Резьбовое соединение конструктивных элементов

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в соединениях высоконагруженных элементов в контейнерах специального назначения. Резьбовое соединение конструктивных элементов включает соединяемые конструктивные элементы и стягивающий их упругий ввертный болт, размещенный в соответствующих отверстиях соединяемых конструктивных элементов. Болт имеет на нарезном конце трапецеидальную резьбу, а головка болта выполнена с увеличенной опорной поверхностью, при этом твердость материала болта выше твердости материла сопряженного с ним конструктивного элемента. Обеспечивается необходимая и достаточная прочность соединения динамически нагруженных конструктивных элементов контейнера специального назначения, применяемого для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов при простоте сборки и демонтажа соединения. 1 илл.

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к резьбовым разъемным соединениям, используемым при различных монтажно-сборочных работах для соединения (разъединения) узлов в сосудах высокого давления, в частности, для крепления к фланцу сосуда высокого давления герметизирующей крышки или подобного закрывающего элемента и может быть использовано в контейнерах специального назначения (КСН), применяемых для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов.

Известны технические решения, в которых при использовании крепежных резьбовых разъемных соединений требуется, чтобы они были "стопорящимися". Под термином "стопорящееся соединение" в общем случае понимается резьбовое крепежное соединение, которое включает в себя средство, препятствующее нежелательному ослаблению затяжки соединения в результате действия раскручивающих усилий, превышающих силы трения, препятствующие проворачиванию резьбовых крепежных деталей или изделий соединения друг относительно друга в направлении ослабления затяжки. Во многих случаях при применении стопорящегося резьбового крепежа, помимо всего прочего, требуется, чтобы он легко мог откручиваться, когда это необходимо, сниматься и переустанавливаться без повреждения как элементов самого соединения, так и соединяемых элементов конструкции.

Известно самоконтрящееся резьбовое соединение, содержащее соединяемые конструктивные элементы и стягивающий их болт, размещенный в соответствующих отверстиях соединяемых элементов [патент РФ 2019737, МПК⁵ F16B 39/00, опуб. 15.09.1994 г]. В данном соединении болт выполнен с одной продольной канавкой, в которой размещен стопорный элемент в виде металлической пластины. В дне канавки резьбового соединения выполнен радиальный паз, пластина выполнена упругой и размещена в упомянутом пазу.

Болт с пластиной ввинчивают в резьбовое отверстие сопряженного с ним конструктивного элемента. При этом пластина, упираясь в дно канавки, не мешает затяжке соединения. При появлении вибраций болт поворачивается в противоположном его ввинчиванию направлении, пластина упирается в резьбу соединяемого конструктивного элемента и, деформируя ее, образует канавку и заклинивает соединение.

Однако, деформация резьбы соединяемого конструктивного элемента и возможная вероятность повреждения болта при вывинчивании не позволит использовать болт многократно, что важно в стопорящих резьбовых соединениях (например, для крепления к фланцу сосуда высокого давления герметизирующей крышки), где требуется, чтобы крепеж легко мог откручиваться, когда это необходимо, сниматься и переустанавливаться без повреждения как элементов самого соединения, так и соединяемых элементов конструкции.

Известно резьбовое соединение конструктивных элементов, содержащее соединяемые конструктивные элементы и стягивающий их болт (стержень с резьбовой частью и многогранной головкой), размещенный в соответствующих отверстиях соединяемых элементов, и шайбу [патент РФ 2253050, F16B 39/10, опуб. 27.05.2005 г]. Данное соединение также содержит осевой стопор и фиксатор в виде пластины с лапкой и сквозной многогранной выемкой, установленный на головке соединителя. Между фиксатором и опорным торцом конструктивного элемента установлена шайба, имеющая отогнутую лапку, взаимодействующую с конструктивным элементом, и неравномерно расположенные по окружности пазы. При этом лапка фиксатора размещена в одном из упомянутых пазов.

После окончательной затяжки на многогранную головку болта надевают шайбу так, чтобы отогнутая лапка взаимодействовала с конструктивным элементом. Затем надевают на головку фиксатор, ориентируя его лапку так, чтобы она входила в соответствующий паз шайбы. После этого в головку устанавливают осевой стопор.

Однако, недостатком данного соединения является сложность конструкции, а также высокая трудоемкость монтажа и демонтажа резьбового соединения. Кроме того, данное соединение недостаточно надежно при определенных динамических нагрузках и вибрации с большими циклическими нагрузками (например, в контейнерах специального назначения (КСН).

Известно резьбовое соединение высоконагруженных конструктивных элементов, описанное в способе создания дополнительного натяга в резьбовом соединении деталей машин [патент РФ 2488720, МПК F16B 39/00, F16B 31/00, опуб. 27.07.2013 г]. Данное устройство, включает соединяемые конструктивные элементы и стягивающий их несущий болт, размещенный в соответствующих отверстиях соединяемых элементов. В стержне несущего болта выполнено осевое глухое резьбовое отверстие, в которое ввинчивается упорный болт до упора в дно отверстия.

