КОМПЛЕКСНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Взаимосвязь конструкторской и технологической подготовки производства приводит к тому, что повышение эффективности технологического обеспечения невозможно без оптимального конструирования и наоборот, то есть необходимо осуществлять комплексное конструкторско-технологическое проектирование соединений.

В настоящее время установлены факторы, влияющие на эксплуатационные свойства резьбовых соединений (РС), и разработан целый ряд конструкторских и технологических способов повышения функциональной надежности РС.
Существенное влияние на эксплуатационные характеристики РС оказывают схема нагружения соединения, равномерность распределения нагрузки по виткам, уровень концентрации местных напряжений, усилие затяжки, технология и точность изготовления резьбовых деталей, наличие и вид покрытий, и другие факторы.
Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать конструкции специальных гаек, выравнивающих распределение нагрузки в резьбе, за счет управления податливостью деталей и витков резьбы (рисунок 1) [1]. Однако в литературе не приводятся численные данные о равномерности распределения нагрузки по виткам резьбы для данных соединений.

 а)                             б)                         в)

В то же время, разработаны эффективные технологические методы обеспечения эксплуатационных свойств РС, среди которых наиболее перспективным является управление контактным взаимодействием сопрягаемых деталей, например, за счет введения в зону контакта анаэробных материалов (АМ), что, как показывают проведенные исследования, позволяет комплексным образом обеспечить качество РС без существенного увеличения затрат. Установлено, что применение АМ позволяет обеспечить более равномерное распределение и уменьшение нагрузки на витки в резьбовом соединении [2–6].
В настоящей работе, методом конечных элементов, исследуется комплексное влияние конструкции гайки с кольцевой выточкой (рисунок 1,б) и технологии сборки с применением АМ на распределение нагрузки между витками резьбы, и упрочнение РС.
На рисунке 2 представлены расчетные модели РС с гайкой, имеющей кольцевую выточку и без нее.

а) РС с гайкой, имеющей кольцевую выточку

б) РС с гайкой без кольцевой выточки
Рисунок 2. Расчетные модели резьбовых соединений

Расчет проводился при следующих исходных данных: резьбовое соединение – М10 – 6H/6g (средний зазор посадки по среднему диаметру – ); наружный, внутренний и средний диаметры резьбы – , , ; шаг резьбы – ; угол профиля резьбы – ; материал болта – сталь 45Х (, ) и гайки – сталь 35Х (, ).
К РС прикладывалась внешняя нагрузка . Коэффициент трения () в зоне контакта резьбовых деталей задавался:  – при сборке с АМ,  – при сборке без АМ. Глубина кольцевой выточки на гайке изменялась от 1,5 до 3 мм, при общей высоте гайки 8,5 мм.
Результаты расчета представлены на рисунке 3, где показана доля нагрузки, приходящаяся на каждый виток .

1 – гайка без кольцевой выточки и РС, собранное без АМ ();
2 – гайка без кольцевой выточки и РС, собранное с АМ ();
3 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 1,5 мм) и РС, собранное без АМ ();
4 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 3 мм) и РС,
собранное без АМ ();
5 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 1,5 мм) и РС, собранное с АМ ();
6 – гайка с кольцевой выточкой (глубина выточки 3 мм) и РС,
собранное с АМ ()
Рисунок 3. Распределение нагрузки по виткам резьбы

Результаты расчета (рисунок 3) показывают, что нагрузка на первый виток в РС, собранном с применением АМ, уменьшается на 36,23% (кривая 1 и кривая 2). При использовании гайки с кольцевой выточкой нагрузка на первый виток уменьшается на 55,61% (глубина выточки 1,5 мм) (кривая 1 и кривая 3) и на 52,42% (глубина выточки 3 мм) (кривая 1 и кривая 4).
При одновременном применении для выравнивания нагрузки гайки с кольцевой выточкой и АМ, нагрузка на первый виток уменьшается на 71,8% (гайка с кольцевой выточкой 1,5 мм и РС, собранное с АМ) (кривая 1 и кривая 5) и на 68,4% (гайка с кольцевой выточкой 3 мм и РС, собранное с АМ) (кривая 1 и кривая 6). Кроме того, часть эксплуатационной нагрузки воспринимается АМ, находящимся в пустотах зоны контакта (до 40%), что дополнительно разгружает витки РС.
Таким образом, сборка РС с применением АМ и с гайкой, имеющей кольцевую выточку, обеспечивает более равномерное распределение и одновременное уменьшение нагрузки на витки, что приводит к существенному увеличению прочности РС. Данный комплексный эффект необходимо учитывать при конструкторско-технологическом проектировании, создавая оптимальные и надежные резьбовые соединения.

1. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 640 с.: ил.
2. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Влияние анаэробных материалов на распределение нагрузки в резьбовом соединении // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2010. – № 6. – С. 34–40.
3. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Повышение функциональных характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2009. – № 6. – С. 37–40.
4. Воячек И.И., Кочетков Д.В., Пшеничный О.Ф. Распределение нагрузки в резьбовом соединении типа стяжки при сборке с анаэробными материалами // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сборник статей X Международной научно-практической конференции. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2016. – С. 8–13.
5. Воячек И.И., Артемов И.И., Кочетков Д.В., Воячек Л.Г., Тразанов А.В. Способ получения резьбового соединения. Патент на изобретение, № 2413099 РФ; зарег. 27.02.11.
6. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Методика и результаты экспериментальных исследований жесткости резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. – 2015. – № 1 (13). – С. 119–125.

Все статьи автора «Кочетков Денис Викторович»