MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ INSTITUT CELOŽIVOTNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ ODDĚLENÍ EXPERTNÍHO INŽENÝRSTVÍ
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2013
PAVEL HORYCH
Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Oddělení Expertního Inženýrství
Posouzení možnosti a kvality zajištění závitového spojení eliminací přesahu profilu matice Bakalářská práce
Vedoucí Bakalářské práce: doc. Ing. Michal Černý, CSc.
Vypracoval: Pavel Horych
Brno 2013
Mendelova univerzita v Brně Oddělení expertního inženýrství
Institut celoživotního vzdělávání 2012/2013
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Název tématu:
Pavel Horych Technické znalectví a pojišťovnictví Technické znalectví a pojišťovnictví
Posuzování možnosti a kvality zajištění závitového spojení eliminací přesahu profilu matice
Rozsah práce:
35 až 40 stran
Zásady pro vypracování: 1. Zpracovat kompilační přehled o vlivu přesahu při uložení na rozvoj radiálnho a tangenciálního napětí u lisovaných spojů 2. Ověřit svěrné spojení u rozebíratelných spojů a určit hodnoty možných přesahů 3. Zhodnotit dopad aplikace kuželových maticových závitů na vibrační odolnost spojů z pohledu TZP Seznam odborné literatury: MISCHKE, C. -- BUDYNAS, R. -- SHIGLEY, J. Konstruování strojních součástí. Brno: VUTIUM, 2010. 1186 s. ISBN 978-80-214-2629-0. JANÍČEK, P. -- ONDRÁČEK, E. -- VRBKA, J. Mechanika těles - Pružnost a pevnost. Brno: VUT 2. v Brně, 1992. 287 s. ISBN 80-214-0468-X. 3. MRÁZIK, A. Teória spoľahlivosti oceľových konštrukcií. Bratislava: VEDA, 1986. 360 s. 1.
Datum zadání bakalářské práce:
říjen 2012
Termín odevzdání bakalářské práce:
duben 2013
Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Posouzení možnosti a kvality zajištění závitového spojení eliminací přesahu profilu matice vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním díle a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a ředitelky vysokoškolského ústavu ICV Mendelovy univerzity v Brně. Brno, dne…………………………. Podpis studenta……….…….........
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval doc. Ing. Michal Černý, CSc. vedoucímu práce, za odborné připomínky a podnětné rady při vedení této bakalářské práce. Rád bych ještě poděkoval Ing. Jiří Votava, Ph.D. za odborné vedení experimentální části této bakalářské práce.
Abstrakt Předkládaná práce je zaměřena na možnosti jištění šroubových spojů proti jejich uvolnění. Uvádí přehled možných způsobů jištění se zaměřením na vliv přesahu. Seznamuje s druhy napětí a sil, které vznikají v uložení s přesahem. Součástí práce je i experimentální část, kde je porovnání sil potřebných k povolení nezajištěného závitu a sil potřebných k povolení speciálně upraveného závitu, který má snížený závitový profil v závěrné části. Oba typy závitů jsou poté ještě jištěny chemicky a porovnány síly k jejich povolení. V závěru práce jsou zmíněny možnosti využití zjištěných poznatků v praxi a v oblasti technického znalectví.
Klíčová slova: lisovaný spoj, šroubové spoje, jištění šroubového spoje, metody jištění
Abstract This thesis is focused on the possibilities of lock-out screw connections against their release. Provides an overview of the possible ways of lock-out with a focus on the impact of ovelap. Describes the types of strain and forces that arise in imposition with overlap. The thesis also includes an experimental part, where is the comparison of the forces required to release unsecured thread and forces required to release specially modified thread with a lower profile in reverse threaded parts. Both types of threads are with chemically protection. In conclusion, mentioned the possibility of using the thesis results in practice and in technical expertise area.
