СПОСОБ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ "С УПОРОМ В ТОРЦЫ" ЗВЕНЬЕВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2005 года по МПК B06B1/00 

Изобретение относится к области ультразвуковых технологий и может быть применено при конструировании и изготовлении ультразвуковых колебательных систем.

Известен способ резьбового соединения «с упором в торцы» звеньев ультразвуковых колебательных систем [1]. Данный способ не обеспечивает высокого ресурса работы соединения, так как торцы соединения сжаты осевой силой затяжки, которая не учитывает ни параметров ультразвука, ни режима работы колебательной системы.

Задача изобретения - повышение ресурса работы резьбового соединения «с упором в торцы» звеньев ультразвуковой колебательной системы.

Эта задача решается тем, что по способу резьбового соединения «с упором в торцы» звеньев ультразвуковой колебательной системы осевую силу затяжки резьбового соединения определяют согласно условию:

где Р_з - осевая сила затяжки соединения, Н;

χ - коэффициент рабочей нагрузки:

i - номер элемента резьбового соединения;

n - количество элементов соединения, шт;

μ_i - коэффициент податливости i-го элемента соединения, соответствует укорочению или удлинению i-го элемента под действием единичной осевой силы, м/Н;

μ₁ - коэффициент податливости элемента «болтовой» части соединения (шпилька или резьбовой «хвостовик»), м/Н;

Рр - осевая максимальная сила ультразвуковой волны, действующая в пределах резьбового соединения, Н.

Сущность способа состоит в том, что осевую силу Р_з затяжки резьбового соединения определяют согласно условию:

при котором исключается, во-первых, раскрытие стыка; во-вторых, ударная работа соединения. Стянутое резьбовое соединение под действием стоячей и бегущей ультразвуковых волн находится то в фазе сжатия, то в фазе растяжения.

В фазе растяжения осевая максимальная сила Рр ультразвуковой волны, действующая в пределах резьбового соединения, вызывает дополнительное удлинение Δl элемента «болтовой» части соединения (шпилька или резьбовой «хвостовик»), см. фиг.1, 2, 3 и усилие «болтовой» части возрастает на величину:

Рр_б=Δl/μ₁.

Сила, действующая на другие сжатые элементы 2, 3, 4, см. фиг.1, 2, 3, соединения, уменьшится на величину:

Но сумма усилий равна: Pp_б+Рр_д=Рр, откуда,

Тогда в фазе растяжения усилие N_p на «болтовую» часть соединения возрастает, а усилие N_c сжатия стыка снижается. Имеем: N_p=Р_з+χ·Рр, N_с=Рз-(1-χ)·Рр.

В фазе сжатия, наоборот, усилие N_p на «болтовую» часть соединения снижается, а усилие N_c сжатие стыка возрастает. Имеем: N_p=Р_з-χ·Рр, N_с=Р_з+(1-χ)·Р_р. Если N_p<0, то в резьбовом сопряжении вместо «натяга» образуется зазор, выбирая который в последующей фазе растяжения сопрягаемые поверхности резьбы ударяют друг друга, вызывая смятие неровностей. Давление сжатия торцов при этом уменьшается и акустический контакт соединения ухудшается, а отражение энергии ультразвука увеличивается. Растут усилия, стремящиеся оторвать звенья друг от друга. Доля энергии, передаваемой в присоединенное звено, уменьшается, а потери резко возрастают. Таким образом, процесс нарушения акустического контакта является нарастающим и приводит к полному разрушению соединения.

Поэтому в фазе растяжения стык не раскроется, если N_c>0, а в фазе сжатия для безударной работы резьбового соединения необходимо, чтобы N_p>0.

Так как при работе две фазы имеют место, то необходимо, чтобы осевая сила затяжки Р_з соединения удовлетворяла условию:

Это условие гарантирует повышение ресурса работы резьбового соединения звеньев ультразвуковой колебательной системы, так как в фазе сжатия исключает удар в соединении, а в фазе растяжения исключает раскрытие стыка соединяемых звеньев.

Авторам подобное техническое решение для резьбового соединения звеньев ультразвуковой колебательной системы не известно.

На фиг.1 изображено резьбовое соединение звеньев ультразвуковой колебательной системы при помощи шпильки, а на фиг.2 - при помощи резьбового «хвостовика».

