Підвищення міцності та надійності різьбових з’єднань гірничих машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Криворізький технічний університет

УДК 622.232;621.882.082.1;539

Підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань гірничих машин

Спеціальність 05.05.06. - “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Ель-Гергаві Ашраф

Кривий Ріг 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті.

Захист відбудеться “12” травня 1999р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованної вченої ради Д09.052.03 в Криворізькому технічному університеті за адресою: 324099, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету (324099, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.).

Автореферат розісланий “10” квітня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованної вченої ради кандидат технічних наук, доцент Ю.Г. Горбачов

Анотація

Ашраф Ель-Гергаві. Підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань гірничих машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06. - “Гірничі машини”. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 1999.

Дисертація присвячена питанням підвищення міцності та надійності за рахунок удосконалення лімітуючих конструктивних елементів гірничих машин. Ідея роботи - підвищення рівномірності розподілу навантаження між витками за рахунок зміни піддатливості різьби у відповідності із характером зміни навантаження на витки. При цьому забезпечується підвищення втомної міцності різьбових з'єднань при найменших конструкційних змінах та витратах праці. Виконані теоретичні дослідження навантаження та напруги у різьбових з'єднаннях. Досліджений вплив конструктивних та технологічних факторів на розподіл навантаження між витками, на статичну та втомну міцність. Розроблений спосіб оцінки піддатливості різьбових деталей, у якому ураховується піддатливість різьби болта на ділянці, яка відповідає деформованній частині гайки. Запропонований метод розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, який забезпечує одержання конструктивних параметрів з'єднання та імовірні оцінки запасу міцності, а також імовірність безвідказної роботи за критеріями запасу міцності. Розроблено 12 нових конструкцій різьбових з'єднань з підвищеною піддатливістю нижньої частини гайки, в яких забезпечена підвищена рівномірність розподілу навантаження між витками. Їх роботоздатність перевірена поляризаційно-оптичними методами. Основні результати роботи знайшли промислове використання при конструюванні нових різьбових з'єднань.

Ключові слова: різьбові з'єднання, надійність, міцність, напруга, розподіл навантаження, піддатливість, довірчий інтервал.

Аннотация

Ашраф Эль-Гергави. Повышение прочности и надёжности резьбовых соединений горных машин.. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06. - “Горные машины”. - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 1999.

Диссертация посвящена вопросам повышения прочности и надёжности горных машин за счёт совершенствования лимитирующих конструктивных элементов - резьбовых соединений.

Идея работы - повышение равномерности распределения нагрузки между витками за счёт изменения податливости резьбы в соответствии с характером изменения нагрузки на витки. При этом обеспечивается повышение усталостной прочности резьбовых соединений при наименьших конструктивных изменениях и трудозатратах.

Выполнены теоретические исследования нагрузок и напряжений в резьбовых соединениях. Исследовано влияние конструктивных и технологических факторов на распределение нагрузки между витками, и на статическую и усталостную прочность.

Разработано 12 новых конструкций резьбовых соединений с повышенной податливостью нижней части гайки, в которых обеспечивается повышенная равномерность распределения нагрузки между витками. Поляризационно-оптическими методами (методами фотоупругости) исследовано распределение нагрузки между витками и концентрация напряжений во впадинах резьбы моделей 8-и типов гаек новых конструкций, изготовленных из оптически-прозрачных материалов (эпоксидные смолы ЕД-5 и ЕД-6) в соответствии с необходимыми критериями подобия (,).

Использовался метод “замораживания” объёмных моделей резьбовых соединений с последующим вырезанием тонкой (2 мм) пластинки. Максимальное главное напряжение в зоне концентраций определялось с помощью полярископа-поляриметра ПКС-56.

В результате экспериментальных исследований установлено, что в новых конструкциях резьбовых соединений нагрузка на первый рабочий виток уменьшается по сравнению со стандартными резьбовыми соединениями до 1,9...2,2 раза, коэффициент равномерности распределения нагрузки между витками увеличивается до 1,6...2,4 раза.

Разработан способ оценки податливости резьбовых деталей, в котором учитывается податливость резьбы болта на участке, соответсвующим деформируемой части гайки. Расчёты показывают, что податливость болтов в резьбовых соединениях новых конструкций на 8...10% выше податливости стандартных болтов. Предложен метод расчёта резьбовых соединений с улучшенным распределением нагрузки между витками, который обеспечивает получение конструктивных параметров соединения и вероятностные оценки запаса прочности, а также вероятности безотказной работы по критериям запаса прочности. Данный метод расчёта применён для расчёта резьбовых соединений вращателя комбайна для восстающих выработок 1КВ1, крепления подъёмника комбайна для восстающих выработок 2КВ-А, рядного дизеля карьерного автосамосвала БелАЗ-548, стяжных болтов телескопического перфоратора ПТ48А. Выполнена оценка вероятности безотказной работы резьбовых соединений новых конструкций вышеназванных узлов горных машин по обобщённому критерию надёжности.

