Laboratorny_praktikum

81

4.Определите расчетным путем, используя справочные данные, приведенные в обзоре, и известные зависимости, следующие величины:

а) допускаемое напряжение для материала болта при растяжении [σр]; б) допускаемую осевую силу для данного болта F3 по формуле (14).

Результаты обмера, расчетные данные и данные из ГОСТА сведите в табл. 2.5. Предварительные данные согласовывайте с преподавателем.

5.Соберите установку по схеме 1: надеть на болт сферическую шайбу, вставить болт в отверстие пружины, наденьте втулку с прорезью, наверните гайку и затяните от руки.

Подготовьте табл. 2.6 для проведения эксперимента.

Установите на нуль стрелку индикатора динамометрической пружины и шкалы динамометрического ключа. При этом стрелку шкалы ключа устанавливите на нуль, надев его на гайку и держа одной рукой за рукоятку.

Путем завинчивания гайки динамометрическим ключом произвести нагружения, соединения четырьмя значениями осевой силы: 0,25[F3]; 0,5[F3]; 0,75[F3]; 1.0[F3]. Нагружение производите по индикатору 7 в соответствии с тарировочной графиком, построенным по значениям табл. 2.4.

Для каждого из четырех значений осевой силы определите соответствующий ей момент завинчивания по показаниям шкалы динамометрического ключа.

Примечание. Динамометрический ключ вращать плавно, без перекосов, не превышая допустимого усилия, и держать его только за рукоятку.

Для обеспечения надежности испытания повторите три раза, т.е. снимите три значения показаний приборов, и выводите среднее значение. Обязанности между студентами распределите следующим образом:

а) первый студент вращает динамометрический ключ и следит за деформацией динамометрической пружины по показанию стрелки индикатора 7, в момент, когда стрелка индикатора показывает нужное значение, дает команду «отсчет», не ослабляя усилия на ключе;

б) второй студент следит за показанием на шкале динамометрического ключа. При команде «отсчет» громко считывает показания на шкале ключа;

в) третий студент записывает диктуемые отсчеты в заранее заготовленную таблицу. При отсутствии третьего студента его функции выполняет второй.

Примечание: испытания проводятся поочередно с двумя болтами: со смазкой и без смазки.

Таким образом, испытания на установке, собранной по схеме 1, дают возможность получить зависимость осевой силы болта и момента завинчивания гайки, что целесообразно завершить построением графика F3-Тзав.

6. Для определения момента сил трения в резьбе Тр собрать установку по схеме 2, для чего вместо втулки поставить упорный шариковый подшипник.

Подготовьте табл. 2.7 для проведения эксперимента.

82

7. Завинчивая гайку динамометрическим ключом, нагрузить болт максимально допустимой силой и замерить соответствующий ей момент завинчивания, который равен моменту сил трения в резьбе Тр, т. к. момент сил в подшипнике весьма мал.

Испытания проводятся в двойном варианте: с болтом без смазки и с болтом с нанесенной на резьбу смазкой

Примечания: 1. При заполнении табл. 2.5 в графе «Значения величин» указать обозначение и значение величины, ее размерность, а в графе «Расчетные формулы и расчет» записываются формула и подсчет величины с указанием размерности. 2. Необходимые справочные данные по материалу болта см. в табл. 2.1 … 2.2.

8. Определите приведенный угол трения в резьбе ϕ′ и приведенный коэффициент трения fр′ , используя формулы (8) и (9), а также фактический коэф-

9.Определите по формуле (1) момент сил трения в опорной поверхно-

сти гайки (Тзав берется по осевой силе [F3]) и определить коэффициент трения в опорной поверхности гайки fт.

10.Определите соотношение К = σэкв , используя формулу (12).

σP

Примечание. В расчетах нагрузку переводить в ньютоны, а в промежутках показаний индикатора ее определять интерполированием.

Болт с нанесенной на резьбу смазкой (солидол, графит, паста)

Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Аналитическая зависимость между моментом, приложенным к гайке, и осевой силой болта (с необходимыми схемами).

3.Заполненная табл. 2.6 «Экспериментальное определение момента завинчивания гайки Тзав для создания осевой силы болта (по схеме 1)».

4.Заполненная табл. 2. «Определение момента сил трения в резьбе, коэффициентов трения и соотношения напряжений (по схеме 2)».

5.Таблица 2.5, заполненная измеренными, справочными и расчетными величинами.

6.График Fзав– Tзав зависимости осевой силы болта F3 от момента завинчивания Тзав.

84

Рекомендуемый масштаб: по горизонтальной оси 10 мм соответствует 5 Нм; по вертикальной оси 10 мм соответствует 1 кН.

7.Расчет соотношения эквивалентных и нормальных напряжений.

8.Выводы по работе.

