Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Сосотояние проблемы неточной сборки групповых резьбовых соединений при ремонте узлов 11
1.1 Общие сведения 11
1.2 Коэффициенты трения в резьбовых соединениях 13
1.3 Анализ причин и последствий неточной (неравномерной) затяжки ГРС 16
1.4 Анализ методов, способов и средств контроля силы затяжки 23
1.4.1 Метод контроля силы затяжки по моменту 24
1.4.2 Метод контроля силы затяжки по углу поворота болта (гайки) 27
1.4.3 Метод контроля силы затяжки по величине деформации болта 28
1.4.4 Метод контроля силы затяжки по величине деформации шайбы 33
1.4.5 Комбинированный метод контроля силы затяжки по моменту и углу поворота болта 33
Выводы по первой главе 43
ГЛАВА 2 Теоретические предпосылки и обоснование контроля силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания 46
2.1 Силовое соотношение в резьбовом соединении при завинчивании и отвинчивании 46
2.2 Расчет силы затяжки резьбового соединения 55
2.3 Теоретическое обоснование контроля силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания 60
2.4 Разработка методики сборки групповых резьбовых соединений 66
Выводы по второй главе 72
ГЛАВА 3 Методика проведения экспериментальных исследований 73
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 73
3.2 Выбор технических средств, инструментов и материалов для проведения кспериментальных исследований 74
3.3 Методика исследования влияния состояния резьбового соединения на точность контроля силы затяжки по моменту 74
3.4 Методика оценки точности обеспечения силы затяжки при контроле через отношение моментов отвинчивания и завинчивания 79
3.5 Методика исследования равномерности затяжки ГРС ремонтируемого узла 79
Выводы по третьей главе 82
ГЛАВА 4 Результаты экспериментов и оценка экономической эффективности 83
4.1 Результаты исследования влияния состояния резьбового соединения на точность контроля силы затяжки по моменту 83
4.2 Результаты оценки точности обеспечения силы затяжки при контроле через отношение моментов отвинчивания и завинчивания 91
4.3 Результаты исследования равномерности затяжки ГРС ремонтируемого узла 94
4.4 Оценка экономической эффективности от внедрения методики сборки ГРС.102
Выводы по четвертой главе 107
Общие выводы 109
Библиографический список
- Анализ причин и последствий неточной (неравномерной) затяжки ГРС
- Теоретическое обоснование контроля силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания
- Методика оценки точности обеспечения силы затяжки при контроле через отношение моментов отвинчивания и завинчивания
- Результаты исследования равномерности затяжки ГРС ремонтируемого узла
Анализ причин и последствий неточной (неравномерной) затяжки ГРС
Обеспечение надежной работы резьбового соединения – задача конструктора, технолога и эксплуатационника [70].
Неточная (неравномерная) затяжка резьбовых соединений, в частности групповых (например, креплений крышек коренных подшипников двигателей, крышек шатунов, головок цилиндров, фланцев редукторов привода насосов, поддонов картеров и т.д.), может свести к нулю все результаты работ по конструированию и изготовлению не только самих резьбовых соединений, но и соединяемых ими деталей [48,70].
Резьбовые соединения являются самым распространенным видом разъемного соединения. Они характеризуются простотой и удобством сборки (разборки), универсальностью и взаимозаменяемостью [64]. В конструкциях машин резьбовые соединения составляют до 35% от общего количества соединений [55,59].
В силовых агрегатах машин 80% резьбовых соединений непосредственно влияют на их работоспособность при эксплуатации [61]. Для отказа машины достаточно одного недотянутого или перетянутого резьбового соединения в одном из ответственных узлов: кривошипно-шатунном механизме, коробке передач, креплении ГБЦ и т.д.
Для надежного и герметичного ГРС узла главным требованием при сборке является обеспечение максимальной точности и равномерности распределения сил затяжки [48,101]. Точность и равномерность распределения сил затяжки реализуются в процессе сборки ГРС различными методами.