Использование новых резьбовых соединений с повышеной равномерностью распределения нагрузки между витками позволяет вычислить их запас прочности по переменным напряжениям на 23% для вращателя 1КВ1, на 16% для подъёмника комбайна для восстающих выработок 2КВ-А, на 12% для рядного дизеля карьерного автосамосвала БелАЗ-548, на 6% для телескопического перфоратора ПТ48А.

Ключевые слова: резьбовые соединения, надёжность, прочность, распределение нагрузки, податливость, доверительный интервал.

Annotation

Ashraf EL Gergawy. The increase of strength and reliability of threaded connechions for mining machines. The manuscript.

The thesis for a candidate of science degree, speciality 05.05.06. - «Mining machines». Krivoy Rog technical University, Krivoy Rog, 1999.

The thesis is dedicated to the problems of increasing strength and reliability of threaded connections by perfecting their limiting design elements.

The concept of the work consists in increasing the uniformity of load distribution among the threads at the expence of modifying thread flexibility in accordance with load variations at the threads. Alongside with it fatigue strength of threaded connections is increased while the design modifications and labour input are minimum.

The theoretical investigations have been carried out concerning loads and stresses in threaded connections. The influence of design and engineering factors, on load distribution has been studied on static and fatigue strength.

A way to evaluate the flexibility of threaded parts has been developed where the flexibility of the bolt thread at the section corresponding to the deformed part of the nut is taken into account. A metod has been proposed to calculate threaded connections with improved load distribution among the threads which could provide obtaining the design parameters of a connection and the probabilistic estimations of its strength and fault-free service by the ultimate strength criteria. 12 new thread connection designs have been developed featuring an improved flexibility of the nut's lower part which results in an increased uniformity of load distribution among the threads. Their operating abilities have been verifyed using optical methods. The principal results of the work have found industrial application when designing new threaded connections.

The key words: threaded connections, reliability, strength, load distribution. flexibility, confidential interval.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Важливими елементами гірничих машин, які в значній мірі визначають їх надійність, є різьбові з'єднання. Досвід експлуатації сучасних гірничих машин показує, що міцність і надійність різьбових з'єднань недостатні. Основними причинами руйнування різьбових з'єднань є недосконалість їх конструкції (51%), помилки, допущені при розрахунках з'єднань (27%), непередбачені випадкові перевантаження (7%) та ін. При використанні відомих різьбових з'єднань спостерігається підвищена нерівномірність розподілу навантаження по виткам різьби, висока концентрація напруги, ослаблення затяжки і, як наслідок, збільшення частки навантаження, яке сприймається болтом, а також інші негативні явища. Все це знижує надійність різьбових з'єднань, з часом приводе до їх руйнування, що в остаточному підсумку приводить до втрат роботоздатності машини в цілому.

Внаслідок різниці у характері деформацій болта, який працює на розтягнення, і гайки, яка зазнає напруги стиску, навантаження між витками різьби по довжині згвинчування розподіляється нерівномірно.

Навантаження на перші три витки різьби під опорним торцем гайки значне і складає відповідно 37, 24 і 17%, що приводить до виникнення великої напруги у западинах різьби. Найбільше навантаження розтягу виникає у западині під першим від опорного торця гайки робочим витком. Тому при циклічному навантаженні різьбового з'єднання руйнування болта завжди відбувається по першому або першому - другому навантаженим виткам різьби. Для підвищення міцності різьбового з'єднання та його надійності при змінному навантаженні необхідна розробка нових конструкцій гайок, які забезпечують більшу рівномірність розподілу навантаження між витками.

В зв'язку із ростом вимог до надійності і міцності різьбових з'єднань, із необхідністю використання нових конструкцій різьбових деталей, стає актуальним завдання створення нових методів розрахунку, які могли б забезпечити високу точність і достовірність результатів, що зв'язано в першу чергу із визначенням коефіцієнта основного навантаження та величини піддатливості болтів. Існуючі методи розрахунку різьбових з'єднань розроблялися для обладнання загального машинобудування і не враховують особливостей експлуатації гірничих машин. До цих особливостей відносяться в першу чергу значні коливання навантаження, які зв'язані із випадковою зміною у широкому діапазоні фізико-механічних характеристик сировини, яка переробляється гірничими машинами. В той же час розрахункові моделі, які використовуються при проектуванні гірничого обладнання, мають детермінований характер, не ураховують випадковостей зміни навантаження, а одержані при розрахунках оцінки показників міцності мають надто категоричні точкові значення. В сучасній науці загальнопризнано, що адекватний опис функціонального стану деталей, вузлів і машин у цілому може бути виконаним лише імовірними методами, а це передбачає оцінку показників міцності не точковими показниками, а інтервалами довіри. Це приводить до необхідності дальшого розвитку методів розрахунку різьбових з'єднань, їх адаптації до особливостей конкретних конструкцій вузлів машини, усе більш точного урахування умов експлуатаціїї.