Резьбовое соединение звеньев ультразвуковой колебательной системы осуществляют следующим образом. Определяют осевую максимальную силу Рр ультразвуковой волны, действующую в пределах резьбового соединения. По известным формулам [2] или экспериментально определяют коэффициенты μ_i податливости элементов соединения. Вычисляют коэффициент χ рабочей нагрузки по формуле: и, наконец, определяют осевую силу Р_з затяжки соединения согласно условию:

Предлагаемый способ резьбового соединения «с упором в торцы» звеньев ультразвуковой колебательной системы может быть осуществлен по примерам.

Пример 1. При помощи шпильки 1, изготовленной из стали 38ХН3МФА, футорки 3, изготовленной из стали 40Х15Н7ГФ2МС, соединяется звено 2, изготовленное из титанового сплава ВТ3-1 со звеном 4, изготовленньм из алюминиевого сплава Д16Т, см. фиг.1. Коэффициенты податливости элементов соединения соответственно равны: μ₁=3,638·10^-9, м/Н; μ₂=5,905·10^-10, м/Н; μ₃=1,983·10^-9, м/Н; μ₄=5,515·10^-10,м/Н.

Коэффициент рабочей нагрузки равен: . Так как χ≤0,5, то необходимо для определения осевой силы затяжки резьбового соединения использовать условие:

Р_з>(1-χ)·Pp.

Пример 2. Звено 1, при помощи резьбового «хвостовика», являющегося продолжением звена 1 изготовленного из титанового сплава ВТ3-1, футорки 2, изготовленной из стали 40Х15Н7ГФ2МС, соединяется со звеном 3, изготовленным из алюминиевого сплава Д16Т, см. фиг.2.

Коэффициенты податливости элементов соединения соответственно равны:

μ₁=5,905·10^-10, м/Н; μ₂=1,983·10^-9, м/Н; μ₃=5,515·10^-10, м/Н.

Коэффициент рабочей нагрузки равен: . Так как χ>0,5, то необходимо для определения осевой силы затяжки резьбового соединения использовать условие: Р₃>χ·Pp.

Пример 3. Звено 1, при помощи резьбового «хвостовика», являющегося продолжением звена 1, изготовленного из титанового сплава ВТ3-1, соединяется со звеном 2, изготовленным из стали 38ХН3МФА, см. фиг.3.

Коэффициенты податливости элементов соединения соответственно равны:

μ₁=5,905·10^-10, м/Н; μ₂=1,617μ·10^-9, м/Н.

Коэффициент рабочей нагрузки равен: . Так как χ>0,5, то необходимо для определения осевой силы затяжки резьбового соединения использовать условие: Р₃>χ·Pp.

Литература

1. Захаров В.И. Расчет и конструирование соединений магнитострикционных преобразователей/ Ультразвуковая обработка материалов// Сб. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. М. - Л.: «Машиностроение», 1966, с.328-338.

2. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич. - 3-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1979, с. 44-49.

Использование: для конструирования и изготовления ультразвуковых колебательных систем. Сущность: заключается в том, что резьбовое соединение звеньев ультразвуковой колебательной системы осуществляется с упором в торцы, при этом осевая сила затяжки резьбового соединения определяется с учетом максимальной силы ультразвуковой волны, действующей в пределах резьбового соединения. Технический результат: повышение ресурса работы резьбового соединения с упором в торцы звеньев ультразвуковой колебательной системы. 3 ил.

Способ резьбового соединения «с упором в торцы» звеньев ультразвуковой колебательной системы, отличающийся тем, что осевую силу затяжки резьбового соединения определяют согласно условию

где Р_з - осевая сила затяжки соединения, Н;

χ - коэффициент рабочей нагрузки:

i - номер элемента резьбового соединения;

n - количество элементов соединения, шт;

μ_i - коэффициент податливости i-го элемента соединения, соответствует укорочению или удлинению i-го элемента под действием единичной осевой силы, м/Н;

μ₁ - коэффициент податливости элемента «болтовой» части соединения (шпилька или резьбовой «хвостик»), м/Н;

Р_р - осевая максимальная сила ультразвуковой волны, действующая в пределах резьбового соединения, Н.