Теоретическое и экспериментальное исследование точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом
ART 54589
УДК
001
Е.
М. БородинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Бородин
Е.
М.,
Бородина
К.
Н.,
Колганов
Е.
А. Теоретическое и экспериментальное исследование точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1626–1630. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54589.htm.
Аннотация. В данной статье приводится описание теоретической и экспериментальной оценки точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом, а также описание конструкции гайковерта.
Текст статьи
Колганов Евгений Александрович, ассистент кафедры «технология машиностроения»ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет»,ПензГТУ,г. Пензаchamp06@rambler.ru
Бородин Евгений Михайлович, старший преподавателькафедры «теоретическаяи прикладнаямеханика»ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет»,ПензГТУ,г. Пензаborodin_bor@mail.ru
Бородина Ксения Николаевна,магистр 1го курса, факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем, ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, г.Пензаcripsibor2010@mail.ru
Теоретическое и экспериментальное исследованиеточности затяжки резьбовых соединенийпневматическим поршневым гайковертом
Аннотация. В данной статье приводится описание теоретической и экспериментальной оценки точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом, а также описание конструкции гайковертаКлючевые слова:резьбовое соединение, затяжка, гайковерт, крутящий момент.
В последнее время поршневые гайковерты с пневмоприводами все чаще используют для сборки для диапазона средних резьб (М8М16), в том числе и ответственных благодаря более высокому к.п.д. и отсутствию в кинематике сложных планетарных редукторов. Однако их характеристики и технологические возможности еще не достаточно исследованы, в частности не проводились исследования на предмет величины разброса контролируемых параметров для устройств с пневмоприводами. Поэтому, на материальной базе Пензенского государственного технологического университета (г.Пенза) ведутся исследования в том числе ипо созданию и изучению принципиально новых конструкций поршневых гайковертов.При сборке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами возникают погрешности осевых сил затяжки на этапе предварительной затяжки –«пр» и окончательной «о» от следующих факторов: нестабильности угловой скорости вращения выходного вала
и ; нестабильности крутящего момента на выходном валу
и ; кинематической погрешности в храповом механизме
и ; нестабильности момента сопротивления в резьбовом соединении
и ; нестабильности работы регулятора давления и ; неточности настройки регулятора давления
и ; от величины приведенных моментов инерции вращающихся элементов механизмов гайковерта к оси шпинделя
и . Для всех описанных погрешностей найдены зависимости и посчитаны значения.Суммарные погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений от параметров, оказывающих существенное влияние на точность сборки, пневматическими поршневыми гайковертами находятся из выражения:
(1)В результате проведенных расчетов получаем, что суммарная погрешность осевой силы затяжки при комбинированном методе контроля при сборке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами составляет 11%.Для экспериментальных исследований был разработан, создан и апробирован стационарный поршневой пневматический гайковерт [1], имеющий диапазон развиваемого крутящего момента(30250 Нм). Принцип его работы заключается в преобразовании поступательного движения поршня пневмоцилиндра во вращательное движение шпинделя (в сторону затяжки) с помощью храпового механизма.Конструкция пневматического поршневого гайковерта представленана рисунке 1.
Рисунок 1. Конструкция пневматического поршневого гайковертаПоршневой пневматический гайковерт работает следующим образом.На этапе предварительной затяжки к гайковерту с помощью пневмораспределителя подключается маломоментная ветвь, где давление с помощью регулятора давления настроено на предварительный момент затяжки. Воздух из пневморапределителя попадаетв управляющий золотник, откуда направляется в камеру 16 пневмоцилиндра 1, вследствие чего поршень 4 начинает перемещаться справа налево. При этом блок подпружиненных собачек 6 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время, второй блок подпружиненных собачек 7 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. Врезультате усилие передается на рабочую головку и затягиваемую гайку.При достижении крайнего левого положения поршнями 3 и 4, управляющий золотник переключает подачу воздуха в камеру 17 пневмоцилиндра 2, вследствие чего поршень 3 начинает перемещаться слева направо. При этом блок подпружиненных собачек 7 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время блок подпружиненных собачек 6 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. Врезультате усилие передается на рабочую головку 8 и затягиваемую гайку.При достижении крайнего правого положения поршнями 3 и 4, управляющий золотник снова переключает подачу воздуха в полость 16. После чего рабочий цикл повторяется. Затяжка гайки будет производиться до тех пор, пока поршень пневмоцилиндра не остановится, это означает, что момент предварительной затяжки достиг требуемого значения, предварительно настроенного регулятором давления.Далее оператор, работающий с гайковертом, с помощью пневмораспределителя соединяет гайковерт с высокомоментной ветвью. Начинается второй этап затяжки с контролем по углу поворота.