Метою роботи є підвищення міцності і надійності за рахунок удосконалення лімітуючих конструктивних елементів гірничих машин, а також розробка імовірних методів оцінювання міцності різьбових з'єднань.

Ідея роботи - підвищення рівномірності розподілу навантаження між витками за рахунок зміни піддатливості різьби відповідно до характеру зміни навантаження на витки.

Наукові положення та новизна:

1. Спосіб перерозподілу навантаження між витками різьбового з'єднання, який відрізняється тим, що конструктивні елементи гайки вибираються так, що зміна піддатливості її деформуємої частини відповідає характеру розподілу навантаження між витками.

2. Спосіб оцінки піддатливості різьбових деталей, який відрізняється тим, що ураховується піддатливість різьби болта на ділянці, яка відповідає частині гайки, що деформується.

3. Метод розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, який віддрізняється тим, що коефіцієнт основного навантаження з'єднання визначається із урахуванням зміни піддатливості болтів при їх використанні у сполученні із гайками нових конструкцій, а для оцінювання міцності різьбових з'єднань використовуються імовірні характеристики.

Обгрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджені використанням апробованих методів теоретичних і експериментальних досліджень, зокрема поляризаційно-оптичного методу, достатнім обсягом лабораторних досліджень із використанням сучасних методів проведення експериментів, а також обробки експериментальних даних на ЕОМ методами математичної статистики з похибкою, яка не перевищує 10%.

Значення роботи. Наукове значення роботи складається із розробки: а) способу перерозподілу навантаження між витками різьбового з'єднання шляхом вибору таких конструктивних елементів гайки, які забезпечують зміну піддатливості її деформуємої частини відповідно до характеру розподілу навантаження між витками; б) способу оцінювання піддатливості різьбових деталей, в якому ураховується піддатливість різьби болта на ділянці, яка відповідає деформуємій частині гайки; в) методу розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, який забезпечує одержання конструктивних параметрів з'єднання й імовірні оцінки запасу міцності за пластичними деформаціями , за статичною міцністю , за змінною напругою ; а також імовірність безвідмовної роботи за критеріями запасу міцності з використанням квантилю нормального розподілу.

Практичне значення роботи полягає: а) у дослідженні ступеню впливу конструктивних і технологічних факторів на розподіл навантаження і напруги між витками різьби, а також у виборі лімітуючих параметрів різьби; б) у визначенні характеру відказів різьбових з'єднань при статичному і змінному навантаженні та виборі лімітуючих конструктивних елементів, змінюючі які у потрібному напрямку можна досягти підвищення міцності і надійності з'єднання при найменших конструктивних змінах і трудозатратах; в) у розробці 12-ти нових конструкцій різьбових з'єднань із підвищеною рівномірністю розподілу навантаження між витками, роботоздатність яких перевірена поляризаційно-оптичними методами; г) в розробці методики розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, яка дозволяє розраховувати значення конструктивних параметрів різьбових деталей і одержувати імовірну оцінку запасу міцності з'єднання та імовірність його безвідмовної роботи за критеріями міцності; д) у практичному використанні цієї методики для розрахунку різьбових з'єднань кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Реалізація виводів і рекомендацій роботи. Розроблена в дисертації “Методика розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками при постійному та змінному навантаженні” передана ВАТ “КриворіжНДПІрудмаш” та ВАТ “Криворізький турбінний завод “КОНСТАР” (м. Кривий Ріг).

Апробація роботи. Зміст і основні положення роботи викладені у доповідях на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI століття - проблеми та перспективи освоєння родовищ корисних копалин” - секція 12. Прогресивні техніка та технологія гірничого машинобудування (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), на науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету, на наукових семінарах кафедри теоретичної та прикладної механіки КТУ, кафедри загально-технічних дисциплін Криворізького педагогічного інституту, на нарадах технологічного відділу ВАТ “Криворізький турбінний завод “КОНСТАР”.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані у 5-и друкованих роботах.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із передмови, чотирьох розділів, закінчення, списку літератури і 5-ти додатків. Дисертація має 160 сторінок машинописного тексту, 28 таблиць, 78 рисунків; бібліографія має 115 найменувань.

