CC BY
21
УДК 621.883 (088.8) Шуваев В.Г., Шуваев И.В.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» Самара, Россия
МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЗАТЯЖКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО КРИТЕРИЮ ДОСТИЖЕНИЯ ПРЕДЕЛА УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ
Рассматривается метод контроля затяжки резьбовых соединений при дополнительной активации ультразвуковыми гармоническими и ударными воздействиями и анализом сигнала отклика. Ключевые слова:
резьбовые соединения, контроль затяжки, дополнительные тестовые воздействия.
Контроль усилия затяжки резьбовых соединений в настоящее время проводят различными косвенными методами: по вращающему моменту, по углу поворота гайки, по удлинению болта и ряду других. Наиболее совершенным из применяемых в практике методов тарированной затяжки является метод, в соответствии с которым затяжка производится до достижения предела текучести материала болта, позволяя добиваться максимального эффекта затяжки, наиболее полно используя прочностные свойства резьбового соединения [1, 2].
Измерительная информация, необходимая для определения момента достижения предела текучести материала болта, содержится в объекте в пассивной форме, поэтому необходим внешний источник энергии, чтобы активировать соответствующие пассивные свойства объекта. Наиболее часто в измерительной практике в качестве возбудителей, оказывающих воздействие на объект измерения, находят применение гармонические, ступенчатые и импульсные (ударные) тестовые воздействия. В данной работе рассматривается способ контроля затяжки при одновременной активации резьбового соединения гармоническими колебаниями и ударным воздействием и измерением отклика.
При достижении в процессе ультразвуковой сборки резьбового соединения предела текучести начинает проявляться нелинейные свойства, и поведение динамической системы становится сложным, в спектре отклика кроме основной гармоники появляются высшие гармоники и субгармоники, наблюдается искажение резонансной характеристики
и возникновение «скелетной кривой», выражающей связь между частотой и амплитудой колебаний системы. При последовательном увеличении амплитуды силы возбуждения происходит снижение резонансной частоты колебаний и резонансная характеристика имеет выраженный наклон в сторону
меньших частот, что и положено в основу предлагаемой технологии сборки резьбового соединения. Для повышения достоверности контроля затяжки резьбовых соединений предлагается использовать дополнительную диагностическую информацию, содержащуюся в сигнале отклика на ударное воздей-ствие[3,4].
Разработанный алгоритм предполагает построение амплитудно-частотной характеристики в процессе затяжки резьбового соединения, причём переход соединения в зону пластических деформаций немедленно скажется на резонансной характеристике, придав ей форму «мягкой» скелетной кривой, кроме того, период затухающих колебаний становится зависимым от амплитуды воздействия. Путём сравнения фактических и эталонных значений осуществляется сближение протекающего процесса затяжки с заданной зависимостью и точное выведение степени нагружения соединяемых деталей в зону, близкую к пределу их упругих деформаций.
На рис. 1 представлена схема разработанного устройства для контроля затяжки резьбовых соединений [5], отличительной особенностью которого является совмещение ультразвуковых и ударных воздействий в процессе формирования соединения и совместная обработка диагностической информации.
В изделии, состоящем из собираемых деталей 6 и 7, в процессе свинчивания возбуждают и принимают колебания, добиваясь резонанса. С помощью генератора электрических колебаний 14 в пьезо-керамическом преобразователе 11 возбуждают ультразвуковые механические колебания и затем усиливают амплитуду колебаний концентратором 9. Пьезокерамический преобразователь зажат посредством шпильки 10 между концентратором и часто-топонижающим элементом 12.
Рисунок 1 - Устройство для контроля затяжки резьбовых соединений
При последовательных ударных взаимодействиях бойка 1 и наковальни 2 вращательные импульсы передаются через шпиндель 3 и ключ 4 на гайку 5, которая затягивается с необходимой силой. Колебания, прошедшие через формируемое соединение (болт 8, гайка 5 и собираемые детали 6 и 7), воспринимаются датчиком вибрации 13, закрепленным на одной из собираемых деталей, и преобразуются в электрический сигнал, который поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 16 и после преобразования подается на вход персонального компьютера (ПК) 15. Для автоматической настройки на резонанс с выхода ПК сигнал в цифровом виде подается на вход цифро-аналогового преобразователя 17, с выхода которого аналоговый сигнал поступает на перестраиваемый по частоте генератор ультразвуковых колебаний 14.