Упорный болт растягивает гладкую часть тела несущего болта до расчетного удлинения, что позволяет затянуть несущий болт до упора обычным ключом, а после ослабления упорного болта, за счет упругости материала несущего болта создать натяг в резьбовом соединении, препятствующий отворачиванию несущего болта при высоких нагрузках.

Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.

Однако, недостатком данного устройства является ослабление стержня несущего болта осевым отверстием под упорный болт. Возможная вероятность повреждения болта (стержень несущего болта может разрушиться) не позволит использовать его многократно, что отрицательно скажется на прочности соединения высоконагруженных элементов в контейнере специального назначения (КСН), применяемом для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов. Наличие дополнительной детали (упорного болта), необходимой для создания требуемого напряженного состояния резьбового соединения, ведет к усложнению сборки и демонтажа соединения.

Техническим результатом, который может быть получен от реализации предполагаемой полезной модели, является обеспечение необходимой и достаточной прочности соединения динамически нагруженных конструктивных элементов контейнера специального назначения, применяемого для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов при простоте сборки и демонтажа соединения.

Для достижения указанного технического результата в резьбовом соединении конструктивных элементов, включающем соединяемые конструктивные элементы и стягивающий их несущий болт, размещенный в соответствующих отверстиях соединяемых конструктивных элементов, согласно предлагаемой полезной модели, несущий болт выполнен в виде упругого ввертного болта, имеющего на нарезном конце трапецеидальную резьбу, головка болта выполнена с увеличенной опорной поверхностью, при этом твердость материала болта выше твердости материла сопряженного с ним конструктивного элемента.

Как известно, у упругого ввертного болта имеется утонение гладкой части тела болта относительно диаметра резьбы нарезной части болта, при котором диаметр гладкой части уменьшен до размера внутреннего диаметра резьбовой части тела болта, а то и более - до 0,8 и даже до 0,7 номинального диаметра резьбы, что увеличивает упругость болта, улучшая условия работы стяжного соединения, подвергающегося действию ударной нагрузки. Это свойство упругих болтов позволяет использовать их в ответственных случаях, которыми являются соединения высоконагруженных элементов контейнера специального назначения, применяемого для испытаний взрывоопасных объектов. Кроме того, утонение гладкой части тела болта позволяет выполнять плавные переходы (галтели) между стержнем болта и его головкой с одновременным увеличением сопротивления усталости болта, что обуславливает повышенную сопротивляемость данных болтов циклическим нагрузкам.

Наличие у головки болта увеличенной опорной поверхности позволит увеличить площадь контакта при стопорении и обеспечить более равномерное распределение контактного давления на опорной поверхности. Кроме этого, позволит уменьшить концентрацию напряжений под головкой болта и исключить потерю усилия предварительной затяжки в процессе эксплуатации при знакопеременных нагружениях, при этом повысит стабильность затяжки и предотвратит самоотвинчивание, гарантируя надежную эксплуатацию резьбового соединения.

В вышеприведенных аналогах и прототипе крепежные элементы выполнены со стандартной метрической резьбой, при наличии которой возникающие при взрывном эксперименте нагрузки раскручивают резьбовой стержень в осевом и радиальном направлениях, тем самым, как бы «выталкивают» его из резьбового соединения (ослабляют затяжку), поэтому существует вероятность самоотвинчивания крепежных элементов с метрической резьбой в условиях ударных и вибрационных нагрузок, возникающих в контейнере специального назначения (КСН), применяемом для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов. Наличие же на нарезном конце болта трапецеидальной резьбы позволяет добиться повышения прочности соединения, а также исключить необходимость дотяжки в процессе эксплуатации на знакопеременных и вибрационных нагрузках, которые присущи указанным контейнерам специального назначения. Перед метрической резьбой трапецеидальная резьба обладает рядом преимуществ, а именно: обладает свойством самоторможения, предохраняющим соединяемые конструктивные элементы от самоотвинчивания при восприятии больших осевых статических и динамических нагрузках; прочность на растяжение в соединениях с трапецеидальной резьбой в 1,5-2 раза выше, чем с метрической, а высокая сопротивляемость ее к растяжению обеспечивается уменьшением угла наклона (3°) стороны профиля, что способствует более благоприятному распределению напряжений в резьбовой части; также данная резьба выдерживает повышенную вибрацию.

Использование материала болта с твердостью выше твердости материла сопряженного с ним конструктивного элемента обеспечивает сглаживание неравномерности нагрузки осевой деформации наиболее напряженных витков болта и радиальной деформации наиболее напряженных поясков сопряженного с резьбовым концом болта конструктивного элемента, в результате чего пик напряжений, наблюдающийся в конструктивном элементе, выравнивается.

Данное выполнение соединения позволяет создать натяг в резьбовом соединении, препятствующий отворачиванию болта при высоких нагрузках и сохранить при заданных моментах затяжки в резьбовом соединении герметичность КСН при проведении взрывного эксперимента.