Keywords: Squeezed joining, bolts joints, securing bolt connection, methods of protection
OBSAH ÚVOD………………………………………...…………………………………………8 1. OBECNĚ O VLIVU PŘESAHU – LISOVANÝ SPOJ……………………………..9 1.1. VLIV VELIKOSTI PŘESAHU NA NAPĚTÍ………………………………...10 1.2. APLIKACE PŘESAHU NA ŠROUBOVÉ SPOJENÍ………………………...12 2. ŠROUBOVE SPOJE……………………………………………………………….13 2.1. ČÁSTI ŠROUBOVÉHO SPOJE………………………………………………13 2.2. SÍLA PŘEDPĚTÍ……………………………………………………………...14 2.3. VLIV MONTÁŽE NA ŠROUBOVÝ SPOJ…………………………………..16 2.3.1. UTAHOVACÍ FAKTOR αA ………………………………………..…17 2.3.2. TŘENÍ V ŠROUBOVÉM SPOJI……………………………………….17 2.4. KONSTRUOVÁNÍ ŠROUBOVÝCH SPOJŮ………………………………...18 3. JIŠTĚNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE…………………………………………………20 3.1. SESEDÁNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE…………………...…………………….20 3.2. SAMOVOLNÉ VYŠROUBOVÁNÍ ŠROUBŮ A MATIC…………………...22 3.2.1. PRINCIP FUNKCE PRVKŮ PROTI VYŠROUBOVÁNÍ…………….23 3.3. CHEMICKÉ JIŠTĚNÍ…………………………………………………………24 3.3.1. DRUHY CHEMICKÉHO JIŠTĚNÍ…………………………………….24 3.4. JIŠTĚNÍ PROTI ZTRÁTĚ SPOJOVACÍHO PRVKU………………………..25 4. JIŠTĚNÍ POMOCÍ ZÁVITU S KUŽELOVÝM PROFILEM TVARU KONVEXNÍHO………………………………...………………………………….27 4.1. ZPŮSOB ÚPRAVY ZÁVITNÍKU……………………………………………28 4.2. ZHOTOVENÍ ZKUŠEBNÍHO ZÁVITU……………………………………..28 4.3. POROVNÁNÍ KLASICKÉHO A KUŽELOVÉHO ZÁVITU………………..29 4.4. PROKÁZÁNÍ VĚTŠÍHO SEVŘENÍ V KONCI ZÁVITU…………………...31 4.5. ZÁVITY JIŠTĚNÉ PŘÍPRAVKEM LOCTITE………………………………32 4.6. DISKUSE VÝSLEDKŮ………………………………………………………34 5. ZÁVĚR……………………………………………………………………………..35 LITERATURA…………………………………………………………………………36
7
ÚVOD Závitové spojení patří mezi dlouhodobě používaný způsob spojování nejrůznějších konstrukčních prvků. Tento způsob spojování se uplatňuje jak u statických konstrukcí, tak v provozech kde je dynamicky namáhán. Na šroub tak působí síly, které mohou způsobit jeho povolení nebo úplné vyšroubování a ztrátu spojovacího prvku, což může vést dále k materiálním škodám. Proti těmto silám působí tření, které vzniká při dotažení matice. V současnosti jsou používány rozmanité druhy šroubů i jistících prvků. Tyto šrouby nebo jistící prvky, mají mnohdy svůj specifický způsob použití. Zvolení správného šroubu se musí stanovit v závislosti na tom, kde bude daný šroub použit a jakému namáhání bude vystaven, podle toho se poté zvolí i vhodný způsob jištění, je-li potřeba. Za správnou volbu těchto prvků odpovídá konstruktér. V potaz se bere i správný způsob montáže, který může dosti ovlivnit kvalitu závitového spoje. Naproti tomu jsou ekonomické důvody, minimalizace součástí a odlehčení konstrukce nebo její části. V budoucnu bude mít použití vhodných druhů šroubů a jejich jištění stále větší význam. Zapříčinění na tom budou mít nové konstrukční a jistící metody, stále větší využívání výpočetní techniky při konstruování a výpočtech použitých druhů šroubů.
8
1. OBECNĚ O VLIVU PŘESAHU – LISOVANÝ SPOJ Lisované spojení je pevný a obtížně rozebíratelný spoj. Vyznačuje se jednoduchou a levnou výrobou, velkou únosností (nosný průřez hřídele není zeslaben drážkou pro klín nebo pero a není třeba používat ani jiných pojistných prvků), dále se lisovaný spoj vyznačuje lepší souosostí částí než u jiných spojů. Lisované spojení vzniklo nalisováním dvou částí, montáží za studena nebo za tepla (nasunutím ohřáté vnější části, příp. ochlazením vnitřní části). Abychom dosáhli nalisovaného uložení, musí být průměr čepu vyroben větší než průměr díry v náboji. Rozdíl mezi těmito rozměry se nazývá přesah. V důsledku přesahu dochází k pružné deformaci. Pružné deformace vyvolávají v součástech napětí. Vlivem tohoto napětí jsou k sobě součásti přitlačovány, vznikají třecí síly. Styková plocha bývá nejčastěji válcová nebo mírně kuželová. Lisovaný spoj je obtížně rozebíratelný, dá se použít i opakovaně, ale bez provedení úprav klesá jeho únosnost až o 25%.
