Стопорная шайба

 

Использование: стопорение резьбовых соединений, в частности, в резонаторах и приспособлениях, работающих в условиях высоких температур и вибраций. Сущность изобретения: в плоской круглой металлической шайбе с центральным отверстием наружный диаметр, диаметр отверстия и толщина связаны соотношением, приведенным в описании. 2 ил.

Изобретение относится к вибрационной испытательной технике и может быть использовано, в частности, для крепления резонансов и приспособлений, работающих в условиях высоких температур и вибраций.

Известна стопорная шайба с подгибной лапкой по ГОСТ 13463-77. Ее применяют в тех случаях, когда головка болта находится вблизи от края одной из соединяемых деталей. Если головка болта размещена вдали от края детали и возможно сверление отверстия для носка шайбы, то используют стопорную шайбу с носиком по ГОСТ 13464-77.

Обе эти шайбы непригодны для болтов, имеющих цилиндрическую или полукруглую головку. Кроме того, вследствие пластичности материала стопорных шайб и их смятия при вибрации и температурных воздействиях, имеет место снижение усилия затяжки резьбового соединения и, как следствие, уменьшение надежности в процессе эксплуатации.

Известны упругие стопорные шайбы: шайба пружинная, шайба стопорная с внутренними или наружными зубьями, шайба из силиконовой резины. Так как контакт между соединяемыми деталями достигается за счет сил упругости упругой шайбы, то при нагружении соединения силой инерции в нем может появиться зазор. Пружинную шайбу применяют при ограниченных вибрациях для редко разбираемых соединений. Не рекомендуется использовать ее в соединениях, находящихся в труднодоступных местах.

Таким образом, известные стопорные шайбы обладают низкой надежностью и имеют ограниченную область применения при высоких температурах и вибрациях.

Предохранение резьбовых соединений от самоотвинчивания путем сварки, пластического деформирования с повреждением резьбы, приклеивание головки винта к соединяемой детали различными связывающими веществами не применяется в резонаторах и приспособлениях, устанавливаемых на столе вибрационного испытательного стенда, так как при испытаниях изделий необходимо осуществлять частую сборку и разборку соединений для замены испытуемых изделий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является стопорная шайба, выполненная в виде плоской круглой металлической пластины с центральным отверстием.

Существенным недостатком при использовании такой шайбы является низкая надежность резьбового соединения в условиях воздействия высоких температур и вибраций, поскольку она предназначена только для предохранения соединяемых деталей от задиров и смятия.

Цель изобретения расширение области применения и повышение надежности стопорения при высоких температурах и вибрациях.

Цель достигается тем, что известная стопорная шайба, выполненная в виде плоской круглой металлической пластины с центральным отверстием, изготовлена с наружным диаметром D, диаметром отверстия d и толщиной h, определяемыми из условий ≥ σ_у (1) h ≅ (2) где F_зат усилие затяжки крепежного болта; σ_y и f предел текучести и коэффициент трения материала шайбы соответственно; ν коэффициент Пуассона.

Сущность изобретения заключается в том, что при объемном нагружении такой шайбы усилием затяжки болта происходит пластическое деформирование ее макрообъемов, вызывающее обминание сопряженных поверхностей и заполнение их микровпадин, что увеличивает силы трения. Для получения объемного нагружения необходимо выполнение двух условий: достижения состояния текучести материала шайбы (1) и отсутствия проскальзывания между шайбой и сопрягаемыми деталями (2).

При больших напряжениях в результате разрушения защитных пленок и пластического деформирования отдельные участки сопряженных поверхностей вступают в такой тесный контакт, при котором приходят в действие силы молекулярного сцепления, вызывающие взаимную диффузию атомов с образованием промежуточных структур. Воздействие повышенной температуры в зоне контакта дополнительно приводит к значительному увеличению сил сцепления и надежности стопорения резьбового соединения.

При невыполнении условия (2) получают не объемное, а плоское напряжение состояние шайбы, при котором шайба не удерживается силами трения в замкнутом объеме (происходит проскальзывание при ее нагружении), поэтому будет интенсивно происходить релаксация напряжений и уменьшение усилия затяжки. Соответственно и микросхватывание сопряженных поверхностей возникает на небольшой площади. Это связано с тем, что в шайбе будут действовать только нормальные напряжения, направленные по ее оси.

В условиях отсутствия проскальзывания шайба удерживается силами трения в замкнутом объеме, ее материал заполняет микровпадины сопрягаемых поверхностей и схватывание последних будет на большей площади. Дополнительно стопорение обеспечивается микровыступами поверхностей, удерживающих крепежный болт от проворачивания.

