеспечивают герметичность, коррозионную стойкость и стопорение PC, что подтверждается проспектами фирм, производящих AM. В то же время предварительные исследования выявили, что при сборке с AM также повышаются прочностные характеристики и жесткость, т.е. достигается комплексное обеспечение эксплуатационных характеристик PC. Однако исследований в данном направлении выполнено недостаточно, не создана система рационального технологического обеспечения характеристик PC на основе применения при сборке AM.
Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с исследованием и комплексным обеспечением характеристик резьбовых соединений при сборке с применением анаэробных материалов, является актуальной.
Объект исследования - технологический процесс сборки и его влияние на характеристики резьбовых соединений.
Предмет исследования - условия, методы и система реализации процесса сборки с применением AM, обеспечивающие комплексное и рациональное повышение прочностных характеристик и жесткости PC.
Цель работы - комплексное и рациональное технологическое обеспечение прочностных характеристик и жесткости резьбовых соединений на основе применения при сборке анаэробных материалов и научно обоснованного назначения технологических параметров.
Задачи исследования:
-
Разработать систему комплексного и рационального технологического обеспечения прочностных характеристик и жесткости резьбовых соединений на основе применения при сборке анаэробных материалов и апробировать ее для совершенствования конкретных соединений.
-
Рассмотреть различные условия реализации процесса сборки PC с применением AM, установить механизм повышения прочностных характеристик и жесткости, разработать и исследовать функциональные модели соединений.
-
Исследовать методом конечных элементов напряженно-деформированное состояние и характеристики PC при сборке с AM.
-
Разработать методики и рекомендации для определения основных технологических параметров: марки применяемого AM, длины свинчивания, где должен находиться AM, объема наносимого AM.
-
Провести экспериментальные исследования прочностных характеристик и жесткости PC, собранных с AM.
-
Разработать новую технологию сборки PC с применением AM, позволяющую выравнивать распределение нагрузки по виткам резьбы.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теориях упругости, статической и динамической прочности деталей и соединений, теории контактного взаимодействия поверхностей и методе конечных элементов. При экспериментальных исследованиях статической и динамической прочности, а также жесткости резьбовых соединений применялись известные и оригинальные методики с использованием поверенных и аттестованных средств измерений, стандартного и специального испытательного оборудования.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, моделированием методом конечных элементов, практической реализацией результатов работы, а также решением о выдаче патента на изобретение.
На защиту выносятся:
1 Система комплексного и рационального технологического обеспечения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений при
сборке с AM и результаты ее применения для конструкторско-тех-нологического совершенствования резьбовых соединений.
-
Механизм и технологические условия повышения прочностных характеристик и жесткости PC при сборке с применением анаэробных материалов.
-
Функциональные модели резьбовых соединений, собранных с применением анаэробных материалов при различных условиях реализации сборочного процесса, отражающие влияние AM на напряженно-деформированное состояние и характеристики соединений.
-
Методика и результаты исследования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния и характеристик PC при использовании AM, подтвердившие эффективность предлагаемой технологии сборки.
-
Методики и рекомендации по эффективному применению AM при сборке PC, касающиеся назначения рациональных технологических параметров: марки и объема наносимого AM, длины свинчивания, на которой должен находиться AM.
-
Результаты экспериментальных исследований статической и динамической (циклической) прочности, а также жесткости PC, подтвердившие адекватность функциональных моделей и данных, полученных при исследовании соединений методом конечных элементов.
-
Новый технологический процесс сборки PC с применением AM, позволяющий рациональным образом обеспечить выравнивание нагрузки по виткам резьбы.
Научная новизна:
-
Разработана система комплексного и рационального технологического обеспечения прочностных характеристик и жесткости PC на основе применения при сборке AM, позволяющая снизить ресурсоемкость узлов машин.
-
Построены функциональные модели резьбовых соединений для двух вариантов реализации процесса сборки: с частичным и полным заполнением AM резьбового зазора, при исследовании которых установлено, что только при полном заполнении зазора обеспечивается комплексное повышение прочностных характеристик и жесткости PC. Адекватность моделей подтверждена исследованиями, проведенными методом конечных элементов, а также результатами экспериментов.