Obr.1 Přesah průměru čepu
Únosnost lisovaného spoje odpovídá velikosti třecích sil, ty jsou funkcí síly N kolmé na povrch a koeficientu tření f (součinitel tření je dán druhem materiálu spojovaných součástí). Kolmou sílu vyvolávající tření udává součin velikosti stykové plochy spojovaných částí a tlaku mezi nimi (tlak je následek přesahu nalisovaných částí). Únosnost spoje tedy přímo závisí na velikosti přesahu před spojením součástí. Je zřejmé, že s větším přesahem roste i únosnost spoje, velikost přesahu se volí v závislosti na velikosti požadovaného tlaku mezi součástmi. K výpočtu teoretické potřebné velikosti tlaku použijeme rovnici rovnováhy v závislosti na typu silového přenosu.
9
Výsledný tlak poté určíme s ohledem na zvolenou bezpečnost silového přenosu k (volí se v rozmezí 2-3). Výpočet axiální síly: FAX ≤ Nf
1.1 kde N = Sp
Po rozepsání S (v případě válcového spoje) dosadíme:
1.2
FAX ≤ πdlpf Z tohoto vzorce odvodíme vzorec pro tlak:
1.3
p=
S ohledem na zvolenou bezpečnost upravíme vzorec:
1.4
p= Výsledný tlak způsobený přesahem a následnými vzniklými napětími (v náboji a v čepu) poslouží k určení vztahu mezi přesahem a napětími.
1.1 Vliv velikosti přesahu na napětí Potřebnou velikost celkového přesahu, kterou má být způsoben potřebný tlak ve styčné ploše určíme nejprve z velikosti tohoto přesahu v závislosti na radiálním a tangenciálním napětí po nalisování náboje na hřídel v závislosti na vzájemných deformacích (Obr. 2). Určení přesahu závisí na možnostech měření v přesnosti 10 -4 m.
Obr. 2 Vzniklé deformace po nalisování 10
Celková velikost přesahu je poté dána jako součet absolutních hodnot různých smyslů deformací. Δd = |Δdn| + |Δdc|
1.5
Po dosazení získáme tvar:
1.6
Δd = d|λn| + d|λc| Pomocí rovinného tvaru Hookova zákona vyjádříme vztah pro určení těchto prodloužení na radiálním σr a tangenciálním σt napětím. Δd = d [
|σtn – µn σrn| +
|σtc – µc σrc|]
1.7
Symboly využité ve výpočtech: Δd – celkový přesah d – jmenovitý průměr En – modul pružnosti v tahu materiálu náboje Ec – modul pružnosti v tahu materiálu čepu σtn – tangenciální napětí na vnitřním průměru náboje σrn – radiální napětí na vnitřním průměru náboje σtc – tangenciální napětí na vnějším průměru čepu σrc – radiální napětí na vnějším průměru čepu µn – Poissonova konstanta materialu náboje µc – Poissonova konstanta materialu čepu
Z výpočtů je zřejmé, že s rostoucím přesahem roste velikost tangenciálního a radiálního napětí. Je jasné, že při výběru materiálu náboje a čepu, musíme zkontrolovat, jestli napětí potřebné k vyvolání tlaku p ve styčné ploše náboje a čepu nebude vyšší jak pevnostní charakteristiky daného material. Při stanovení potřebného napětí se musíme držet v mezích pružných deformací, je jisté že charakteristikou pevností bude mez kluzu. Vztah pro pevnostní podmínku ukazuje rovnice 1.8. ≤ τDOV
11
1.8
Ze vzorců plyne, že největší smykové napětí
nesmí překročit největší
napětí dovolené τDOV. Největší dovolené smykové napětí
je vyvoláno v náboji a
čepu napětím σt a σr. Určení radiálního a tangenciálního napětí je patrné z rovnic 1.9 a 1.10. (εr + µ
σr =
εt =
;
εt) ;
(εt + µ
σt =
εr)
εr =
1.9
1.10
Lokální extrém (maximum) radiálního napětí určuje rovnice 1.11 2
σrmax =
1.11
Poměr poloměrů představuje možnost vzniku přesahu a jeho vliv na nárust radiálního a tangenciálního napětí.
1.2 Aplikace přesahu na šroubové spojení Vznikem přesahu, který je omezen plastickou deformací závitu dochází k elastické deformaci, která s ohledem na jeho aktuální velikost vytváří předpoklady pro nárust radiálního a tangenciálního napětí, jeho výpočet lze stanovit z rovnic. U běžných závitů bývá uložení 6H/6h nebo 6H/6g s přechodem do závitu s kuželovým profilem dochází vlivem přechodného uložení k 6H/k5.
