×
20.05.2013
216.012.41f5

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно - к области конструкционного демпфирования, и может найти применение в машиностроении, судостроении, авиастроении и др. областях при разработке резьбовых соединений, работающих в условиях вибраций, с целью выбора оптимальных параметров демпфирования. Сущность: болт испытуемого резьбового соединения фиксируют от проворачивания, производят затяжку резьбового соединения, нагружая болт полной рабочей осевой нагрузкой, регистрируют деформации в резьбовом соединении, полученные в процессе нагрузки, а после достижения заданного усилия затяжки резьбовое соединение разгружают. Испытанию при одинаковых осевых нагрузках подвергают резьбовые соединения, различающиеся друг от друга по одному или более параметров, например, по габаритным размерам гайки, шероховатости поверхности витков, шагу резьбы, номинальным диаметрам. В процессе нагрузки и разгрузки для каждого резьбового соединения регистрируют радиальную деформацию гайки или относительные перемещения витков и осуществляют запись петли гистерезиса в координатах «осевая нагрузка - радиальная деформация гайки» или «осевая нагрузка - относительные перемещения витков». Выбор резьбового соединения с оптимальными демпфирующими характеристиками осуществляют по площади петли гистерезиса, при этом оптимальным считают резьбовое соединение с наибольшей площадью петли гистерезиса. Технический результат: управление конструкционным демпфированием, минуя сложные расчеты, для повышения надежности резьбовых соединений, работающих в условиях вибраций и переменных осевых нагрузок, экспериментальным способом, путем регистрации демпфирования непосредственно в витках резьбы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к области конструкционного демпфирования, и может найти применение в машиностроении, судостроении, авиастроении и др. областях при разработке резьбовых соединений, работающих в условиях вибраций, с целью выбора оптимальных параметров демпфирования.

В связи с ростом нагрузок, скоростей и ускорений в современных машинах огромное значение имеет проблема демпфирования механических колебаний.

Актуальность нахождения оптимального способа конструкционного демпфирования с помощью резьбовых соединений подтверждается аварией на Саяно-Шушенской ГЭС, которая произошла в результате срыва витков резьбы на шпильках крепления крышки гидроагрегата. По выводам государственной комиссии авария произошла из-за недопустимых вибраций, что привело к самоотвинчиванию гаек (см. Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 г. в филиале ОАО «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС», с.78.)

Существующие способы демпфирования резьбовыми соединениями делятся на конструкционный гистерезис в опорных поверхностях торца гайки и демпфирование витками резьбы. Если демпфирование на торцевых опорных поверхностях исследовано достаточно подробно, то потери энергии в резьбе изучены недостаточно (см. В.И.Максак, Э.Б.Цхай «О рассеянии энергии в резьбовом соединении». - Сб. докладов междунар. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири». - Томск. - 2010 - с.146-148; Д.Н.Решетов, Н.В.Палочкина «Исследование демпфирования колебаний в резьбовом соединении». - Изв. вузов. Машиностроение. - №1. - 1972. - с.19-23).

Известные способы определения конструкциионного демпфирования резьбовых соединений основаны на сложных расчетах (см. Пановко Я.Г., Страхов Г.И. «Конструкционное демпфирование в резьбовых соединениях», Изв. АН Латв. ССР, 1959. - №12. - с.15-26; Хвингия М.В. и др. «Конструкционное демпфирование в узлах вибрационных машин». - Тбилиси. - 1973. - с.32-43).

Основным недостатком вышеперечисленных способов определения оптимальных демпфирующих свойств резьбовых соединений является трудоемкость расчетов, которые требуют учета геометрических параметров и формы гайки, шага и номинального диаметра резьбы, шероховатости поверхности витков, диаметра отверстия под болт и материалов соединения.

Причиной рассеяния энергии, т.е. конструкционного демпфирования, являются силы трения, которые совершают работу при относительном проскальзывании витков резьбы гайки и винта, а также их деформации. Общеизвестно, что потери энергии, рассеиваемой за один цикл, равны работе, совершаемой внешней силой на перемещение точки приложения силы. Она равна площади петли гистерезиса, построенной ветвями нагрузки и разгрузки соединения. Основной проблемой для построения петли гистерезиса резьбового соединения является измерение относительных перемещений витков при осевой нагрузке резьбового соединения, что объясняется труднодоступностью к виткам. Косвенно об относительных перемещениях витков можно судить по радиальной деформации гайки.

