Детали машин лабораторный практикум (стр. 2 )

1.4.16 Втулку 5 заменяют специальной втулкой (вкладышем), исключающей работу шарикоподшипника.

Повторяют испытания согласно п. п.4.9, 4.10. Момент завинчивания (момент на ключе) в этом случае равен суммарному моменту сопротивления завинчиванию.

Тзав=Тр+Тт.

Строят график зависимости силы затяжки Fзат от момента завинчивания Тзав.

1.4.17 Определяют момент трения на торце гайки, вычитая из полученных значений момента завинчивания Тзав значения момента на резьбе Тр, полученные при испытании с установкой под гайку упорного шарикоподшипника, Тт=Тзав – Тр.

Примечание. Значения Тзав и Тр берут для одной и той же величины затяжки болта Fзат.

1.4.18 По формуле (2.4) вычисляют значения коэффициента трения fт на торце гайки при четырех значениях сил затяжки Fзат.

1.4.19 По формуле (2.11) вычисляют давление на торце гайки Рт.

Результаты выполненных по п. п.4.16 – 4.19 измерений и расчетов заносят в лабораторный журнал или таблицу 2 отчета.

1.4.20 По полученным данным строят график зависимости коэффициента трения на торце гайки fт от давления Рт.

1.4.21. Проводят испытание затяжки болта при условии смазки резьбы. Цикл работ, измерений, расчетов и графических построений производится в вышеописанной последовательности по п. п.1.4.6, 1.4.7, 1.4.9 – 1.4.20.

Результаты проведенных исследований заносят в лабораторный журнал или таблицу 1,2 отчета, оформляемого по прилагаемой форме.

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1 Почему для крепежных деталей применяются резьбы с треугольным профилем?

2 Какова зависимость между осевой силой на болте и моментом завинчивания?

3 Для чего необходимо определять момент на ключе?

4 Какое влияние оказывает смазка на коэффициент трения в резьбе и на торце гайки?

5 Какова величина среднего значения коэффициента трения в резьбе и на торце гайки? Какова их абсолютная величина?

Лабораторная работа № 2 Испытание болтового соединения, на сдвиг

2.1 Цель работы

Цель работы: а) экспериментальное исследование затянутого болтового соединения (болт поставлен с зазором), нагруженного силами, сдвигающими детали в стыке; б) определение зависимости сдвигающей силы от силы затяжки и соответствующего ей силы момента завинчивания.

2.2 Основные теоретические положения и расчетные зависимости

Условием надежности болтовых соединений, нагруженных сдвигающей силой, является отсутствие сдвига деталей в стыке. Конструкция таких соединений выполняется с помощью болтов, поставленных в отверстия либо без зазора, либо с зазором рисунок 2.1.

В последнем случае для обеспечения неподвижного положения соединяемых деталей болты подвергают предварительной затяжке Fзат. При затяжке в болтах возникают осевые силы, сжимающие соединяемые детали и вызывающие между ними силы трения, препятствующие сдвигу деталей. Болт в таком соединении работает только на растяжение, так как установленный между ним и скрепляемыми деталями (пластинами) зазор не выбирается. Если пластины сдвинутся относительно друг друга и зазор будет “выбран”, то соединение считается нарушенным.

Сила Fr , при которой происходит сдвиг, является предельной величиной силой сопротивления (силы трения в стыках деталей), при данной величине затяжки Fзат

Fr = F тр∙i , (2.1)

где F тр – сила трения на поверхности стыка, Н; i – число плоскостей стыка деталей на рисунке 2.1 i=2.

Учитывая, что сила трения равна нормальной силе, умноженной на коэффициент трения, в окончательном виде выражение сдвигающей силы через силу затяжки болта будет определяться

Зависимостью

Fr = fo∙F зат ∙i, (2.2)

где fo – коэффициент трения на поверхности стыка;

Fзат – сила затяжки болта, Н.