Obr. 3 Metrický závit 12
2. ŠROUBOVÉ SPOJE Šroubové spoje jsou jedním ze základních a univerzálních konstrukčních prvků, které se používají pro spojování konstrukcí, jejich částí a dílů. Většinou se skládá ze šroubu resp. svorníku, matice, případně jedné nebo dvou podložek. Šroubové spoje se používají hlavně k přenosu sil působících v ose šroubu. Tvoří tvarový spoj, protože síla se z jedné součásti přenáší do druhé tvarovou spojovací součástí, tj. šroubem. Často se používá šroubových spojů v případech, kdy síla působí kolmo na osu šroubu. Dotažením šroubu před provozním zatížením se vyvolá předpětí ve šroubu i spojovaných součástech a tím i tření ve spoji. Třecí síla Fµ způsobená utažením spoje, musí být větší než provozní síla F, daná vnějším zatížením. Funkčně si lze šroubový spoj představit jako ,,paket pružin“, kdy šroub působí jako tažná pružina, zatímco spojované desky jako pružina tlačná.
Obr. 4 Základní druhy šroubových spojů a) spoj s šroubem s hlavou a maticí; b) spoj zašroubovaným šroubem s hlavou; c) spoj závrtným šroubem a maticí; d) spoj lícovaným šroubem a maticí; e)spoj šroubem volně procházejícím průměrem lícované trubky
2.1 Části šroubového spoje Šrouby charakterizuje je tvar jejich hlavy (šestihranná, čtyřhranná, válcová se zářezem nebo vnitřním šestihranem, půlkulová, kuželová-zápustná apod.) nebo účel, popř. užití šroubu (lícované, odtlačovací, závrtné, stavěcí, závitořezné apod.). Vyrábí se ve třech výrobních třídách, lišících se jmenovitým průměrem závitu (třída A pro d ≤ 24 mm, B pro d > 24mm a C – původní hrubé šrouby). 13
Matice mají šestihranný tvar, méně často čtyřhranný, obě určené pro utahování maticovým klíčem. Vyrábí se ve dvou třídách (A pro d ≤16 mm a B pro d > 16 mm). Můžeme se setkat i s maticemi třídy C, jsou to původní hrubé matice. Výška matic je obvykle 0,8 d (tip 1), dále jsou matice s výškou o 10% vyšší (tip 2), ale můžeme se setkat i s maticemi nízkými. Podložky vkládají se pod matice a někdy též pod hlavy šroubů. Mají za úkol jistit matici nebo šroub proti uvolnění (pojistné a pružné podložky), zmenšují tlak matice nebo hlavy šroubu na dosedací plochu, zamezují odírání spojovaných součástí při častém rozebírání šroubového spoje, vyrovnávají nerovnosti nebo sklon dosedací plochy (podložky pod tyče I a U). Dále se používají prochází-li šroub oválnou dírou nebo dírou s velkou vůlí.
2.2 Síla předpětí Síla předpětí vzniká při montáži šroubového spoje. Jedná se o sílu, která šroub pružně prodlužuje, účinkem montážní síly předpětí. Síla montážního předpětí F M působí na šroub ve směru od spojovaných desek a na spojovaných deskách působí v opačném směru, což má za následek stlačení spojovaných desek. V tomto ,,paketu pružin“ reaguje šroub obvykle měkčeji než tuhé sešroubované části. Na obr. 5 je znázorněno pružné prodloužení šroubu způsobené montážní silou předpětí FM, popř. pružné stlačení dvou spojovaných desek způsobené stejnou silou.
Obr. 5 Síla předpětí Vysvětlení značek: FM = montážní předpětí fSM = prodloužení šroubu účinkem FM fPM = stlačení desek účinkem FM 14
Vlivem dodatečného sesednutí (např. v důsledku drsných dělících ploch nebo těsnění) může dojít k úbytku předpětí, což způsobí zmenšení svěrné síly. Přiloží-li se přídavné axiální provozní zatížení FA, šroub se přídavně zatíží jen o podíl FSA a prodlouží se. Tím dojde k uvolnění stlačených desek, síla sevření klesne o hodnotu FPA na zbytkovou svěrací hodnotu FKR. Je důležité, aby v dělících plochách upnutých desek zůstal dostatek zbytkové svěrací síly FKR, která zabrání vzájemnému posunutí desek při současném působení příčné síly. Jednotlivé síly jsou znázorněny na Obr. 6.
Obr. 6 Schéma sil Vysvětlení značek: FM = montážní předpětí fSM = prodloužení šroubu účinkem FM fPM = stlačení desek účinkem FM FS = síla šroubu FA = vnější, axiální síla FKR = zbytková svěrací síla v dělících spárách při odlehčení účinkem FPA FSA = rozdílová síla, podíl provozní síly FA, kterou je šroub přídavně zatěžován FPA = Podíl provozní síly FA, která upnutí dílce odlehčuje
15
2.3 Vliv montáže na šroubový spoj Utahováním šroubů a matic dochází ke stlačování spojovaných desek, které by se již dále neměli posouvat. Přílišné utažení šroubu, však může způsobit jeho prasknutí, při nedostatečném utažení se naopak může uvolnit nebo vlivem dynamického zatěžování poškodit. Z tohoto důvodu je účelné provádět kontrolu jejich dotažení. Rozptyl utahovacích momentů je znázorněn na Obr. 9. Z obrázku plyne, že šrouby do M 8 jsou zpravidla dotahovány příliš silně (riziko prasknutí šroubu), naopak šrouby nad M 14 se ručně nemohou vůbec dotáhnout na předepsané napětí (hrozí jejich uvolnění).