Наиболее близко к заявленному изобретению по технической сущности является «Способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений» (см. патент на изобретение RU №2401423 С1, кл. G01L 5/24, опубл. 01.10.2010), выбранный за прототип).

По известному способу контроль усилия затяжки осуществляют при помощи устройства, содержащего устройство для осевого нагружения, образец резьбового соединения, датчик радиальной деформации и прибор для регистрации радиальной деформации.

Согласно прототипу, испытуемые образцы резьбового соединения устанавливают на стенд, болт фиксируют от проворачивания, производят затяжку резьбового соединения, нагружают его полной рабочей осевой нагрузкой и регистрируют при помощи датчика радиальной деформации величину поперечной деформации гайки. Затем разгружают болт от осевой силы, отвинчивают гайку и снимают болт со стенда.

Цель изобретения по прототипу - обеспечение необходимого усилия затяжки резьбового соединения по радиальной деформации гайки, гарантирующего работоспособность устройства, что позволяет повысить надежность затяжки резьбовых соединений, испытывающих вибрационные и переменные нагрузки.

К недостатку способа по прототипу следует отнести невозможность выявления наиболее оптимальной конструкции резьбового соединения для гашения вибраций, которые могут привести к самоотвинчиванию.

Задача изобретения - выбор наиболее оптимальной конструкции резьбового соединения, обеспечивающего наилучшее демпфирование из предложенных вариантов резьбовых соединений, имеющих различные номинальные диаметры, шаг резьбы, поперечные размеры, форму и высоту гайки, шероховатость поверхности витков и диаметр отверстия под болт.

Технический результат изобретения - управление конструкционным демпфированием, минуя сложные расчеты, для повышения надежности резьбовых соединений, работающих в условиях вибраций и переменных осевых нагрузок, экспериментальным способом, путем регистрации демпфирования непосредственно в витках резьбы.

Задача решена следующим образом.

Как и в прототипе, по заявленному способу выбора конструкции резьбового соединения с оптимальными демпфирующими характеристиками, болт испытуемого резьбового соединения фиксируют от проворачивания и производят затяжку резьбового соединения, нагружая болт полной рабочей осевой нагрузкой, и регистрируют деформации в резьбовом соединении, полученные в процессе нагрузки. После достижения заданного усилия затяжки резьбовое соединение разгружают.

В отличие от прототипа испытанию при одинаковых нагрузках подвергают резьбовые соединения, отличающиеся друг от друга по одному или более параметров, например по габаритным размерам гайки, шероховатости поверхности витков, шагу резьбы, номинальным диаметрам. В процессе нагрузки и разгрузки каждого резьбового соединения регистрируют радиальную деформацию гайки или относительные перемещения витков в автоматическом режиме на двухкоординатном самопишущем потенциометре. Осуществляют запись петли гистерезиса в координатах «осевая нагрузка - радиальная деформация гайки» или «осевая нагрузка - относительные перемещения витков», а выбор резьбового соединения осуществляют по площади петли гистерезиса. Оптимальным считают резьбовое соединение с наибольшей площадью петли гистерезиса.

Радиальную деформацию гайки регистрируют с помощью датчика радиальной деформации (см. патент на полезную модель RU №90893), который устанавливают на гайке у опорного торца, где она наибольшая.

Относительные перемещения витков регистрируют, например, дифференциальным емкостным преобразователем по авторскому свидетельству СССР №72090, который устанавливают также у опорного торца гайки, что позволяет регистрировать наибольшие перемещения витков гайки относительно витков болта.

