Ćwiczenie nr 3 Połączenia śrubowe.doc

Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska

ORMAT

Technologia montażu

Laboratorium

Ćwiczenie nr 3

Połączenia śrubowe

Lublin 2010

1. Wprowadzenie

1.1 . Rodzaje połączeń śrubowych

Połączeniami śrubowymi nazywamy połączenia skrętne nieczopowe pośrednie, najczęściej o płaskiej powierzchni styku przyłączy. Zależnie od rodzaju otworów w elementach łączonych, jak również od rodzaju użytych do połączenia śrub rozróżnia się dwie główne odmiany tego typu połączenia:

–        połączenia śrubowe o otworach niegwintowanych za pomocą śrub zwykłych z łbem i nakrętką,

–       

połączenia śrubowe za pomocą śrub dwustronnych – bez łba z nakrętkami z gwintowanym otworem w jednym z przyłączy za pomocą wkrętów (z łbem bez nakrętki) lub wkrętem (bez łba z nakrętką) [8].

c)

b)

d)

a)

Rys.  1. Przykłady połączeń śrubowych

Najprostsze połączenia śrubowe uzyskuje się za pomocą śrub zaopatrzonych w nakrętki, które zakłada się w niegwintowane otwory (rys.1a).

W przypadku, gdy w połączeniu nie ma miejsca na łeb śruby, wtedy stosuje się śruby dwustronne, przy czym jeden z końców śruby jest wkręcany (niekiedy na stałe) w jednym z przyłączy (rys. 1b). zamiast śrub dwustronnych stosuje się również wkręty (rys.1c i d). Wspomniane śruby i wkręty mają szereg odmian różniących się między sobą kształtami głów, końców i długością gwintów, przy czym większość z nich jest znormalizowana [9].    

1.2. Etapy montażu połączeń śrubowych

Przebieg procesu montażu połączeń śrubowych obejmuje następujące czynności:

–        wzajemne ustalenie elementów łącznie z osiowaniem przyłączy i łączników,

–        wstępne skręcenie przyłączy i łączników,

–        dokręcenie, nakręcenie lub wykręcenie na określoną długość,

–        dociąganie,

–        zabezpieczanie przed odkręcaniem,

–        kontrola połączenia [9]. 

W niniejszym opracowaniu przedstawiono zagadnienia związane z technologią montażu połączeń śrubowych realizowanych za pomocą śrub i nakrętek.

Dla połączeń śrubowych pierwszy i drugi etap montażu jest jasny i nie wymaga ściślejszego przedstawienia. Przy etapie trzecim należy jedynie pamiętać, by wartość przyłożonego momentu była odpowiednia, tj. aby wynosiła:

                                                                          (1)

gdzie:  Pos – siła osiowa wywołana w śrubie [N],

                                ds   – średnia średnica robocza gwintu [mm],

a       – kąt pochylenia gwintu [mm], tga = h/pds,

r         – kąt natarcia.

Przy nakręcaniu nakrętki zwykłym kluczem:

                                                                                 (2)

gdzie:  Mkl  – moment przyłożony do klucza,

            Pkl   – siła przyłożona do klucza,

                       Lkl   – długość klucza [8, 9].                            

Następny, czwarty etap polega na dociąganiu połączeń ściśle określonym momentem, w celu wywołania napięcia wstępnego wywołanego odkształceniem sprężystym przyłączy lub łączników o określonej wartości, zależnej od cech konstrukcyjnych montowanego zespołu. W połączeniach nieobciążonych siłami zewnętrznymi (np. połączenia pokryw), napięcia wstępne wpływają na zwiększenie szczelności oraz uniemożliwiają wzajemne przesunięcia elementów. Nienapięte połączenia skrętne, zwłaszcza pracujące w warunkach obciążeń okresowo zmiennych i udarowych, szybko tracą swoje własności użytkowe, gdyż następuje rozbijanie, zgniatanie, a czasem nawet spajanie zgniotowe gwintu. Z tych też względów zakres zastosowania spoczynkowych połączeń skrętnych nienapiętych wstępnie jest bardzo ograniczony.

Doświadczenia eksploatacji maszyn wskazują, że niezawodność połączeń gwintowych jest określona wielkością siły dociągania, dokładnością realizacji siły dociągania, równomiernością dociągania grupowych połączeń gwintowych oraz stabilnością siły dociągania.

Nieprawidłowa ocena siły dociągania powoduje, przy jej zaniżaniu zjawisko samo odkręcania się śrub, a to z kolei wywołuje zmniejszenie sztywności konstrukcji i jej niedokładność, niehermetyczność styków, przekoszenie korpusów elementów a nawet zniszczenie części. Przy zbyt dużej sile dociągania, poza zgnieceniem przyłączy, może dojść do zerwania śruby.            

Połączenia śrubami wstępnie napiętymi można podzielić w zależności od warunków pracy na nieobciążone i obciążone.

Do połączeń nieobciążonych należą między innymi złącza pokryw i części korpusów. Natomiast do połączeń obciążonych – połączenia podlegające działaniu siły odciągającej powierzchnie styku od siebie i obciążającej dodatkowo śruby napięte wstępnie. Siła ta może być stała lub zmienna.

              Zakładając, że moment skręcający Msk równy iloczynowi siły przyłożonej na końcu klucza i ramienia tej siły, wywołuje siłę osiową rozciągającą śrubę oraz pokonuje moment tarcia w zwojach śruby i na powierzchni oporowej nakrętki, siłę napięcia wstępnego Pos można określić z następującej zależności:  

         [Nm]      (3)

gdzie:   Pos – siła osiowa wywołana przy nakręcaniu nakrętki [N],

                               d     – średnica nominalna gwintu [mm],

                               ds    – średnia średnica robocza gwintu [mm],

                        Ds   – średnia średnica oporowa nakrętki [mm],

                               m1   – współczynnik tarcia na powierzchni gwintu,

                               m2                 – współczynnik tarcia na powierzchni oporowej nakrętki,

                               a    – kąt pochylenia linii śrubowej.

Przyjmując tga=h/(pd), h/d=0,15, ds/d=0,9, Ds/d=1,3 otrzymujemy:

                             [Nm]                (4)

Ścisłe określenie z tej zależności siły napięcia jest trudne, gdyż występują tu współczynniki tarcia, których wartości zmieniają się w szerokim zakresie. Współczynnik tarcia na gwincie może przyjmować wartości od  0,1 do 0,4 zależnie od stanu gwintu, rodzaju pokrycia, smarowania. Współczynnik tarcia na powierzchni oporowej może przyjmować wartości od 0,08 do 0,16 zależnie od rodzaju powierzchni i smaru, ale przy powtórnym dociąganiu wartość tego współczynnika wzrasta nawet o 100%.

Przyjmując średnio m1=0,22 i m2=0,11 otrzymujemy:

                                         [Nm]                            (5)            

Stąd

                                              [N]                                     (6) 

Dopuszczalne momenty dociągania, które powinny wytrzymywać w czasie montażu części mocujące, w zależności od nominalnej średnicy gwintu przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Dopuszczalne momenty dociągania w zależności od rodzaju gwintu