НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Матвіїв Богдан Теодорович

УДК 621.882:539

ГЕОМЕТРИЧНІ ТА СИЛОВІ ПАРАМЕТРИ РІЗЬБОВИХ З’ЄДНАНЬ ІЗ ПІДВИЩЕНИМ САМОГАЛЬМУВАННЯМ

05.02.02 - машинознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Малащенко Володимир Олександрович,
Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Деталі машин”.

Офіційні опоненти : | доктор технічних наук, професор

Гащук Петро Миколайович,

Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Експлуатація та ремонт автомобільної техніки”;

кандидат технічних наук, професор

Смирнов Геннадій Федорович,

Дніпропетровський технічний університет

залізничного транспорту, завідувач кафедри “Прикладна механіка”.

Провідна установа : | Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра “Лазерна технологія, конструювання

машин та матеріалознавство”, Міністерства

освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться 19 червня 2002р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. 226 гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013,

м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “15” травня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливою технічною проблемою є підвищення довговічності машин і механізмів, яка вимагає від науковців та інженерів розробки нових механічних засобів із покращенням надійності, збільшенням терміну служби та істотним спрощенням їх конструкції. До таких пристроїв відносяться різьбові з’єднання, які є широко розповсюдженими в різних галузях машинобудування та часто впливають на надійність машин, тому вимагають подальшого свого удосконалення й розробки нових конструкцій.

Впровадження нових технічних рішень у виробництво ставить низку теоретичних і експериментальних питань, що пов’язані з геометричними та силовими параметрами запропонованих різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням, які мають покращені експлуатаційні параметри, ніж подібні стандартні пристрої. Отже задачі, що направлені на створення удосконалених різьбових з’єднань із комплексним дослідженням основних їхніх характеристик, є актуальними, а їх розв’язання має велике значення для розвитку та покращення основних показників механічних засобів різних галузей машинобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри “Деталі машин” Національного університету “Львівська політехніка” за тематикою “Динаміка та міцність машин циклічної дії”, яка безпосередньо пов’язана з державною науково-технічною програмою “Підвищення надійності й довговічності машин та конструкцій”, а також з Програмою Кабінету Міністрів “Україна - 2010” (проект 4 - “Технологічне та технічне оновлення виробництва”). Результати роботи використовувались та апробовувались для з’єднань деталей закритих профілів і виготовлення спеціальних наконечників шлангів на ВАТ “Львівагромашпроект”, Добротвірській ТЕС і в навчальному процесі кафедри “Деталі машин” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка, дослідження та впровадження у виробництво нових різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням, з розробкою методики розрахунків геометричних, силових і міцнісних характеристик запропонованих елементів.

Для реалізації поставленої мети у роботі розв’язано такі задачі:

- проведено порівняльний аналіз розрахунків з узагальненням існуючих методик з геометричних, силових і міцнісних параметрів, які є основою для проведення досліджень нових різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням;

- розроблено методику розрахунку основних геометричних параметрів запропонованої різьби болта та гайки з виведенням залежностей, що необхідні для інженерного проектування даних механічних засобів;

- проведено теоретичні дослідження розподілення навантаження за витками різьби із підвищеним самогальмуванням з виводом відповідних аналітичних залежностей;

- обґрунтовано силову взаємодію в зоні контакту витків під час загвинчування елементів з’єднання з визначенням закону розподілення осьового та радіального навантаження за витками нової різьби запропонованого профілю;

- проведено розрахунки на міцність витків різьби болта та гайки з виведенням аналітичних залежностей, що описують міцнісні характеристики в різних за висотою перерізах витків та перевірку цих показників експериментально;

-

-

- розроблено та впроваджено у виробництво нове щільно-міцне різьбове з’єднання із самогальмівною різьбою, що виготовлялось на конічному кінці стержня болта та в циліндричному отворі гайки.

Об’єктом досліджень є різьбові з’єднання із підвищеним самогальмуванням.

Предметом досліджень є геометричні, силові та міцнісні характеристики різьбових з’єднань з підвищеним самогальмуванням.