Экспериментально установлено, что при осевом циклическом нагружении резьбового соединения главной причиной рассеяния энергии является относительное проскальзывание контактирующих витков, а связанная с ним радиальная деформация тела гайки имеет наибольшее увеличение поперечных размеров у опорного торца. (Цхай Э.Б. Радиальная деформация гайки - «Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений». - межвуз. научн. сб. - Изд-во Сарат. ун-та, 1983. - С.3-8). Измерение относительных перемещений витков или радиальной деформации гайки позволяет легко записывать петли гистерезиса для оценки гистерезисных потерь в резьбовом соединении.

Полученные петли гистерезиса сравнивают между собой и по их площади производят отбор образцов, которые наиболее эффективно гасят вибрации, учитывая, что петли гистерезиса с наибольшей площадью свидетельствуют о наибольшем рассеянии энергии.

Анализ технических решений по выбору оптимальных резьбовых соединений, с точки зрения демпфирования, показал, что ни один из известных способов не позволяет осуществить эффективное конструкционное демпфирование. Это связано с тем, что такой выбор основан на расчете, а составляющие их формул изменяются в широком диапазоне (например, коэффициенты трения почти на порядок).

Не известны способы, по которым осуществляется запись петель гистерезиса резьбового соединения в координатах «осевая нагрузка - радиальная деформация тела гайки» или «осевая нагрузка - относительные перемещения витков», когда деформация измеряется непосредственно в витках резьбового соединения и используется для записи петли гистерезиса.

Это подтверждает наличие изобретательского уровня у заявляемого способа.

Способ поясняется чертежами. На фиг.1 изображено устройство для осуществления заявляемого способа, которое содержит устройство для осевой нагрузки резьбового соединения 1, образец резьбового соединения 2, датчик радиальной деформации гайки или дифференциальный емкостной преобразователь 3, прибор для регистрации радиальной деформации гайки или относительных перемещений витков 4 и двухкоординатный самопишущий потенциометр 5.

На фиг.2, 3 и 4 изображены графики зависимости радиальной деформации от осевой нагрузки гайки М12×1,5 различных поперечных размеров, т.е. размеров под ключ, равных сответственно 19, 22 и 24 мм. Высота всех гаек одинакова. По оси абсцисс отложена радиальная деформация гайки, по оси ординат - осевая нагрузка. На фиг.5 показано, как устанавливается дифференциальный емкостной преобразователь для регистрации относительных перемещений витков.

Способ промышленно применим. Реализация способа не вызывает затруднений у специалистов данной области. Он может быть многократно реализован с достижением технического результата.

Способ осуществляется следующим образом. Испытуемые образцы резьбового соединения 2 (см. фиг.1) устанавливают в устройство для осевого нагружения 1. На гайку резьбового соединения 2 устанавливают датчик радиальной деформации или дифференциальный емкостной преобразователь 3, непосредственно у опорного торца, где наблюдается наибольшая величина относительных перемещений витков или радиальной деформации. С учетом условий эксплуатации производят осевое нагружение резьбового соединения, соответствующее фиксированной величине, например, от минимальной эксплуатационной нагрузки до заданного усилия затяжки. Производят запись петли гистерезиса. Сигнал от датчика радиальной деформации или дифференциального емкостного преобразователя 3 поступает на прибор для регистрации 4, а затем на двухкоординатный самопишущий потенциометр 5. Применение дифференциального емкостного преобразователя (см. фиг.5) предпочтительно, т.к. он устанавливается непосредственно у витков резьбы и регистрирует относительные перемещения витков, для чего крайние электроды закрепляются в теле гайки, а средний электрод установлен на витке болта. На вторую координату самописца 5 поступает сигнал от датчика усилия затяжки устройства для осевого нагружения 1. Таким образом, на двухкоординатном самопишущем потенциометре 5 в координатах «нагрузка - радиальная деформация» или «нагрузка - относительные перемещения витков» записывают первую ветвь петли гистерезиса. Затем резьбовое соединение разгружают до минимальной эксплуатационной нагрузки с записью второй ветви петли гистерезиса.