2. Зміст роботи

1. Стан проблеми надійності різьбових з'єднань гірничих машин, теоретичні дослідження навантаження і напруги у різьбових з'єднаннях

Проблемам розробки теорії і математичних моделей міцності та надійності різьбових з'єднань присвячені роботи таких видатних вчених, як І.А. Біргер, Г.Б. Іосилевич, О.І. Якушев, Р.Х. Мустаєв, Р.Р. Мавлютов, Д.М. Решетов, Р.Б. Хейвуд, Г. Виганд, Р.А. Уолкер, Г. Майєр, Б.І. Олександров, В.І. Тарханов, К.Х. Іллгнер, Г. Юнкер, Г.Б. Строганов, Ю.В. Шарловський, О.С. Іванов. В цих роботах досліджені різьбові з'єднання на основі різних теорій і математичних моделей міцності, виконано оцінювання напруженого стану з'єднань при різних умовах навантаження і конструктивних параметрах болта та гайки, при пружних і пружно-пластичних деформаціях для різних характеристик деформативності матеріалів.

Розглянуті основи теорії розподілу навантаження між витками різьби, що дозволяє одержати точні значення розрахункової та допустимої напруги у різьбі, а також визначити міцність з'єднання типу болт-гайка. У відповідності до стержневої моделі в різьбовому з'єднанні навантаження зростає від верхніх витків до нижніх за законом гіперболічного косинуса:

, (1.1)

де F - зовнішня осьова сила; Н - висота гайки; m - коефіцієнт.

Руйнування різьбових з'єднань машин, які працюють при статичному і, особливо, змінному навантаженні, зв'язано із значною концентрацією напруги в місцях спряження опорного торця головки болта із стержнем, переходу стержня від одного діаметра до іншого, збігу різьби, у западинах різьби і особливо першого навантаженного витка, у зоні технологічних дефектів на зовнішній поверхні стержня. Для оцінювання міри впливу концентрації напруги на міцність різьбових деталей пропонується використовувати теоретичний коефіцієнт концентрації напруги

конструктивний напруга різьба

, (1.2)

де і - відповідно максимальна і номінальна напруга в зоні концентрації.

Вивчений характер зміни теоретичного коефіцієнта напруги в небезпечних перерізах і оцінений ступінь його впливу на міцність різьбових з'єднань.

Досліджений вплив конструктивних і технологічних факторів на розподіл навантаження між витками і концентрацію напруги в небезпечних перерізах.

На розподіл навантаженя між витками чинять певну дію параметри резьби: 1) зменшення кроку різьби Р, характерне для дрібних різьб; 2) зменшення кута профілю різьби з 60?до 45? (при ) або збільшення кута до 90?; 3) асиметрія різьби; 4) точність виготовлення різьби.

2. Аналіз і узагальнення методів підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань конструктивними і технологічними способами

Різьбові з'єднання призначені для роботи при високих статичних навантаженнях, які виникають внаслідок затягування і дії зовнішніх робочих сил. Навантажувальна здатність різьбових з'єднань оцінюється за руйнуючим навантаженням або за руйнуючою напругою.

Перехід від різьби до стержня болта виконується у вигляді збігу, радіусної проточки, широкої проточки. Як показують результати статистичних спостережень, а також виконаних багатьма дослідниками стендових випробувань болтів, при статичних навантаженнях руйнування болтів із збігом відбувається по різьбі (по западині між першим та другим навантаженими витками), а болтів із проточкою - по проточці.

Руйнування витків різьби - поширений вид поломок різьбових деталей при статичному перевантаженні. Міцність витків різьби залежить від таких лімітуючих конструктивних параметрів: зовнішнього діаметра і кроку різьби , радіуса западини , висоти гайки (довжини згвинчування ), співвідношення механічних характеристик матеріалу болта і гайки.

Різьбові з'єднання, не адаптовані до дії змінного навантаження, часто виходять із ладу. При цьому амплітуда змінного навантаження , яка приводить до руйнування з'єднань, може бути в 10...20 разів меншою, ніж при статичному руйнуванні. Встановлено, що втомні руйнування болтів відбуваються в основному по різьбовій ділянці стержня болта між першим і другим робочими витками від опорної поверхні гайки.

Втомна міцність різьбових з'єднань при змінному навантаженні залежть головним чином від таких лимітуючих конструктивних параметрів різьбової частини болта: зовнішнього діаметра , радіуса западини , кута профілю і форми різьби, збільшення кроку різьби гайки порівняно із стандартними значеннями.

На міцність різьбових з'єднань при змінному навантаженні суттєво впливає конструкція болта (шпильки): форма переходу від різьби до гладкого стержня, конструкція і розміри головки болта.

Міцність різьбових з'єднань при статичному і змінному режимах роботи залежить в першу чергу від рівномірності розподілу навантаження між витками різьби.

Зниження навантаження на перший робочий виток в 1,7...1,8 рази забезпечує відповідне підвищення границі витривалості.

