Optymalizacja nakrętki kinematycznego połączenia śrubowego ze względu na równomierność rozkładu nacisków na długości gwintu

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1989

Seria: MECHANIKA z. 92 Nr kol. 1027

XIII MIĘDZYNARODOWE KOLOKWIUM

"MODELE 'w PROJEKTOWANIU I KONSTRUOWANIU MASZYN"

13th INTERNATIONAL CONFERENCE ON

"MODELS IN DESIGNING AND CONSTRUCTIONS OF MACHINES"

25-28.04.1989 ZAKOPANE

J ó z e f K A P Ł A N E K Gabriel W R Ó B E L

Instytut. M e c h a n i k i 1 P o d s t a w K o n s t r u k c j i M a s z y n P ol itechnika Ś l ą s k a

O P T Y M A L I Z A C J A N A K R Ę T K I K I N E M A T Y C Z N E G O P O Ł Ą C Z E N I A Ś R U B O W E G O Z E W Z G L Ę D U N A R Ó W N O M I E R N O Ś Ć R O Z K Ł A D U N A C I S K Ó W N A D Ł U G O Ś C I G W I N T U

S t r e s z c z e n i e . W p r a c y r o z w i ą z a n o p r o b l e m optymalizacji z a r y s u z e w n ę t r z n e g o n a k r ę t k i p o ł ą c z e n i a ś r u b o w e g o z e w z g l ę d u n a r ó w n o m i e r n o ś ć r o z k ł a d u n a c i s k ó w n a z w o j a c h gwintu. P r z y j ę t o d y s k r e t n y m o d e l p o ł ą c z e n i a s t o s u j ą c w analizie m e t o d ę e l e m e n t ó w s k o ń c z o n y c h .

1 .W s t ę p

C h a r a k t e r y s t y c z n y m z e s p o ł e m u k ł a d u p r z e n i e s i e n i a n a p ę d u w a l c ó w d o c i s k o w y c h z w i j a r e k r u r j e s t m e c h a n i z m ś r u b o w y zł o ż o n y z tulei g w i n t o w a n e j i ś r u b y p oc iągowej. Z i s t o t y działania u k ł a d u w y n i k a s t a n o b c i ą ż e n i a t y c h o g n i w - s i ł a d o c i s k o w a w a l c ó w r o z ł o ż o n a j e s t n a k o n t a k t o w e j p o w i e r z c h n i g w i n t u w s p ó ł p r a c u j ą c y c h e l e m e n t ó w . P o s t a ć k o n s t r u k c y j n a s t o s o w a n y c h d o t y c h c z a s tulei g w i n ­ t o w a n y c h p r z y c z y n i a się d o w y s t ę p o w a n i a z n a c z n y c h n i e r ó w n o m i e r n o ś - ci d o c i s k ó w n a d ł u g o ś c i g w i n t u p oł ączenia. W i ą ż e się t o z o d k s z t a ł celnością e l e m e n t ó w poł ą c z e n i a . O c h a r a k t e r z e n i e r ó w n o - m i e r n o ś c i d e c y d u j ą w y m i a r y g e o m e t r y c z n e , w ł a s n o ś c i s p r ę ż y s t e t w o r z y w a tulei i ś r u b y . p a r a m e t r y g e o m e t r y c z n e g w i n t u , liczba z w o j ó w . W o k r e ś l o n y c h w a r u n k a c h p r a c y u r z ą d z e n i a n i e r ó w n o m i e r n o ś ć r o z k ł a d u n a c i s k ó w p r o w a d z i d o w z r o s t u ich w a r t o ś c i m a k s y m a l n y c h , a s t ą d d o s p a d k u t r w a ł o ś c i i n i e z a w o d n o ś c i u k ł a d u

4

O m ó w i o n y w p r a c y p r o c e s optymal i za cj i w s k a z a ł d r o g ę modyfikacji p o s t a c i k o n s t r u k c y j n e j tulei g w i n t o w a n y c h p r o w a d z ą c ą d o p o p r a w y s t a n u o b c i ą ż e n i a e l e m e n t ó w m e c h a n i z m u n a p r z y k ł a d z i e zwijarki 3 - w a l c o w e j 8000/13/37.

