Устройство для определения нагрузки на витки резьбового соединения

Устройство для определения нагрузки на витки резьбового соединения может найти применение при исследовании резьбовых соединений в научно-исследовательских институтах, заводских лабораториях и конструкторских бюро. Устройство содержит установленный на опорной плите болт с испытуемой гайкой. Болт испытуемого резьбового соединения выполнен с продольным пазом, в котором размещена резьбовая вставка из пластичного материала, например свинца или меди. Резьбовая поверхность пластичной вставки обработана совместно с болтом при нарезании резьбы. В состав устройства входит опытная гайка, которая выполнена с одним витком, расположенным, например, у ее опорного торца. На первом этапе нагружают осевой нагрузкой опытную гайку с одним витком и строят тарировочный график зависимости перемещения витка от прилагаемой нагрузки. На втором этапе нагружают осевой нагрузкой испытуемую гайку со всеми витками. В качестве нагружающего устройства используют разрывную машину или лабораторный испытательный пресс. При разгрузке резьбового соединения витки болта и гайки восстанавливают первоначальную форму, а витки на пластичной вставке остаются в деформированном состоянии. Измеряя с помощью инструментального микроскопа величины остаточных деформаций витков пластичной вставки болта, по тарировочному графику определяют нагрузку на витки испытуемого резьбового соединения. Простой конструкцией устройства и низкой трудоемкостью достигается высокая точность определения нагрузки на витки резьбового соединения. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 илл.

Полезная модель относится к машиностроению, авиастроению, ракетостроению и может быть использована при исследовании резьбовых соединений в научно-исследовательских институтах, заводских лабораториях и конструкторских бюро, занимающихся расчетами и конструированием ответственных резьбовых соединений.

Задача о распределении нагрузки по виткам резьбы тесно связана с обеспечением прочности и надежности резьбовых соединений. Общее количество выпускаемых крепежных изделий огромно. Только в автомобильной промышленности при производстве легковых машин ежегодно применяется 6·10 ¹⁰ шт. болтов. В конструкции современного самолета количество резьбовых соединений составляет до 250 тыс. штук.

Все это подтверждает актуальность полезной модели.

В результате действия осевой нагрузки тело болта на участке длины свинчивания удлиняется, а тело гайки по оси укорачивается. Согласно условию совместности деформаций по теории сопротивления материалов, разность осевых деформаций тел болта и гайки переходит в разность перемещений витков, что и является причиной неравномерности распределения нагрузки по виткам. (Жуковский Н.Е. Распределение давлений на нарезках винта и гайки//Бюллютени политехнического общества при Императорском Техническом Училище, 1, 1902 г.; Биргер И.А., Иоселевич Г.Б. Резьбовые соединения. М. - Машиностроение. - 1973, с.74-75.).

Величину удлинения болта и сжатия гайки определить не сложно. Труднее измерить перемещения витков. Известен дифференциальный емкостной преобразователь по авторскому свидетельству СССР 720290, с помощью которого можно измерить перемещения витков резьбы. Устройство содержит три электрода, крайние из которых закреплены на трубчатом кронштейне, ось которого параллельна плоскости электродов, а средний электрод снабжен изолированным стержнем, расположенным с зазором внутри трубчатого кронштейна. Трубчатый кронштейн установлен в отверстие гайки, а стержень в отверстие тела болта. Это устройство позволяет определить перемещение витков, но не распределение нагрузки по виткам резьбы. Распределение нагрузки по виткам резьбы определяют, как правило, теоретически. Это связано с трудностью непосредственных измерений перемещений витков. Без определения деформаций витков невозможно определить возникающие напряжения, а, следовательно, и нагрузки на витки резьбы.

Известен способ определения распределения нагрузки в резьбовом соединении, по которому Поланд (Poland E.G. Gewindelastvertailung in der Schrauben - Muttern - Verbindug. // Konstruktion. - 1967 - V.19., 9. - S.345-350) определял нагрузку на витки, наклеивая тензодатчики на грани гайки. По деформации тела гайки Поланд судил о распределении нагрузки на витки в зависимости от прилагаемой осевой нагрузки.

Наиболее близким к заявленной полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является «Устройство для исследования распределения нагрузки в резьбе» по а.с. на изобретение В.В.Менга и Ю.П.Шевченко 648758, опубл. 25.02.79. в Б.И. 7.

Указанное устройство, выбранное за прототип, содержит опорную плиту для испытуемой гайки, узлы нагружения, опытную гайку с наклеенными тензодатчиками, размещенную на шпильке, телескопический винт, стойки, расположенные вокруг винта, мерные втулки, фиксаторную шайбу, втулку, принадлежащую к испытуемой гайке. Узел нагружения выполнен в виде нагружающей гайки, тарельчатых пружин, подшипников и др. деталей. Телескопический винт, опытная и испытуемая гайки выполнены с замкнутыми кольцевыми плоскими витками.

Согласно прототипу на первом этапе опытную гайку нагружают осевым статическим усилием ввинченной в нее шпилькой сплошного сечения. Для этого гайку предварительно разрезают по диаметральной плоскости и половинки склеивают на шпильке. При испытаниях относительные деформации на поверхности тела гайки до и после нагружения определяют применяя тензодатчики. На втором этапе нагружают витки испытуемой гайки, начиная с первого, витками телескопического винта (болта для испытуемой гайки) поочередно и их деформации сравнивают с деформациями, полученными в первом этапе. На основании сравнения деформаций опытной и испытуемых гаек судят о распределении нагрузки по виткам резьбового соединения.

