Способ определения коэффициента закручивания резьбового соединения

 

Изобретение относится к области мостостроения и другим областям строительства и эксплуатации металлоконструкций для определения параметров затяжки болтов. В эксплуатируемом соединении производят затягивание гайки на заданную величину угла ее поворота от исходного положения. Предварительно ослабляют ее затягивание. Замеряют при затягивании значение момента закручивания гайки в области упругих деформаций. Определяют приращение момента закручивания. Приращение усилия натяжения болта определяют по рассчетной формуле. Коэффициент закручивания резьбового соединения определяют как отношение приращения момента закручивания гайки к произведению приращения усилия натяжения болта на его диаметр. Технический результат заключается в возможности проведения испытаний в конкретных условиях эксплуатации соединений для повышения точности результатов испытаний.

Изобретение относится к технике измерения коэффициента закручивания резьбового соединения, преимущественно высокопрочных болтов, и может быть использовано в мостостроении и других отраслях строительства и эксплуатации металлоконструкций для определения параметров затяжки болтов.

При проверке величины натяжения N болтов, преимущественно высокопрочных, как на стадии приемки выполненных работ (Инструкция по технологии устройства соединений на высокопрочных болтах в стальных конструкциях мостов. ВСН 163-69. М. , 1970, с. 10-18. МПС СССР, Минтрансстрой СССР), так и в период обследования конструкций (строительные нормы и правила СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний. - М., Стройиздат, 1987, с. 25-27), используют динамометрические ключи. Этими ключами измеряют момент закручивания M_з, которым затянуты гайки.

Основой этой методики измерений является исходная формула (Вейнблат Б.М. Высокопрочные болты в конструкциях мостов. М.,Транспорт, 1971, с. 60-64): M_з = Ndk, где d - номинальный диаметр болта; k - коэффициент закручивания, зависящий от условий трения в резьбе и под опорой гайки.

Измеряя тем или иным способом прикладываемый к гайке момент закручивания, рассчитывают при известном коэффициенте закручивания усилие натяжения болта N.

Очевидно, что при достаточной точности регистрации моментов точность данной методики зависит от того, в какой мере действительные коэффициенты закручивания k соответствуют расчетным величинам.

Методика обеспечивает необходимую точность проверки величины натяжения болтов, как правило, лишь на стадии приемки выполненных работ, поскольку предусматриваемая технологией постановки болтов стабилизация коэффициента k кратковременна.

Значения k для болтов, находящихся в эксплуатируемых конструкциях, может изменяться в широких пределах, что вносит существенную неточность в результаты измерений. По данным Чеснокова А.С. и Княжева А.Ф. ("Сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах". М., Стройиздат, 1974, табл. 17, с. 73) коэффициент закручивания зависит от качества смазки резьбы и может изменяться в пределах 0,12-0,264. Таким образом измеренные усилия в болтах с помощью динамометрических ключей могут отличаться от фактических значений более чем в 2 раза.

Известен более прогрессивный способ непосредственного измерения усилий в болтах, где величина коэффициента k не оказывает влияния на результаты измерений. Способ реализован с помощью устройства (А.св. N 1139984 (СССР). Устройство для контроля усилий затяжки резьбовых соединений (Бокатов В.И., Вишневский И.И., Рабер Л.М., Голиков С.П. - Заявл. 08.12.83, N 3670879), опыт применения которого выявил его надежную работу в случае сравнительно непродолжительного (до пяти лет) срока эксплуатации конструкций. При более длительном сроке эксплуатации срабатывание предусмотренных конструкцией устройства пружин происходит недостаточно четко, поскольку с течением времени неподвижный контакт резьбовой пары приводит к увеличению коэффициента трения покоя. Этот коэффициент иногда достигает таких величин, что величина момента сил трения в резьбе превосходит величину крутящего момента, создаваемого преднапряженными пружинами. Естественно в этих условиях пружины срабатывать не могут.

Существенно ограничивает применение устройства необходимость свободно выступающей над гайкой резьбы болта не менее, чем на 20 мм. Наличие таких болтов в узлах и прикреплениях должно специально предусматриваться.

В целом независимо от способа измерения усилий в болтах, в случае выявления недостаточного их натяжения необходимо назначить величину момента закручивания для подтяжки болтов. Для назначения этого момента необходимы знания фактического значения коэффициента закручивания k.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению (прототип) является способ измерения коэффициента закручивания болтов с учетом влияния времени, аналогичному влиянию качества изготовления болтов (Чесноков А. С. , Княжев А.Ф. Сдвигоустойчивые соединения на высокопрочных болтах. - М., Стройиздат, 1974, с. 73, последний абзац).

Способ состоит в раскручивании гайки и извлечении болта из конструкции, определении коэффициента k_i в лабораторных условиях (см. тот же источник, с. 74-77) путем одновременного обеспечения и контроля заданного усилия N и прикладываемого к гайке момента M.