Методи дослідження. Дослідження базуються на застосуванні теорії гвинтової пари, графоаналітичному методі визначення основних геометричних параметрів елементів різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням, аналітичних і експериментальних методах визначення міцнісних характеристик різьб болтів та гайок з урахуванням загальноприйнятих положень прикладної механіки та деталей машин.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в теоретичних і експериментальних дослідженнях нових різьбових з’єднань, що уможливило розширення меж застосування основних положень стосовно теорії гвинтової пари та створення конструкції щільно-міцного з’єднання із підвищеним самогальмуванням, котре захищене патентом на винахід і впроваджене у виробництво.

Вперше установлено аналітичні залежності елементів різьб болтів і гайок різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням. На основі загальноприйнятих положень, що є дійсними для стандартної різьби, вперше визначено закономірність розподілення навантаження за витками нової різьби із підвищеним самогальмуванням під час затягування гайки. Установлено силову взаємодію між витками різьби болта та гайки в радіальному та осьовому напрямках, що значно доповнює існуючі положення елементів теорії гвинтової пари.

За розробленими методиками теоретично та експериментально визначено величини моментів тертя в різьбах і проведено дослідження міцнісних характеристик запропонованих різьбових з’єднань, що стало основою для розробки рекомендацій з практичних їхніх застосувань.

Розроблено, обґрунтовано основні параметри та виготовлено дослідну установку з поданням методики проведення дослідів для стандартних і запропонованих автором зразків. Описано методику нарізування різьби з’єднань із підвищеним самогальмуванням різцями, що запропоновані та виготовлені автором, і мають спеціальний профіль робочої частини з кутом при вершині 1200.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі теоретичних досліджень і експериментів розроблено методику виготовлення різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням, яка апробована на Львівському заводі “ЛОРТА” під час виготовлення дослідних зразків і може бути застосована безпосередньо на практиці в різних галузях машинобудування. Такі різьбові з’єднання можуть бути застосовані в місцях, де експлуатаційні умови вимагають стабільності затяжки різьбових з’єднань, тому, що вони мають момент тертя в різьбі в 3...5 разів більший від подібних параметрів стандартної різьби. Особливо ефективним є застосування таких з’єднань для закріплення деталей закритого профілю, в тому числі елементів з відносно малими товщинами їхніх стінок, таких як корпусні деталі в різних машинах, а також запропоноване щільно-міцне з’єднання для виготовлення наконечників шлангів. Розроблена та впроваджена в навчальний процес нова дослідна установка для виконання лабораторних робіт з дисципліни ”Деталі машин” у Національному університеті “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. У роботах [1,3,4,5,6,7] автору належить розв’язок наступних задач: розрахунок розподілення навантаження за висотою витка різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням [1]; теоретичні та експериментальні дослідження моменту тертя в різьбі під час затягування гайки різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням [3]; виведення формули з визначення дійсного значення зведеного коефіцієнту тертя у різьбовому з’єднанні із підвищеним самогальмуванням [4]; проектування та виготовлення інструменту для нарізання на токарно-гвинторізному верстаті запропонованої різьби [5]; проведення розрахунків на міцність витків різьби болта та гайки з виводом аналітичних залежностей, що описують міцнісні характеристики перерізів витків на всій робочій висоті та перевіркою цих показників експериментально [6,7]. Крім цього, на основі отриманих результатів автором підготовлено до впровадження у виробництво нове щільно-міцне різьбове з’єднання із підвищеним самогальмуванням.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на: 4–му міжнародному симпозіумі українських інженерів–механіків у Львові, 1999; науково-теоретичних семінарах кафедри “Деталі машин” Національного університету “Львівська політехніка", 1997, 1998, 1999, 2000; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку підйомно-транспортної техніки” (Луганськ, 2000); на об’єднаному семінарі кафедр деталей машин, опору матеріалів, теоретичної механіки Національного університету “Львівська політехніка”, 2001.

Публікації. Основні положення та отримані результати наведено у 8-и працях, в тому числі у 6-ти наукових статтях, які опубліковано в фахових виданнях, 1-му патенті України на винахід та тезах міжнародного симпозіуму.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, додатків, загальних висновків, списку 111 використаних джерел, містить 38 рисунків, 9 таблиць. Загальний обсяг -133 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв’язок з науковими програмами, наукове і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію, особистий внесок автора і публікації.