Следует указать, что все петли должны быть записаны при одинаковом диапазоне нагрузок. В последующем испытанию подвергают все образцы, представленные для выбора наилучшего варианта. Изучают полученные петли гистерезиса, определяют их площадь и сравнивают их форму. На основании этого производят оптимальный выбор необходимой конструкции резьбового соединения, которое наиболее эффективно гасит вибрации, учитывая, что петли гистерезиса с наибольшей площадью свидетельствуют о наибольшем рассеянии энергии.

По указанному способу были исследованы резьбовые соединения различных типоразмеров. На фиг.2-4 приведены петли гистерезиса гаек M12×1,5. Как видно из приведенных графиков петли отличаются формой и площадью. Например, гайки с размерами «под ключ» 19 и 22 мм практически при одинаковой радиальной деформации гайки существенно отличаются площадью петли. Для гашения колебаний устройства более предпочтительной будет гайка с «размером под ключ» 22 мм, имеющая большую площадь петли гистерезиса.

Результаты экспериментов, отражающих влияние наружного диаметра гайки М36×2, высоты гайки M12×1,5 и «размера под ключ», параметров шероховатости поверхности, а так же поглощаемой энергии приведены в таблице, где:

Днар - наружный приведенный диаметр гайки;

S - размер гайки «под ключ»; h - высота гайки;

Ra и Rz - высотные параметры шероховатости поверхности.

Таблица
Образец гайки Нагрузка, кН Площадь петли, см2 Поглощаемая энергия, кН мкм Деформация
М36×2 21-49 17 41,65 Относительные перемещения витков, мкм
Днар=70 мм
М36×2 21-49 8 28
Днар=60 мм
M12×1,5 20-40 20 18,80 Радиальная деформация гайки, мкм
S=24; h=10 мм
M12×1,5 20-40 23 21,39
S=24; h=15 мм
M12×1,5 28-49 13 28,73
S=22; h=10 мм
Ra=2 мкм
М12×1,5 28-49 20 42,6
S=22; h=10 мм
Rz=40 мкм
M12×1,5 20-40 17 15,98
S=19:h=10 мм

Как видно из таблицы, например, для образцов с резьбой M12×1,5 имеющих различную шероховатость поверхности витков, образец с шероховатостью Rz=40 мкм имеет лучшие демпфирующие характеристики, т.к. площадь его петли больше и составляет 20 см2, больше и поглощаемая энергия - 42,6 кН·мкм, по сравнению с 28,73 кН·мкм у образца Ra=2 мкм.

Для образцов М36×2 оптимальными демпфирующими свойствами обладает образец с наружным диаметром гайки 70 мм, а при равных размерах «под ключ» образцов M12×1,5, равных 24 мм, лучшими демпфирующими характеристиками будет резьбовое соединение с высотой гайки h=15 мм.


СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
СПОСОБ ВЫБОРА РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ОПТИМАЛЬНЫМИ ДЕМПФИРУЮЩИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-5 из 5.
27.12.2014
№216.013.1605

Способ затяжки резьбового соединения

Способ затяжки резьбового соединения может найти применение при сборке крупных ответственных резьбовых соединений в машиностроительной, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Между гайкой и соединяемыми деталями устанавливают тарельчатую пружину, выполненную из сплава на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537061
Дата охранного документа: 27.12.2014
12.01.2017
№217.015.5b42

Способ выбора наилучшего образца гайки для обеспечения прочности резьбового соединения

Способ выбора наилучшего образца гайки для обеспечения прочности резьбового соединения может найти применение при исследовании ответственных резьбовых соединений, например резьбовых соединений, предназначенных для гидроагрегатов ГЭС или для сосудов, работающих под высоким давлением....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589628
Дата охранного документа: 10.07.2016
25.08.2017
№217.015.b529

Способ неразрушающего контроля физического состояния зданий и сооружений

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля физического состояния здания или сооружения посредством измерения амплитуды и частоты их колебаний под воздействием регулируемого вибрационного источника и может быть использовано для определения динамических характеристик и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614189
Дата охранного документа: 23.03.2017
25.08.2017
№217.015.c6a7

Способ изготовления резьбового соединения и снижения нагрузки на его витки у опорного торца гайки