Рисунок 2.1

Момент завинчивания, который нужно приложить к ключу для обеспечения требуемой силы затяжки болта, определяется по известной зависимости [1, 2, 4]

Тзав=Тр+Тт=0,5∙Fзат∙[d2∙tg (ψ+φ1)+d срf т], (2.3)

где Тр – момент сил трения в резьбе, Н∙мм;

Тт – момент сил трения на опорном торце гайки, Н∙мм;

d2 – средний диаметр резьбы, мм;

ψ – угол подъема резьбы (tg ψ=p/π∙d2 , здесь р – шаг резьбы, мм);

φ1 – приведенный угол трения в резьбе (φ1=arctg fпр , здесь fпр – приведенный коэффициент трения в резьбе

fпр= f р / cos α/2,

где f р – действительный коэффициент трения в резьбе;

α=60о – угол профиля метрической резьбы;

dcp – средний диаметр опорной поверхности гайки, мм (dcp=(D1+do)/2, здесь D1 – наружный диаметр опорного торца гайки, равный размеру звена ключа, мм; do – внутренний диаметр опорной поверхности, равный отверстию под болт, мм);

fт – коэффициент трения на торце гайки.

Подставляя в выражение (2.1) значение силы затяжки Fзат , определяемое по зависимости (2.2), получим

. (2.4)

Это уравнение может быть представлено в виде

,

где С=2∙fo∙i /[d2∙tg(ψ+φ1)+dcp∙fт] – постоянная для определенных условий эксперимента величина. Если полагать, что значения

Таблица 2.1 - Значения коэффициента трения трущихся поверхностей стальных и чугунных деталей

Трущиеся поверхности	Коэффициент трения
Чисто обработанные поверхности, при наличии смазки без смазки Грубо обработанные поверхности без смазки	0,15 0,2 0,3

коэффициента трения fт и fo при различных затяжках неизменны, то Fr = f(Тзав) является линейной зависимостью.

Коэффициенты трения в стыке fo , на торце гайки fт и в резьбе зависят от материала и чистоты обработки трущихся поверхностей, наличия и вида смазки (таблица 2.1).

Как следует из уравнения (2.3), коэффициенты трения в резьбе и на торце гайки оказывают существенное влияние на величину момента завинчивания Тзав. Вследствие зависимости этих коэффициентов от состояния трущихся поверхностей теоретическое значение Тзав не всегда отвечает его действительной величине, определяемой экспериментальным путем.

В практической работе знание величины момента завинчивания Тзав часто необходимо, например, для настройки динамометрических ключей.

Для предотвращения возможных остаточных деформаций в стержне болта необходимо ограничить силу затяжки. Допустимая сила затяжки болта определяется исходя из условия прочности стержня болта при одновременном действии растягивающего усилия и закручивающего момента по уравнению

, (2.5)

где d3 – внутренний диаметр болта по дну впадин, мм;

π∙d32/4 – площадь поперечного сечения болта по диаметру впадин, см2 (см. таблицу 4.1); [δр] – допускаемое напряжение на растяжение, МПа ([δр]= δт/S, здесь δт – предел текучести материала болта, для стали Ст.3 * δт=220 МПа); S – 1,5… 2,5 – коэффициент запаса прочности при контролируемой затяжки.

Полученному, согласно (2.5), значению силы затяжки [Fзат] отвечает максимально допустимый момент завинчивания, определяемый по уравнению (2.3).

2.3 Описание лабораторной установки и указания по работе на ней

Для исследования болтового соединения используется испытательная машина ДМ 30М рисунок 3.1 и приспособление ДМ 23М с болтовым соединением рисунок 3.4, установленным на столе машины.

Машина ДМ ЗОМ предназначена для создания и измерения растягивающих и сжимающих нагрузок в соединениях деталей машин.

Машина состоит из массивного литого корпуса (станины 1), на котором установлены стойки 2, скрепленные вверху перекладиной. В корпусе смонтирован механизм подъема-опускания стола, на котором закрепляется испытываемое приспособление. На перекладине смонтирован механизм установочного перемещения, обеспечивающий быстрый подвод устройства и испытываемому приспособлению, и динамометр.

Рисунок 2.2 - Испытательная машина ДМ 30М

Механизм подъема представляет собой червячный редуктор 13, обеспечивающий осевое перемещение грузовому винту 12 в двух направляющих опорах скольжения. Вращение червячной пары осуществляется маховиком 14 от руки.

Механизм установочного перемещения состоит из маховика 8 и винтовой пары: винта 6 и гайки-ползуна 9. При вращении маховика, закрепленного на конце винта, гайка-ползун получает осевое перемещение и может быть установлена на высоте исследуемого соединения.