У першому розділі “Аналіз сучасних теорій розрахунку геометричних, силових і міцнісних характеристик різьби та різьбових з’єднань” проведено огляд літературних джерел стосовно геометричних і силових характеристик існуючих різьбових з’єднань та їхніх елементів. Проаналізовано основні вимоги, які ставляться до проектування нових різьбових з’єднань, стосовно міцності їхніх елементів, підвищення сили тертя в різьбі тощо. Подано результати аналізу чинників, які мають вирішальний вплив на дані показники. Порівняльний аналіз відомих методик дослідження стандартної різьби дав змогу встановити, що основні їхні положення та відомі аналітичні залежності стосуються стандартних різьб і в значній мірі є підґрунтям для розв’язування сформульованих автором задач для нових різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням.

У другому розділі “Геометричні та силові параметри різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням” розроблено теоретичні передумови проведення розрахунків запропонованих різьбових з’єднань.

Предметом досліджень даної дисертації є спеціальне самогальмівне різьбове з’єднання (рис. 1), що захищене авторським свідоцтвом № 482577, яке має підвищене самогальмування та складається із стержня 1 і гайки 2. На конічному стержні з кутом конусності 2= 4040/ нарізають різьбу зі сталими по всій довжині внутрішнім і середнім діаметрами. Зовнішній діаметр різьби є змінний, причому він збільшується з наближенням до основної площини. Крок цієї різьби подібний до відповідної метричної різьби, що має наближені розміри на основній площині. Тому основні геометричні розміри різьби болта та гайки даного з’єднання визначаються також у функції стандартного кроку різьби.

В основу створення такого з’єднання покладений крок Р і внутрішній діаметр стандартної метричної різьби з зовнішнім діаметром d 20 мм.

На основі проведених теоретичних досліджень розроблено нове щільно-міцне різьбове з’єднання, на яке отримано патент України № 28591А від 16.10.2000 р., що підтверджує новизну та значимість результатів дисертаційної роботи.

Запропоноване щільно-міцне різьбове з’єднання із підвищеним самогальмуванням (рис. 2) подібно прототипу (див. рис. 1) включає в себе стержень 1 та гайку 2 з різьбовими нарізками. Різьбовий кінець болта має також конічну поверхню з подібним до прототипу кутом конусності, на якій нарізана різьба так, що її внутрішній і середній діаметри по всій довжині нарізки є також сталими.

Вершини профілю різьби болта різьбового з’єднання виконані у формі сегментів 3 з однаковим радіусом дуг R=0,225P. Заокруглення западин гайки з’єднання виконані тим же самим радіусом, що і вершини різьби болта. При цьому, бокові сторони профілю різьби являють собою спряження прямих ліній і дуг.

Центри дуг сегментів стержня знаходяться на лінії, яка є паралельною до твірної конуса зовнішньої поверхні стержня та віддалена від неї на розмір

а = 0,225 Р.

Розроблено та апробовано графоаналітичну методику проведення аналізу основних геометричних параметрів нових типів різьбових з’єднань, що дозволило встановити залежності між основними їх розмірами у функції одинакового зі стандартною різьбою кроку Р, які наведені у таблиці.

Таблиця

Порівняльні характеристики різьбових з’єднань

Назва параметру | Стандартна метрична різьба | Різьба запропонованого різьбового з’єднання

Теоретична висота різьби | 0,866Р | 0,588Р

Робоча висота різьби | 0,541Р | 0,501Р

Робоча висота і-го витка | 0,541Р | 0,501Р(1-і tg)

Кут профілю різьби | 600 | 1200

Форма перерізу витка різьби | трикутник | трикутник, прямокутник, трапеція

Притуплення вершин різьби болта | 0,108Р | 0,074Р

Притуплення вершин різьби гайки | 0,216Р | 0,147Р

Друга частина цього розділу присвячена теоретичним дослідженням навантаження витків різьби із підвищеним самогальмуванням.

Деформація і-го витка в загальному випадку має вигляд

, (1)

де — тиск на боковій поверхні робочих витків; — крок; — модуль пружності матеріалу елементів з’єднання; — коефіцієнт, який залежить від геометричних параметрів різьби, для:

болта

;

гайки

, (2)

тут , — безрозмірні коефіцієнти, що враховують вплив деформацій згину і зсуву на податливість витків; d(z) — зовнішній діаметр, що змінюється залежно від кількості витків z; h(z)— висота витка різьби залежно від z; — коефіцієнти Пуассона відповідно для болта та гайки; — розмір гайки під ключ;

/ =1200 — кут профілю витків різьби.