В выводах величины полученных данных сравнить между собой для болтов с сухим трением и наличием смазки, проанализировать изменение коэффициента К, сравнить с данными, полученными по аналитическим зависимостям, с литературными данными и т. д.

Контрольные вопросы

1.Какими параметрами характеризуется крепежная резьба?

2.Какие сопротивления возникают при завинчивании гайки?

3.Какая существует аналитическая зависимость между моментом завинчивания?

4.Какое практическое значение имеет точное определение момента завинчивания?

5.Как вычисляют допускаемые напряжения при расчете болтов?

6.Какие факторы учитываются при выборе коэффициента запаса прочности при определении допускаемого напряжения при расчете болтов?

7.Какая механическая характеристика используется для определения допускаемого напряжения при расчете болтов? Объясните почему.

8.Что называется эквивалентным напряжением? В каких случаях оно используется?

9.Как в данной работе экспериментально определяют момент завинчивания гайки? Объяснение сопроводите схемой.

10.Как в данной работе экспериментально определяется осевая сила болта? Объяснение сопроводите схемой.

11.Как в данной лабораторной установке при завинчивании гайки исключается момент сил трения на торце гайки?

для достижения определенной величины силы затяжки болта?

13. Как в данной работе определяются касательные напряжения круче-

ния?

14.Какова величина полученного вами соотношения эквивалентных нормальных напряжений по сравнению с литературными данными? Если имеются расхождения, объясните почему.

15.В каком случае коэффициент трения на опорной поверхности гайки fТ

будет равен коэффициенту трения f = f ′cos α ? 2

16.Как и где применяется в расчетной практике коэффициент К?

17.Почему крепежные резьбы изготавливаются с треугольным профилем

резьбы?

85

Лабораторная работа 2.2

ИСПЫТАНИЕ БОЛТОВОГО СОЕДИНЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА СДВИГ

Цель работы: определение экспериментальной зависимости сдвигающей силы от силы затяжки болта, уточнение коэффициента трения на поверхности соединяемых деталей.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Болтовое соединение деталей, нагруженных сдвигающей силой (поперечная нагрузка), производится в машиностроении двумя способами.

1. Плотно вставить болт (болты) в отверстие: болт будет работать на срез. Величина затяжки значения не имеет. Недостатком конструкции такого соединения является его нетехнологичность. Требуется высокая точность выполнения отверстия и болта (6, 7 квалитеты точности). После сверления отверстий

требуется операция развертывания. Посадка болта в отверстие H 7 . h7

2. Вставить болт в отверстие с большим зазором (приблизительно до одного миллиметра). Отверстие сверлится без развертывания, болт также изготовлен по свободному номинальному размеру. Основной положительный фактор заключается в технологичности, но требуется контроль силы затяжки болтов при сборке соединения. Внешняя нагрузка сдвига F уравновешивается силами трения на плоскостях стыков соединяемых деталей. Трение образуется от сил затяжки болта (болтов). Болт работает только на растяжение от силы затяжки, так как выборка зазора недопустима – соединение считается нарушенным

[1, 2, 3].

Сила F, при которой детали сдвигаются, является предельной для данной силы затяжки болта F3.

Надежность такого соединения зависит от точного определения силы затяжки болта F3 и точности контроля ее при сборке соединения. На точность определения силы затяжки болта влияет значение коэффициента трения на плоскостях стыков соединяемых деталей ƒ c, который определяется шероховатостью поверхности стыка, наличием смазки, маркой используемых материалов т. д. Применение избыточных величин коэффициента запаса сцепления приводит к неэкономичности и увеличению веса соединения. Экспериментальное изучение дает возможность исследовать изменение силы затяжки F3 (момента завинчивания гайки Тзав) в зависимости от сдвигающей силы F, уточнить значение коэффициента трения ƒ с и целесообразно выбрать коэффициент запаса сцепления Кз.

86

Рис.2.5. Резьбовое соединение с зазором

Расчетные зависимости

Предельная сдвигающая сила F должна равняться силам трения, возникающим на поверхностях стыков

F = Fтр × i,

Обычная сила затяжки измеряется моментом завинчивания Тзав (контролируется динамометрическим ключом), исходя из следующей теоретической зависимости

ент трения на опорной поверхности гайки; D – наружный диаметр опорной поверхности гайки (размер под ключ); d0 – внутренний диаметр опорной поверхности гайки (равен отверстию под болт в шайбе).

87

Подставляя в уравнение (1) значение F3, найденное по зависимости (2), получим

ся незначительно) при различных величинах затяжек.

Согласно уравнению (3) можно по экспериментальным значениям момента завинчивания Тзав и сдвигающей силы уточнить значение коэффициента трения ƒ с на поверхностях стыков соединяемых деталей при условии точных значений коэффициентов трения в резьбе и на опорной поверхности гайки. Точное значение коэффициента трения ƒ с обуславливает определение точной величины сил затяжки болта F3 , что обеспечивает надежность соединения при малых значениях коэффициента запаса К (не более 1,2).