В цьому розділі вибрані: напрямок досліджень, основні прнципи, способи і конструктивні рішення, які забезпечують підвищення рівномірності розподілу навантаження між витками різьбових з'єднань. Доцільність використання різних конструктивних рішень пропонується оцінювати коефіцієнтом нерівномірності навантаження

, (2.1)

де , , - відповідно максимальне, мінімальне і середнє значення головної напруги по заданому контуру модели різьбового з'єднання.

Основним принципом, який забезпечує підвищення рівномірності розподілу навантаження між витками є цільоспрямована зміна піддатливості окремих конструктивних елементів гайки. Основними способами реалізації цього принципу є: 1). Збільшення піддатливості різьби, тобто підвищення коефіцієнту піддатливості контактного шару . 2). Збільшення радіальної піддатливості нижньої частини гайки або шпильки з метою підвищення піддатливості найбільш навантажених витків.

3. Особливості конструкції, та експериментальні дослідження різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками поляризаційно-оптичними методами

Розроблено 12 нових типів різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками.

В даній роботі оцінювання досконалості нових конструкцій різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками проводилось з допомогою досліджень поляризаційно-оптичними методами (методами фотопружності). Використовувався метод “заморожування” об'ємних моделей різьбових з'єднань з послідуючим вирізуванням тонкої пластинки.

При побудові моделей різьбових з'єднань із оптично прозорих матеріалів додержувались необхідні критерії подібності. Для різьбових з'єднань, які мають широкий діапазон геометричних розмірів і які засновані на одному єдиному принципі роботи, геометричний масштаб подібності прийнятий рівним одиниці. Масштаб напруги зв'язаний із силовими масштабами через геометричний масштаб так: . Масштаб напруги може бути вибраним у широкому інтервалі, раціонально його вибрати із відношення значень границі міцності матеріалів різьбового з'єднання та модели , тобто . Для матеріалів, які використовуються для виготовлення різьбових деталей, =500...1200 МПа. Для епоксидних смол ЕД-5 і ЕД-6, які використовуються для виготовлення моделей різьбових з'єднань, середні значення границі міцності на розтяг =58,8 МПа. Таким чином, інтервальні значення масштабу напруги і силового масштабу дорівнюють 8,5...21,2 , середні значення і дорівнюють 14.

Модель різьбового з'єднання, на якій проводилися експериментальні дослідження поляризаційно-оптичними методами, показана на рис. 3.1. Модель складається із болта М24 (1), гайки нової конструкції (2), шайби (3), та втулки (4).

При досліджені напруженного об'ємного стану моделі різьбвого з'єднання методом “заморожування” різницю ходу променів можна виразити через кількість смуг ; тоді закон Вертгейма запишеться так:

, (3.1)

де - ціна смуги матеріалу, кГ/см на 1 смугу.

Останній вираз для конкретного експерименту можна записати у іншому більш зручному вигляді:

, (3.2)

де - ціна смуги моделі, кГ/см на 1 смугу.

У дисертаційних дослідженнях моделей різьбових з'єднань поляризаційно-оптичним методом використовувався полярископ - поляриметр ПКС-56.

Вказано, що пікова напруга в плоских моделях або зрізах об'ємних моделей звичайно виникає в точках, які лежать на ділянках вільного контура, де має місце одновісний напружений стан. Для таких ділянок елементів різьби значення коефіцієнта концентрації напруги можна одержати із оптичних картин без відшукування роздільних значень компонент напруги .

Поляризаційно-оптичними методами (методами фотопружності) досліджений розподіл навантаження між витками і концентрація напруги у западинах витків гайок нової конструкції різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8. У таблиці 3.1, як приклад, наведені результати досліджень моделі різьбового з'єднання 1, на рис 3.2 показана картина смуг у моделі гайки різьбового з'єднання 1, на рис. 3.3 - розподіл навантаження між витками різьбового з'єднання 1 (1 - напруга на вершинах витків; 2 - напруга у западинах різьби). Для різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 частка навантаження на перший робочий виток різьби зменшується порівняно із стандартним різьбовим з'єднанням відповідно у 2,2; 2,0; 2,3; 2,3; 2,1; 2,1; 2,3 та 1,9 разів і відповідно підвищується втомна міцність болтів у розглянутому поперечному перерізі. Для різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 частка навантаження на один робочий виток відповідно досягає найбільших значень для витків №№ 2 (19,1% від загального навантаження); 2 (20,7%); 1 (16,0%); 1 (16,1%); 1 (17,3%); 1 (17,3%); 1 (15,7%) та 1 (19,2%). На ці витки переміщується небезпечний переріз різьбового з'єднання, які стають лімітуючими. Частка навантаження на один виток для лімитуючих перерізів різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 відповідно у 1,9; 1,8; 2,3; 2,3; 2,1; 2,1; 2,3 та 1,9 разів меньша, ніж частка навантаження на виток в небезпечному перерізі стандартного різьбового з'єднання (36,5%). Тому можна вважати, що втомна міцність різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 у розглянутих перерізах порівняно із стандартними різьбовими з'єднаннями підвищується відповідно у 1,9; 1,8; 2,3; 2,3; 2,1; 2,1; 2,3 та 1,9 разів.

