Демонстрационный стенд для изучения работы фланцевого соединения, стянутого болтами и нагруженного крутящим моментом

 

Изобретение относится к учебным пособиям, позволяющим моделировать работу деталей машин, в частности, совместную работу фланцев в жестком соединении, представленном во фланцевых муфтах, а также принцип работы некоторых упругих муфт. Сущность изобретения: фланец выполнен стационарным и жестко скреплен с валом, на другом конце которого установлен второй фланец, соединительный элемент которого выполнен в виде подшипника качения с цилиндрическими роликами, а стыковая поверхность первого фланца представлена в виде диска, закрепленного на конце упругого элемента. Упругий элемент выполнен в виде второй пружины сжатия с малым углом подъема и направлением свивки, совпадающим с направлением действия крутящего момента, что позволяет привести модель к реальному стыку. Устройство содержит дополнительные упругие элементы, имитирующие стык гайки с наружной поверхностью фланца, выполненные в виде пружин сжатия с жесткостью при кручении, меньшей жесткости при кручении первой пружины в число раз, равное количеству болтов. Устройство позволяет моделировать деформационный процесс в стыке фланцев и наглядно демонстрировать равенство деформаций стыка и тела болта. Устройство позволяет также изучить харктеристики упругих элементов муфт. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к учебным пособиям, позволяющим моделировать работу деталей машин, в частности совместную работу фланцев в жестком соединении, представленном во фланцевых муфтах, а также принцип работы некоторых упругих муфт, и может быть использовано в высших и средних специальных учебных заведениях.

Известен демонстрационный стенд для изучения совместной работы болта и соединяемых деталей, включающий болтовое соединение, стягивающее контактирующие поверхности деталей, одна из которых имитирована упругим элементом, выполненным в виде витой пружины сжатия, при этом соединение нагружено внешней нормальной нагрузкой и при определенном соотношении нормального нагружения стыка пружиной болта и пружиной стыка имеет место раскрытие стыка.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является учебное пособие, выполненное в виде фланцевой муфты, содержащее фланцы, контактирующие по стыку, которые стянуты болтами и нагружены крутящим моментом, установленные на валах и связанные с ними посредством соединительных элементов, выполненных в виде шпонок, при этом имеет место нормальное нагружение фланцев, а их относительное перемещение в случае нагружения предельным сдвигающим моментом происходит касательно плоскости стыка.

Однако конструкция аналога может быть применена исключительно при рассмотрении случая раскрытия стыка от действия нормальных сил и не может быть использована в представленном виде при действии внешних силовых факторов (момента) в плоскости стыка, так как в конструкции отсутствуют узлы, которые бы при действии момента в плоскости стыка воспринимали не только усилие от затяжки болтов, но и закручивающее действие момента. В прототипе плоскость действия внешнего силового фактора совпадает с плоскостью стыка фланцевого соединения. Однако здесь относительные деформации поверхности стыка при действии момента практически не воспринимаются визуально, а также не воспринимается аксиома о равенстве деформаций тела болта и стыка. Для восприятия последнего студенту предлагают рассмотреть цепочку взаимодействующих деталей: резьбы болта и резьбы гайки, а именно появление осевой составляющей нагрузки, опорной поверхности головки болта и наружной поверхности фланца, опорной поверхности гайки и наружной поверхности другого фланца, стыковых поверхностей фланцев. В результате вывод о равенстве деформаций болта и стыка тут же упускается студентом при решении задач. В то время как визуальное наблюдение этой картины позволило бы по результату сознательно восстановить при необходимости все звенья цепочки. В прототипе также достаточно трудно уловить момент сдвига контактных поверхностей фланцев. Кроме того, трудность восприятия картины относительного смещения торцов усугубляется тем, что этот процесс происходит при совместном вращении валов и может быть правильно воспринят только в случае, если студент абстрагируется от вращения и будет рассматривать перемещение одного фланца относительно закрепленного неподвижно другого.

Целью изобретения является обеспечение наглядности деформационных явлений в стыке фланцев, повышение точности измерения внешних силовых факторов и расширение демонстрационных возможностей за счет обеспечения визуальной картины равенства деформаций тела болта и стыка при затяжке.

