МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ "ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ" для студентов дневной и заочной формы обучения
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
К выполнению лабораторной работы № 1 студент должен быть подготовлен и знать типы и классификацию разъемных соединений.
2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Основной целью лабораторной работы является изучение конструкций и основных параметров разъемных соединений и экспериментальное определение величины силы, вызывающий относительный сдвиг скрепляемых деталей в зависимости от усилий, сжимающего (силы затяжки болтов) эти детали и коэффициента трения.
В процессе выполнения лабораторной работы студент, помимо изучения разъемных соединений, углубляет знания в проведении исследований и обработке экспериментальных данных.
3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Группа студентов, явившихся на лабораторную работу, разбивается на 3 бригады. Первая и вторая бригады приступают к изучению основных разъемных соединений, а третья - к испытанию разъемного соединения, работающего на сдвиг. Через каждые 20-30 мин. бригады меняются местами с тем, чтобы до конца занятий каждый студент подгруппы отработал все три задания.
Результаты работы оформляются в виде отчета по лабораторной работе.
4. ИЗУЧЕНИЕ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ДЕТАЛЕЙ
Изучение конструкции разъемных соединений проводится по плакатам и натурным образцам. В процессе работы студент изучает резьбовые, клеммовые, шпоночные и шлицевые соединения и их основные параметры.
По мере изучения конструкций делаются эскизы основных профилей с указанием основных параметров.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
РЕЗЬБОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.
В зависимости от поверхности, на которой расположена резьба, различают резьбы цилиндрические, конические, наружные и внутренние (рис. 1) пробил и резьб в сечении плоскостью, проходящей через её ось бывают: треугольные (I), упорные (2), трапециидальные (3), прямоугольные (4), круглые (5).
Рис. 1.
По направлению винтовой линии различают правую и левую резьбу.
По числу заходов различают однозаходовые и многозаходовые. С двухзаходные, трехзаходные) резьбы.
По назначению резьбы разделяют на крепежные и ходовые.
Для крепежных деталей применяют резьбы треугольного профиля. которые разделены на две основные группы: метрические (угол профиля α = 60°) и дюймовые (α = 55°).
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗЬБЫ
Основные параметры резьбового соединения представлены на рис.2/
Рис.2.
Дюймовой резьба называется потому, что наружный диаметр измеряется в дюймах (I" = 25,4 мм). Шаг резьбы задается числом ниток винтовой линии на один дюйм (I") длины нарезанного стержня.
У нас в стране дюймовые резьбы (цилиндрические и конические) применяются для нарезки труб (которые называются трубными), а также при изготовлении запасных частей к существующему оборудованию. При проектировании новых машин дюймовые резьбы не применяют, т. к. у нас принята метрическая резьба на которую разработаны стандарты»
Упорную резьбу применяют в грузовых винтах при одностороннем направлении усилия.
Трапециидальную резьбу применяют на винтах которые должны передавать усилие и движение (ходовые винты), а не скреплять детали.
Круглая резьба мало распространена в машинах и встречается главным образом в арматуре.
Если рассматривать различные профили резьб с точки зрения их прочности, го следует иметь ввиду, что при одном и том же внутреннем диаметре (d1) и шаге резьбы (S), наиболее прочной будет резьба с треугольным профилем. Менее прочной будет резьба упорная; ещё менее прочной будет трапецеидальная резьба; относительно самой слабой должна быть прямоугольная; круглая резьба обладает повышенной динамической прочностью, благодаря наличию плавных закруглений»
Обычные резьбовые соединения чаще всего состоят из болта (винта) и гайки. Разновидностью болтов являются шпильки (стержни с резьбой на обоих концах).
Стопорящие устройства предотвращают самоотвинчивание резьбовых соединений, воспринимающих переменные и ударные нагрузки или подверженных вибрации. Вибрации понижают трение и нарушают условие самоторможения в резьбе.
Существует очень много способов стопорения или предохранения от самоотвинчивания.
Описание этих способов приводится в справочниках и специальной литературе.
КЛЕММОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.
При соединении деталей на валах и осях с помощью клемм используют силы трения, которые возникают от затяжки болтов и позволяют нагружать соединение моментом и осевой силой (рис.3).
Рис.1 3.
ШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.
Все виды шпонок можно разделить на сегментные (1), призматические (2), клиновые (3). (Рис.4).
Первые два вида шпонок образуют ненапряженные, а третий тип - напряженные соединения.
Рис. 4.
Сегментные шпоночные соединения (I) передают относительно небольшие крутящие моменты, а сравнительно глубокие пазы под шпонки значительно ослабляют сечение вала, что относится к недостаткам этих соединений.
Сегментные шпонки по принципу работы подобны призматическим шпонкам, но глубокая посадка предохраняет их от перекоса (выворачивания) под нагрузкой и обеспечивает устойчивое положение.