Сила затяжки F создает определенное контактное давление на стыке соединяемых деталей (рисунок 1.2), обеспечивая тем самым необходимую плотность и герметичность стыка при действии внешней (рабочей) силы на соединение в процессе работы узла [59,70, 100].
Требуемая величина силы затяжки определяется в процессе проектирования узла конструктором. Чем точнее реализована требуемая сила затяжки в процессе сборки, тем надежнее и долговечнее соединение[47,53]. Рисунок 1.2 – Действие силы затяжки в резьбовом соединении
Вопросами повышения точности и равномерности затяжки резьбовых соединений занимались такие ученые как: И. А. Биргер, Г. Б. Иосилевич, М. П. Новиков, В. Б. Жуков, И. Л. Блаер, С. А. Корнилович, А. В. Ланщиков, В. Д. Утенков, А. Н. Потемкин, Ю.А. Кузьмин, Б.В. Гусаков, Б.Ю. Житников, В.И. Зиняев, М.Л. Гельфанд, Я.И. Ципенюк, В.И. Чаинов, В.В. Устинов, В.И. Максак, Б.П. Барканов, Э.Б. Цхай, А.С. Ганцевич и др. Несмотря на множество разработанных способов, методов и средств сборки проблема неточности затяжки резьбовых соединений при ремонте узлов машин остается нерешенной. Множество работ направлены на повышение точности затяжки при автоматизированной сборке резьбовых соединений в производственных условиях изготовления узлов и недостаточно внимания уделено способам (путям) повышения точности и равномерности затяжки ГРС при сборке узлов в условиях ремонта машин.
По данным многочисленных экспериментальных исследований [15, 48, 70, 97 и др.] коэффициенты трения в резьбовых соединениях в процессе эксплуатации нестабильны и зависят от целого ряда факторов: шероховатости рабочих резьбовых поверхностей, наличия и вида смазки, наличия и вида покрытия, наличия абразивных частиц или коррозии в зоне контакта Особенность эксплуатации сельскохозяйственной техники в том, что она постоянно подвержена воздействию агрессивной среды [8]. По мере наработки состояние резьбовых соединений изменяется (коррозия, загрязнение, изнашивание сопрягаемых резьбовых поверхностей, скорости завинчивания и т.д.
заводских покрытий и т.д.), при этом коэффициенты трения резьбовых поверхностей рассеиваются в широком диапазоне от 0.05 до 0.5 [48,50,53].
В работе Алиева Ф. К. [8] рассмотрено воздействие атмосферной коррозии на резьбовые соединения в процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники. В работе подтверждается факт негативного воздействия атмосферной коррозии на сборочно-разборочные операции и надежность резьбовых соединений. Под воздействием вибраций и переменных нагрузок в резьбовых соединениях возникают относительные микроперемещения сопряженных резьбовых поверхностей, что является причиной их изнашивания в условиях фреттинг-коррозии [46].Коррозия и абразивные частицы, попадающие в резьбовое соединение, изменяют шероховатость рабочих поверхностей, увеличивают силы трения, тем самым, влияют на точность затяжки резьбовых соединений.
В работе Иосилевича Г.Б. [48] представлены приблизительные значения коэффициентов трения в резьбе и на опорной поверхности гайки (таблица 1.1) в зависимости от вида покрытия и смазочного материала, полученные экспериментальным путем.
Из таблицы 1.1 видно, что смазочные материалы уменьшают на 20-40% и стабилизируют коэффициенты трения (уменьшают их рассеяние). Однако пользоваться на практике табличными значениями коэффициентов трения для определения необходимых моментов затяжки нецелесообразно [59]. В настоящее время все больше находят свое применение в сборочных операциях резьбовые фиксаторы или клеи-герметики [66].
Теоретическое обоснование контроля силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания
В отличие от предыдущего метода контроля, данный метод исключает влияние коэффициентов трения, однако, он мало применяем в практике сборки резьбовых соединений за счет трудностей в определении нулевого угла поворота (ро, при котором происходит обжатие стыка и выборка зазоров в соединении. К тому же не представляется возможным определить угол, на который необходимо довернуть болты ГРС при перенапряжении сил затяжки в процессе последовательной сборки ГРС ручным инструментом.