Поставленная цель достигается тем, что в демонстрационном стенде для изучения работы фланцевого соединения один из фланцев выполнен стационарным и жестко скреплен с валом, другой фланец установлен на этом же валу с возможностью вращения и относительного перемещения по нему и соединительный элемент этого фланца с валом выполнен в виде плавающей опоры, а стыковая поверхность стационарного фланца представлена в виде диска, закрепленного на свободном конце упругого элемента, другой конец которого жестко связан со стационарным фланцем, при этом устройство дополнительно снабжено флажком, закрепленным на диске, и двумя лимбами лимбом осевого перемещения и лимбом углового перемещения диска и под болт на диске и подвижном фланце выполнен концентрический паз протяженностью, соответствующей максимальному углу поворота подвижного фланца; упругий элемент выполнен в виде витой пружины сжатия с малым углом подъема и направлением свивки. совпадающим с направлением действия крутящего момента; стенд дополнительно снабжен витыми пружинами сжатия, осевыми лимбами и флажками в количестве, соответствующем количеству резьбовых соединений, установленными между подвижным фланцем и гайкой резьбового соединения, при этом пружины сжатия скреплены одним концом с подвижным фланцем, а другим с флажком, а осевые лимбы закреплены односторонне на стационарном фланце и под них на диске и подвижном фланце выполнены концентричные пазы протяженностью, соответствующей максимальному углу поворота подвижного фланца, а каждая из пружин резьбового соединения выполнена с жесткостью при кручении, меньшей жесткости при кручении пружины стационарного фланца в число раз, равное количеству болтовых соединений.

Неизвестны демонстрационные стенды, включающие два фланца, имитирующие момент критического сдвига контактных поверхностей путем закрепления (выполнения стационарным) одного из них и установкой второго фланца на общем стационарном валу на соединительном элементе, выполненном в виде плавающей опоры.

Известно выполнение контактной поверхности в виде упругого элемента витой пружины сжатия, деформируемого гайкой, однако неизвестно выполнение контактной поверхности в виде контактного диска стационарного фланца, соединенного с ним упругим элементом, неизвестно также выполнение упругого элемента в виде пружины с малым углом подъема 8-12^ои направлением свивки, совпадающим с направлением действия крутящего момента; неизвестна также имитация пружиной закручивания абсолютно жесткого стыка.

Неизвестно крепление флажка перемещающегося указателя замера непосредственно к диску, т.е. непосредственно к контактной поверхности стационарного фланца.

Известно использование пружин сжатия при затяжке болта с целью изменения (увеличения) масштаба деформаций тела болта, но неизвестно использование их в другом назначении, а именно для наглядности обеспечения равенства деформаций тела болта и стыка при затяжке (при этом масштабность деформации стыка реализуется пружиной стационарного фланца).

Неизвестно выполнение пружин резьбового соединения с жесткостью на кручение, отличающейся от жесткости на кручение пружины фланца в число раз, равное количеству болтовых соединений.

Поскольку в науке и технике неизвестны вышеперечисленные признаки, то они соответствуют критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена конструкция демонстpационного стенда; на фиг.2 диаграмма нагружения пружин (I пружины болтового соединения, II пружины фланца).

Демонстрационный стенд (фиг. 1) содержит стационарный фланец 1 с установленным в нем жестко (по посадке с натягом) валом 2, на свободном конце которого установлен подвижный фланец 3 с выполненной на его наружной поверхности гайкой 4. Фланец 3 установлен на валу на подшипнике качения 5 с цилиндрическими роликами, чем обеспечивается возможность перемещения его в осевом направлении и в плоскости стыка. Между рабочими поверхностями фланцев 1 и 3 установлены пружина сжатия 6 и диск 7, непосредственно контактирующий с рабочей поверхностью подвижного фланца 3. Концы пружины 6 скреплены соответственно с рабочей поверхностью стационарного фланца 1 и с диском 7. Фланцы 1 и 3 стянуты болтовыми соединениями, включающими болт 8 и гайку 9. Количество болтов 8 соответствует прототипу (четыре-шесть), но для упрощения конструкции может быть равно двум. При этом болт 8 установлен неподвижно (с натягом) в стационарном фланце 1, чем обеспечивается постоянная величина зазора между ним и фланцем 3. Между гайкой 9 и наружной поверхностью фланца 3 концентрично телу болта 8 установлена витая пружина сжатия 10, подвижной конец которой (со стороны гайки 9) связан с флажком 11, перемещения последнего замеряют по линейке-лимбу 12, установленной вдоль оси болта 9 и закрепленной на стационарном фланце 1. На диске 7 также установлен флажок 13 с возможностью осевого перемещения вдоль линейки-лимба 14 при затяжке болтового соединения и перемещения в плоскости стыка вдоль лимба 15, закрепленного на стационарном фланце 1. На диске 7 и фланце 3 под болт 8 и линейку-лимб 12 выполнены концентрические пазы 16, протяженность которых соответствует максимальной величине углового перемещения фланца 3.