Оборудование и приборы

Ручной винтовой пресс, динамометрический ключ со сменной головкой. Винтовой пресс (рис. 2.6) с двумя цилиндрическими стойками, жестко за-

крепленными с основанием и двумя траверсами ( верхней и нижней). Тяговой силовой деталью является винт с ходовой резьбой и гайкой – ползуном нижней траверсы. Ползун, будучи зафиксированным шпонкой от поворота, перемещается в нижней траверсе вдоль оси отверстия при вращении маховика винта. Ползун через динамометр соединен с основанием, а колодка выполняет роль средней пластины. Расстояние между рисками на колодке и левой пластины соответствует зазору в болтовом соединении.

Динамометрическим ключом, как и в лабораторной работе 2.1, создается и измеряется момент завинчивания с помощью тарированной шкалы на ключе.

Порядок выполнения работы

1. Расчет силы трения при сдвиге.

1.1. Пластину, колодку, болт с шайбой и гайкой выбирают по указанию преподавателя. Обычно для ручного винтового пресса при испытании применяют болты диаметром 12…20 мм (ГОСТ 9150-81). Резьба метрическая. Наружный диаметр d и шаг резьбы р замеряют штангенциркулем и округляют до номинальных по ГОСТ 9150-81. Другие параметры резьбы: внутренний и средний диаметры d1 и d2, угол подъема резьбы Ψ, площадь наименьшего сечения берут по табл. 2.1(ГОСТ 9150-81), лабораторная работа 2.1.

88

Допустимую силу затяжки болта [F3] определяют по формуле

отношения σэкв/σ для метрических резьб здесь будет равным 1,3; [σр] − допустимое напряжение при растяжении, которое вычисляется по формуле

[σр]= σт / S,

где σт − предел текучести, S − коэффициент запаса прочности.

Данные по этим параметрам для некоторых сталей приводятся в табл. 2.1 − 2.3 (лабораторная работа 2.1).

1.2. Определяют по формуле (2) момент завинчивания Тзав, соответствующий допустимому значению силы затяжки [F3].

Усредненные значения коэффициента трения на поверхности стыка можно задать по следующим рекомендациям:

а) чисто обработанные поверхности при наличии смазки ƒ с = 0,15;

90

скачку стрелки индикатора динамометрического кольца (прекращается прирост нагрузки). Наибольшее показание стрелки соответствует силе сдвига F для данной величины затяжки и заносится в табл. 2.10.

Указание. Целесообразнее, чтобы испытание проводили два студента. Один студент нагружает соединение, плавно, медленно и непрерывно вращая маховик пресса, второй фиксирует и снимает показание динамометра и подает команду «стоп».

2.4. Так же, как в пункте 2 и 3 определяется сила сдвига от затяжки болта моментом, равным 0,5 Тзав; 0,75 Тзав; Тзав.

После сдвига колодки относительно пластин производят затяжку следующим значением момента завинчивания – без снятия предыдущей затяжки. При этом необходимо следить, чтобы черта на колодке не выходила за пределы двух черточек на пластине (иначе «выберется» зазор и болт будет подвергаться деформации изгиба).

2.5. По данным испытания наносят точки на график F − Tзав (рис. 2.5) и проводят через них плавную линию. Если какая-либо точка резко отклоняется от других, испытание для нее следует повторить.

3. Уточнение коэффициента трения на поверхности стыка соединяемых деталей.

Формула (3) позволяет по опытным данным момента завинчивания Тзав и соответствующей ему силе сдвига Fc, которая равна силе трения на поверхностях стыка, определить точное значение коэффициента трения ƒ с на поверхно-

стях стыка соединяемых деталей. При этом коэффициенты трения в резьбе f p'

(угол трения φ′ = arctg fp') и на опорной поверхности гайки fт должны быть точ-

ными величинами, выверенными опытным путем. Это достигается на установке лабораторной работы 2.1.

Для болта, используемого в настоящей лабораторной работе, можно взять данные по коэффициенту трения в резьбе f p' и на опорной поверхности гайки fт

от аналогичного болта (одинаковый материал и класс шероховатости трущихся поверхностей) из лабораторной работы 2.1; иначе необходимо провести на установке лабораторной работы 2.1, специальные испытания для болта, применяемого в настоящей работе, по наибольшей силе затяжки F3 (моменту – Тзав) и

выявить коэффициенты трения в резьбе f p' и на опорной поверхности гайки fт,

что, конечно, будет еще точнее.

После определения силы сдвига F от полного момента завинчивания Тзав определяется коэффициент трения ƒ с на поверхности стыка по формуле (3). Сравнить уточненное значение коэффициента трения ƒ с на поверхности стыка деталей с принятым средним показателем и сделать выводы.