Таблиця 3.1 Результати досліджень моделі різьбового з'єднання 1 поляризаційно-оптичними методами (=51,16 кГ/см2; t = 2,20 мм)

Номер вершини (западини), i	Кут нахилу аналізатора, , град.	Порядок смуги, n	Максимальна головна напруга в зоні концентрації, 1max , кг/см2	Теоретичний коефіцієнт концентрації напруги,	Доля загального навантаження на виток, Fi /F, %
Вершини витків різьби гайки
1 2 3 4 5 6 7	21 23,5 21 20 18 15,5 12,5	0,950 1,100 0,950 0,900 0,750 0,650 0,475	48,60 56,28 48,60 46,04 38,37 33,25 24,30	0,860 0,995 0,860 0,815 0,679 0,588 0,430	16,4 19,1 16,4 15,6 13,1 11,2 8,2
Коефіцієнт рівномірності навантаження KR = 0,757
Западини між витками різьби гайки
0 1 2 3 4 5 6 7	19 23,5 22 20 18,5 15 13,5 10,5	0,825 1,100 1,000 0,900 0,788 0,625 0,538 0,400	42,21 56,28 51,16 46,04 40,31 31,98 27,52 20,46	0,747 0,996 0,905 0,815 0,713 0,566 0,487 0,362	13,4 17,7 16,2 14,6 12,8 10,1 8,7 6,5
Коефіцієнт рівномірності навантаження KR = 0,906

Коефіцієнт рівномірності розподілу навантаження між витками KR різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 нижче значень KR стандартного різьбового з'єднання відповідно у 1,7 (KR =0,75); 2,4 (0,55); 1,6 (0,79); 1,8 (0,73); 1,7 (0,78); 1,7 (0,74); 2,3 (0,55); та 1,9 (0,66) разів.

Теоретичний коефіцієнт концентрації напруги у западині першого робочого витка різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 нижче значень коефіцієнта стандартного різьбового з'єднання у 4,7 (=1,0); 4,5 (1,02); 4,8 (0,95); 4,5 (1,01); 4,3 (1,06); 5 (0,91); 3,8 (1,20) та 4,1 (1,12) разів.

4. Основні теоретичні положення і методика розрахунку міцності різьбових з'єднань гірничих машин з покращеним розподілом навантаження між витками

В дисертації розроблений метод оцінювання піддатливості болтів різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, у якому ураховується зміна піддатливості витків різьби при використанні гайок нових конструкцій і який забезпечує достовірне оцінювання коефіцієнта основного навантаження з'єднання.

При цьому піддатливість болтів в різьбовому з'єднанні з гайками нових конструкцій знаходиться по формулі:

, (4.1)

де lб.i, Fб.i - відповідно довжина та площа поперечного перерізу i-х ділянок болта; P, d - крок і зовнішній діаметр різьби; Еб - модуль пружности болта; Е - еквівалентний модуль пружності, при чому

, (4.2)

де ЕГ - модуль пружності гайки.

Розрахунки показують, що піддатливість болтів (шпильок) в різьбових з'єднаннях з гайками нових конструкцій на 8...12% вище піддатливості стандартних болтів, що забезпечує відповідний приріст втомної міцності різьбових з'єднань.

Досліджені питання вибору зусилля попереднього затягування різьбових з'єднань, яке безпосередньо впливає на міцність та надійність різьбових з'єднань, особливо при їх динамічному навантаженні. Напруга попереднього затягування визначається через номінальну напругу від зовнішнього (робочого) навантаження N:

, (4.3)

де - коефіцієнт, при постійному навантаженні =1,25...2,0 , при змінному навантаженні =2,5...4,0.

Підвищення напруги попереднього затягування приводить до зниження частки робочого навантаження N, яке сприймається болтом, що підвищує надійність роботи різьбових з'єднань.