Obr. 9 Rozptyl utahovacích momentů, při ručním utahování uzavřeným klíčem Způsob utahování má vliv na rozptyl předpětí a tím na požadovaný průměr šroubu, z toho plyne, že čím přesněji se zvolí způsob utahování, tak tím menší šroub lze použít (vliv na velikost, hmotnost a ekonomičnost konstrukce).
16
Tab. 1 Vliv způsobu utahovaní na rozptyl předpětí a tím na požadovaný průměr šroubu
2.3.1 Utahovací faktor αA Utahovací faktor je při montáži důležitý pro dosažení požadované montážní síly, ta je stanovena během konstruování šroubového spoje. Faktor utažení má vliv na dimenzování šroubu a definuje přesnost utahovacího způsobu. αA = kde:
2.1 FM max je maximálně možná montážní síla předpětí FM min je minimální potřebná montážní síla předpětí
2.3.2 Tření v šroubovém spoji Při utahování šroubů vzniká tření a to pod hlavou, pod maticí a v závitu. Toto tření se musí brát v potaz při dimenzování šroubů. Pro snížení tření je důležité zvýšit utahovací moment a tím musí být šroub více dimenzován. Dále se musí dodržovat drsnost povrchu obrobku dle konstrukce a dodržovat případné mazání závitu. Mazání závitu má vliv na sílu předpětí, ta vzrůstá. Z toho plyne, že namazané šrouby dotahujeme menším utahovacím momentem, jinak hrozí nadměrné zvýšení předpětí, které může vést až k přetržení šroubu. 17
Koeficienty tření a mazání v závitu jsou znázorněny v Tab. 2, údaje v tabulce obsažené vychází ze směrnice pro výpočet šroubových spojů. Tab. 2 Koeficienty tření pro různé povrchy a mazání v závitu
2.4 Konstruování šroubových spojů Při konstruování šroubových spojů musíme zohlednit řadu faktorů. Nejdůležitější je zvolit správné dimenzování šroubového spoje vůči ostatním ovlivňujícím veličinám a to jak při výrobě, tak i montáži. Mezi faktory, které musíme dále zohlednit, patří:
Montážní síla FM, bude kolísat v závislosti na přesnosti montážního postupu mezi maximální a minimální hodnotou, tento rozdíl zohledňuje činitel utažení
αA.
Vliv sesedání, jeho vlivem může dojít k poklesu síly předpětí Fz.
Zvolený šroub, musí být schopen přenášet montážní předpínací sílu F M max (ovlivněno např. třídou pevnosti).
Podíl provozní síly FPA sníží svěrací sílu šroubového spoje na zbytkovou svěrací sílu FKR, která nesmí klesnout pod minimální hodnotu svěrací síly.
18
Zatížení přídavným podílem provozní síly FSA nad mez pružnosti.
Dynamické zatěžování šroubového spoje, amplituda kmitavé síly FSA max nesmí překročit únavovou pevnost šroubu.
Zohlednění síly sešroubovaných desek. Nesmí být překročené povolené plošné slisování materiálu pod hlavou šroubu a maticí.
Obr. 10 Hlavní dimenzovací vzorec
19
3. JIŠTĚNÍ ŠROUBOVÉHO SPOJE Dojde-li k povolení šroubového spoje, síla předpětí poklesne. Tento děj se dělí do tří možných variant a to do sesedání, samovolného vyšroubování a nebo ztráty šroubů a matic. Je celá řada možných jištění šroubového spoje proti nechtěnému uvolnění, povolení a ztrátě. Mezi často používané metody patří jištění proti sesedání (zabraňuje povolení), jištění šroubového spoje proti uvolnění s použitím konstrukčních prvků, tvarového spojení, chemického jištění. Proti ztrátě se v praxi setkáváme nejčastěji s jištěním pomocí různých závlaček nebo jištění pojistnou matkou.