Одновременное использование ударных импульсов с частотой воздействия 3-40 ударов в секунду и
высокочастотных ультразвуковых колебаний, рабочий диапазон частот которых составляет около 20000 воздействий в секунду, способствует снижению энергоемкости и увеличению производительности процесса сборки резьбовых соединений до 20 %. Одновременное использование временных и частотных характеристик при оценке достижения предела текучести повышает надежность затяжки резьбовых соединений. Контроль степени затяжки, основанный на достижении силы затяжки в точке предела упругих деформаций материала резьбовых деталей практически не зависит от трения, позволяет использовать крепежные детали меньшего диаметра и более низкого класса точности и обеспечивает минимальный разброс силы затяжки в 5-10%, в то время как методы контроля по крутящему моменту обеспечивают точность в пределах 20-25%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Штриков, Б.Л. Повышение работоспособности резьбовых соединений путем применения ультразвука при обработке и сборке: монография / Б.Л. Штриков, В.В. Головкин, В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев. - М.: Машиностроение, 2009. - 125 с.
2. Шуваев, В.Г. Инерционная ударно-импульсная затяжка резьбовых соединений с применением дополнительных ультразвуковых колебаний/В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев // "Сборка в машиностроении, приборостроении", № 7 , 2011, С. 7-9.
3. Шуваев, В.Г. Применение дополнительных ультразвуковых колебаний при ударно-импульсной затяжке резьбовых соединений/В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2011. 2 том. С.230-231.
4. Шуваев, В.Г. Контроль качества затяжки резьбовых соединений при ультразвуковой сборке по динамическим характеристикам/В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев// Международный симпозиум «Надежность и качество», Пенза,25-31 мая, 2013. 2 том. С.276-278.
5. Патент РФ на изобретение № 2502591, МПК В23Р19/06; опубликовано 27.12.2013. Бюл. № 36. Способ ультразвуковой сборки резьбовых соединений / В.Г. Шуваев, И.В. Шуваев.
УДК 621.787.4.07:534.222 Артемьев В.А., Шуваев В.Г.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» Самара, Россия
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА РЕЗКИ СТЕКЛА УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Рассматривается разработанное ультразвуковое устройство для резки стекла, в ручке которого вмонтированы пьезокерамиче-ские пластины, возбуждающие ультразвуковые колебания сложной формы, позволяющие повысить надежность и качество реза стекла.
Ключевые слова:
резка стекла, колебания, ультразвук.
Обеспечение качественной резки стекла является важной проблемой, как для переработчиков листового стекла, так и для потребителей их продукции, причем проблемы при резке приводят к увеличению отходов стекла, повышению трудоемкости, а также увеличивают опасность травматизма. Низкое качество резки существенно уменьшает прочностные характеристики листов стекла конечного размера, что повышает риск самопроизвольного разрушения остекления по тем или иным причинам [1]. Наиболее сложная ситуация возникает при резке высокотехнологичных изделий: узорчатого и армированного стекла, у которых вся поверхность имеет сложный рельеф, а также стёкол для жидкокристаллических мониторов, солнечных батарей, оптических и автомобильных стекол.
Одним из перспективных направлений в решении указанных и близких к ним задач является применение дополнительных ультразвуковых колебаний, накладываемых на основной технологический процесс. [2, 3].
В статье рассматривается разработанное устройство для наложения одновременно продольных, поперечных и крутильных колебаний на режущий инструмент, что способствует повышению эффективности ультразвукового воздействия при резке стекла, повышению качества реза и расширению функциональных возможностей устройства [4].
На рисунке 1 показана конструкция разработанного ультразвукового устройства для резки стекла. Устройство содержит источник колебаний (вибратор) 1 в виде пакета дискретных пьезоке-рамических пластин, поджатый к нему при помощи
волновода 2 и демпфера 3 концентратор 4 ультразвуковой энергии с закрепленным на нем наконечником 5 с режущим элементом. Волновод 2 дополнительно снабжен поперечными кольцевыми пазами
6, глубина каждого из которых не превышает половины диаметра волновода, концентратор 4 выполнен в виде усеченного конуса с наклонными пазами
7, расположенными на его образующей. При подаче синусоидального напряжения резонансной частоты на обкладки источника колебаний (вибратора) он, изменяя вследствие обратного пьезоэффекта свои геометрические размеры, возбуждает ультразвуковые колебания концентратора и закрепленного на нем наконечника. Наличие поперечных кольцевых пазов вызывает анизотропию жесткости волновода, приводящей к тому, что амплитуда колебаний концентратора со стороны кольцевых пазов больше, чем с противоположной. Выполнение концентратора с наклонными пазами, расположенными на его образующей приводит к изменению жесткости концентратора и возникновению дополнительных крутильных колебаний. Сложение продольной, поперечной и крутильной составляющих ультразвуковых колебаний вызывает сложную объемную траекторию движения наконечника с режущим инструментом, что способствует более быстрой и качественной резке стекла.
Ультразвуковое устройство выполнено с наружным диаметром корпуса 25 мм.; наконечник с режущим элементом устройства выполнен по ГОСТ 10111-85. Проведенные лабораторные эксперименты показали, что применение устройства позволяет на 40-50% повысить эффективность резки стекла за счет более полного использования ультразвуковой энергии.