90

J. Kapłanek. G, Wróbel

7 7 7 7 * 7 7 ■/ / / / V 7 " 7

Rys.J Medianizm śrubowy podnoszenia wal 6 w dociskowych zwijarki rur

Optymalizacja nakrętki. 91

2

Z w i j a r k a s t a n o w i e l e m e n t gl ó w n e g o c ią gu p r o d u k c y j n e g o r u r s p a w a n y c h w H uc ie *'F e r f u m ” . A r k u s z e blach p o d d a w a n e z wi j a n i u n a s t a n o w i s k u z wijarki p o w s t ę p n e j o b r ó b c e t r a n s p o r t o w a n e s ą s a m o t o k i e m , n a k t ó r y m z a p o m o c ą p o p y c h a c z y d o s u n i ę t e z o s t a j ą w s t r e f ę zwi ja r ki d o p o c z ą t k o w e j pozycji o p e ra cj i zwijania. Z w i j a n i e blach d o k o n u j e się p o p r z e z r u c h a r k u s z a b l ac hy w y m u s z o n y o b r o t e m g ł ó w n e g o w a l c a 7 O y s . l ) o ś r e d n i c y

>p

8

9

W u k ł a d z i e z n a j d u j ą się t r z y bioki p r z e k ł a d n i ś l i m a k o w y c h , z któi-ych w k a ż d y m ślima k o b r a c a n y w a ł e m n a p ę d o w y m n a p ę d z a dw ie s y m e t r y c z n i e u ł o ż o n e ś l im a cz ni ce w y k o n a n e z b r ą z u BA1032, Ś l i m a c z n i c a

1

4

6

B e z p o ś r e d n i ą p r z y c z y n ą c z ę s t y c h aw arii o p i s a n e g o u k ł a d u n a p ę d o w e g o j e s t z n i s z c z e n i e g w i n t u tulei b r ą z o w e j ^ c o u ni e możliwia p r a c ę u rzą d ze ni a. C h a r a k t e r y s t y c z n e dla o b r a z u z n i s z c z e n i a w e w s z y s t k i c h p r z y p a d ’ a c h j e s t u b y t k o w e z u ż y c i e p o w i e r z c h n i n o ś n e j g w i n t u p r o w a d z ą c e w s k r a j n y c h p r z y p a d k a c h d o r e s z t k o w e j p o s ta c i z w o j ó w t r a p e z o w e g o gwintu. P o w i e r z c h n i a o b c i ą ż o n a g w i n t u nosi w y r a ź n e ślady s m u g o w e g o zużycia.

Z g o d n i e z £13 dla n a k r ę t e k ś r u b p o c i ą g o w y c h w y k o n u j ą c y c h r u c h p o s u w o w y w p r z y p a d k u p o ł ą c z e n i a stali ł h a r t o w a n e j , s z l i f o w a n e j ) i b r ą z u w z a j e m n e naciski nie p o w i n n y p r z e k r a c z a ć 11-15 M P a C w a r t o ś ć m n i e j s z a dla stali u l e p s z o n e j cieplnie, w i ę k s z a dla h a r t o w a n e j i szlifowanej). W obliczeniach p r o j e k t o w y c h z a k ł a d a n o dla n a c i s k ó w j a k o d o p u s z c z a l n ą w a r t o ś ć 12 MPa. P o r ó w n u j ą c t ę w a r t o ś ć z w ylicz o ny mi n a c i s k a m i ś r e d n i m i o, s t w i e r d z o n o , ż e naciski

ś r

ś r e d n i e p r z e k r a c z a j ą d o p u s z c z a l n ą w a r t o ś ć obliczeniową o o k o ł o 2 3 % £21 . B i o r ą c p o d u w a g ę w p ł y w z n a c z n e j n i e r ó w n o m i e r n o ś c i n a c i s k ó w w y n i k a j ą c e j z r o z k ł a d ó w o b c i ą ż e n i a n a p o s z c z e g ó l e z w o j e tulei b r ą z o w e j w jej w s p ó ł p r a c y z e ś r u b ą p o c i ą g o w ą o r a z z e s p o ł y ś r u b p o c i ą g o w y c h d o s u w u w a l c ó w d o c i s k o w y c h j s t a n o w i to p o t w i e r d z e n i e w s t ę p n e j h i p o t e z y d o t y c z ą c e j p r z y c z y n awarii układu.