-
Разработаны методики определения рациональных технологических параметров процесса сборки: марки и объема наносимого AM, длины свинчивания, где должен находиться AM, применение которых позволяет обеспечить характеристики FC и снизить затраты на сборочные операции.
Практическая ценность:
-
Технология сборки PC с использованием AM, реализуемая на основе системы технологического обеспечения характеристик соединений на этапе конструкторско-технологического проектирования, позволяет не только обеспечить заданную несущую способность, но и снизить затраты на создание узлов машин, что подтверждается практическим применением результатов работы.
-
Использование методик и рекомендаций, направленных на рациональное применение AM при сборке PC, а также нового способа получения PC позволяет повысить эффективность технологического процесса сборки соединений при комплексном обеспечении их эксплуатационных характеристик.
Реализация и внедрение результатов. Результаты работы внедрены на предприятии ООО «Пензтяжпромарматура - Атом» в виде конст-рукторско-технологического совершенствования PC и узлов на основе технологии сборки с применением AM, а также рекомендаций по технологическому обеспечению качества резьбовых соединений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах: «Технологический, технический и информационный сервис как базовые факторы модернизации производства» (г. Кострома, 2006); «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007); «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (г. Пенза, 2007, 2009, 2010); «Технико-технологический и информационный сервис: проблемы и перспективы» (г. Кострома, 2007); «Системы промышленного и информационного сервиса (инфраструктура, объекты, процессы)» (г. Кострома, 2008); «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2008, 2009); «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (г. Пенза, 2010); «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (г. Пенза, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 статей (три статьи без соавторов), из них две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 132 наименований и приложений. Работа изложена на 126 страницах основного, текста, включает 50 таблиц и 72 рисунка. Общий объем диссертации - 210 страниц.
Существующие модели и методики конструкторско-технологического проектирования резьбовых соединений
Одной из основных задач машиностроения на современном этапе является комплексное повышение эксплуатационных характеристик деталей и узлов машин, осуществляемое эффективно, с наименьшими затратами. Надёжную работу изделия во многом определяет качество резьбовых соединений (PC), которые имеют чрезвычайно широкое применение в различных изделиях машиностроения и составляют в среднем 15 - 20% от общего количества соединений, а в некоторых отраслях промышленности их доля доходит до 70%. Среди неподвижных соединений PC составляют 40 - 60%.
Широкое применение PC в технике определяется: возможностью создания больших осевых сил сжатия деталей при небольшой силе, приложенной к ключу; удобными формами и малыми габаритами резьбовых деталей; стандартизацией; взаимозаменяемостью и централизованным изготовлением резьбовых деталей. С помощью резьбы получают неподвижные соединения, обеспечивающие точную и прочную фиксацию относительного положения деталей, и подвижные, предназначенные для преобразования вращательного движения в поступательное или для создания значительных осевых усилий [5, 6, 7, 15, 16, 17,19,62,71,94,107, 108].
Различают цилиндрические и конические резьбовые соединения. Цилиндрические, в свою очередь, подразделяют на соединения крепёжными и специальными резьбами. К крепёжным резьбам относятся метрические резьбы, а также резьбы со спиральными вставками; к специальным - трубные, прямоугольные, упорные, круглые, трапецеидальные и другие. Наибольшее распространение в качестве разъёмного соединения получили крепёжные метрические резьбы с крупной и мелкой резьбой (различаются в зависимости от шага резьбы), предназначенные обеспечивать прочность соединения и сохранять плотность стыка в процессе длительной эксплуатации деталей машин [19, 20, 21, 22, 24, 53, 129].
В качестве резьбовых элементов используют крепёжные винты, болты и шпильки. Преимуществом болтового соединения является то, что оно не требует нарезания резьбы в соединяемых деталях и исключает необходимость замены или ремонта дорогостоящих корпусных деталей из-за повреждения резьбы. Винты применяют, когда корпусная деталь большой толщины не позволяет выполнить сквозное отверстие для установки болта, и изготовлена из высокопрочных материалов (сталей и сплавов). Шпильки используют вместо винтов, если прочность материала детали с резьбой недостаточна (чугун, алюминиевые и магниевые сплавы), а также при частых сборках и разборках соединений. В этом случае шпилька завинчивается в деталь один раз на всё время работы соединения, а при сборках и разборках работает более прочная резьба на участке свинчивания с гайкой [5, 19, 50, 53].