Соединения призматическими шпонками (2) требуют изготовления вала и отверстия в ступице с большой точностью. Момент передаётся с вала на ступицу боковыми узкими гранями шпонки, параллельность которых позволяет осуществлять подвижные (в осевом направлении) соединения.
Соединения клиновыми шпонками (3) характеризуются:
- свободной посадкой ступицы на вал;
- расположением шпонки в пазе с зазорами по боковым граням;
- передачей момента от вала к ступице за счет сил трения обусловленных запрессовкой шпонки.
Клиновая форма шпонки вызывает смещение и перекос детали на валу, что послужило причиной резкого сокращения применения их.
Основные элементы (сечения и пазы) шпоночных соединений стандартизированы и зависят от диаметра вала.
ЗУБЧАТЫЕ (ШЛИЦЕВЫЕ) СОЕДИНЕНИЯ.
Шлицевые соединения представляют собой много шпоночное соединение в котором шпонки выполнены заодно с валом. Все размера шлицевых соединений стандартизированы.
По форме профиля шлицев различают три типа соединений (рис.5): прямобочные (I), треугольные (2), эвольвентные (3).
Рис. 5.
Наибольшее распространение получили соединения с прямобочной и эвольвентной нормой шлицев.
Шлицевые соединения могут быть подвижными и неподвижными, ГОСТом предусмотрено три серии прямобочных шлицевых соединений:
- легкая серия для подвижных легко нагруженных соединений;
- средняя серия, имеющая большее число шлицев, для подвижных средне нагруженных соединений;
- тяжелая серия служит для подвижных соединений и передачи больших крутящих моментов.
Соединения с треугольными зубьями (шлицами) не стандартизованы, их применяют главным образом для неподвижных конструкций и передачи малых крутящих моментов.
Размеры зубцов, аналогично шпонкам, выбирают по диаметру вала.
В современной технической литературе вместо "шлицев" принято название "зубья" с целью унификации терминологии общей с зубчатыми колесами.
ИСПЫТАНИЕ РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СДВИГ.
Опытная установка (рис. 6) состоит из вертикально поставленной рамы 1, к верхней поперечине которой подвешен с помощью натяжного винта 2 и гайки с маховиком 3, динамометр 4 с тензометрическим датчиком "Д".
Сдвигаемый брусок 5 испытуемого соединения шарнирно соединен с динамометром - 4.
Боковые полосы б своими концевыми отверстиями соединяются с рамой I. Обе полосы б стянуты с центральным бруском 5 болтом 7, насквозь пропущенным через эти детали.
Усилие, с которым затягивается гайка 8 болтового соединения измеряется индикатором, установленном на тарировочном ключе.
Рис. 6. Схема установки: Испытание разъемного соединения работающего на сдвиг.
В процессе опыта для сдвига бруска 5 относительно полос 6 перемещают натяжной винт 2 вверх вращением гайки-маховика 3. Усилие сдвига контролируют тензометрическим датчиком "Д". На динамометре 4 с двух сторон наклеено по одному активному и компенсационному тензометрическому датчику "Д", которые включены в смежные плечи электрического моста.
Сопротивление каждого датчика по - 100 Ом. При нагружении активные датчики растягиваются и изменяется их сопротивление. Каждый тензодатчик типа ПКБ представляет собой петлевую решетку из константановой проволоки диаметром 25 мкм, вклеенную между двумя полосками конденсатной бумаги, В качестве вторичного прибора для изменена показаний датчиков используется измеритель деформации ИД-62М.
Компенсационные датчики предназначены для компенсации ошибки при колебаниях температуры в помещениях. Прибор ИД-62М представляет собой тензометрический мост, работающий в равновесном режиме. Балансировка моста производится вручную, питание осуществляется от батарей типа' КПСЛ.
Показания измеряются в условных единицах. Разница между рабочим показанием Sр датчика (в момент нагружения) и нулевым показанием So (до нагружения) называется измеренным сигналом
Умножив сигнал на тарировочный коэффициент К, можно узнать величину нагружающего усилия в Н, т. о.:
Q = (Sp – S0) · K = S · K (1)
6. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1. Исходя из условия прочности болта, подсчитать допускаемую максимальную силу затяжки:
(2)
где: F - площадь ослабленного резьбой сечения болта (табл.1);
σT - 220 · 106 Па - предел текучести материала болта;
β = 1,3 - коэффициент, учитывающий дополнительные напряжения от скручивания болта.
6.2. Задаться тремя значениями усилия затяжки болта:
1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.
Определить крутящие моменты Мкр, необходимые для затяжки болтового соединения с заданными усилиями.
Для упрощения расчета допускается определять значение Мкр не по формуле СЗ), приведенной ниже, а используя данные табл.1.
(3)
где: N - заданная сила, Н
dср - средний диаметр резьбы, м.