Во время вращения храпового колеса 5 стрелочный указатель, расположенный на валу, также вращается и показывает угол поворота гайки относительно круговой шкалы. При достижении требуемого значения угла поворота резьбовой детали, оператор отключит гайковерт от пневмосети с помощью пневмораспределителя. Затяжка окончена.Разработанный гайковерт, в отличие от аналогичных конструкций, обеспечивает непрерывное вращение выходного вала.Общий видопытного образцагайковерта и его 3Dмодель представлены на рисунке 2. Особенностью конструкции созданного гайковерта является исключение режима холостого хода за счет двух пневмоцилиндров 1 и двух блоков храповых собачек 3 и 4, поочередно вступающих в зацепление с валомхраповиком 2. Кроме того, технологические возможности устройства позволяют проверить практическую реализацию способа контроля по работе [4].
Рисунок 2–Внешний вид и 3Dмодель опытного образца стационарного пневматического поршневого гайковертаНаибольшее распространение при сборке резьбовых соединений получил способ контроля усилия затяжки по моменту [2]. Вследствие своей простоты и производительности, этот способ легко использовать как при ручной, так и при механизированной сборке резьбовых соединений.Настройка поршневого гайковерта на рассчитанный крутящий момент осуществлялась изменением давления в пневмосети с помощью регулятора давления. Эксперименты проводились на резьбовых соединениях, соответствующих представительным резьбовым соединениям [3], рекомендованных для исследований совместно с пневматическими гайковертами.Сущность исследований заключалась в проверке 2х этапного метода контроля затяжки: вначале поршневым гайковертом, предварительно настроенным на крутящий момент завинчиваниянескольких образцов, имитирующих резьбовое соединение. Затем производилосьотвинчивание гаек специально изготовленным динамометрическим ключом высокой точности, с контролем момента отвинчивания.В результате проведенных исследований было установлено, что погрешность момента затяжки (разброс) поршневым гайковертом достигает 15%, что не
противоречит требованиям, предъявляемым к ответственным резьбовых соединениям [2].Однако, данный способ контроля затяжки по моменту имеет ряд недостатков и не всегда обеспечивает требуемую точность затяжки. Так, в работе [4] приводится обоснование более точного (по мнению авторов) комбинированного способа сборки, включающего стадии:1.Предварительная затяжка с контролем качества по моменту.2.Окончательная затяжка с контролем качества по углу поворота.Данный способ обеспечивает большую точность затяжкипоэтому и является более эффективным. Однако, следует указать на некоторые ограничения по области его применения, данный способ контроля пригоден для сборки только «мягких» резьбовых соединений.Для проведения экспериментов по данному способу, к поршневому гайковерту подводилось две линии сжатого воздуха, одна с невысоким давлением, обеспечивающим требуемый предварительный момент затяжки, втораяс высоким давлением, обеспечивающим требуемый угол поворота гайки. Частота вращения шпинделя настраивалась на необходимое значение дросселированием воздуха на входе в силовые пневмоцилиндры. Угол поворота гайки на контролировался визуально по специальной шкале угла на корпусе гайковерта.Усилие затяжки, после окончательного поворота гайки на требуемый угол поворота, контролировалось измерением удлинения болта после затяжки. Для этого торцы всех используемых болтов были предварительно отшлифованы, для уменьшения погрешности измерений. Методика экспериментальных исследований при затяжке комбинированным методом включала в себя следующие этапы:1.Подготовка болтов (шлифование торцев).2.Контроль средних и наружных диаметров резьбы болтов.3.Определение требуемых значений предварительного момента затяжки и окончательного угла поворота.4.Настройка давления в пневмосети исходя изтребуемого значения предварительного момента затяжки по формуле:, (2)где
диаметр поршня пневмоцилиндра,
радиус храпового колеса.5.Наживление гайки на болт, установленный в деталях имитирующих собираемый узел.6.Измерение длины болта.7.Осуществление предварительной и окончательной затяжки.8.Измерение удлинения болта в напряженном состоянии.9.Определения усилия затяжки по измеренному значению удлинения болта по формуле: (3)где
удлинение болта,
модуль упругости материала болта,
площадь сечения болта,
длина болта.