Резьбовые соединения соединяются по посадкам с зазором, переходным и с натягом, различаются по классам и степеням точности. Наибольшее применение в конструкциях изделий получили PC с зазором (в большинстве случаев выполненные по посадкам 6H/6g и 7#/8g ГОСТ 16093-2004), применение которых упрощает сборку и разборку деталей и создаёт возможность нанесения антикоррозионных покрытий [4, 13, 19, 51, 101].
В зависимости от назначения различают PC прочные, обеспечивающие несдвигаемость соединяемых деталей, и прочноплотные для обеспечения не-сдвигаемости и герметичности соединения (например, крепления крышек резервуаров, заполненных жидкостью) [5, 19, 53, 62].
В зависимости от способа сборки и характера нагружения соединения делятся на собираемые без предварительной затяжки (ненапряжённые), и с предварительной затяжкой (напряжённые). Кроме того, при эксплуатации встречаются два основных случая нагружения резьбовых деталей: сила действует пер 14 пендикулярно оси болта и вдоль болта. В зависимости от конструкции PC и условий эксплуатации стержень болта испытывает растяжение, срез, смятие, изгиб, кручение, изгибаются и сдвигаются также витки резьбы болта и гайки. При больших сдвигающих нагрузках для разгрузки стержня болта используют дополнительные разгрузочные устройства в виде штифтов, втулок, шпонок и тому подобное, что приводит к усложнению конструкции.
Если сила действует вдоль болта, то нагрузку воспринимают головка болта, стержень болта, резьбовой участок и гайка. В случае отклонения от параллельности опорных поверхностей деталей стержень болта испытывает изгиб, неравномерно изгибаются и витки резьбы. В винтовых стяжках, используемых например, для натяжения тросов, при вращении муфты (гайки) стержень винтов испытывает растяжение и кручение [5, 19, 53, 62, 108]. Примером нагружения, когда на стержень действует только растягивающая сила, может служить резьбовой участок крюка для подвешивания груза.
Применяют PC с одиночным болтом и группой болтов. В групповых PC распределение усилий между болтами зависит от конструкции стыка и системы внешних нагрузок. Практически во всех случаях нагрузка между болтами распределяется неравномерно. Это обусловлено фактическим расположением внешней нагрузки относительно болтов, жёсткостью болтов и соединяемых деталей, точностью изготовления и монтажа и др.
Анализируя области применения PC, условия эксплуатации, различные схемы и виды нагружения можно выделить ряд основных функциональных (эксплуатационных) характеристик соединений (рисунок 1.1).
Большинство PC, подвергающихся действию постоянных нагрузок, и все PC, подвергающиеся действию переменных нагрузок любого направления, а также толчков и вибраций, представляют собой предварительно затянутые (напряжённые) соединения. К ним относятся соединения деталей транспортных машин, двигателей (шатунные болты, шпильки цилиндров, анкерные шпильки, болты крепления агрегатов и так далее), соединения, от которых требуется герметичность. (крепление крышек резервуаров и котлов, находящихся под дейст
Разработка и исследование функциональной модели резьбового соединения при полном заполнении анаэробным материалом резьбового зазора
Таким образом, по результатам исследований можно сделать общий вывод о том, что нанесение AM только на рабочие поверхности витков резьбы не приводит к уменьшению нагрузки на витки резьбы, снижению концентрации напряжений и вероятности возникновения усталостных трещин во впадинах резьбы болта.
Анаэробный материал следует наносить в таком объёме, чтобы он заполнял все пустоты в резьбовом соединении (рисунок 2.8). В этом случае, после полимеризации слои AM, находящиеся в зоне контакта деталей будут связывать витки друг с другом, воспринимать часть нагрузки (до 40%), действующей на PC и разгружать витки болта и гайки. Следовательно, в этом случае резьбовое соединение при сборке с AM является композитной структурой, деформирующейся совместно, что приводит к повышению статической и циклической прочности PC.
При действии статической нагрузки наиболее характерными видами раз-рушения PC являются: разрушения стержня болта и срез (смятие) витков резьбы. Срез резьбы болта происходит по диаметру dx, резьбы гайки - по диаметру d (рисунок 2.13). При одинаковой прочности болта и гайки расчёт производят по диаметру dx как наименьшему, а в случае использования гайки меньшей прочности, чем болт, дополнительно проверяют на прочность и резьбу гайки по диаметру d [5, 19].