3.1 Sesedání šroubového spoje Uvolnění šroubového spoje je způsobeno působením sil působících v axiálním směru. Dále dochází k vyrovnání dělících ploch. To způsobuje tzv. sesedání spoje, při tomto ději se šroub ani matice netočí. Příčinou tohoto děje je provozní zatížení, které vyvolává plastické protažení šroubu, zároveň s tímto dochází k poklesu předpětí. Tento pokles předpětí lze eliminovat použitím vhodných pojistných prvků, které nahrazují svým pružícím účinkem hodnotu fz (Obr. 11). Mezi tyto pojistné prvky lze zařadit pružné kroužky a podložky (pružná, ozubená, vějířová, se dvěma břity). Tyto pojistné prvky zajišťují potřebnou svěrací sílu v dělících plochách.
Obr. 11 Sesedání šroubového spoje
20
Z dalších prvků, které omezují sesedání je třeba zmínit různé druhy šroubů, lišících se hlavou, tvarem a tipem podložky nebo příruby (Obr. 12).
Obr. 12 Druhy šroubů eliminujících sesedání a) Šroub s válcovou hlavou a přírubou b) Šroub s šestihranou hlavou a přírubou c) Šroub s šestihranou hlavou s vydutou integrovanou podložkou d) Matice se svěrnou částí e) Šroub s čočkovou hlavou a vydutou integrovanou přírubou f) Šroub s čočkovou hlavou a odsazenou přírubou g) h) příklady podložek
Uvolňování je do značné míry ovlivněno konstrukčním dimenzováním šroubového spoje. Velký vliv mají hlavně:
Velikost a doba statického nebo dynamického zatížení
Svěrná délka spoje
Drsnost povrchu
Počet dělících spár
Deformace spolusevřených součástí
Druh materiálu
Vliv teploty
Přesnost utahovacího postupu
21
Proti uvolnění mají velký vliv konstrukční opatření proti sesedání, např.:
Hladké a čisté dělící plochy
Málo dělících spár
Používání šroubů viz Obr. 12
Přesné utažení na požadovanou sílu předpětí
Použití šroubů o vyšší pevnosti se zřetelem na přípustný tlak upnutých dílců
Použití pružných spojovacích šroubů nebo šroubových svorníků s pružným dříkem podle DIN 2510 L
Zvýšení poměru délky sevření a tím pružnosti šroubového spoje
Žádný jemný závit, větší dotyková plocha mezi závitem šroubu a závitem matice zvyšuje nebezpečí sesedání
3.2 Samovolné vyšroubování šroubů a matic Samovolné vyšroubování je způsobeno působením dynamických sil v příčném směru. Dochází-li k pohybu sešroubovaných dílů do stran, může dojít k částečnému vyšroubování šroubů nebo matic, což způsobí pokles předpětí na nulovou hodnotu.
Obr. 13 vyšroubování šroubu a matic
22
Mezi hlavní příčiny samovolného vytáčení patří následující jevy:
Konstrukční chyby
Nesprávné způsoby jištění
Nekontrolované utažení
Vibrace
Proti vyšroubování mají velký vliv tyto konstrukční opatření:
Šrouby o vysoké pevnosti. V důsledku větší síly předpětí se dá eliminovat vzájemné posunutí dílců a tím klouzání hlavy šroubu. Je důležité u tohoto opatření kontrolovat zda nebyl překročen mezní tlak pod hlavou šroubu.
Zapříčinění příčné síly (zabránění posunu upnutých součástí)
Šroubové spoje s větší délkou sevření (šrouby reagují pružně, hlava šroubu a matice se nedostávají do kluzu)
Hladké dělící plochy, eliminují sesedání a tím zmenšení síly předpětí
Konstrukční řešení proti vyšroubování:
Použití spojovacích prvků s větší silou předpětí
Použití spojovacích prvků se zvýšenou pružností (např. šrouby s pružným dříkem)
Použití prvků přenášejících příčné síly (zabraňujících posunutí sešroubovaných dílců)
3.2.1 Princip funkce prvků proti vyšroubování Jedním z principů je zvýšení tření na dosedací ploše sešroubovaných dílců, tím se zamezí, aby i kratší šrouby přestaly klouzat po povrchu. Mezi prvky, které se používají na zvýšení tření patří podložky profilované proti směru povolování. Podmínkou těchto podložek je, aby byl povrch dílce, šroubu a matic dostatečně měkký a dovolil vniknutí pojistného profilu. Pevnost spojovaných dílců, by měla být do 800N/mm2, aby se docílilo požadovaného vmáčknutí. U tohoto způsobu jištění se vždy jistí oba spojovací prvky (šroub i matice). V praxi se používají např. žebrované, ozubené a vějířovité podložky nebo šrouby a matice se zuby ve směru proti povolení na
23
dosedací ploše. Pro správné vniknutí profilování do spojovaných dílců se musí vyvinout plně utahovací moment. Z dalších možností jištění proti samovolnému vyšroubování je na místě zmínit tvarové spojení. Principem je uložení hlavy šroubu nebo matice do profilu nebo bodovým svárem. V praxi se setkáváme i s různými druhy profilovaných podložek s ohnutým nosem, ty se však osvědčují jen u šroubů s nízkou pevností za slabého dynamického namáhání nebo jako indikátor, zda se spojovací prvek neuvolnil.