В работе Чаинова В. И. [4] предложен способ контроля силы затяжки, при котором определяется угол поворота гайки с предварительным вычислением нулевого угла (ро. Методика определения угла затяжки предложенным способом представляется очень трудоемкой операцией при сборке резьбовых соединений.
Контроль силы затяжки по углу поворота болта (гайки) осуществляется с помощью транспортирных ключей, шаблонов или угломеров (рисунок 1.8). При этом погрешность измерения угла обычно составляет 10-15 градусов [15], а точность обеспечения требуемой силы затяжки не выше + 20-23% [15,18,112].
Данный метод контроля непригоден при сборке жестких соединений с короткими болтами или шпильками (когда lE6d, -номинальный диаметр болта, м), так как величина расчетного угла затяжки при этом мала и соизмерима с погрешностью метода [112].
Данный метод считается одним из наиболее точных методов контроля силы затяжки (точность + 5%) [15]. Его применяют при контроле силы затяжки особо ответственных соединений (например, шатунных болтов). Метод основан на измерении величины удлинения стержня болта (шпильки) под действием силы затяжки.
Данный метод применяют, когда резьбовая деталь имеет значительную длину, так как величина удлинения в этом случае более ощутима и может быть точнее измерена. Метод неприемлем для коротких и жестких болтов (когда lБ 6d), так как величина деформации болта мала (20…60 мкм) и соизмерима с погрешностью измерения [15, 112]. Для измерения величины удлинения болта обычно используют индикаторную скобу (рисунок 1.9) если существует возможность двустороннего доступа к торцам болта (шпильки). Рисунок 1.9 – Скоба индикаторная
В случае одностороннего доступа (соединение «болт – глухое отверстие корпуса») в работе Биргера И.А. [15] предложено использовать болты с контрольным штифтом (рисунок 1.10).Торец головки болта и штифта до затяжки заподлицо. После затяжки торец штифта углубится на величину вытяжки стержня болта, величина которого измеряется индикаторной головкой.
В работе Кузьмина Ю. А. [55] предложен способ затяжки ГРС основанный на синтезе методов контроля силы затяжки по моменту и по удлинению стержня болта. Для определения необходимого момента затяжки резьбовой группы автор предлагает использовать болт с контрольным штифтом («болт-свидетель»). «Болт-свидетель» изготавливается из болта конкретной резьбовой группы, путем высверливания в нем осевого сквозного отверстия диаметром 2 мм и установления в него контрольного штифта. Величина «утопания» штифта заранее тарируется с величиной силы затяжки. «Болт-свидетель» затягивают динамометрическим ключом до определенной величины «утопания», соответствующей требуемой силе затяжки, и фиксируют значение момента на ключе. Принимая, что все болты резьбовой группы имеют одинаковую длину, одинаковое состояние, вид покрытия и смазку (при наличии) автор предлагает производить затяжку ГРС с полученным моментом. Однако данное решение не обеспечит равномерности распределения сил затяжки в ГРС, так как длина болтов в ГРС зачастую различная (т.о. податливость болтов и локальных областей детали разная), податливость «болта-свидетеля» будет отличаться от податливостей остальных болтов ГРС вследствие уменьшения площади поперечного сечения стержня после проточки. Кроме того, у узла, имеющего некоторую наработку, состояние резьбовых соединений в ГРС неодинаково [51,98], коэффициенты трения в резьбовых соединениях могут значительно отличаться и при одинаковом моменте силы затяжки в ГРС будут разные.
Наиболее точно проконтролировать силу затяжки по удлинению стержня болта можно с помощью тензометрических датчиков, которые наклеиваются на гладкую часть болта (шпильки) или заливаются в центральное отверстие. Погрешность обеспечения силы затяжки около + 2% [15, 55,112]. Применение такого способа сборки при ремонте сельскохозяйственной техники исключено, так как способ трудоемок, требует наличие дорогостоящей аппаратуры (усилитель, осциллограф и т.д.) и высокую квалификацию сборщика [112].