Для визначення безрозмірних коефіцієнтів ,дійсний профіль витка самогальмівної різьби, що наведено на рис. 3 пунктирними лініями, зведено до форми клина, що суттєво спрощує розв’язання задачі. Тоді вони дорівнюватимуть відповідно для витків різьби болта та гайки

; , (3)

де q — питомий тиск на поверхні контакту витків різьби.

У даному разі необхідно врахувати деформацію згину дu та зсуву дc в перерізах витків контактуючих деталей під час затягування гайки, які зручно записати на основі інтегралу Мора у вигляді:

; (4)

, (5)

де — згинаючий момент, що діє на виток різьби; — момент від одиничної сили; — момент інерції перерізу; —безрозмірний коефіцієнт, який залежить від розподілення дотичних напружень в перерізах клина; — модуль пружності зсуву; F — сила, що діє на виток; F1 — одинична сила; A— площа витка; h —робоча висота витка; с — різниця між теоретичною і робочою висотою.

У даному випадку очевидними є співвідношення:

; ; (6,7)

, . (8,9)

З урахуванням формул 6-9 та після інтегрування виразів 4,5 набувають вигляду

; (10)

. (11)

Для прикладу та апробації отриманих аналітичних залежностей проведено розрахунки шуканих величин для різьбового з’єднання, що мають параметри: ; ; , (вважаємо їх однаковими для болта і гайки):

; ; Е=Е1=Е2. (12)

Тоді після підстановки виразів 12 у формули 3, враховуючи, що Р=2,5 мм, для сталі, отримаємо . Слід зауважити, що для метричної стандартної різьби цей параметр , з чого випливає, що загальна деформація при рівних умовах навантаження витків різьби з підвищеним самогальмуванням є суттєво меншою. Це пояснюється рівномірнішим розподілом осьової зовнішньої сили на робочих витках різьби та суттєво збільшеною їхньою шириною у основі затягнутого самогальмівного різьбового з’єднання.

Підставивши у формули (2) значення *, , Р, d, h і проведено порівняння показників * для різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням з стандартною метричною різьбою (рис. 4).

Отримані результати є достатньо зручними для практичного використання під час розрахунків напружень у перерізах витків різьб болта та гайки.

У третьому розділі “Забезпечення міцності та самостопоріння різьбового з’єднання з підвищеним самогальмуванням” проведено обґрунтування силової взаємодії між витками болта і гайки спеціальної самогальмівної різьби, що дозволяє в певній мірі доповнити основні положення теорії гвинтової пари та уточнити фактичну картину розподілу зусиль під час затягування гайки.

Із умови рівноваги частини гайки обґрунтовано силову взаємодію витків контактуючих елементів, що навантажуються в осьовому та радіальному напрямках (рис. 5). Якщо припустити, що на один виток різьби болта діє осьове навантаження Fa, то внаслідок конусності різьбового кінця болта радіальна складова Fr=Fa/tg. Тому сили Fa і Fr створюють інший, ніж для стандартної різьби, напружений стан матеріалу її витків і самого стержня болта. Дія цих сил викликає появу відповідних реакцій на поверхні витка різьби. Для спрощення задачі припускається, що вертикальні складові реакцій від дії осьового навантаження на відповідних ділянках профілю витків рівні між собою, тобто має місце рівність Fa1 = Fa2 = Fa3 (рис. 5), а їхня сума дорівнює силі Fa. Це є можливим внаслідок наближених за значеннями висот цих ділянок, а також з врахуванням того, що різьба виготовляється з достатньою точністю, і контакт між витками після затягування гайки відбувається по усій висоті та має місце підвищена жорсткість витків цієї спеціальної різьби. Нормальні складові цих сил на відповідних ділянках визначаються методом проектування векторів на відповідні напрями. На середній ділянці профілю нормальна сила Fn2 = Fа2; на ділянці біля вершини різьби маємоFn3 = Fn1 + F/n3 , (13)

де Fn1 — нормальне навантаження від осьової сили Fa, яке дорівнює подібному навантаженню, що виникає в точці 1 (див. рис. 5), тобто

Fn1 = Fa3 / cos 600 = 2Fa3 ; (14)

F/n3 — нормальна складова навантаження від дії радіальної сили Fr

F/n3 = F/r3 / cos 300 = 2 F/r3 / = Fr;

F/r3 = F/r4 = Fr /2 . (15)

На похилій поверхні профілю різьби біля основи витків нормальна складова сила:

Fn1 = Fa1 / cos 600 = 2Fa1; (16)

радіальна складова сила

Fr1 = Fa1tg600. (17)

Ця силова взаємодія уможливлює обґрунтування методики визначення величини моменту тертя в різьбі запропонованих різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням, який у даному разі суттєво збільшується внаслідок підвищення зведеного коефіцієнту тертя між витками гайки та болта . Ця методика базується на відомих положеннях статики, в основі якої є умова рівноваги витка гайки або болта.