Установленное в машине самоизмерительное устройство состоит из динамометрического кольца 5 и стрелочного индикатора 4 с ценой деления шкалы – 0,001 мм. Верхней частью захватом 10 динамометрическое кольцо с помощью болта 11 крепится к направляющему ползуну 9. В нижней части кольца имеется отверстие.

Если необходимо получить растяжение производят соединение кольца с испытываемым приспособлением.

При необходимости получения сжимающих усилий к нижней части кольца крепится наконечник 3, торец которого является базой сопряжения с испытываемым приспособлением.

Перед началом испытаний следует обратить внимание на положение стола.

Если испытываемое приспособление подвергается растяжению, стол не должен находиться в нижнем предельном положении. В этом случае стол должен иметь запас хода на податливость растяжения испытуемого приспособления.

При испытании приспособления на сжатие стол не должен находиться в верхнем предельном положении по тем причинам, что и при растяжении.

Положение стола сверяют по кольцевой канавке, расположенной на первой стойке машины.

Направление вращения маховика 14 для подъема или опускания показывает установленная на станине указательная планка.

Нагружение исследуемого соединения производят в следующей последовательности. После установки соединения на стол к нему подводят верхний ползун 9, затем вращением маховика 14, расположенного в передней части станины, приводится в движение стол. Тем самым создается необходимая нагрузка, предельная величина которой не должна превышать 19,6 кН (2000 кгс). Измерение нагрузки производится путем определения величины деформации динамометрического кольца по показаниям укрепленного на нем индикатора.

Тарировка динамометрического кольца при сжимающей нагрузки производится на установке, смонтированной по схеме, рисунок 3.2. Установка состоит из основания 12, к которому с помощью винта 11 прикреплено динамометрическое кольцо 5, шарнирно закрепленной опорной стойки 2, рычага 6. Один конец рычага поджимается уголком 3 к стойке 2, к другому на жесткой подвеске 8 подшивается груз 10. С целью центрирования прилагаемой нагрузки в месте отверстия в кольце 5 установлен шарик 4, являющийся промежуточной опорой рычага 6.

Циферблат используемого для замера деформации кольца индикатора 4, рисунок 3.1, устанавливают на “нуль”. Проверяют исправность и правильность установки индикатора. После сжатия стрелка индикатора должна возвратиться в нулевое положение.

Рисунок 2.3

Нагружение установки производят ступенчато по 5-10 кгс на каждую последующую ступень при фиксации соответствующей деформации кольца стрельчатым индикатором.

При использовании для замера сдвигающей силы тензометрической аппаратуры на динамометрическое кольцо 5 наклеиваются тензодатчики сопротивления 10. Снятие показаний производится с миллиамперметра прибора 7 или с экрана (по записи) циферблата.

Последовательно снимают груз 9 с подвески 8, уменьшая нагрузку на рычаг 6 и разгружая кольцо.

Техническая характеристика установки ДМ ЗОМ

Предельная растягивающая

(сжимающая ) нагрузка - 20 кН

Максимальная высота над столом - 365 мм

Минимальная высота над столом - 225 мм

Диаметр стола - 290 мм

Наибольший ход ползуна - 90 мм

Ход стола - 50 мм

Габариты установки - 570х490х1570 мм

Масса установки - 180 кг

Приспособление ДМ 23М, рисунок 3.4 состоит из основания 1, двух щек 3 и 12, набора пластин 4, болтов 6 с гайками 11 и втулками 7 и 10, ползуна 5 с ввернутыми в него упорами 8.

Таблица 2.2- Тарировочная характеристика динамометрического кольца

Усилие Q, кН	Вид нагружения
Сжатие	Растяжение
Прогиб кольца У, мм
прямой ход	обратный ход	прямой ход	обратный ход
2,5 5 10 15 20	0,082 0,164 0,328 0,494 0,656	0,081 0,165 0,329 0,498 -	0,076 0,151 0,302 0,450 0,600	0,079 0,156 0,309 0,458 -

Рисунок 2.4

В нижней части основания имеется центрирующий бурт, служащий для установки ригелем 13, втулка 7 имеет выступ, который удерживает болт от вращения при завинчивании гайки 11. на пластинах 4 и ползуне 5 имеются риски для контроля перемещения ползуна.