Способ изготовления резьбового соединения и снижения нагрузки на его витки у опорного торца гайки может быть использован при разработке, проектировании и изготовлении ответственных резьбовых для разных отраслей промышленности. До сборки резьбового соединения на рабочей части заготовки болта...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618644
Дата охранного документа: 05.05.2017
29.12.2017
№217.015.f3b8

Плазмотрон

Плазмотрон с эффективным охлаждением может найти применение в машиностроении при любых видах плазменной обработки материалов. Стенки полого корпуса плазмотрона с внутренней стороны изолированы термостойким материалом. Плазмотрон содержит также плазмообразующее сопло, катод с катододержателем и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637548
Дата охранного документа: 05.12.2017
Показаны записи 1-10 из 39.
27.01.2013
№216.012.20bf

Способ диагностики агрегатов машин по параметрам работающего масла

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин. Технический результат достигается определением изменения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473884
Дата охранного документа: 27.01.2013
27.02.2013
№216.012.2b77

Распределительная стрела автобетононасоса

Распределительная стрела автобетононасоса предназначена для подачи бетона к месту его укладки при выполнении строительных работ, выполняемых преимущественно на высоте. Стрела содержит шарнирно сочлененные и связанные между собой посредством гидроцилиндров складывающиеся секции. Корневая секция...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476654
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.03.2013
№216.012.2e98

Способ испытания и определения степени живучести строительных конструкций

Изобретение относится к области строительства. Сущность: резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний конструкции, затем конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию. Полученные данные обрабатывают и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477459
Дата охранного документа: 10.03.2013
20.06.2013
№216.012.4ba9

Способ получения защитно-декоративного покрытия на древесине

Изобретение относится к получению защитно-декоративного покрытия на древесине. Согласно предложенному способу воздействию подвергают непосредственно поверхность древесины. При этом обработку деревянной поверхности проводят потоком низкотемпературной плазмы с удельной тепловой мощностью...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484951
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4d39

Способ диагностики фундамента электропривода насосного агрегата

Способ диагностики фундамента электропривода насосного агрегата относится к области компьютерной вибродиагностики и может быть использован для оценки качества и технического состояния фундамента электроприводов при эксплуатации насосных агрегатов газокомпрессорной станции. Задача способа -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485351
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.07.2013
№216.012.5765

Способ возведения монолитных железобетонных конструкций в зимних условиях

Изобретение может быть использовано в строительном производстве при возведении стен, колонн, плит перекрытия и прочих строительных железобетонных монолитных конструкций в зимних условиях. Способ включает размещение и закрепление на наружной стороне палубы опалубки труб с жидкостным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487981
Дата охранного документа: 20.07.2013
20.02.2014
№216.012.a1fa

Смесь для приготовления конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона

Изобретение относится к строительным материалам, которые могут быть использованы для производства конструкционно-теплоизоляционных ячеистых бетонов неавтоклавного твердения. Смесь для приготовления конструкционно-теплоизоляционного ячеистого бетона, включающая портландцемент, кремнеземистый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002507181
Дата охранного документа: 20.02.2014
27.04.2014
№216.012.bcca

Сырьевая смесь для приготовления пенобетона

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для приготовления пенобетона неавтоклавного твердения, применяемого для мелких стеновых блоков производственных помещений и индивидуальных жилых домов. Сырьевая смесь для приготовления пенобетона содержит,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514069
Дата охранного документа: 27.04.2014
10.05.2014
№216.012.c048

Торфодревесная формовочная смесь для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий

Изобретение относится к строительным материалам, применяемым для теплоизоляции промышленного оборудования и зданий различного назначения. Торфодревесная формовочная смесь для изготовления теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных изделий, содержащая диспергированный в водной среде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514973
Дата охранного документа: 10.05.2014
20.05.2014
№216.012.c6aa

Способ прогнозирования землетрясений в пределах коллизионных зон континентов

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для предсказания возможности возникновения землетрясений в пределах коллизионных зон континентов. Сущность: на основе многолетнего мониторинга определяют среднегодовые содержания в приземной атмосфере следующих поллютантов:...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002516617
Дата охранного документа: 20.05.2014
+ добавить свой РИД