Розв’язок системи рівнянь з умови рівноваги дозволив отримати аналітичний вираз, що описує зведений коефіцієнт тертя в різьбі з урахуванням відомих чинників і конусності стержня болта:

(18)

де f // — зведений коефіцієнт тертя в запропонованій різьбі; , і — відповідно кути профілю витків різьби, підйому витків і конусності нарізної частини болта;

f — коефіцієнт тертя ковзання.

Рівняння (18) описує аналітичну залежність зведеного коефіцієнта тертя не тільки від матеріалу гайки та болта, а і від їхніх основних геометричних параметрів та конусності нарізного кінця болта. Із (18) видно, що зі збільшенням кута підйому гвинтової нарізки значення заданого коефіцієнту тертя зростає (рис. 6), що підтверджується також експериментами, які виконано у лабораторних умовах. Крім цього, проведений аналіз впливу f на зведений коефіцієнт тертя уможливив побудову графіків, що наведені на рис. 7, 8. Встановлено, що момент тертя в запропонованої різьби є в 3..5 разів більший, ніж такий же параметр стандартної метричної різьби. Це уможливлює її застосування в різних технічних засобах, особливо в місцях, де контролювання затягування гайки утруднено, чи закріплюються конструктивні елементи з заниженою товщиною.

У четвертому розділі “Експериментальне дослідження самогальмівного різьбового з’єднання” виконано експериментальні дослідження моменту тертя і міцнісні показники різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням.

Через відсутність стандартного інструменту для нарізання запропонованої різьби, автором розроблено і апробовано методику виготовлення інструменту (рис.9). Внаслідок того, що кожна різьба (гайки та болта) нарізувалась за двома проходами, то було виготовлено по два різці для цих деталей.

На рис. 9 а подано принципову форму різця для виготовлення різьби болта, причому для першого проходу, після якого одержують форму гвинтової нарізки відповідного вигляду, що наведено на рис. 10. В цьому випадку основні розміри різця мають такі параметри: (Hmах — теоретична висота різьби на основній площині). Для другого завершального проходу, що здійснювався з допомогою конусної лінійки, застосовувався різець подібної форми, але з такими розмірами: . Застосування конусної лінійки, пояснюється тим, що розроблена різьба є конусною тільки за зовнішнім своїм діаметром, а її середній і внутрішній діаметри залишаються сталими на всій довжині нарізаної частини болта .

На рис. 9 б подано принципову форму різця для виготовлення різьби гайки. Для першого проходу він має наступні розміри: ; для другого проходу, який здійснюється також за допомогою конусної лінійки: .

Для проведення досліду з метою визначення міцнісних показників різьбових з’єднань використано універсальну вимірювану машину ГСМ-50. Досліди проведено для незатягнутих різьбових з’єднань (стандартних і запропонованих), які мають зменшену висоту гайок. Вони виконувались для того, щоб визначити найслабкіше місце у стандартній і запропонованій типах різьб. У спеціально виготовленій гайці для стандартного різьбового з’єднання руйнування відбувалося безпосередньо в різьбі. Для запропонованого різьбового з’єднання руйнування здійснюється знову в самій різьбі в іншому перерізі, але на межі прямокутника та нижньої трапеції, що підтверджує теоретичні розрахунки (рис. 11).

Для проведення дослідів з визначення моменту тертя в різьбі різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням та порівняння його з аналітичним параметром стандартної різьби розроблено та виготовлено просту дослідну установку (рис. 12). Вона складається із зварного корпуса 6, який виготовлено із швелера №16. Корпус має стояки з отворами для закріплення дослідного зразка 1, який на різьбовому кінці має також отвір для закріплення штиря 5, що контактує з ніжкою індикатора 4 для вимірювання кута закручення стержня болта. Затяжка різьбового з’єднання здійснюється за допомогою спеціальної гайки 2, на циліндричній поверхні якої нанесено поділки (0...45)0. Осьове видовження болта вимірюється індикатором 3, що закріплюється спеціальним штативом до корпуса установки. Для виключення похибок внаслідок деформації стояків корпуса дослідний болт розміщується у спеціальній трубці 7, довжина якої дорівнює відстані між внутрішніми площинами стояків. Слід відмітити, що індикатор 3 реєструє видовження болта при загвинчувані гайки на відповідний кут , а індикатор 4 — кутове переміщення штиря 5 внаслідок закручення стержня болта під час повороту гайки на кут .