В начальном положении ползун устанавливается так, чтобы его риска совпадала с верхней риской пластины.

Сдвиг ползуна относительно пластин можно наблюдать по падению нагрузки и по сдвигу рисок на ползуне относительно рисок на пластине. Опускание ползуна ниже нижней риски на пластине недопустимо, так как при этом выбирается зазор Δ и болт будет работать на срез.

Сила сдвига в зависимости от усилия затяжки болта определяется по показаниям индикатора динамометрического кольца.

Рисунок 2.5

Приспособление позволяет производить исследование болтового соединения с различными параметрами. В комплекте приспособления имеется несколько пар чугунных и стальных пластин с обработкой Rα = 0,63…2,5, а также набор по диаметру и шагу болтов и гаек.

Установка болтов различных диаметров производится в сменных втулках 7 и 10, наружный диаметр которых выполнен по диаметру отверстия пластин 4, внутренний имеет размеры, отвечающие размеру болта с расчетом наличия зазора между болтом и втулкой.

Затяжка гайки болта исследуемого соединения осуществляется динамометрическим ключом, рисунок 3.5, который состоит из упругого стержня (рычага) 2, соединенного шарниром с рукояткой 1, консольной балки (державки индикатора) 4, скрепляющей их колодки 5, надетой на квадратный выступ колодки сменной головки 6 с зевом, соответствующим завертываемой гайки. На державке 4 закреплен индикатор часового типа 3, ножка которого должна упираться в плоскость рычага 2.

Рисунок 2.6

При закручивании гайки к рукоятке прикладывают силу, изгибающую упругий стержень (как консольную балку). Деформация стержня, фиксируемая индикатором, пропорциональна моменту завинчивания.

Тарировка динамометрического ключа производится на установке в виде стола 9 с жесткой стойкой 8 с квадратным гнездом 7 при закрепленной сменной головке 6 в горизонтальном положении подвешиванием грузов 10 к центру рукоятки 1 рисунок 2.7.

Рисунок 2.7

Циферблат индикатора 3 устанавливают на “нуль”. Горизонтальное положение ключа позволяет исключить влияние собственной массы рычага 2 при тарировке. Движением пальцев руки ножку индикатора плавно перемещают вверх. Возврат стрелки в нулевое положение свидетельствует об исправности индикатора и правильности его установки. Затем к рукоятке 1 рычага 2 подвешивают груз 10, массу которого ступенчато увеличивают на 5 кг, фиксируя при этом деформацию рычага индикатором 3. Снимают груз, разгружая рычаг. Вынимают головку ключа из гнезда. Поворачивают рычаг ключа на 180о и снова закрепляют его в установке. Последовательно нагружая рычаг в его новом положении, фиксируют деформацию рычага при обратном ходе.

Приложение сосредоточенной нагрузки обеспечивается точечным шарниром рукоятки 1. Результаты измерений заносят в таблицу, таблица 3.2.

Рисунок 2.8- Тарировочный график динамометрического ключа

Техническая характеристика приспособления ДМ 23М и рычажного динамометрического ключа

Резьбы болтов испытываемых соединений - М16; М18; М20

Шаг резьбы - 0,75; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 мм

Наибольшая сила затяжки болта - 1∙104 Н

Наибольшая сдвигающая сила - 1,2∙104 Н

Наибольший допустимый момент

на динамометрическом ключе - 12∙104 Н∙мм

Наибольшее допустимое усиление

на рукоятке ключа - 200 Н

Рабочая длина ключа - 600 мм

Габариты приспособления - 150х130х264 мм

Масса приспособления - 10 кг

Габариты динамометрического ключа - 65х72х667 мм

Масса динамометрического ключа - 2 кг.

Таблица 2.3 - Тарировочная характеристика динамометрического ключа

Усилие Q , Н	Прогиб рычага У, мм	Плечо рычага L, мм	Момент завинчивания Тзав, Н∙мм
прямой ход	обратный ход
50 100 150 200	0,076 0,156 0,246 0,338	0,090 0,162 0,250 -	600	3∙104 6∙104 9∙104 12∙104