Очевидно, что столь трудоемкий способ не может быть широко использован, поскольку для статистической оценки необходимо произвести испытания нескольких десятков или даже сотен болтов. Кроме того, при извлечении болта из конструкции резьбу гайки прогоняют по окрашенной или загрязненной резьбе болта, а испытания в лабораторных условиях производят, как правило, не на том участке резьбы, на котором болт быть сопряжен с гайкой в пакете. Все это ставит под сомнение достоверность результата испытаний.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что в эксплуатируемом соединении производят затягивание гайки на заданную величину угла ее поворота от исходного положения, произведя предварительно для этого ослабление ее затягивания. Затягивание гайки на заданную величину угла ее поворота в области упругих деформаций производят с замером значения момента закручивания гайки и определяют приращение момента закручивания. При этом приращение усилия натяжения болта определяют по формуле N = A_i/A₂₂a_i/a₂₂^o_i/60^o(170-0,96), кH, (1) где A, A₂₂ - площади поперечного сечения испытываемого болта и болта диаметром 22 мм; a_i, a₂₂ - шаг резьбы испытываемого болта и болта диаметром 22 мм; ^o_i - угол поворота гайки от исходного положения; - толщина пакета деталей, соединенных испытываемым болтом, мм.

Коэффициент закручивания резьбового соединения определяют как отношение приращения момента закручивания гайки к произведению приращения усилия натяжения болта на его диаметр.

Такой способ позволяет в отличие от прототипа проводить испытания болтов в эксплуатируемом соединении и повысить точность определения величины коэффициента закручивания за счет исключения необходимости прогона резьбы гайки по окрашенной или загрязненной резьбе болта. Кроме того, в отличие от прототипа испытания проводят на том же участке резьбы, на котором болт сопряжен с гайкой постоянно. Способ осуществляется следующим образом: - с помощью динамометрического ключа измеряют момент закручивания гайки испытуемого болта - M_з;
- производят ослабление затягивания гайки испытуемого болта до момента (0,1 . . . 0,2) M_з и измеряют фактическую величину этого момента (исходное положение) - M_н;
- наносят, например, мелом, метки на двух точках гайки и соответственно на пакете. Угол между метками соответствует заданному углу поворота гайки; как правило, этот угол составляет 60^o.

- поворачивают гайку на заданный угол ^o и измеряют величину момента закручивания гайки по достижении этого угла - M_к.

- вычисляют приращение момента закручивания
M = M_к-M_н, Hм;
- определяют соответствующее повороту гайки на угол ^o приращение усилия натяжения болта N по эмпирической формуле (1);
- производят вычисление коэффициента закручивания k болта диаметром d:
k = M/Nd.
Формула для определения N получена в результате анализа специально проведенных экспериментов, состоящих в исследовании влияния толщины пакета и уточнении влияния толщины и количества деталей, составляющих пакет эксплуатируемого соединения, на стабильность приращения усилия натяжения болтов при повороте гайки на угол 60^o от исходного положения.

Поворот гайки на 60^o соответствует середине области упругих деформаций болта (Вейнблат Б.М. Высокопрочные болты в конструкциях мостов - М., Транспорт, 1974, с. 65-68). В пределах этой области, равному приращению угла поворота гайки, соответствует равное приращение усилий натяжения болта. Величина этого приращения в плотно стянутом болтами пакете, при постоянном диаметре болта зависит от толщины этого пакета. Следовательно, поворот гайки на определенный угол в области упругих деформаций идентичен созданию в болте заданного натяжения. Этот эффект явился основой предложенного способа определения коэффициента закручивания.

Угол поворота гайки 60^o технологически удобен, поскольку он соответствует перемещению гайки на одну грань. Погрешность системы определения коэффициента закручивания, характеризуемая как погрешностью выполнения отдельных операций, так и погрешностью регистрации требуемых параметров, составляет около 8% (см. Акт испытаний).

Таким образом, предложенный способ определения коэффициента закручивания резьбовых соединений дает возможность проводить испытания в конкретных условиях эксплуатации соединений, что повышает точность полученных результатов испытаний.

Полученные с помощью предложенного способа значения коэффициента закручивания могут быть использованы как при определении усилий натяжения болтов в период обследования конструкций, так при назначении величины момента для подтяжки болтов, в которых по результатам обследования выявлено недостаточное натяжение.

Эффект состоит в повышении эксплуатационной надежности конструкций различного назначения.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента закручивания резьбового соединения, заключающийся в измерении параметров затяжки соединения, по которым вычисляют коэффициент закручивания, отличающийся тем, что в эксплуатируемом соединении производят затягивание гайки на заданную величину угла ее поворота от исходного положения, произведя предварительно для этого ослабление ее затягивания, с замером значения момента закручивания гайки в области упругих деформаций и определяют приращение момента закручивания, при этом приращение усилия натяжения болта определяют по формуле

где A_i, A₂₂ - площади поперечного сечения испытываемого болта и болта диаметром 22 мм;
a_i, a₂₂ - шаг резьбы испытываемого болта и болта диаметром 22 мм;
_i - угол поворота гайки от исходного положения;
- толщина пакета деталей, соединенных испытываемым болтом, мм,
а коэффициент закручивания резьбового соединения определяют как отношение приращения момента закручивания гайки к произведению приращения усилия натяжения болта на его диаметр.