Производитель сборочного инструмента Norbar (США) выпускает прибор USM-3 (рисунок 1.11) для определения величины силы затяжки в резьбовых соединениях [122]. Принцип работы прибора заключается в измерении времени прохождения ультразвуковых волн в теле болта. Прибор имеет датчик-преобразователь, который является излучателем и приемником ультразвуковых волн. В меню прибора выбираются значения диаметра болта, шага резьбы, модуля упругости материала болта. Преобразователь закрепляется на головке болта в осевом направлении. Время прохождения ультразвуковой волны пропорционально удлинению стержня болта в пределах упругих деформаций. По мере затяжки тело болта удлиняется (рисунок 1.12), а время прохождения ультразвуковой волны увеличивается. Измеряется длина болта до затяжки и во время затяжки. По такому принципу прибор определяет величину относительного удлинения болта и затем вычисляет величину действующей силы затяжки.
Данный прибор отличается высокой стоимостью и трудоемкостью операций, а использование его при сборке резьбовых соединений предполагает высокую квалификацию сборщика. 1.4.4 Метод контроля силы затяжки по величине деформации шайбы
Данный метод контроля предусматривает установку промежуточного элемента (рисунок 1.13, б), состоящего из мерной шайбы 1 и кольца 2 различной высоты. Под действием силы затяжки шайба 1 сминается на величину b и кольцо 2 зажимается. Величина b тарирована с величиной требуемой силы затяжки [15].
Испытания, проведенные Биргером И.А. и Иосилевичем Г.Б. в лабораторных и эксплуатационных условиях, показали, что погрешность измерения силы затяжки данным методом составляет + 10% [15].
В работе Зиняева В.И. [44] предложен пневмотензометрический способ контроля силы затяжки, с помощью U-образной шайбы (рисунок 1.13, а). При затяжке шайба деформируется и кольцевая щель уменьшается. С помощью специального пневматического прибора измеряется расход воздуха через кольцевую щель, в результате чего определяется величина силы затяжки. К недостаткам данного метода можно отнести невозможность повторного использования шайб.
Методика оценки точности обеспечения силы затяжки при контроле через отношение моментов отвинчивания и завинчивания
В результате исследования контроля силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания нами была разработана методика сборки ГРС ремонтируемых узлов машин. Данная методика предусматривает сборку групповых резьбовых соединений с метрической цилиндрической треугольной резьбой с плоской шайбой. Для измерения момента завинчивания (отвинчивания) необходимо использовать индикаторные динамометрические ключи, позволяющие определять значение момента с точностью до сотых долей. Все операции выполняются последовательно.
Процесс сборки ГРС по предлагаемой методике состоит из следующих этапов: 1) подготовка резьбовых соединений; 2) замеры моментов завинчивания и отвинчивания; 3) вычисление необходимых моментов затяжки (с помощью номограммы или программы для ЭВМ); 4) затяжка группового резьбового соединения.
Подготовка резьбовых соединений включает очистку и промывку резьбовых соединений (для этого используют бензин, дизельное топливо или состав WD-40), а также дефектацию резьбовых соединений (визуальный осмотр резьбовых поверхностей на наличие смятых или сорванных витков резьбы). При наличии сорванных витков резьбы болт, шпилька или гайка бракуются. Резьбу в отверстии корпуса детали восстанавливают расточкой и нарезанием резьбы под больший диаметр, ввинчиванием резьбовой втулки или спиральной вставки [78,118]. При наличии смятых витков резьбу «проходят» метчиком (плашкой). С помощью нормальных и предельных калибров проверяют резьбу крепежных деталей на отсутствие качания или трудности свинчивания [118]. При необходимости резьбовые соединения группы обрабатывают смазочным материалом. Не допускается избыточное количество смазочного материала в глухих резьбовых отверстиях корпуса детали, т. к. это может стать причиной развития усталостных трещин в стенках корпуса детали в резьбовом отверстии [39].