На основі стандартних методів, а також із урахуванням запропонованого методу оцінки піддатливості болтів, розроблений метод розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками при постійному і змінному навантаженні, який дозволив вибрати конструктивні параметри різьбових деталей, розрахувати діючі в них зусилля і напругу, оцінити запас міцності болтів (шпильок) за пластичною деформацією , за статичною міцністю , за змінною напругою для кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Із розрахунків видно, що використання гайок нових конструкцій забезпечує підвищення міцності та надійності різьбових з'єднань гірничих машин. Так коефіцієнт основного навантаження різьбових з'єднань нових конструкцій, які використовуються у обертачі 1КВ1.12, має значення =0,086, що на 21% нижче значень стандартних різьбових з'єднань. Різьбові з'єднання нової конструкції підйомника 2КВ-А.06 забезпечують коефіцієнт основного навантаження =0,07, що на 14% нижче значень цього коефіцієнта для стандартних різьбових з'єднань. Використання розроблених у дисертації різьбових з'єднань для стяжних болтів перфоратора ПТ48А дозволяє знизити коефіцієнт основного навантаження на 6% з 0,018 до 0,017. Різьбові з'єднання з підвищеною рівномірністю розподілу навантаження між витками забезпечують зниження коефіцієнта основного навантаження у рядному дизелі карьєрного автосамосвалу БелАЗ-548 на 6% з 0,24 до 0,226 порівняно із стандартними різьбовими з'єднаннями.

Відомо, що коефіцієнт основного навантаження визначає ту частину навантаження, яку сприймає болт додатково у затянутому стані. Тому зменшення величини коефіцієнта дозволяє додатково навантажити різьбове з'єднання, підвищити цільність та герметичність стиків гірничих машин шляхом збільшення сил попереднього затягування.

Використання нових різьбових з'єднань з підвищеною рівномірністю розподілу навантаження між витками дозволяє підвищити їх запас міцності за змінним навантаженням на 23% для обертача 1КВ1.12, на 16% для підйомника 2КВ-А.06, на 6% для перфоратора ПТ48А, на 12% для рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Запропонований метод імовірного оцінювання характеристик міцності різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками.

Інтервали довіри точкових оцінок критеріїв міцності з'єднання визначаються із нерівності

, (4.4)

де - математичне чекання критерія ; - квантиль нормального розподілу; - коефіцієнт варіації критерія .

Загальний коефіцієнт варіації знаходиться за формулою:

, (4.5)

де , - відповідно коефіцієнти варіації зовнішньої сили N і сили затягування Q0, а також несучої здатності різьбового з'єднання R.

Знайдені інтервали довіри запасів міцності різьбових з'єднань за пластичною деформацією , за статичною міцністю , за змінною напругою при імовірності довіри Рд.п=0,8; 0,85; 0,90; 0,95; 0,99; 0,999 для кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Вибраний метод оцінювання імовірності безвідмовної роботи болтів Рзаг за критеріями міцності із використанням квантилю нормального розподілу , який знаходиться за слідуючою формулою:

, (4.6)

де - умовний запас міцності за середніми значеннями несучої здатності R та навантаження N.

При цьому загальна імовірність безвідмовної роботи Рзаг. за кожним i-м критерієм міцності , , (с - індекс стержня) знаходиться за формулою:

Рзаг. = Pi (nn ) Pi (nT.c ) Pi (nв ) Pi (nв.с ) Pi (na). (4.7)

Знайдена імовірність безвідмовної роботи різьбових з'єднань за крітеріями міцності , , , та за узагальненим критерієм Рзаг для кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Висновки

У дисертаційній роботі подане нове рішення актуальної наукової задачі підвищення міцності та надійності гірничіх машин при статичному та змінному навантаженні різьбових з'єднань. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити слідуючі висновки.

1. Теоретично досліджений вплив конструктивних та технологічних факторів на розподіл навантаження між витками і на концентрацію напруги в небезпечних перерізах різьбових деталей. Основними із них є: а) висота гайки Н; б) товщина стінок гайки, яка визначається через коефіцієнт ; в) матеріал гайки.

На розподіл навантаження між витками впливають параметри різьби: а) зменьшення кроку Р, характерне для дрібних різьб, приводить до деякого збільшення нерівномірності розподілу навантаження між витками; б) збільшення радіуса западини R з 0,108Р до 0,2Р забезпечує зниження коефіцієнта концентрації напруги на 12%; в) зменшення кута профилю різьби з 60° до 45° або його збільшення до 90° приводить до більш рівномірного розподілу навантаження між витками; г) асиметрія різьби забезпечує зниження навантаження на перший робочий виток на 15...18%; д) точність виготовлення різьби впливає на розподіл навантаження між витками.

2. Виконаний аналіз відомих конструкцій гайок із підвищеною радіальною піддатливістю нижньої частини гайки, у яких забезпечується підвищена надійність найбільш навантажених нижніх витків різьби. В результаті цього вибраний напрям досліджень, основні принципи, способи та конструктивні рішення, які забезпечують підвищення рівномірності розподілу навантаження між витками різьбових з'єднань.

На цій основі розроблено 12 нових конструкцій різьбових з'єднань з підвищеною піддатливістю нижньої частини гайки, в яких забезпечується підвищена піддатливість найбільш навантажених нижніх витків різьби.