Таким образом, для резьбы болта и гайки напряжения среза витков находят по формулам: где Hг - высота гайки; кх = Рх /Р или к2 = Р2/Р — коэффициент полноты резьбы (рисунок 2.13, для резьбы болта — кх «0,75, для резьбы гайки — к2 « 0,87 ); кт - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы с учётом пластических деформаций в зоне наиболее нагруженных витков (для резьб с крупным шагом кт =0,7...0,75, с мелким „,=0,65...0,7 [5]).
При разрушении PC, собранного с AM (рисунок 2.13), часть усилия тратится на срез AM на участках Lx = Р — Рх L2 = Р-Р2, поэтому формулы (2.66) и (2.67), преобразованные относительно усилия среза будут выглядеть следующим образом [35]: представлены графики усилий среза витков резьбы, полученные при следующих исходных данных: резьбовое соединение М8 - 6H/6g (внутренний диаметр dx = 6,647 мм, наружный диаметр d — 8 мм, шаг Р = 1,25 мм, высота гайки Нг = 6,5 мм , шероховатость сопрягаемых поверхностей і&я = 1,6мкм). Материал болта и гайки - сталь 35Х (класс прочности болта - 8.8, предел текучести гТ =640МПа ГОСТ Р 52627-2006), покрытие -цинк. Рассчитывались соединения без AM и с AM разных марок фирм Регта-bond и ФГУП «НИИ Полимеров» с различной сдвиговой прочностью: А131 AM гс7=6МПа; НМ165, АН-501 - т = 20МПа; НМ162, АН-106АБ г =35МПа ,ер Г",кН МПа 1 - усилие среза витков резьбы без AM, рассчитанное по формуле (2.66); 2 - усилие среза витков резьбы с AM, рассчитанное по формуле (2.68); 3 - усилие среза витков резьбы с AM, рассчитанное с учётом коэффициента кт (таблица 2.5); 4 - экспериментальное усилие среза витков резьбы без AM; 5 - экспериментальное усилие среза витков резьбы с AM среза витков резьбы Из графика (рисунок 2.14) видно, что при введении в зону контакта AM усилие среза витков резьбы, определённое по зависимостям (2.66) (кривая 1) и (2.68) (кривая 2), увеличивается. Например, при применении НМ162, АН-106АБ — ttf = 35МПа усилие среза - Fcp увеличивается лишь на 3,2% (при постоянном значении коэффициента кт )5 что не соответствует проведённым экспериментальным исследованиям (которые подробно изложены в главе 4), так как экспериментальное усилие среза витков резьбы при введении в зону контакта AM марок НМ162, АН-106АБ увеличивается на 40,1% (кривая 4 и 5). Следовательно, механизм увеличения статической прочности резьбы при применении AM существенно иной.
Резьбовое соединение при сборке с AM необходимо рассматривать как композит, состоящий из слоев металла и прослоек из AM, причём деформирование AM затруднено, так как он находится в замкнутом пространстве. Через AM передаётся нагрузка от одних витков резьбы на другие (что доказано в разделе 2.2), то есть нагрузку-в данном случае будут воспринимать все витки практически одновременно, что не происходит в PC, собранном без AM. Причём на эффект от использования AM не будут оказывать существенного влияния отклонения размеров и геометрии резьбовых поверхностей деталей, то есть можно в ряде случаев снизить требования к точности параметров PC.