3.3 Chemické jištění šroubového spoje Jedná se o velmi rozšířený způsob jištění šroubového spoje proti jeho uvolnění. Tato metoda je vhodná pro všechny materiály šroubů a pro všechny třídy pevnosti. Chemická vrstva se nanáší při montáži nebo je již na šroubu nanesena jako předběžná vrstva. Lepidla se dělí podle stupně pojištění na tři stupně podle síly potřebné k demontování. 1. Stupeň – malá síla, šroub lze snadno demontovat 2. Stupeň – střední síla, šroub lze demontovat pomocí ruční nebo strojní síly 3. Stupeň – vysoká síla, jedná se o trvalé jištění, které lze demontovat jen za určitých podmínek (např. za přístupu tepla) Pravidla pro použití chemického jištění
Používat čisté a odmaštěné plochy
Dodržovat dobu potřebnou k vytvrzení (podle konkrétního výrobku v řádech minut nebo hodin)
Při montáži je nutno dbát případných změn součinitele tření závitu
Tepelná odolnost podle konkrétního typu (až do 200 °C)
Kontrolovat chemickou odolnost
3.3.1 Druhy chemického jištění Loctite lepidlo – používá se na spoje demontovatelné, tak i na spoje, které se nebudou dále rozebírat. Vyrábí se ve třech stupních pevností a pro různé průměry závitů s dobou vytvrzení od 10 minut. Obsahuje v sobě tzv. tixotropní látky (zabraňují stečení).
24
ThreeBond Delo – tekuté anaerobní (vytvrzuje pouze, když nepřijde do styku s kyslíkem) lepidlo, které jistí šroub také proti vytáčení. Dodává se ve třech pevnostech. Mezi největší výhody patří, že nezávisí na průměru šroubového spoje. Doba vytvrzení 3 – 12 hodin. Scotch Grip Precote – nejmodernější způsob proti vytáčení. Využívá mikrokapsle, které jsou naneseny jako předběžná vrstva. Drobné částice lepidla uzavřeny v pouzdrech. Při zašroubování a předpínání závitu matice se vlivem tlaku mezi boky závitu část pouzder zničí. Vyteklé lepidlo se spojí se soustavou pojiva a zcela zaplní mezery mezi maticí a závitem svorníku. Doba vytvrzení je 3 – 6 hodin. Mezi hlavní výhody patří vysoká odolnost proti vytočení i za silných vibrací, dále jištění integrovaných součástí při montáži, manipulaci a skladování. Vyrábí se v různých typech pro konkrétní použití.
Obr. 14 Precote – schema vyplnění mezery mezi maticí a šroubem Svěrný povlak – na jednu část závitu je nanesen plast, jenž vytváří při dotažení svěrný účinek. Vyplní plastem axiální prostor mezi závitem šroubu a matice, tím se dosáhne velkého tlaku mezi proti sobě ležícími boky bez povlaku. Výhodou je vícenásobné použití.
3.4 Jištění proti ztrátě spojovacího prvku V případě kdy dojde k povolení matice, klesne síla předpětí na nulu, profilování hlav šroubů a podložek již není účinné. Hrozí další vytáčení spojovacích prvků, až k jejich ztrátě a vzniká i riziko vzniku možných škod. Jedním ze způsobů jištění je využití pojistek s tvarovým spojením (Obr. 15). Tyto součásti zabrání ztrátě spojovacího prvku 25
ovšem nezabrání poškození šroubu únavovým lomem. Dalším možným způsobem je využití silového spojení (obr. 16), které vyvíjí na závit šroubu mírnou svěrací sílu. Při této metodě se využívá pojistné matice, která vyvíjí vzájemným upnutím tlak na závit šroubu. Doporučený způsob montáže je utáhnutí nosné matice jen na 80% předepsaného momentu a pojistnou matici na 100%. Dalším způsobem ochrany proti ztrátě je využití matice a šroubu s integrovanou svěrací částí v závitu. Patří sem matice s nekovovou svěrací částí, celokovové matice se svěrací částí, u nichž dochází k sevření vlivem zdeformovaného závitu, dále sem patří tekutá pojistka šroubu VC3, závitotvářecí šrouby podle DIN 7500, spojovací prvky opatřené vrstvou Tuflok, jedná se o šrouby, které mají na závit nanesenou polyamidovou skvrnu nebo kroužek.