Недостатком описанного устройства, выбранного за прототип, является его сложность, поскольку оно содержит более сорока деталей и к тому же для проведения исследований необходимо разрезать опытную гайку, изготовить сплошную шпильку и телескопический винт. Способ характеризуется сложной многоступенчатой сборкой телескопического винта. Все вышеперечисленное делает исследованиие трудоемким. Тензодатчики на наружной грани опытной гайки не позволяют с достаточной точностью определить величину нагрузки на виток, т.к. непосредственно не участвуют в измерении перемещений витков. Следовательно, точность определения нагрузки на витки низкая.

Задача, на решение которой направлена полезная модель - повышение точности определения нагрузки на витки, упрощение устройства и снижение трудоемкости определения распределения нагрузки по виткам резьбового соединения.

Технический результат полезной модели - повышение точности определения нагрузки на витки за счет измерения деформаций витков и использования тарировочного графика зависимости перемещений витка эталонного образца опытной гайки от нагрузки.

Задача решена следующим образом.

Общим с прототипом является то, что полезная модель имеет опорную плиту, резьбовое соединение с испытуемой гайкой, нагружающее устройство, устройство для измерения деформации витков и опытную гайку той же партии, что и испытуемая гайка, предназначенную для получения предварительных данных о деформации витков в процессе нагружения.

В отличие от прототипа болт испытуемого резьбового соединения выполнен с продольным пазом, в котором размещена вставка из пластичного материала с резьбовыми поверхностями, обработанными совместно с болтом при нарезании резьбы. В качестве пластичного материала используют, например, свинец или медь.

Отличием является также то, что опытная гайка выполнена с одним витком, расположенным, например, у опорного торца.

В качестве нагружающего устройства может быть использована разрывная машина или лабораторный испытательный пресс, а в качестве устройства для измерения деформации витков - инструментальный микроскоп.

При нагружении образца резьбового соединения до усилия затяжки, витки резьбы на вставке деформируются совместно с витками резьбового соединения. При разгрузке образца витки гайки и витки болта, кроме витков, расположенных на вставке, восстанавливают первоначальную форму, а витки на вставке остаются в деформированном положении. После разгрузки резьбовое соединение разбирают и измеряют величину деформации витков в резьбовой вставке.

На первом этапе нагружают образец с резьбовой вставкой и одним витком и строят тарировочный график зависимости перемещения витка от прилагаемой нагрузки, а на втором этапе нагружают образец с резьбовой вставкой со всеми витками и по тарировочному графику эталоного образца определяют соответствующую этим перемещениям нагрузку на витки.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На Фиг.1 показано испытуемое резьбовое соединение, где 1 - опорная плита; 2 - гайка; Q - осевая нагрузка. На Фиг.2 изображен болт резьбового соединения с резьбовой вставкой, где 3 - тело болта; 4 - резьбовая вставка. На Фиг.3 - поперечный разрез А-А болта с вставкой. На Фиг.4 показана деформация витков резьбовой вставки, где - величина остаточной деформации витка.

Полезная модель представляет собой нагружающее устройство, (на чертеже не показано), опытную гайку, испытуемую гайку и болт, в продольном пазу, которого по длине свинчивания размещена вставка 4 из пластичного материала, например, свинца или меди, (см. Фиг.2), которую протачивают совместно с заготовкой болта, после чего на последнем нарезают резьбу.

В одной из моделей у опытной гайки срезают витки кроме одного у опорного торца. Испытуемая гайка имеет все витки и предназначается для исследования.

Последовательность операций по определению распределения нагрузки по виткам выполняется в два этапа. На первом этапе собирают полезную модель резьбового соединения с опытной гайкой, имеющей один виток. Нагружают его осевой нагрузкой Q₁ и фиксируют соответствующую этой нагрузке величину остаточной деформации - ₁. Затем соединение нагружают последовательно нагрузками Q₂, Q₃, Q₄ и т.д. увеличивая нагрузку, например, на 10%, соответственно измеряя при этом величины остаточных деформаций - ₂, ₃, ₄. После этого строится тарировочный график зависимости перемещения витка от прилагаемой нагрузки. Резьбовое соединение разбирают.

На втором этапе собирают резьбовое соединение с испытуемой гайкой, выполненной со всеми витками, нагружают его осевой нагрузкой, например, до усилия затяжки. Соединение разгружают и разбирают, после чего замеряют разность между витками резьбы болта и резьбовой вставки, например, на инструментальном микроскопе.

Используя тарировочный график опытной гайки с одним витком и величину остаточных деформаций витков на вставке у испытуемого образца, определяют нагрузки на витки резьбового соединения. Измерение разности между пластическими деформациями витка на резьбовой вставке и упругими деформациями витков резьбы болта, которые после разгрузки восстанавливают свою форму и размеры, осуществляют на инструментальном микроскопе.

1. Устройство для определения нагрузки на витки резьбового соединения, содержащее опорную плиту, резьбовое соединение с испытуемой гайкой, нагружающее устройство, устройство для измерения деформации витков и опытную гайку той же партии, что и испытуемая гайка, предназначенную для получения предварительных данных о деформации витков в процессе нагружения, отличающееся тем, что болт испытуемого резьбового соединения выполнен с продольным пазом, в котором размещена резьбовая вставка из пластичного материала, например свинца или меди, при этом резьба на указанной вставке обработана совместно с резьбой болта, кроме этого, опытная гайка выполнена с одним витком, расположенным, например, у ее опорного торца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве нагружающего устройства использована разрывная машина или лабораторный испытательный пресс.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства для измерения деформации витков использован инструментальный микроскоп.