Устройство работает следующим образом.

Вращением гаек 9 обеспечивают затяжку стыка фланцевого соединения, т.е. создают нормальную нагрузку в контакте диска 7 и фланца 3. Замеры осевого перемещения гаек 9 производят по тарированным линейкам-лимбам 12 (при этом могут быть использованы отдельные тарировочные графики). Перемещение гайки 9 и сжатие пружины 11 (которая может отсутствовать по п.1 формулы) сопровождается осевым перемещением фланца 3 с диском 7, в результате чего пружина 6 сжимается. Далее под действием крутящего момента Т обеспечивают поворот фланца 3 в плоскости стыка фланца 1 (диска 7) с фланцем 3. Первоначально с фланцем 3 синхронно поворачивается диск 7. При этом флажок 13 вместе с диском 7 поворачивается относительно лимба 15 на угол γ, значение которого определяется характеристиками пружины 6 и величиной сжимающей нагрузки Р_зат. Когда значение крутящего момента превысит момент сопротивления в плоскости стыка, обусловленный жесткостью пружины 6 при кручении, или другими словами обусловленный жесткостью стыка контактных поверхностей фланцев 1 и 3 в направлении, касательном плоскости стыка, диск 7 отрывается от фланца 3 и флажок 13 скачком возвращается в положение, близкое к исходному, что характеризует раскрытие стыка в направлении, касательном плоскости стыка.

Наладка стенда производится в процессе его сборки. Для этого пружины 11 и 6 нагружают возрастающей нагрузкой, замеряют деформации пружин и обеспечивают нанесение рисок соответственно на линейках-лимбах 12 и 14. Для нанесения рисок на лимбе 15 к гайке 4, скрепленной с фланцем 7, прикладывают различные значения крутящего момента. Это может быть выполнено с помощью тарировочного ключа. При этом каждому углу поворота фланца 3 соответствует определенное значение момента на тарировочном ключе.

При демонстрации предложенного устройства преподаватель поясняет студентам, что работоспособность фланцевых соединений, стянутых болтами, определяется жесткостью стыка в направлении, касательном плоскости стыка фланцевых деталей. Раскрытие стыка в этом направлении приводит к ликвидации зазора между болтом 8 и фланцем 3, который представлен окружностью 1 на фиг.1 (вид Б). Это может быть продемонстрировано вращением от руки фланца 3. При этом преподаватель поясняет, что концентрические пазы выполнены условно с целью обеспечения наглядного перемещения фланца 3 на угол γ. В реальном соединении тело болта 8 не выходит из зоны 1, т.к. при полной компенсации зазора болт начинает работать на изгиб. Размеры болтов 8 рассчитывают из условия работы его на растяжение от сил затяжки. Одновременно нагружение болта растягивающими и изгибающими нагрузками не допускается или требует при необходимости такого нагружения применения специальных призонных втулок. Далее преподаватель объясняет, что в данной конструкции стык деталей (поверхность одной из них) выполнен в виде подпружиненного диска и жесткость стыка в направлении закручивания от действия момента Т определяется жесткостью пружины в этом направлении. Поскольку деформации пружины в этом направлении значительно больше, чем реальные деформации стыка, то соответственно этому перемещению и выполнены концентрические пазы под болт и линейки, закрепленные неподвижно в стационарном фланце. При этом для наблюдения относительного сдвига фланцев один из них закреплен неподвижно, а второй имеет возможность осевого перемещения от оси сил затяжки (деформации от нормальной нагрузки) и вращения в плоскости стыка от крутящего момента (деформирования от крутящего момента). В конструкции для имитации этих деформаций классический соединительный элемент шпонка заменен на подшипник качения с цилиндрическими роликами (им также может являться подшипник скольжения).

Далее преподаватель обеспечивает затяжку болтового соединения путем перемещения гайки, поясняя, что увеличение силы затяжки приводит к увеличению жесткости стыка, т.е. к некоторому увеличению силы на единицу перемещения в нормальном направлении к стыку. Соответственно увеличивается жесткость стыка в направлении, касательном стыку. Это объясняется тем, что для обеспечения сдвига деталей под нагрузкой Р_заттеперь необходимо создать такую силу (фиг.1), вертикальная составляющая которой Р превысила бы силу затяжки Р_зат. Суммарная сила на поверхности стыка определяет значение силы трения в стыке и соответственно значение момента сопротивления в стыке действию внешнего крутящего момента Т.

