Зміни кроку, кута профілю та форми різьблення для підвищення довговічності кріплення, Трубопроводи,
Різьблення шпильки або болта з прямим кутом профілю, що застосовується при особливих вимогах до межі витривалості кріплення.
Такі геометричні параметри різьблення, як крок, кут і профіль, найчастіше надають вирішальне значення на довговічність кріпильних деталей. Правильна модель поведінки кріплення під навантаженням дозволяє знайти експеримент.
Автор: Дроздов М.В., ТОВ «Інженерний Союз»
Трохи ефекту впливу кроку різьблення кріплення на межу витривалості
Аналіз даних експериментальних досліджень кріпильних виробів показує, що при однаковому відношенні R/P (R – радіус западини різьблення, P – крок різьблення) крок різьблення практично не впливає на межу витривалості різьбових з'єднань. Лише для різьблення з діаметром 10 мм при R = 0 спостерігається невеликий (до 10%) розкид результатів щодо середнього значення. При інших значеннях R/P розкид не перевищує 2…5%. Це дозволяє розглядати різьблення як сукупність дрібних виточок.
Переваги дрібного різьблення
Підвищення руйнівних навантажень у кріпильних з'єднаннях з дрібним різьбленням
Напруги в стрижні з такими виточками розподіляються нерівномірно лише на невеликій глибині, що прилягає до вершини. У цьому випадку коефіцієнт концентрації напруг залежить від відношення R/P і не залежить від відношення R/d. Якщо руйнуючі напруги в болті з дрібним різьбленням однакові з великим різьбленням, то руйнівні навантаження при дрібній різьбі вище за рахунок більшої площі. Наприклад, для різьблення М10×1,5 площа перерізу А1= 55,1 мм 2 , а різьблення М10×1 А1 - 62,4 мм 2 , т. е. на 13 % більше.
Стопорні властивості кріплення з різьбленням малого кроку
Для накочування дрібного різьблення потрібні верстатименшою потужністю. Крім того, кріплення з дрібним різьбленням має вищі стопорні властивості. Завдяки зазначеним перевагам дрібне різьблення широко застосовують у машинобудуванні.
| 45 | 8,650 | 7,300 | 80 |
| 60 | 9,026 | 8,020 | 55 |
| 75 | 9,144 | 8,490 | 65 |
| 90 | 9,374 | 8,874 | 85 |
Кут профілю та форма різьблення
Наслідки зменшення кута профілю різьблення кріплення
Мал. 1. Профілі різьблення з різними кутами α
При зменшенні кута профілю (за вихідний кут профілю прийнятий кут для метричного різьблення α = 60°) збільшується робоча глибина (перекриття) витків і, як наслідок, осьова податливість різьблення, що сприяє більш рівномірному розподілу навантаження між витками та розвантаженню першого витка.
Наслідки збільшення кута профілю кріпильних деталей
При α > 60° також покращується розподіл навантаження між витками, але вже рахунок збільшення радіальної податливості гайки . Результати розрахунків показують, що навантаження на перший виток різьблення М10 з α = 75° знижується на 17% порівняно зі стандартним різьбленням; при α = 90° зменшення навантаження становить 35%.
Поряд із зниженням навантаження при α > 60° суттєво зменшуються діючі на підставі витків напруги, пов'язані з вигином. При α = 90° різьблення виходить хіба що «безизгибной» (рис. 1), що значно підвищує міцність сполук.
Вплив кута профілю різьблення на опір шпильок та болтів втоми
Вплив кута профілю різьблення на опір втоми досліджувався І. А. Біргером та Г. Б. Йосилевичем. Випробовувалисяшпильки М10 з α = 45, 60, 75 і 90 ° зі сталі 38ХА (σв - 1150 МПа).
Різьблення на шпильках нарізалося на токарно-гвинторізному верстаті різцями з пластинами з твердого сплаву Т15К6, заточеними на профілешліфувальному верстаті. Різьблення в гайках нарізалося спеціальними мітчиками. Профілі досліджених різьблень зображені на рис. 4.
Вплив кута профілю та форми різьблення
Як показують результати випробувань (табл. 1; рис. 2), збільшення кута профілю різьблення до α = 90 ° або зменшення до α - 45 ° дозволяє підвищити межу витривалості з'єднання на 45 . 55%. Вперше різьблення з α = 90° дляболтів було запропоновано у роботі Біргера.