Замеры моментов завинчивания и отвинчивания: - все болты (гайки) ГРС навинчиваются до соприкосновения с опорной поверхностью (с шайбой); - ГРС затягивается поэтапно с помощью динамометрического ключа до величины рекомендованного момента затяжки МРЕК, в рекомендованной последовательности; рекомендованный момент, последовательность (схема) затяжки и количество этапов затяжки ГРС принимается из технических условий на сборку данного узла; затяжка всех болтов производится плавно, с одинаковой, по возможности, скоростью вращения ключа; - с помощью маркера наносится разметка положения головок болтов (гаек) относительно корпуса детали; метка головки болта должна строго совпадать с меткой корпуса; замена или перестановка болтов (гаек) в дальнейшем не допускается; - динамометрическим ключом для каждой резьбовой пары производится замер моментов завинчивания МЗАВ при «трогании гайки с места»; значения моментов завинчивания округляются до сотых долей и заносятся в таблицу (приложение А); замеры моментов выполняются в последовательности затяжки ГРС; - с помощью гаечного ключа головки болтов (гайки) возвращаются строго в размеченные положения; - производится замер моментов отвинчивания МОТВ «при трогании гайки с места» для каждой резьбовой пары; значения моментов отвинчивания округляются до сотых долей и заносятся в таблицу (приложение A); замеры моментов выполняются в последовательности затяжки ГРС; - все резьбовые соединения «отпускаются».
Вычисление необходимых моментов затяжки с помощью номограммы: - по маркировке болта (шпильки) устанавливаются шаг резьбы и класс прочности; шаг резьбы также можно установить с помощью резьбомера; - из таблицы (приложение Б) принимается величина силы затяжки по условию прочности болта (шпильки) в зависимости от шага, номинального диаметра резьбы и класса прочности; - по данным заполненной таблицы (приложение A) определяются отношения моментов отвинчивания и завинчивания для каждой резьбовой пары, значения которых округляются до сотых долей и заносятся в эту же таблицу; - в зависимости от шага резьбы выбирается номограмма (приложения Ж, З, И), по соответствующей номограмме определяются величины необходимых моментов затяжки МЗАТ для каждой резьбовой пары, исходя из значения принятой силы затяжки и установленных значений отношений моментов МОТВ / МЗАВ; значения моментов затяжки МЗАТ заносятся в таблицу (приложение А); - принимается количество этапов затяжки (обычно 3-4 этапа [114]), пропорционально «разбиваются» значения моментов затяжки МЗАТ и заносятся в таблицу (приложение А). - при затяжке в 3 этапа [114]: 1 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом 0,3МЗАТ ; 2 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом 0,7МЗАТ ; 3 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом МЗАТ ; - при затяжке в четыре этапа [114]: 1 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом 0,25МЗАТ ; 2 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом 0,5МЗАТ ; 3 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом 0,75МЗАТ ; 4 этап затяжки – резьбовые соединения затягиваются с моментом МЗАТ. Для автоматизации вышеописанного процесса определения необходимых моментов затяжки нами была разработана программа для ЭВМ. Вычисление необходимых моментов затяжки с помощью программы для ЭВМ: - по маркировке болта (шпильки) устанавливаются шаг резьбы и класс прочности; - из таблицы (приложение Б) принимается величина силы затяжки по условию прочности болта (шпильки) в зависимости от шага, номинального диаметра резьбы и класса прочности; - в программу для ЭВМ вводятся значение требуемой силы затяжки, шаг резьбы и количество болтов в ГРС (рисунок 2.11), затем переходят по ссылке «Вперёд»;
Результаты исследования равномерности затяжки ГРС ремонтируемого узла
Исследование равномерности затяжки ГРС ремонтируемого узла (агрегата) производили на примере крепления ГБЦ двигателя ЗИЛ 131. V - образный двигатель имеет две ГБЦ, каждая из которых крепится 17-тью болтами с резьбой М121.75 (покрытие оксидное, класс прочности 10.9, предел текучести 900 МПа). Наработка двигателя на момент эксперимента составляла 152 тыс. км.