Измерения удлинения проводилось по схеме, представленной на рисунках 3 «а» и «б».
а)
б)Рисунок 3–Схема измерения усилия затяжки по удлинению lболта «а» и внешний вид измерительного узла «б»В результате проведенных опытов было установлено, что погрешности усилия затяжки не превышают 11%.Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили, что в случае поршневых пневматических гайковертов возможно добиться более высокой и достоверной точности контроля момента затяжки.
Ссылкина источники1. Патент РФ № 2444430, МПК B25 B21/00 Поршневой гайковерт/Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Волков В.В., Колганов Е.А., Савин А.Г.–10.03.2012, Б.И.7.2. Ланщиков А.В, Моисеев В.Б. Технология автоматизированной сборки резьбовых соединений : [монография]. –Пенза: Издво Пенз. Гос. Унта, 1999. –260 с.3. ГОСТ 1021083 Гайковерты ручные пневматические.4. Житников Ю.З., Воркуев Д.С. Обоснование способа обеспечения и контроля качества затяжки групповых резьбовых соединений// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. №9. с. 1416.
E. A.Kolganov ,assistant to chair
"technology of mechanical engineering",FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaE.M.Borodin ,senior teacher of chair "theoretical and applied mechanics",FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaK.N. Borodina,master 1St rate, faculty of biomedical and food technologies and systems, Penza State Technological University, PenzaTheoretical and pilot study of accuracy study tightening of threaded connections by the pneumatic piston nut runnerAbstract. This article discusses the description of the experimental evaluation of the accuracy tightening of threaded connections by the pneumatic piston nut runner and also design description nut runner.Keywords: screw joint, tightening, screwdrivers, torque.
Бородин Евгений Михайлович, старший преподавателькафедры «теоретическаяи прикладнаямеханика»ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет»,ПензГТУ,г. Пензаborodin_bor@mail.ru
Бородина Ксения Николаевна,магистр 1го курса, факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем, ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, г.Пензаcripsibor2010@mail.ru
Теоретическое и экспериментальное исследованиеточности затяжки резьбовых соединенийпневматическим поршневым гайковертом
Аннотация. В данной статье приводится описание теоретической и экспериментальной оценки точности затяжки резьбовых соединений пневматическим поршневым гайковертом, а также описание конструкции гайковертаКлючевые слова:резьбовое соединение, затяжка, гайковерт, крутящий момент.
В последнее время поршневые гайковерты с пневмоприводами все чаще используют для сборки для диапазона средних резьб (М8М16), в том числе и ответственных благодаря более высокому к.п.д. и отсутствию в кинематике сложных планетарных редукторов. Однако их характеристики и технологические возможности еще не достаточно исследованы, в частности не проводились исследования на предмет величины разброса контролируемых параметров для устройств с пневмоприводами. Поэтому, на материальной базе Пензенского государственного технологического университета (г.Пенза) ведутся исследования в том числе ипо созданию и изучению принципиально новых конструкций поршневых гайковертов.При сборке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами возникают погрешности осевых сил затяжки на этапе предварительной затяжки –«пр» и окончательной «о» от следующих факторов: нестабильности угловой скорости вращения выходного вала
и ; нестабильности крутящего момента на выходном валу
и ; кинематической погрешности в храповом механизме
и ; нестабильности момента сопротивления в резьбовом соединении
и ; нестабильности работы регулятора давления и ; неточности настройки регулятора давления
и ; от величины приведенных моментов инерции вращающихся элементов механизмов гайковерта к оси шпинделя
и . Для всех описанных погрешностей найдены зависимости и посчитаны значения.Суммарные погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений от параметров, оказывающих существенное влияние на точность сборки, пневматическими поршневыми гайковертами находятся из выражения:
(1)В результате проведенных расчетов получаем, что суммарная погрешность осевой силы затяжки при комбинированном методе контроля при сборке резьбовых соединений пневматическими поршневыми гайковертами составляет 11%.Для экспериментальных исследований был разработан, создан и апробирован стационарный поршневой пневматический гайковерт [1], имеющий диапазон развиваемого крутящего момента(30250 Нм). Принцип его работы заключается в преобразовании поступательного движения поршня пневмоцилиндра во вращательное движение шпинделя (в сторону затяжки) с помощью храпового механизма.Конструкция пневматического поршневого гайковерта представленана рисунке 1.