Руйнування з'єднань відбувається, як правило, на рівні або нижче опорного торця гайки, що свідчить про суттєве зменшення максимальних напруг у перерізі першого витка.
Мал. 2. Залежність межі витривалості кріпильних з'єднань від кута профілю різьби
За даними Р. Б. Хейвуда, довговічність болтів з ? = 90 ° в 10 разів більше, ніж стандартних.
Різьблення з α = 90° може бути рекомендовано для відповідальних конструкцій об'єктів енергетики, з'єднаньфланців технологічних трубопроводів високого тиску, коли необхідна дуже висока межа витривалості (особливо для нарізаних різьблень). Виготовлення різьблення з малою висотою профілю при α = 90° легше, ніж різьблення з профілем стандартної форми.
Недоцільність збільшення кута профілю різьблення кріплення вище 90°
Мал. 3. Криві зміни максимальної напруги для з'єднань із звичайним (1) та асиметричним (2) профілями різьблення
Зазначимо, що збільшення кута профілюрізьблення понад 90° може призвести до руйнування тіла гайки через високе радіальне навантаження. Зміщення зусиль до осі стрижня та зменшення напруги від вигину витків можна досягти при виконанні на болтах (шпильках) різьблення з дещо більшим, ніж на гайках, кутом симетричного профілю α = 62 . 65°, а також при виготовленні різьблення з асиметричним профілем. Різьблення гайки повинно мати при цьому стандартний профіль, а для забезпечення свинчуваності та взаємозамінності слід дещо збільшити зазори по середньому діаметру. Асиметричний профіль різьблення болта застосовується у Великобританії та США. За даними Хіроніса, таке різьблення витримує значну напругу (рис. 3).
Зазначимо, що застосуваннягайок, різьблення яких має збільшений кут або асиметричний профіль, може призвести до зниження опору втоми.
Зарубіжні дослідження різних профілів різьблення кріплення
Мал. 4. Профілі різьблення
Вплив кута профілю та форми різьблення надовговічність кріпильних з'єднань вивчався Ітоном. Профілі досліджених різьблень показані на рис. 4.
Різьблення кріплення з профілями I і IV, найбільш поширені в США, мали α = 60 °.
Різьблення кріпильних виробів з профілями II і III наполегливі, причому в першому випадку кут нахилу робочої сторони різьблення дорівнює 3°, неробочій 30°, а в другому випадку відповідно 0 і 45°. Робоча висота профілю III менша, ніж профілю II .
Різьблення кріпильних деталей з профілем V мало α = 90°.
Різьблення з профілями VI і VII призначені для сприйняття змінних навантажень. Виняток контакту по вершинах витків різьблення з профілем VII, як показали результати експериментів, підвищило довговічність з'єднань, але знизило міцність при випробуванні на зріз. Таке різьблення використовують у СШАдля з'єднань, навантажених важкими динамічними навантаженнями. Шпильки виготовляли з марганцево-нікелевої сталі (в = 668 ... 730 МПа). Випробування проводили за нульового циклу напруг.
Відносна міцність різьбових з'єднань
У табл. 2 наведені дані про відносну міцність різьбових з'єднань (за одиницю прийнято міцність різьблення з α = 60° і плоскосрізаною западиною). Як показує аналіз цих даних, профіль (VI і VII), утворений дугою кола і виключає контакт між вершиною різьблення гайки і западиною різьблення шпильки, дозволяє на 60% підвищити межу витривалості з'єднань. При використанні наполегливого різьблення та різьблення з α = 90° значення σап підвищується незначно (до 10 %). Це впливом ударних навантажень через збільшених радіальних зазорів при нульовому циклі напруг. Межу витривалості цих сполук можна підвищити шляхом попереднього затягування кріплення.
| Профіль різьблення | База випробувань, кількість циклів | ||
| 10 5 | 10 6 | 10 7 | |
| I | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
| II | 1,09 | 1,01 | 0,98 |
| III | 1,06 | 1,14 | 1,07 |
| IV | 1,21 | 1,18 | 1,22 |
| V | 1,04 | 1,05 | 1,09 |
| VI | - | 1,25 | 1,12 |
| VII | 1,31 | 1,51 | 1,60 |
Змінні середній діаметр та крок
Мал. 5.Болти прямої та зворотної конусності
Змінивши радіус западини або профіль різьблення, можна ефективно знизитиконцентрацію напруги від місцевого навантаження на витки.