Далее преподаватель предлагает подсчитать значение момента сопротивления, обусловленного силами трения от затяжки по формуле T f·P_зат (1) и построить график зависимости момента Т от силы затяжки Р_зат. При этом преподаватель поясняет, что полученная прямо пропорциональная зависимость силы затяжки от сдвигающего крутящего момента может иметь место только при условии абсолютно жесткого контакта в момент после действия силы Р_зат.

Поэтому элементы, имитирующие стык (пружина 6 с диском 7), должны обладать свойствами стыка с тем, чтобы можно было применить расчетную формулу (1).

Во-первых, упругий элемент не должен создавать дополнительного закручивания от сил затяжки Р_зат., т.е. внешний момент Т при наличии затяжки в соединении численно равен моменту скручивания пружины, вплоть до момента разрыва связи. Это обеспечивается конструкцией пружины сжатия 6, а именно пружина стыка выполнена с малым углом подъема и направлением свивки, совпадающим с направлением действия крутящего момента Т. Во-вторых, соотношение жесткостей при сжатии и кручении упругого элемента (пружины) должно быть приблизительно тем же, что и для реального стыка. Это условие также выдержано конструкцией пружины сжатия 6.

Тогда расхождение значений теоретической зависимости, полученной по формуле (1), и практической зависимости будет определяться исключительно особенностями упругого взаимодействия микронеровностей при трении относительно друг друга. Поэтому далее студенты строят практическую зависимость Т f(P_зат) (фиг. 2) и преподаватель объясняет разброс данных особенностями взаимодействия реальных поверхностей при трении. Так, в формуле (1) задействован коэффициент трения f. При этом считается, что коэффициент трения имеет постоянное значение, зависящее от материала взаимодействующих поверхностей и степени их обработки и назначается в пределах 0,1N0,3 (большее значение для необработанных поверхностей). Рассмотрение реальной картины взаимодействия шероховатых поверхностей в зависимости от нормальной нагрузки показывает, что значение коэффициента трения меняется при изменении нормальной нагрузки, при этом он не является коэффициентом пропорциональности между нормальной нагрузкой и силой трения. Это относится не только к установившемуся значению коэффициента трения, но и к его начальному значению f_нач. Именно это значение и определяет коэффициент трения при относительном сдвиге поверхностей фланцев. Соответственно этому изменяется и значение предельного сдвигового момента Т.

При этом параллельно основному ходу рассуждений преподаватель поясняет, что принципиально возможна конструкция стенда без пружины 11. В этом случае значение силы затяжки может быть установлено по тарированной линейке-лимбу 14. Наличие ее преследует двойную цель, во-первых, увеличение масштаба деформаций непосредственно опорной поверхности гайки, а во-вторых, обеспечение визуального равенства деформаций опорной поверхности гайки и поверхности стыка. Для этого преподаватель нагружает вновь болтовое соединение некоторой силой затяжки и поясняет, что если фланец 3 закрепить жестко, то деформации точки С на пружине 11 соответствует значение силы затяжки на диаграмме нагружения пружины 11 (фиг.2а). Наличие в конструкции пружины 6 обеспечивает смещение точки В на пpужине 11 на величину Δ Δ_B Δ_A, т.е. на ту величину, на которую деформируется пружина 6 (на величину перемещения точки А пружины 6). Тогда сила затяжки определяется по разнице перемещения точки С и точки В: Δ_Р Δ_С Δ_В на диаграмме нагружения пружины 11, и соответственно Р_I P_Σ P, где P_Σ сила, полученная по Δ_С на диаграмме сжатия пружины 11; Р сила, полученная по Δ_В на диаграмме сжатия пружины 6.

Тут же для лучшего запоминания студентами приводится пример, где это положение является исходным (на сколько сжимается болт, на столько ослабляется стык) и объясняется, что для того, чтобы реализовать это в данной конструкции, пружины 11 и 6 выполнены различной жесткости и между значениями жесткостей пружин имеется коppеляционная связь. Обеспечивая условие равенства деформаций пружин Δ _I Δ _II (индексы I и II соответственно даны для пружин 11 и 6), можно записать Р_In P_II, где P_Iи P_II осевые нагрузки на пружины соответственно 11 и 6; n число болтовых соединений. Эти силы, выражаются через жесткость С и деформации Δ P_I C_I ˙ Δ _I; P_II C_II ˙ Δ _II Тогда P_II C_II ˙ Δ _II ˙ n C_I ˙ Δ _I или C_II nC₁ (1) Cоотношение (1) реализуется подбором соответствующих характеристик пружин 6 и 11. Жесткость С для пружин с малым углом подъема определяется как С G d⁴/8D³i, где диаметр проволоки d удобнее задать по наружному диаметру пружины D, а последний задать конструктивно. Пусть диаметр болта 8 М10. Тогда с минимальным зазором на болте может быть установлена пружина N 321 Г ГОСТ 13766-68 d 1,6, D 14. Из этих же соображений на валу 2 диаметром ⊘ 25 мм может быть установлена пружина N 353 ГОСТ 13766-68 с d 2,5 мм, D 32 мм. Тогда равенство (1) при заданном значении n, например n=2, будет обеспечено за счет расчетного соотношения числа витков i пружин 6 и 11.