Рисунок 1. Конструкция пневматического поршневого гайковертаПоршневой пневматический гайковерт работает следующим образом.На этапе предварительной затяжки к гайковерту с помощью пневмораспределителя подключается маломоментная ветвь, где давление с помощью регулятора давления настроено на предварительный момент затяжки. Воздух из пневморапределителя попадаетв управляющий золотник, откуда направляется в камеру 16 пневмоцилиндра 1, вследствие чего поршень 4 начинает перемещаться справа налево. При этом блок подпружиненных собачек 6 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время, второй блок подпружиненных собачек 7 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. Врезультате усилие передается на рабочую головку и затягиваемую гайку.При достижении крайнего левого положения поршнями 3 и 4, управляющий золотник переключает подачу воздуха в камеру 17 пневмоцилиндра 2, вследствие чего поршень 3 начинает перемещаться слева направо. При этом блок подпружиненных собачек 7 входит в зацепление с храповым колесом 5 и поворачивает его против часовой стрелки. В это же время блок подпружиненных собачек 6 свободно проскальзывает по задним поверхностям зубьев храпового колеса 5. Врезультате усилие передается на рабочую головку 8 и затягиваемую гайку.При достижении крайнего правого положения поршнями 3 и 4, управляющий золотник снова переключает подачу воздуха в полость 16. После чего рабочий цикл повторяется. Затяжка гайки будет производиться до тех пор, пока поршень пневмоцилиндра не остановится, это означает, что момент предварительной затяжки достиг требуемого значения, предварительно настроенного регулятором давления.Далее оператор, работающий с гайковертом, с помощью пневмораспределителя соединяет гайковерт с высокомоментной ветвью. Начинается второй этап затяжки с контролем по углу поворота.
Во время вращения храпового колеса 5 стрелочный указатель, расположенный на валу, также вращается и показывает угол поворота гайки относительно круговой шкалы. При достижении требуемого значения угла поворота резьбовой детали, оператор отключит гайковерт от пневмосети с помощью пневмораспределителя. Затяжка окончена.Разработанный гайковерт, в отличие от аналогичных конструкций, обеспечивает непрерывное вращение выходного вала.Общий видопытного образцагайковерта и его 3Dмодель представлены на рисунке 2. Особенностью конструкции созданного гайковерта является исключение режима холостого хода за счет двух пневмоцилиндров 1 и двух блоков храповых собачек 3 и 4, поочередно вступающих в зацепление с валомхраповиком 2. Кроме того, технологические возможности устройства позволяют проверить практическую реализацию способа контроля по работе [4].