Момент тертя в стержні болта, викликаний силою тертя в різьбі визначаємо за формулою:

, (19)

де G — модуль зсуву (для сталі, G=8,05 ·104 МПа); — полярний момент інерції перерізу стержня болта за внутрішнім діаметром d1 , мм4; — кут закручення стержня болта, рад; l — довжина стержня болта, мм.

Залежність (19) дозволила побудувати графік значення крутного моменту для стандартного і запропонованого різьбового з’єднання (рис.13).

Значення шуканої величини крутного моменту є в 3...5 разів більше ніж відповідний параметр стандартної метричної різьби, що підтверджує теоретичні дані.

ВИСНОВКИ

1. Проведено порівняльний аналіз методик розрахунків геометричних, силових і міцнісних парметрів різьби і різьбових з’єднань, на основі якого обґрунтовано необхідність їх подальшого вдосконалення, що уможливило вибір об’єкта дослідження, формулювання теми і задач дисертаційної роботи.

2. На основі проведених теоретичних досліджень створено нове щільно-міцне різьбове з’єднання, на яке отримано патент на винахід і впроваджено у виробництво, що підтверджує новизну та практичне значення дисертації.

3. Графоаналітичним методом визначено основні геометричні параметри нових типів самогальмівного та щільно-міцного різьбових з’єднань, що дало змогу вивести зручні для практичного застосування аналітичні залежності між їх основними розмірами, які апробовано під час виготовлення дослідних зразків і проведення випробування на міцність різьб та з’єднань, що мають кут профілю 1200.

4. Проведено теоретичні дослідження навантаження витків різьби з урахуванням особливостей деформації під час затягування гайки з визначенням коефіцієнту податливості гвинтової пари. Встановлено, що цей коефіцієнт у більшій мірі залежить від величини деформації зрізу і згину витків різьби, та має різні межі змін: для болта – 2,5…3,2; для гайки – 10…12. Наведено аналітичні залежності, які описують основні види деформації в запропонованому різьбовому з’єднанні з підвищеним самогальмуванням.

5. Обґрунтовано силову взаємодію між витками болта і гайки спеціальної самогальмівної різьби з визначенням дійсних осьових і радіальних навантажень різних ділянок витків. Теоретично і експериментально встановлено, що вона є рівноміцніша, ніж стандартна метрична, а з’єднання має руйнівне навантаження на 26% більше, ніж стандартне різьбове з’єднання. Це має суттєве практичне значення тому, що дає змогу застосувати гайки зі зменшеною висотою або надійно закріплювати деталі до конструктивних елементів закритого профілю, з відносно незначною товщиною стінок особливо, коли розміщення гайки є утруднене чи неможливе.

6. Використовуючи базову теорію гвинтової пари, вперше виведено аналітичну залежність, що описує момент тертя в спеціальній різьбі з урахуванням конусності різьбового кінця болта. Це дозволило провести кількісний аналіз шуканого параметру, під час якого встановлено, що момент тертя в запропонованій різьбі в 3-5 разів більший, ніж у стандартній метричній різьбі.

7. Запропоновано методику нарізування різьби із підвищеним самогальмуванням на конічному кінці стержня болта та у циліндричному отворі гайки з розробкою, виготовленням і апробацією необхідного інструменту, що уможливило виготовлення дослідних зразків розроблених різьбових з’єднань з кутом профілю різьби 1200.

8. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень з визначення моменту тертя в різьбах і міцнісних характеристик елементів виготовлених зразків. З цією метою було запроектовано і виготовлено експериментальну установку та розроблено методику опрацювання результатів дослідів, які показали, що розбіжність теоретичних і експериментальних даних не перевищує 8-12%.