3. Поляризаційно-оптичними методами (методами фотопружності) досліджено розподілення навантаження між витками і концентрація напруги у западинах витків моделей 8-и типів гайок нових конструкцій, виконаних із оптично-прозорих матеріалів із додержанням необхідних критеріїв подібності. Геометричний масштаб подібності прийнятий рівним одиниці. При виготовлені моделей різьбових з'єднань із епоксидних смол ЕД-5, ЕД-6 інтервальні значення масштабу напруги і силового масштабу дорівнюють 8,5...21,2 , їх середні значення прийняті рівними 14.

Для різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 частка навантаження на перший робочий виток різьби (%) зменшується порівняно із стандартним різьбовим з'єднанням відповідно у 2,2; 2,0; 2,3; 2,3; 2,1; 2,1; 2,3 та 1,9 разів, відповідно підвищується втомна міцність болтів у розглянутому поперечному перерізі. Коефіцієнт рівномірності розподілу навантаження між витками різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 нижче значень стандартного різьбового з'єднання відповідно у 1,7 (=0,75); 2,4 (0,55); 1,6 (0,79); 1,8 (0,73); 1,7 (0,78); 1,7 (0,74); 2,3 (0,55) та 1,9 (0,65) разів. Теоретичний коефіцієнт концентрації напруги у западині першого робочого витка різьбових з'єднань 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 та 8 нижче значень стандартного різьбового з'єднання відповідно у 4,7 (=1,0); 4,5 (1,02); 4,8 (0,95); 4,5 (1,01); 4,3 (1,06); 5 (0,91); 3,8 (1,20) та 4,1 (1,12) разів.

4. Розроблений метод оцінювання піддатливості болтів різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками, в яких ураховується зміна піддатливості витків різьби при використанні гайок нової конструкції. Розрахунки показують, що піддатливість болтів (шпильок) в різьбових з'єднаннях нових конструкцій на 8...10% вища піддатливості стандартних болтів.

5. На основі стандартних методів та із урахуванням запропонованого методу оцінювання піддатливості болтів розроблений метод розрахунку різьбових з'єднань із покращеним розподілом навантаження між витками при постійному і змінному навантаженні, який дозволив вибрати конструктивні параметри різьбових деталей, розрахувати діючі в них зусилля і напругу, оцінити запас міцности болтів (шпильок) за пластичними деформаціями , за статичною міцністю , за змінною напругою для кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

6. Запропоновані методи оцінювання імовірних характеристик міцності різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками. Знайдені кількісні значення інтервалів довіри запасу міцності болтів (шпильок) за пластичною деформацією , за статичною міцністю , за змінним навантаженням при імовірності довіри Рд.п = 0,8; 0,85; 0,90; 0,95; 0,99 для кріплення обертача 1КВ1.12 комбайна для підняткових виробок 1КВ1, кріплення підйомника 2КВ-А.06 комбайна для підняткових виробок 2КВ-А, стяжних болтів телескопічного перфоратора ПТ48А, рядного дизеля кар'єрного автосамосвалу БелАЗ-548.

Вибраний метод та виконана оцінка імовірності безвідмовної роботи різьбових з'єднань нових конструкцій вищеназваних вузлів гірничих машин за узагальненим критерієм надійності Рзаг.

“Методика розрахунку різьбових з'єднань з покращеним розподілом навантаження між витками при постійному та змінному навантаженні” передана для використання при виконанні проектних робіт ВАТ “КриворіжНДПІрудмаш” та ВАТ Криворізький турбінний завод “КОНСТАР” (м. Кривий Ріг).

Список основних опублікованих праць

1. Эль-Гергави А.Х. Вероятностная оценка характеристик прочности резьбовых соединений с улучшенным распределением нагрузки между витками // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог. - Вып.65. - 1998. -С. 98-103.

2. Рудь Ю.С., Эль-Гергави А.Х. Исследование напряжённого состояния резьбовых деталей на оптически прозрачных моделях // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог. - Вып.65. -1998. - С. 103-107.

3. Рудь Ю.С., Эль-Гергави А.Х. Поляризационно-оптические методы в исследованиях напряжений резьбовых соединений // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог. - Вып.65. -1998. - С. 107-113.

4. Эль-Гергави А.Х. Расчёт податливости болтов резьбовых соединений с улучшенным распределением нагрузки между витками // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог. - Вып.65. - 1998. - С. 94-98.

5. Рудь Ю.С., Эль-Гергави А.Х. Надёжные конструкции резьбовых соединений с улучшенным распределением нагрузки между витками // Труды Международной научно-практической конференции “XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых”. - Днепропетровск: Национальная горная академия Украины. - 1998. -С. 196-202.

Размещено на Allbest.ru