Рисунок 2–Внешний вид и 3Dмодель опытного образца стационарного пневматического поршневого гайковертаНаибольшее распространение при сборке резьбовых соединений получил способ контроля усилия затяжки по моменту [2]. Вследствие своей простоты и производительности, этот способ легко использовать как при ручной, так и при механизированной сборке резьбовых соединений.Настройка поршневого гайковерта на рассчитанный крутящий момент осуществлялась изменением давления в пневмосети с помощью регулятора давления. Эксперименты проводились на резьбовых соединениях, соответствующих представительным резьбовым соединениям [3], рекомендованных для исследований совместно с пневматическими гайковертами.Сущность исследований заключалась в проверке 2х этапного метода контроля затяжки: вначале поршневым гайковертом, предварительно настроенным на крутящий момент завинчиваниянескольких образцов, имитирующих резьбовое соединение. Затем производилосьотвинчивание гаек специально изготовленным динамометрическим ключом высокой точности, с контролем момента отвинчивания.В результате проведенных исследований было установлено, что погрешность момента затяжки (разброс) поршневым гайковертом достигает 15%, что не
противоречит требованиям, предъявляемым к ответственным резьбовых соединениям [2].Однако, данный способ контроля затяжки по моменту имеет ряд недостатков и не всегда обеспечивает требуемую точность затяжки. Так, в работе [4] приводится обоснование более точного (по мнению авторов) комбинированного способа сборки, включающего стадии:1.Предварительная затяжка с контролем качества по моменту.2.Окончательная затяжка с контролем качества по углу поворота.Данный способ обеспечивает большую точность затяжкипоэтому и является более эффективным. Однако, следует указать на некоторые ограничения по области его применения, данный способ контроля пригоден для сборки только «мягких» резьбовых соединений.Для проведения экспериментов по данному способу, к поршневому гайковерту подводилось две линии сжатого воздуха, одна с невысоким давлением, обеспечивающим требуемый предварительный момент затяжки, втораяс высоким давлением, обеспечивающим требуемый угол поворота гайки. Частота вращения шпинделя настраивалась на необходимое значение дросселированием воздуха на входе в силовые пневмоцилиндры. Угол поворота гайки на контролировался визуально по специальной шкале угла на корпусе гайковерта.Усилие затяжки, после окончательного поворота гайки на требуемый угол поворота, контролировалось измерением удлинения болта после затяжки. Для этого торцы всех используемых болтов были предварительно отшлифованы, для уменьшения погрешности измерений. Методика экспериментальных исследований при затяжке комбинированным методом включала в себя следующие этапы:1.Подготовка болтов (шлифование торцев).2.Контроль средних и наружных диаметров резьбы болтов.3.Определение требуемых значений предварительного момента затяжки и окончательного угла поворота.4.Настройка давления в пневмосети исходя изтребуемого значения предварительного момента затяжки по формуле:, (2)где
диаметр поршня пневмоцилиндра,
радиус храпового колеса.5.Наживление гайки на болт, установленный в деталях имитирующих собираемый узел.6.Измерение длины болта.7.Осуществление предварительной и окончательной затяжки.8.Измерение удлинения болта в напряженном состоянии.9.Определения усилия затяжки по измеренному значению удлинения болта по формуле: (3)где
удлинение болта,
модуль упругости материала болта,
площадь сечения болта,
длина болта.
Измерения удлинения проводилось по схеме, представленной на рисунках 3 «а» и «б».
а)
б)Рисунок 3–Схема измерения усилия затяжки по удлинению lболта «а» и внешний вид измерительного узла «б»В результате проведенных опытов было установлено, что погрешности усилия затяжки не превышают 11%.Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили, что в случае поршневых пневматических гайковертов возможно добиться более высокой и достоверной точности контроля момента затяжки.
Ссылкина источники1. Патент РФ № 2444430, МПК B25 B21/00 Поршневой гайковерт/Ланщиков А.В., Моисеев В.Б., Волков В.В., Колганов Е.А., Савин А.Г.–10.03.2012, Б.И.7.2. Ланщиков А.В, Моисеев В.Б. Технология автоматизированной сборки резьбовых соединений : [монография]. –Пенза: Издво Пенз. Гос. Унта, 1999. –260 с.3. ГОСТ 1021083 Гайковерты ручные пневматические.4. Житников Ю.З., Воркуев Д.С. Обоснование способа обеспечения и контроля качества затяжки групповых резьбовых соединений// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. №9. с. 1416.
E. A.Kolganov ,assistant to chair
"technology of mechanical engineering",FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaE.M.Borodin ,senior teacher of chair "theoretical and applied mechanics",FGBOU VPO "The Penza state technological university", PENZGTU, PenzaK.N. Borodina,master 1St rate, faculty of biomedical and food technologies and systems, Penza State Technological University, PenzaTheoretical and pilot study of accuracy study tightening of threaded connections by the pneumatic piston nut runnerAbstract. This article discusses the description of the experimental evaluation of the accuracy tightening of threaded connections by the pneumatic piston nut runner and also design description nut runner.Keywords: screw joint, tightening, screwdrivers, torque.