W d a l s z y m c i ą g u p r a c y p r z e d s t a w i o n o m o ż l i w o ś ć p o p r a w y s t a n u o b c i ą ż e n i a m e c h a n i z m u ś r u b o w e g o w p d r o d z e z m n i e j s z e n i a n i e r ó w n o m i e r n o ś c i p i e r w s z e g o t^pu.

92 J. Kapłanek, G. Wróbel

3

r o z k l a d u n a c i s k ó w iia dł u g o ś c i

V celu s t w i e j ‘d zeni a s t o p n i a n i e r ó w n o m i e r n o ś c i rozkł a d u n a c i s k ó w n a p o s z c z e g ó l n e z w o j e g w i n t u tulei g w i n t o w a n e j r u c h o w e g o p o ł ą c z e n i a ś r u b o w e g o m e d i a n i z m u p o d n o s z e n i a w a l c ó w d o c i s k o w y c h z wijarki p r z y j ę t o m o d e l d o t y c h c z a s o w e g o p o ł ą c z e n i a ś r u b o w e g o p r z e d s t a w i o n y n a rys.

2

E l e m e n t y s p r ę ż y s t e t e g o m o d e l u r e p r e z e n t u j ą s z t y w n o ś c i :

- o d c i n k ó w r d z e n i a ś r u b y p o c i ą g o w e j o d p o w i a d a j ą c y c h s k o k o w i g w i n t u ( e l e m e n t y

1

- o d c i n k ó w r d z e n i a tulei C e l ę m e n t y 3 4 - 4

- p o s z c z e g ó l n y c h w s p ó ł p r a c u j ą c y c h z w o j ó w g w i n t u «. r edukowane s z t y w n o ś c i n a z g i n a n i e i ś c i s k a n i e > ( e l e m e n t y -

3 0

D o analizy p r z y j ę t o o b c i ą ż e n i e u k ł a d u w p o s t a c i si ły j e d n o s t k o w e j przyl o ż o n e j w w ę ź l e

i <

6 X

W m o d e l u z a ł o ż o n o 14 z w o j ó w gwint.u . w z d ł u ż k t ó r y c h tulej a p r z y l e g a do śruby. O d p o w i a d a j ą c e t y m z w o j o m e l e m e n t y s p r ę ż y s t e o z n a c z o n e są n u m e r a m i

1

y i

J t 57

39

» . ¿ ¿ i <r 0

w

<,7

kręt ki dotychczasowej i zmodyfikowanej

N a w y k r e s i e 3 p r z e d s t a w i o n o w f o r m i e g r a f i c z n e j u z y s k a n ą w w y n i k u obliczeń f u n k c j ę rozkł a d u o b c i ą ż e n i a z w o j ó w g w i n t u a n a l i z o w a n e g o poł ączenia.

4• O p t y m alizac la p o s t a c i k o n s t r u k c y jne i r ó w n o m i e r n o ś ć rozkł a d u n a c i s k ó w n a z w o jach

tulei z e g w i n t u

względu na

W p r o c e s i e op ty m a l i z a c j i zal o ż o n o n i e z m i e n n ą p o s t a ć z a r y s u g w i n t u o r a z liczbę z w o j ó w n a k r ę t k i C z w i ę k s z o n ą w celu z m n i e j s z e n i a n a c i s k ó w d o 17 ~ t a k a z m i a n a m o ż l i w a j e s t b e z i s t o t n e j modyfikacji k o r p u s u p r z e k ł a d n i X J a k o d r o g ę p o p r a w y r ó w n o ­ m i e r n o ś c i o b c i ą ż e n i a p r z y j ę t o m o d y f i k a c j ę s z t y w n o ś c i p o s z c z e g ó l ­ n y c h o d c i n k ó w r d z e n i a tulei, c o o d p o w i a d a realizacji t e c h n i c z n e j p o l e g a j ą c e j n a z r ó ż n i c o w a n y m z a r y s i e z e w n ę t r z n y m i tulei{ ryj.

2

A n a l i t y c z n a z a l e ż n o ś ć w y z n a c z a j ą c a o p t y m a l n y r o z k ł a d s z t y w n o ś c i o d c i n k ó w r d z e n i a tulei m a p o s t a ć :

Cn> N-n

n ■ i,

Optymalizacja nakrętki. 93

(rdzi« N jt*st liczbą z w o j o w , it j e s t n u m e r e m o d c i n k a r d z e n i a tulei l i c z o n y m o d p r z e k r o j u o b c i ą ż o n e g o silą P.