α - угол подъема средней винтовой линия, град,
f - коэффициент трения горца гайки об опорную поверхность
φ - приведенный коэффициент трения в резьбе, град.
D - наружный диаметр опорной поверхности гайки, м.
dо - диаметр отверстия под болт, м.
Ъ табл. 1 приведены рассчитанные по формуле (3) значения М в зависимости от принятой величины осевого усилия, приложенного к болтам. Данные приведены для болтов с метрической резьбой М 12, M14, M 16.
Таблица 1.
Болт |
dср·10-2, м |
α, град. |
φ, град. |
f |
D·10-2, м |
d·10-2, м |
F·10-4, м2 |
Величина Мкр, Нм |
М 12 |
1,105 |
11º20 |
2º50 |
0,1 |
2,4 |
1,25 |
0,803 |
0,00234 N |
М 14 |
1,295 |
11º20 |
2º50 |
0,1 |
2,4 |
1,45 |
1,11 |
0,00262 N |
М 16 |
1,495 |
11º20 |
2º50 |
0,1 |
2,4 |
1,65 |
1,54 |
0,0058 N |
6.3. Определить показания "С" индикатора тарировочного ключа, соответствующие трем значениям крутящего момента Мкр, при
1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.
где: МКР - крутящий момент в нм.
Δ = 13,7 Нм/мм - цена деления индикатора тарировочного ключа.
6.4. Перед сдвигом бруска " 5" при ослабленном натяжном винте 2 снять нулевой отсчет "So " по прибору ИД-62М.
6.5. Сдвиг бруска 5 натяжным винтом 2 и измерение сдвигающего усилия "5 " произвести трижды для каждого из значений:
1) Nmax; 2) 0,75 Nmax; 3) 0,5 Nmax.
Затягивая гайку маховичком 3 натяжного устройства до появления относительного перемещения соединяемых деталей, что может быть обнаружено по резкому снижению роста показаний "Sр" на приборе ИД-62М. До этого момента показания "Sр " все время растут.
Величину сдвигаемой силы Q определить по максимальному значению сигнала:
Q = (Sp – S0) · K,
причем К = 12,5 Н/ед. шкалы.
6.6. Подсчитать экспериментальные значения коэффициента трения, пользуясь выражением:
где: Q - сдвигающая сила, Н;
i - число стыков между бруском и полосами;
z - число болтов, соединяющих детали;
N - усилие затяжки каждого болта, Н.
6.7. Результаты испытаний и подсчетов занести в протокол и построить график зависимости сдвигающей силы от силы затяжки болтов.
ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИЯ
Число стыков i = 2.
Материал скрепляемых деталей – сталь.
Количество болтов z = 1.
Диаметр болтов d -
Площадь ослабленного сечения болта, м2.
Материал болта σT = 220 · 106 Па
Максимальное допустимое усилие затяжки Nmax = (Н).
Измерительные приборы: тензометрическое звено с тензодатчиками, измеритель деформации МД-62М, тарировочный ключ.
СХЕМА ОТЧЕТА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I
Изучение конструкций резьбовых соединений и испытание болтового соединения, работающего на сдвиг.
Студент__________________________
Группа __________________________
1. Краткая классификация резьбовых соединений и основные параметры их, с изображением схем.
2. Схема установки (для испытания болтового соединения на сдвиг)
3. Схема тензометрического звена и принцип его действия*
4. Схема тарировочного ключа.
5. Характеристика соединения.
6. Результаты опытов, замеряемые и получаемые величины.
№ |
Усилие затяжки болта N, Н |
Сдвигающая сила |
Нулевой отсчет |
|||
1-й замер |
2-й замер |
3-й замер |
средний замер |
|||
Sp |
Sp2 |
Sp3 |
Spср |
S0 |
||
1 |
||||||
2 |
||||||
3 |
7. График зависимости Q от N в Н.
8. Выводы:
Дата: «___» ______________ 200 __ г.
Выполнил студент _____________________________
Принял преподаватель __________________________
Вопросы для самопроверки
1. Какие стандартные резьбы применяются в строительных машинах?
2. Каковы условия обеспечения самоторможения в резьбе и какое значение это имеет в крепежных резьбах?
3. Чем отличается методика расчета болтов поставленных с зазором и без зазора (в стягиваемые детали) и подверженных действию поперечной нагрузки?
4. Какие средства применяют против самоотвинчивания в резьбовых соединениях?
5. Какие шпонки применяют для напряженных и ненапряженных шпоночных соединений?
6. Какие грани шпонок являются рабочими у напряженных шпоночных соединений.
7. Изложите основные положения методики расчета соединений с призматической шпонкой.
8. Перечислите конструкции и преимущества шлицевых соединений сравнительно со шпоночными.
9. 3 основе работы тензодатчиков лежит явление тензоэффекта, в чём оно заключается?
10. Какой, параметр материала тензометрического звена определяет допустимые напряжения в нём?