Определение рациональных технологических параметров при сборке резьбовых соединений с анаэробными материалами
Применение простейших моделей формы деталей (стержней, оболочек и других) позволяет получить замкнутые решения, облегчающие общий анализ работы соединений. Однако при этом не удаётся полностью учесть реальные форму и условия нагружения деталей, сложное напряжённое состояние и характер сопряжения отдельных частей деталей (например, резьбы и тела болта) [2, 5]. Численные методы расчёта напряжённо-деформированного состояния конструкций на основе программных комплексов находят всё большее распространение в современных научных исследованиях [69, 104, 105, 114, 115]. Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат многих новейших программных продуктов, является метод конечных элементов (МКЭ) [23, 58, 93, 112]. Известно, что решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов: 1) Постановка задачи и присвоение ей имени. 2) Создание модели детали или сборки средствами CAD - системы или моделировщика, встроенного в САЕ — систему. 3) Создание геометрии модели, пригодной для МКЭ. Например, в случае геометрической симметрии детали и в предположении симметрии граничных условий следует использовать для расчёта часть модели. Это позволит значи тельно снизить размерность задачи и, как следствие, требования к вычислительным ресурсам. 4) Выбор типа анализа (расчёта), типа конечных элементов и назначение материала. 5) Приложение к модели граничных условий. Под граничными условиями понимаются закрепления (ограничения) и нагрузки. Объектом для наложения граничных условий служит геометрическая модель. Расчёт же осуществляется исключительно на базе информации, содержащейся в сетке. Поэтому, если после расчёта были сделаны изменения в геометрии модели, то необходимо повторно наложить граничные условия, перестроить сетку и выполнить расчёт. 6) Разбиение модели на сетку конечных элементов. 7) Численное решение системы линейных алгебраических уравнений (выполняется программой автоматически). 8) Вывод и анализ результатов расчёта. Наиболее трудоёмкий этап решения задач с помощью МКЭ это создание сетки конечных элементов, так как автоматическое построение сетки не всегда гарантирует от появления ошибок. Правильное приложение граничных условий также представляет определённые трудности.
Достоверность расчётов по МКЭ во многом зависит от качества построенной сетки конечных элементов. Очевидно, что чем меньше линейный размер конечного элемента h (рисунок 3.1), тем большее количество элементов в модели. При этом время вычислений экспоненциально возрастает, а ошибки анализа уменьшаются. Однако ошибки уменьшаются не до нуля, так как с увеличением числа элементов накапливаются ошибки округления в ЭВМ.
Если напряжения не меняются значительно в пределах модели, то количество конечных элементов несущественно влияет на точность вычислений. В тоже время, наличие в изделии зон резкого изменения формы, участков соединения материалов с различными физико-механическими свойствами, мест приложения сосредоточенных нагрузок или точечных источников (стоков) тепла обуславливает значительную неоднородность распределения в нём искомых функций (полей напряжений, температур и других). В этих случаях для обеспечения точности конечно-элементного решения необходимо приспособление структуры сетки конечных элементов (формы, размеров и ориентации элементов) под геометрические и физические особенности моделируемого объекта. В частности, расположение конечных элементов вокруг концентраторов напряжений и температур слоями, эквидистантно профилю концентратора, значительно повышает точность решения. Кроме того, в этих же зонах целесообразно сгущение сетки элементов.
Необходимо отметить, что точность результатов анализа уменьшается, если размеры соседних элементов вблизи концентратора напряжений существенно различны.
Локальное уплотнение сетки может выполняться как в полностью автоматическом, так и в управляемом пользователем режиме. Использовать ручной режим рекомендуется лишь опытным пользователям. Тем не менее, наивысшую эффективность обеспечивает именно ручной режим.
На практике для определения того, насколько принятая в расчёте густота сетки приближает численное решение к точному, необходимо выполнить несколько вариантов разбиения модели на конечные элементы (не менее трёх). При этом желательно, чтобы каждый последующий вариант включал в себя узлы предыдущего варианта разбиения (то есть использовать так называемый "принцип вложенности сетки"). Метод, использующий для повышения точности решения задач последовательное вложение сеток при одновременном уменьшении размеров конечных элементов, называется h - методом (от английского hierarchical).
Анализ напряжённо-деформированного состояния МКЭ начинается с создания твёрдотельной модели (сборки) резьбового соединения, для чего можно применять различные CAD - программы, например SolidWorks, Nastran и другие. В диссертационной работе построены твёрдотельные модели PC (без AM и с AM), которые представлены на рисунке 3.2.
Методика и анализ результатов экспериментальных исследований жёсткости резьбовых соединений
При экспериментальных исследованиях ставилась задача по определению и циклической прочности PC, собираемых как с анаэробным материалом, так и без него. Нанесение AM на резьбовые поверхности деталей шпильки и гайки осуществлялось согласно рекомендациям приведённым в приложении А - Технология нанесения анаэробных материалов. Объём наносимого AM {уш «о,Змл) соответствовал рациональному значению (объёму пустот в зоне межрезьбового контакта), которое определялось по методике, изложенной в разделе 3.3. Часть объёма AM наносилась на резьбовые поверхности шпильки, а оставшаяся часть - на резьбовые поверхности гаек. Нанесение AM и последующая сборка PC осуществлялась непосредственно на стенде. После чего PC выдерживались до полной полимеризации AM (24 часа).