C_II:C_I n · · n 4 т.е. при таком соотношении количества витков пружин будет обеспечено равенство перемещений, а именно Δ _A Δ _C- Δ_В, что легко констатировать по шкалам линеек 12 и 14.

Предлагаемое устройство позволяет быстро и доступно довести до сведения студентов тот факт, что момент сопротивления, обеспечиваемый в стыке фланцевых деталей, зависит от силы затяжки болтов и в результате подвести студентов к необходимости обеспечения расчетной силы затяжки в стыке фланцевых деталей соответственно заданному крутящему моменту на валах полумуфт, а также сила затяжки в конечном итоге определяет размер болтового соединения (диаметр болта). При этом можно предложить проверить соотношение расчетного диаметра болта и установленного в устройстве.

Устройство может быть использовано также при изучении конструкций упругих муфт. Для этого преподаватель проводит аналогию пружины 6 с упругим элементом, установленным между полумуфтами, знакомит студентов с основной характеристикой упругой муфты жесткостью C дает возможность наглядно ощутить жесткость упругого элемента (пружины). И в результате констатации факта равномерного изменения значений углов скручивания при равномерном изменении момента, подвести студентов к выводу о том, что данная установка имитирует муфту постоянной жесткости, у которой C const Далее преподаватель связывает характеристики жесткости упругой муфты с ее работоспособностью, а именно возможностью работать без резонанса колебаний. В этом плане важно связать свойство упругой муфты с ее демпфирующей способностью, которая характеризуется энергией, необратимо поглощаемой муфтой за один цикл нагружения крутящим моментом. И предложить построить студентам графики загрузки Т f(ϕ) и разгрузки Т f(ϕ) упругого элемента, т.е. построить петлю гистерезиса, зафиксировать внимание студентов на несовпадении этих кривых и объяснить их несовпадение расходованием энергии в муфтах на внутреннее и внешнее трение при деформировании упругих элементов, предложить студентам замерить эту энергию путем определения площади петли гистерезиса.

Компактность установки и возможность создания от руки силы затяжки позволяют использовать ее в лекционном курсе.

Формула изобретения

1. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РАБОТЫ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ, СТЯНУТОГО БОЛТАМИ И НАГРУЖЕННОГО КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ, содержащий два фланца, установленные на валах, связанные с ними посредством соединительных элементов и контактирующие друг с другом по стыковым поверхностям, отличающийся тем, что, с целью обеспечения наглядности деформационных явлений в стыке фланцев, один из фланцев выполнен стационарным и жестко скреплен с валом, другой фланец установлен на этом же валу с возможностью вращения и относительно перемещения по нему, соединительный элемент этого фланца с валом выполнен в виде плавающей опоры, а стыковая поверхность стационарного фланца представлена в виде диска, закрепленного на одном конце упругого элемента, другой конец которого жестко связан со стационарным фланцем, при этом устройство дополнительно снабжено флажком, закрепленным на диске, и двумя лимбами - лимбом осевого перемещения и лимбом углового перемещения диска, а под болт на диске и подвижном фланце выполнен концентрический паз протяженностью, соответствующей максимальному углу поворота подвижного фланца.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений значений внешних силовых факторов, упругий элемент выполнен в виде витой пружины сжатия с малым углом подъема и направлением свивки, совпадающим с направлением действия крутящего момента.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей за счет обеспечения визуальной картины равенства деформаций тела болта и стыка при затяжке, он дополнительно снабжен витыми пружинами сжатия, осевыми лимбами и флажками в количестве, соответствующем количеству резьбовых соединений, установленными между подвижным фланцем и гайкой резьбового соединения, при этом пружины сжатия скреплены одним концом с подвижным фланцем, а другим - с флажком, а осевые лимбы закреплены односторонне на стационарном фланце и под них на диске и подвижном фланце выполнены концентричные пазы протяженностью, соответствующей максимальному углу поворота подвижного фланца, а каждое резьбовое соединение выполнено с жесткостью, меньшей жесткости при кручении пружины стационарного фланца в число раз, равное количеству болтовых соединений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2