N a rys.4 p r z e d s t a w i o n y J e s t t e o r e t y c z n y c z a r y s tultd g w i n t o w a n e j - w y k r e s z m i a n y ś r e d n i c y z e w n ę t r z n e j nak rę t ki w z d i u.' jej di u g o ś c i - dla k t ó r e g o r o z k ł a d n a c i s k ó w n a z w o j e g w i n t u jesi c a ł k o w i c i e w y i ó w n a n y . A n a l i z a ilościowa t e g o w y k r e s u p r o w a d z i do o c z y w i s t e g o w n i o s k u o n ie r ea lizowalności k o n s t r u k c y j n e j t a k i e g o r o z w i ą z a n i a - z b y t d u ż e w y m i a r y , n ie t ec h n o l o g i c z n o s c i k s z ta ł t u a p r z e d e w s z y s t k i m n i e a d e k w a t n o ś c i u ż y t e g o m o d e l u w z a k r e s i e u z y s k a n y c h w y m i a r ó w . K i e r u j ą c się c h a r a k t e r e m r o z w i ą z a n i a o p t y m a l n e g o z j e d n e j s t r o n y a o g r a n i c z e n i a m i k o n s t r u k c y j n y m i , jakie s p e l niać p o w i n n o z m o d y f i k o w a n e r o z w i ą z a n i e z e w z g l ę d u n a i s t n i e j ą c y u k ł a d n a p ę d u C p r z e k ł a d n i a ś l i m a k o w a , ś r u b a p o c i ą g o w a p o d n o ś n i k a , o b u d o w a m e c h a n i z m u p o d n o ś n i k a > analizie p o d d a n o r o z w i ą z a n i e u z y s k a n e w d r o d z e p o s z u k i w a ń n u m e r y c z n y c h w z a k r e s i e m o ż l i w y m d o realizacji k o n s t r u k c y j n e j p r z y j e d n o c z e s n y m d ą ż e n i u d o t e c h n o l o g i c z n o ś c i k s z t a ł t u i r ó w n o m i e r n o ś c i o bc ią że n ia z w o j ó w . O d p o w i a d a j ą c y t e m u k o m p r o m i s o w e m u r o z w i ą z a n i u r o z k ł a d n a c i s k ó w n a z w o j a c h g w i n t u tulei p o k a z a n y j e s t n a rys.3. N a rys.4 dla p o r ó w n a n i a z e s t a w i o n o z a r y s t e o r e t y c z n y z z a p r o p o n o w a n y m z a r y s e m z m o d y f i k o w a n y m . S k ł a d a si ę o n z d w ó c h części: s t o ż k o w e j - w cz ęści o d s t r o n y w a l c ó w d o c i s k o w y c h - o r a z w a l c o w e j - w części dolnej, w s p a r t e j w o b u d o w i e stalowej. Z a ł o ż o n o p r z y ty m, ż e c z ę ś c w a l c o w a g w i n t o w a n e j tulei b r ą z o w e j nie w y m a g a w p r z y p a d k u jej z a s t o s o w a n i a d o k o n a n i a z m i a n w p o s t ac i g e o m e t r y c z n e j k o r p u s ó w s t a l o w y c h , w k t ó r y c h t u le j e s ą p o s a d o w i o n e , a t a k ż e e l e m e n t ó w w s p o l p r a c u j ą c y c h jak w i e l o w y p u s t śl imacznicy , ł o ż y s k o wzdl u ż n e p o m i ę d z y tuleją a k o r p u s e m m e c h a n i z m u p o d n o ś n i k a . M i a r ą p o p r a w y w a r u n k ó w p r a c y p r z e k ł a d n i ś r u b o w e j p r z y z a s t o s o w a n i u t e g o t y p u n a k r ę t k i m o ż e b y ć w a r t o ś ć ł ą c z n e j siły p r z e n o s z o n e j p r z e z w s z y s t k i e z w o j e p r z y z a ł o ż e n i u j e d n a k o w y c h w a r t o ś c i sił m a k s y m a l n y c h n a c i s k ó w w m i e j s c a c h ich ko ncentracji. W p r z y p a d k u p o p r z e d n i e g o r o z w i ą z a n i a ł ą c z n a sił a w y n o s i