Собиралось две группы PC по шестнадцать образцов в каждой группе. Испытывались соединения без AM и с AM марки НМ162 со сдвиговой прочностью т 4 = 35МПа фирмы Permabond. Для создания одинакового усилия за тяжки в резьбовых соединениях гайка с одной стороны затягивалась на 4 полных оборота. После чего PC ещё нагружались напряжениями аап, которые изменяются по асимметричному циклу. Для сокращения времени испытаний образцы испытывались при нагрузках близких к максимальным, то есть испытания проводились со следующими значениями напряжений аап: (топ1=45МПа; уап2 = 55МПа, по два раза при каждом значении аап.
На рисунке 4.16 показана схема установки образцов резьбовых соединений на стенде СИУ-12М. При проведении экспериментальных исследований фиксировалось число циклов нагружения резьбовых соединений до образования трещины в зависимости от значения напряжений аап (таблица 4.24).
Таким образом, результаты экспериментов по исследованию циклической прочности показали (таблица 4.24), что при введении в зону контакта AM вы носливость резьбового соединения увеличивается, например, при аапХ = 45 МПа увеличение составляет 10,2 — 30,6%, а при аап2 =55 МПа - 11,3 — 27,8%. Полученные данные согласуются с результатами теоретических исследований и выводами, сделанными в главах 2 и 3.
Выводы
1 При экспериментальном исследовании статической прочности PC, уста новлено, что при наличии в зоне контакта AM усилие среза витков увеличивается при увеличении сдвиговой прочности AM от 8% (г л/=6МПа) до 40% (тсд =35МПа), что соответствует выводам о существенном разгружении витков резьбы и о композитном характере разрушения при сборке с AM, сделанным при моделировании PC.
2 Установлено, что жёсткость PC при сборке с AM увеличивается до 2 раз, причём жёсткость сплошного образца больше жёсткости PC при сборке с наиболее прочным AM всего на 40%. Увеличение жёсткости PC при сборке с AM объясняется значительным уменьшением перемещений (до 4 — 6 раз), связанных с погрешностями геометрии резьбовых поверхностей (погрешности шага, угла профиля, формы, расположения, шероховатость и волнистость поверхностей). Данный эксперимент также подтвердил увеличение предельной статической прочности PC при сборке с AM в 1,3 — 1,37 раза (происходил разрыв стержня по резьбе в зоне первого витка).
3 Проведено исследование циклической прочности PC на специальном стенде, на котором реализуется синусоидальный асимметричный цикл переменных напряжений при одновременном нагружении образцов продольными и поперечными силами. При исследовании установлено, что при сборке PC с AM циклическая прочность повышается на 15 - 25%, что объясняется изменением напряжённо-деформированного состояния деталей и, в частности, снижением концентрации напряжений во впадинах витков болта.
В процессе исследований был разработан новый способ получения PC [44], который может быть с эффектом применён при выполнении механосборочных работ, как в машиностроении, так и в приборостроении.
Способ направлен на то, чтобы с помощью промежуточного материала, в качестве которого в данном случае используется AM, существенно упростить процесс получения PC с более равномерным распределением нагрузки по виткам резьбы, возникающей от усилия затяжки [44, 95, 96, 111].
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что осуществляют заполнение пространства между резьбовыми поверхностями промежуточным анаэробным материалом, соединение деталей по резьбовым поверхностям и последующее затвердевание AM. Согласно предлагаемому изобретению вначале производят частичное соединение деталей по резьбовым поверхностям при не-отверждённом состоянии AM, а после затвердевания AM доводят соединяемые детали до конечного положения с созданием усилия затяжки. Такая последовательность операций сборки позволяет упростить получение PC с более равномерным распределением нагрузки по виткам резьбы, возникающей от усилия затяжки.
Похожие диссертации на Технологическое обеспечение прочности и жесткости резьбовых соединений при сборке с применением анаэробных материалов