Для покращення розподілу навантаження потрібно таким чином змінити середній діаметр по висотігайки, щоб контакт витків починався поблизу вільного торця гайки. Р. Хейвудом встановлено, що пряма конусність 1:50 зі збільшенням середнього діаметра від торця до головки болта (рис. 5) знижує довговічність з'єднань з 10 5 до 6×10 4 циклів. Зворотна конусність 1:100 підвищує довговічність до 1,8×105, а при більшій конусності (1:50) — до 2,1×105 циклів.
Застосування гайок з конічним заходом
Мал. 6. Різьбові з'єднання з усіченими нижніми витками.
Зазначимо, що використання різьблення c змінним середнім діаметром обмежено вимогою недопущення в різьбленні великих зазорів, тому в парі з конусним болтом переважно застосовувати конусну гайку.
Різновидом цього методу є усічення (корекція) витків різьбленнягайки в найбільш навантаженій області до нарізування різьблення або після нього. Кут приймають рівним 10 ... 15 °. За даними Лутандера та Вальгрена, при усіченні нижніх витків гайки на 12° межа витривалості підвищується на 20%. Таке збільшення отримано Р. Вигандом при усіченні під кутом 10°.
Рекомендації щодо застосування гайок з конічним заходом наведено у роботі Р. А. Волкера та Г. Майєра. Гайка із збільшеним кроком дає більш рівномірний розподіл навантаження. За даними Р. Хейвуда, довговічність з'єднання гайки з 11,85 витками і болта з 12 витками на 1" підвищується з 10 5 (для звичайного з'єднання) до 5,8×10 5 циклів, причому руйнування завжди відбуваються значно глибше опорної поверхні гайки, що свідчить про рівномірніший розподіл навантаження між витками.
Ступінь впливу кроку гайки та міцність їїматеріалу
Змінний крок у поєднанні з кутом профілю α = 90 ° сприяє суттєвому підвищенню довговічності. Ступінь впливу збільшеного кроку залежить від міцності її матеріалу при розтягуванні. У разі невисокої міцності відбувається перерозподіл навантаження через пластичні деформації і нижні витки починають працювати аналогічно виткам звичайної гайки. Рекомендується використовуватиболти та гайки з одного матеріалу.
Іноді застосовують гайки з утопленим різьбленням. У таких з'єднаннях нижній виток болта є більш податливим, що знижує навантаження. Гайка з прорізами по западинах різьблення, які збільшують їхню податливість і покращують розподіл навантаження. Однак на практиці таку конструкцію реалізувати дуже складно.
Висновок
Прагнення конструкторів до розробки кріпильних виробів, які застосовуються для з'єднувальних деталей трубопроводів, спрямоване на пошук геометричних характеристик конструкції, що забезпечують найвищу надійність різьбового з'єднання для заданих умов експлуатації.
Список літератури
- Йосилевич Г. Б., Строганов Г. Б., Шарловський Ю. В. Затяжка і стопоріння різьбових з'єднань .. - М.: Машинобудування, 1985. - 224 c.
- Якушев А. І., Мустаєв Р. Х., Мавлютов Р. Р. Підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань. – М.: Машинобудування, 1979. – 214 c.
- Білозерова З.Л., Ращепкін К.Є., Ясін Е.М. Надійність магістральних нафто- та продуктопроводів // Транспорт та зберігання нафти та нафтопродуктів: Обз. інф. - М.: ВНДІОНГ, 1971.
- Sproat R. Z., Walker R. A. Radiused-root threads-are they realey better // Assembly Engng. 1965. N 4.
Отримавши доступ до цієї сторінки, Ви автоматично приймаєте Угоду користувача.
- Фланці
- Фланці комірні
- Фланці плоскі
- Фланці судин та апаратів
- Заглушки фланцеві
Виготовимо фланці литі, заготовки зі сталі 09Г2С, сталь 20, Ст 08Х18Н10Т, 15Х5М