Сущность изобретения поясним на примере, в котором рассмотрим два случая: размеры шайбы выбраны по условиям (1) и (2), т.е. когда шайба нагружена до состояния текучести и удерживается в замкнутом объеме силами трения; условие (2) не выполняется, т.е. когда происходит проскальзывание сопрягаемых поверхностей.

На фиг. 1 и 2 показана предлагаемое устройство и расчетная схема.

Схема содержит крепежный болт 1, стопорную шайбу 2, сопрягаемую деталь 3. Зададимся исходными данными: F_зат 16000 Н; материал шайбы сталь Х25Н2Л, для которой примем f 0,1; ν 0,3; σ_y 144-154 Н/мм²; D 17 мм; d 12 мм.

Первоначально выведем формулы (1) и (2), для чего рассмотрим условие, когда площадь шайбы при ее нагружении усилием затяжки болта не изменяется, а происходит только уменьшение ее толщины h. Это условие имеет место, если действуют достаточные силы трения, препятствующие проскальзыванию шайбы. Тогда в ее материале возникают напряжения в продольном и поперечном направлениях и она будет находиться в объемном напряженном состоянии, при котором применим обобщенный закон Гука.

Относительная деформация шайбы в поперечном направлении по осям ОХ и ОY определяется по выражениям ε_x= - + 0; ε_y= - + 0 (3) где Е модуль упругости; σ_i напряжения, направленные вдоль осей ОХ, ОY, ОZ.

Так как перемещения шайбы вдоль ОХ и ОY отсутствуют (нет проскальзывания), то относительные деформации ε_x и ε_y равны нулю. При h const напряжения σ_x= σ_y. Тогда из (3) получает уравнение - + 0 (4) из которого находим напряжения σ_x= σ_y= (5) Нормальные напряжения, действующие в направлении оси OZ шайбы, определяются по формуле
(6) где А площадь поперечного сечения шайбы.

Результирующая сила, возникающая за счет действия напряжений σ_xи σ_y стремящаяся увеличить площадь шайбы, равна
N_x σ_x hL σ_xh π D (7) где L длина шайбы по внешнему контуру.

Сила трения между сопрягаемыми поверхностями
F_mp F_затf (8)
Отсутствие проскальзывания шайбы будет при условии
F_mp ≥ N_x, F_затf ≥ σ_xh π D (9) откуда допустимое значение толщины шайбы
h ≅
(10)
Подставив сюда формулы (5) и (6), получим в окончательном виде
h ≅
(11)
По формуле (6) находим нормальные напряжения
σ_z= 140,5 H/мм² Так как σ_z ≈ σ_y, то шайба находится в состоянии текучести (выполняется условие (1). Иначе необходимо было бы изменить значения D и d.

По формуле (11) определяем допустимое значение толщины шайбы
h ≅ ≅ 0,5 мм Принимаем h 0,4 мм.

Поскольку условия (1) и (2) выполняются, то шайба находится в сложном напряженном состоянии, при котором увеличиваются силы трения.

При h > 0,5 мм сила N_х > F_mp. Следовательно, происходит проскальзывание шайбы между сопрягаемыми деталями.

Стопорная шайба представляет собой плоскую круглую металлическую пластину с наружным диаметром D и центральным отверстием диаметром d.

Шайба работает следующим образом.

Между головкой болта и сопрягаемой деталью устанавливается предлагаемая шайба. При ввинчивании крепежного болта за счет действия его усилия затяжки происходит пластическое деформирование шайбы, в результате чего возникают силы молекулярного сцепления и заполняются микронеровности сопрягаемых поверхностей. Для этого материал шайбы должен обладать достаточной пластичностью. Можно использовать, например, сталь Х25Н2Л. Благодаря малой толщине и пластичности материала уменьшается влияние на работоспособность шайбы высоких температур и вибраций, связанное со снижением механической прочности материала.

Предлагаемая стопорная шайба по сравнению с существующими позволяет расширить область применения: она может применяться при любых формах головки болта. Шайба также отличается простотой конструкции и высокой надежностью стопорения. Ее использование наиболее целесообразно при температурных и вибрационных испытаниях различных изделий.

Формула изобретения

Стопорная шайба, выполненная в виде плоской круглой металлической пластины с центральным отверстием, отличающаяся тем, что она изготовлена с наружным диаметром D, диаметром отверстия d и толщиной h, определяемыми из условий


где F_зат усилие затяжки крепежного болта;
σ_у и f предел текучести и коэффициент трения материала шайбы соответственно;
ν коэффициент Пуассона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2