Выполняли замеры моментов завинчивания и отвинчивания для каждого резьбового соединения в ГРС согласно разработанному технологическому приему (глава 2) с последующим определением отношения MОТВ / MЗАВ .
Перед промывкой на резьбовых поверхностях болтов ГБЦ, конструктивно расположенных снаружи узла, наблюдались следы коррозии и наличие абразивных частиц. У болтов, расположенных внутри узла (под крышкой клапанов), на резьбовой поверхности наблюдались остатки прикипевшего масла и абразивные частицы. Замеры моментов отвинчивания и завинчивания при «трогании болта с места» для каждой резьбовой пары выполняли по 3 раза и принимали их средние значения. На основе полученных данных по зависимости (2.48) определяли силы затяжки при рекомендованном моменте 80 Нм и наблюдали их разброс в ГРС.
Методом контактных отпечатков оценивали качество прилегания привалочных поверхностей ГБЦ и блока двигателя при затяжке ГРС с рекомендованным техническими условиями моментом (80 Нм) и при сборке ГРС по разработанной методике (т.е. с контролем силы затяжки через отношение моментов отвинчивания и завинчивания). Для этого вырезанные по форме прокладки ГБЦ ватман и копировальную бумагу укладывали на привалочную поверхность блока цилиндров под прокладку (рисунок 3.8). Затем аккуратно устанавливали ГБЦ на блок двигателя.
В первом случае ГРС ГБЦ затягивали до величины рекомендованного момента 80 Нм. Во втором случае затяжку ГРС ГБЦ производили по разработанной методике. В каждом случае после демонтажа ГБЦ аккуратно вынимали ватман и по интенсивности окрашивания поверхности оттиска анализировали характер распределения контактных давлений (сил затяжки в болтах) и качество прилегания привалочных поверхностей. Отклонения от плоскостности привалочных поверхностей находились в пределах допуска и не превышали 0.15 мм на всей длине поверхности и 0.05 мм на длине 100 мм [56].
Результаты исследования влияния состояния резьбового соединения на точность контроля силы затяжки по моменту
При экспериментальном исследовании зависимости силы затяжки от момента при различном состоянии резьбовой пары были применены методы математического планирования эксперимента [5,25,65,75,92]. Результативной переменной Y являлась сила затяжки, воздействующим фактором X являлся момент затяжки. На основе полученных данных был проведен корреляционный и регрессионный анализ [73,75,92].
Корреляционный анализ применяли для нахождения характера и тесноты связи между величинами X и Y. Регрессионный анализ применяли для нахождения уравнения регрессии, позволяющего найти значение результативной переменной Гпри известной факторной переменной X.
Минимальное количество измерений при каждом состоянии резьбовой пары принималось согласно условию (4.1) [92] и составило 5 раз: Верхний уровень интервала варьирования фактора X ограничен измерительной возможностью используемого оборудования.
В таблице 4.1 приведены результаты замеров силы затяжки испытанной резьбовой пары М121.75. Таблица 4.1 - Результаты испытаний резьбовой пары М12 1. Х, Нм Значение Y при различном состоянии резьбовой пары, H 2 3 4 5 6
Из таблицы 4.1 видно, что в зависимости от состояния резьбовой пары при одном и том же моменте силы затяжки значительно отличаются друг от друга. Разница между максимально созданной величиной силы затяжки (состояние 3) и минимальной (состояние 4) составила 6.5 кН, что равно 27% от максимального значения. Если проанализировать силы затяжки при состояниях 3 и 6 видно, что в результате процесса корродирования при одном и том же моменте и виде смазочного материала сила затяжки уменьшилась в среднем на 23%. Наблюдалось, что при применении смазочного материала отношение МОТВ1МЗАВ уменьшается, что свидетельствует о том, что с увеличением коэффициентов трения в резьбовом соединении отношение МОТВ I МЗАВ стремится к единице.