9. Розроблена установка для порівняльного аналізу величини моменту тертя в різноманітних різьбах і методика проведення дослідів використовується у навчальному процесі на кафедрі “Деталі машин” Національного університету “Львівська політехніка”, а запропоновані елементи щільно-міцного різьбового з’єднання впроваджено на Добротвірській ТЕС і ВАТ “Львівагропроммаш” для скручування труб системи перекачування рідини під тиском та для надійного закріплення кінців шлангів до корпусних деталей обприскувачів без додаткових елементів стопоріння гайок.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях:

1. Малащенко В. О., Матвіїв Б. Т. Навантаження самогальмівного різьового з’єднання. Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів ”. – Львів, 1997. -№323. -С. 91-94.

2. Матвіїв Б.Т. Силова взаємодія між витками різі болта та гайки самогальмівного різьового з’єднання. Вісник Державного університету “Львівська політехніка”: “Динаміка, міцність та проектування машин і приладів ”. – Львів, 1998. -№354. -С. 32-34.

3. Малащенко В.О., Матвіїв Б.Т. Експериментальне визначення моменту тертя в самогальмівному різьовому з’єднанні. // “Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів”. Зб. Праць Асоціації “Автобус”.- Львів, 2000. -№ 3. –С. 84-85.

4. Малащенко В.О., Матвіїв Б.Т. Підвищення техніко-експлуатаційних показників самогальмівного різьбового з’єднання // Вісн. Східноукр. державного ун-ту. – Луганськ, 2000. -№6 (28).- С. 219-222.

5. Малащенко В.О., Матвіїв Б.Т. Про методику виготовлення самогальмівного нарізаного з’єднання // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. –2000. -№33. –С. 19-21.

6. Малащенко В.О., Матвіїв Б.Т. Деформація витків самогальмівної різьби //

Машинознавство, Львів.–2001. -№6. -С. 39-41.

7. Малащенко В. О., Матвіїв Б. Т. Розподілення навантаження за витками самогальмівної різі. Тези доповіді на 4-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові, -Львів. -1999. -С. 39.

8. Пат. 28591А МПК 6F16B 39/30 Різьбове з’єднання / Матвіїв Б. Т. (Україна); -№ 97073672; Заявл. 09.07.1997; Опубл. 16.10.2000. Бюл.№5-11, -3с.

АНОТАЦІЯ

Матвіїв Б.Т. Геометричні і силові параметри різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02. – машинознавство. – Національний університет “Львівська політехніка”. - Львів, 2002.

Робота присвячена питанням визначення функціональних показників різьбових з’єднань із підвищеним самогальмуванням методом обгрунтувань геометричних і силових параметрів, розробки методики розрахунків на міцність та створення нових різьбових з’єднань. Предметом дослідження є різьбове з’єднання, яке має різьбу з кутом при вершині 1200, а її профіль в осьвому перерізі включає в себе трикутник і трапецію біля основи витка. Різьба нарізається на конічному стержні болта та в циліндричному отворі гайки з сталим середнім і змінним зовнішнім діаметром. Графоаналітичним методом визначено основні геометричні параметри елементів різьби. Проведено теоретичні дослідження навантаження витків. Обґрунтовано силову взаємодію між витками болта і гайки. Виведено аналітичні залежності, які описують основні параметри та момент тертя в запропонованій різьбі. Розроблено та апробовано методику нарізування нового різьбового з’єднання із підвищеним самогальмуванням, Розроблено нове різьбове з’єднання, яке запатентовано автором, дослідну установку і проведено експерименти з визначення моменту тертя в різьбі та міцнісних характеристик розроблених різьбових з’єднань. Результати роботи впроваджено на виробництві та в навчальному процесі.

Ключові слова: різьбове з’єднання із підвищеним самогальмуванням, щільно-міцне різьбове з’єднання, болт, гайка, деформація, момент тертя.

SUMMARY

Матviiv B.T. Geometrical and power parameters of the threaded connections wit the increased self-brakinq. - Manuscript.

Dissertation on winning of scientific candidate degree of technical sciences for speciality 05.02.02. – mechanical engineering. - National university “Lvivska polytechnika”.- Lviv, 2002.