А отсутствие дополнительных деталей крепежа (в прототипе - упорный болт), необходимых для создания требуемого напряженного состояния резьбового соединения упрощает процесс его сборки и демонтажа.

Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия создания прочного резьбового соединения динамически нагруженных конструктивных элементов КСН, применяемого для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов при простоте сборки и демонтажа соединения.

Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизна».

Полезная модель поясняется чертежом, где представлен общий вид резьбового соединения.

Резьбовое соединение содержит стягиваемые конструктивные элементы 1, 2 и установленный в их отверстия 3, 4 упругий ввертный болт 5, головка 6 которого выполнена с увеличенной опорной поверхностью 7. Нарезной конец 8 болта 5 имеет трапецеидальную резьбу, при этом твердость материала болта 5 выше твердости материла сопряженного с ним элемента 2.

Устройство работает следующим образом.

После соединения элементов 1, 2 болт 5 устанавливают в сквозное отверстие 3 элемента 1 и ввинчивают его в глухое резьбовое отверстие 4 элемента 2 до плотного соприкосновения опорной поверхности 7 с наружной поверхностью элемента 1, обеспечивая необходимый натяг в витках резьбового соединения. Затяжку осуществляют вручную посредством необходимого для этого инструмента.

Применение конструкции крепежа предлагаемого вида позволяет при небольших усилиях затяжки достигнуть плотного прилегания соединяемых элементов 1, 2 при простоте конструкции соединения.

В качестве конкретного примера использования заявляемого резьбового соединения на предприятии был изготовлен контейнер специального назначения, применяемый для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов, в котором конструктивный элемент 1 (крышка) диаметром 1150 мм с кольцевым герметизирующим уплотнением 9 была скреплена с элементом 2 (фланцем контейнера). В соединении были применены упругие ввертные болты 5, нарезной конец 8 которых имел однозаходную трапецеидальную резьбу Tr40×7. Наружный диаметр резьбы каждого болта 5 составлял 40 мм; внутренний диаметр резьбы - 32 мм; средний диаметр резьбы - 36,5 мм; шаг резьбы - 7 мм; рабочая высота профиля - 3,5 мм; угол профиля =30°. Изготовление болтов 5 из стали 30ХГСА (_т=835 МПа, _в=1080 МПа) при наличии материала фланца 2 - из стали 09Г2С (_т=245 МПа, _в=470 МПа) было достигнуто условие: прочность материала болта выше прочности материала фланца в 3,5 раза. В конкретном варианте изготовления головка 6 каждого болта 5 была выполнена с увеличенной кольцевой опорной поверхностью 7 диаметром равным двум диаметрам гладкой части болта 5.

Определение необходимого количества болтов 5 для крепления крышки 1 к фланцу 2 КСН при воздействии заданной статической нагрузки (138 кгс/см ²) было проведено по упрощенной инженерной расчетной методике, по которой количество болтов 5 для данного соединения должно быть не менее 46 шт. В итоге, были использованы равномерно размещенные на общей делительной окружности в соответствующих отверстиях 3, 4 соединяемых крышки 1 и фланца 2 болты 5 в количестве 50 штук.

Каждый болт 5, проходя через сквозное отверстие в крышке 1, вворачивался в соответствующее резьбовое глухое отверстие во фланце 2 КСН с внутренней резьбой, ответной по профилю резьбы болта 5. После окончательной затяжки болтов 5 проводили испытания КСН. Предельное растягивающее усилие болта составило 268,48 кН. По расчетам усилие среза витков резьбы фланца при действии осевой силы составило 1036 кН. В итоге, расчетный запас прочности на срез витков резьбы составил 3,8.

Результаты испытаний исключают возможность раскрытия резьбового соединения, что подтверждено герметичностью крепления крышки к фланцу КСН. Попадание продуктов взрыва в окружающую среду при использовании известных методик и средств регистрации не было зафиксировано, что особенно важно в случае взрыва экологически опасных объектов.

Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:

- устройство, воплощающее заявляемую полезную модель, при его осуществлении предназначено для использования в резьбовых разъемных соединениях;

- средство, воплощающее заявляемую полезную модель, при осуществлении способно обеспечить необходимую и достаточную прочность соединения динамически нагруженных конструктивных элементов контейнера специального назначения, применяемого для проведения экспериментальных исследований взрывоопасных объектов при простоте сборки и демонтажа соединения;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».

Резьбовое соединение конструктивных элементов, содержащее стягиваемые конструктивные элементы, один из которых имеет сквозное отверстие, а второй - резьбовое глухое отверстие, и установленный в отверстия элементов несущий болт, отличающееся тем, что несущий болт выполнен в виде упругого ввертного болта, имеющего на нарезном конце трапецеидальную резьбу, ответную по профилю резьбе глухого отверстия второго конструктивного элемента, причем головка болта выполнена с увеличенной опорной поверхностью, при этом твердость материала болта выше твердости материала сопряженного с ним второго конструктивного элемента.