1

W z m o d y f i k o w a n y m r o z w i ą z a n i u s t o s u n e k w a r t o ś c i m a k s y m a l n e j naci sk u d o w a r t o ś c i ś r e d n i e j uległ z m n i e j s z e n i u z 3,70 C tuleja w a l c o w a ) do 2,24 m i m o w z r o s t u liczby z w o j ó w ? j e d n o c z e ś n i e ł ą c z n a si ła nacis k u w y l i c z o n a dla z a ł o ż e n i a w a r t o ś c i m a k s y m a l n e g o n a c i s k u r ó w n e g o r ó w n i e ż 0,2614 tkNl w y n o s i 1,98 CkNl. O z n a c z a t o d w u k r o t n y w z r o s t n o ś n o ś c i tulei. U z y s k a n y e f e k t siły w y n i k a z e w z r o s t u liczby z w o j ó w o 3 (z 14 d o

17)

D o d a t k o w y m c z y n n i k i e m m o g ą c y m m i e ć z n a c z e n i e dla w z r o s t u p o w i e r z c h n i o w e j w y t r z y m a ł ości z w o j ó w g w i n t u n a k r ę t k i s ą w a r u n k i j ej s m a r o w a n i a . M o ż l i w a j e s t w t y m z a k r e s i e p o p r a w a p r z e z z a s t o s o w a n i e k a n a ł ó w s m a r o w n i c z y c h d o p r o w a d z a j ą c y c h smar*

b e z p o ś r e d n i o w s t r e f ę k o n t a k t u k a ż d e j p a r y z w o j ó w z w y j ą t k i e m s k r a j n y c h - dla us zc ze l ni en ia p r z e s t r z e n i s m a r o w a n i a i z a p e w n i e n i e w a r u n k ó w s m a r o w a n i a h y d r o s t a t y c z n e g o ^ co znalazł o w y r a z w z a l e c e n i a c h k o n s t r u k c y j n y c h .

0 5 0 400 4 5 0 2 0 0 £ 5 O 5 0 0 3 5 0 *tOO [ m m ]

Rys.4 Zarys zewnętrzny nakrętki teoretycznej i zmodyfikowanej.

94 J* Kapłanek,' G.. Wróbel

- - — ■ *•

L I T E R A T U R A

111 J. K a p ł a n e k , G. W r ó b e l : E k s p e r t y z a p r z y c z y n o r a z s p o s o b u r o z w i ą z a n i a p r z e d w c z e s n e g o z u ż y w a n i a się n a k r ę t e k m e c h a n i z m u p o d n o s z e n i a d o l n y c h w a ł ó w zw ij ar ki 3 - w a ł owej. C e n t u m P o s t ę p u T e c h n i c z n e g o SIMP, cz. 1 i II, Gliwice 1933.

121 L.T. W r o t n y : P o d s t a w y k o n s t r u k c j i ob ra bi a r e k . W N T , W a r s z a w a 1973.

133 O.C. Z i e n k i e w i c z : M e t o d a e l e m e n t ó w s k o ń c z o n y c h . Arka d y, W a r s z a w a 1972.

P e

3

O n T H M H 3 a u s r a H K K KiiHewarnHecKoro E H M T O B o r o nojrtewHoro M e x a H M S M a no OTHomeHHii p a B H O M e p H o r o pasjicaeHiisi n a x H u a Ha

DJIHHe ÓHHTa.

B

p a ó o T e peuieno

oriTHWH3aiiHfi B H e m H e r o

r a M K H B H H T O B o r o M e x a H M S M a n o O T H o m e H H M p a B H O M e p H o r o pa3jioxeHMA H a x M M a Ha B H T O K a x bhhtb. IIphhhto BHCKpeTHyjo

B H H T O B o r o MeXaHHCiM.l

pjieneHTOB.

Optimization of the nut of kinematic screw joint considering uniform distribution of axial thrust

S u m m a r y

In this paper the optimization problem of nut’s external profile in srew joint considering uniform distribution

axial thrust on thread coils is solved. In the solution a discreet model of joint was assumed and the finite elements method was adopted.

Recenzent: prof. dr hab. inż. M. Trombski

Wpłynęło do Redakcji 19.1.1989 r.