The work is devoted to rising questions of threaded connections wit the increased self-braking by the method of a substantiation geometrical and power parameters and development of the technique of reliability accounts and creation. A subject of research is threaded connection, which has a groove with a corner 1200 at top, and its structure in the section includes a triangle, rectangular and trapeze about the basis of a coil. A groove is threading on a conic shank of a bolt and in a cylindrical aperture of a nut with a constant average and replaceable outside diameter. By the graphic-analytical method were determined the basic geometrical parameters of elements in a groove. Theoretical researches of loading of coils were taken, which is described the force interaction between coils of a bolt and nut. The analytical dependences were deduced which describe dependence the basic parameters and moment of friction in the offered groove. Article of research there is a threaded compound, which has a corner attached to top . thread is cutting on conic bolt bar and in cylindrical female screw hole. By graphanalytical method seen out determination of basic . Seen out theoretical coils loading researches. Is proud power interaction between bolt coils and female screw. Shown out to dependence, that describes a friction moment in offered thread. Offered cutting methods thread compound from by raised self-stopping. Developed an experienced plant for determination of friction moment in thread.

Key words: the thread compound from by raised self-stopping, densely strong the thread compound, bolt, female screw, deformation, friction moment.

АННОТАЦИЯ

Матвиив Б.Т. Геометрические и силовые параметры резьбовых соединений с повышенным самоторможением. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – машиноведение. – Национальный университет

“Львивська политэхника”. - Львов, 2002.

Работа посвящена вопросам повышения эксплуатационных характеристик резьбовых соединений путем обоснования геометрических, силовых и прочностных их параметров, разработке и внедрению в производство новых прочносных и плотно-прочносных резьбовых соединений с повышенным самоторможением.

Предметом исследований является резьбовое соединение, профиль резьбы которого в осевом сечении состоит из треугольника в верхней его части, прямоугольника в середине и трапеции в основании, а угол при вершине - 120°. Предложенная резьба нарезается на коническом участке стержня болта с относительно малым углом конусности и в цилиндрическом отверстии гайки с постоянным средним и изменяющимся внешним диаметрами Средний диаметр и диаметр впадин резьбы болта остаются также постоянными по всему нарезанному участку конического стержня.

Выполненные исследования базируются на известных положениях теории винтовой пары, распределения нагрузки по виткам резьбы, уточненного расчета силовых и прочностных характеристик. Решения поставленных задач выполнено аналитическим и экспериментальным путем. Предложенным графоаналитическим методом определены зависимости основных параметров новых резьбовых соединений в функции шага резьбы. Теоретическими исследованиями установлено распределение нагрузки по виткам резьбы соединения с повышенным самоторможением; проанализировано и обосновано силовое взаимодействие в зоне контакта витков во время затяжки соединение; предложено методики расчета новой резьбы на прочность, определения величины момента трения в резьбе с выводами соответствующих аналитических зависимостей. Установлено, что момент трения в резьбе предложенного резьбового соединения в 3…5 раз больше подобного показателя для стандартного соединения, что указывает на существенную эффективность использование предложенной резьбы в местах с затруднительным контролем затяжки гайки или в случаях соединения деталей, которые имеют закрытые профили и являются относительно тонкостенными.

Увеличение момента трения в предложенной резьбе осуществляется за счет использования клинового эффекта в зоне контакта витков резьбы в радиальном и осевом направлениях. Автором впервые предложена формула для определения приведенного коефициента трения в резьбе соединения с повышенным самоторможением.

Для проверки теоретических зависимостей, описывающих момент трения в резьбе и прочностные характеристики ее витков, разработаны экспериментальные установки и методика проведения экспериментов, для реализации которых спроектированы и изготовлены экспериментальные образцы новых соединений с апробацией разработанной методики нарезания резьбы специальным инструментом, который также разработан и изготовлен автором впервые.

В результате проведения экспериментальных исследований полностью подтверждены основные теоретические положения и выводы, касающиеся силовых и прочностных характеристик предложенных резьбовых соединений с повышенным самоторможением. Разбежность между теоретическими и экспериментальными результатами составила до 12 %, что есть приемлемым для практических их использовании.

На основании результатов, полученных теоретическим и экспериментальным путем, создано и запатентовано плотно-прочное резьбовое соединение с повышенным самоторможением, которое внедрено в производство для изготовления наконечников шлангов.

Разработаны и апробированы экспериментальная установка и методика определения величины момента трения в резьбе внедрена в учебный процесс на кафедре деталей машин Национального университета “Львівська політехніка”.

Ключевые слова: резьбовое соединение с повышенным самоторможением, плотно-прочноe резьбовое соединение, болт, гайка, деформация, момент трение.