Obr. 15 Jištění proti ztrátě s tvarovým spojením
Obr. 16 Jištění přítužnou maticí
26
4. JIŠTĚNÍ POMOCÍ ZÁVITU TVARU KONVEXNÍHO
S KUŽELOVÝM
PROFILEM
Metoda jištění závitem s kuželovým vychází z myšlenky změny průměru závitu od konce v poměru 1:16. Normalizované rozměry platí ve stanovené vzdálenosti od konce. Pro vyzkoušení této metody v praxi jsem si vybral běžně používané sadové závitníky M12 x 1,75. Sada je tvořena třemi závitníky, z nichž první je používán na hrubé opracování závitu, druhý je předřezávací a třetí je dokončovací závitník, který je upraven. Prvním závitníkem se udělá hrubý závit do zkušebního kusu oceli. Tento kus má předem předvrtán otvor patřičným vrtákem dle norem (v našem případě o průměru 10,1mm). Druhý závitník se použije s použitím vratidla k vyřezání závitu do 90% hotového závitu. Třetím závitníkem se závit dokončí. Tento závitník je upraven tím, že je podél žeber rozříznut. Hloubka rozříznutí žeber je 20mm. Tento upravený závitník je znázorněn (Obr. 17).
Obr. 17 Schéma upraveného dokončovacího závitníku 27
4.1 Způsob úpravy závitníku Rozříznutí mezi žebry dokončovacího závitníku bylo provedeno na metalografické pile MTH. K rozříznutí byl použit kotouč o síle 1 mm z kubického nitridu bóru. Závitník se upnul do svěráku, který tvoří součást metalografické pily a v podélné ose mezi žebry se vyřezaly tři zářezy do hloubky 20mm. Závitník se očistil od třísek a byl připraven k použití. Jako další metoda se nabízelo ještě vyvrtání otvoru z čelní strany o síle 1 – 2mm pro zvýšení účinku sevření. Z této metody však bylo nakonec upuštěno, vzhledem k pracnosti a zdlouhavosti. Zbylé dva závitníky byly ponechány v původním stavu.
Obr. 18 Hotový upravený závitník
4.2 Zhotovení zkušebního závitu Pro zhotovení závitu se vybral plný tyčový materiál z oceli o průměru 20mm a délky 60mm. V ose materiálu se vyvrtal na soustruhu otvor o síle 10,1mm, tento otvor se vyvrtal po celé délce materiálu, pro budoucí lepší čištění a odvádění třísek. Dále se srazila hrana pro lepší zavedení závitníku, obrobek byl poté vyčištěn profouknutím stlačeným vzduchem. Poté se přistoupilo k řezání závitu. Obrobek se upnul do dílenského svěráku a byl vyřezán závit pomocí prvního závitníku do hloubky 28mm. Po vyčištění se závit 28
vyřezal druhým závitníkem do stejné hloubky. Zbývalo, už jen vyřezat závit posledním (upraveným) závitníkem. Opět se vyřezaný závit vyčistil od případných třísek a přistoupilo se k řezání závitu na hotovo, v průběhu řezání se závit průběžně čistil z důvodu zamezení vnitřního pnutí působícímu proti elastickému sevření upraveného závitníku. Závit byl vyřezán taktéž do stejné hloubky jak v předchozích případech. Na konci závitu tak vznikl pseudo parabolický profil, který by měl šroub více sevřít. Pro porovnání účinnosti této metody se vyřezal stejným postupem i klasický závit M12 neupraveným závitníkem. Každým závitníkem bylo zhotoveno několik obrobků pro testování sil sevření.
4.3 Porovnání klasického a ,, kuželového‘‘ závitu Cílem tohoto porovnání bylo přesvědčit se o vlivu sevření ,,kuželového‘‘ závitu na rozdílnost povolovacích sil oproti klasickému závitu. Jednotlivé obrobky se postupně upínaly do dílenského svěráku. Do obrobků se poté zašrouboval šroub. K dotahování a povolování se použil momentový analogový klíč Tohnichi DB50N. Klíč uchovává maximální hodnotu momentu pomocí vlečené ručičky viz. obr.20. Každý tip závitu se testoval s několika utahovacími momenty, aby vznikl ucelenější přehled rozdílů v sevření šroubu jednotlivých druhů závitů. Výsledky jsou znázorněny v Tabulce 3.
Obr. 19 Momentový klíč Tohnichi
29
Obr. 20 Detail ciferníku s vlečenou ručičkou Tab.3 Přehled povolovacích sil Dotahovací síla [N.m] Povolovací klasický závit
10 5
15 8
20 11
25 15
30 20,5
35 25
40 29,5
síla [N.m]
11
15
19
23
25
28
31
kuželový závit
Z tabulky je zřejmý rozdíl sil potřebných k povolení šroubu, tento rozdíl je výraznější u šroubů dotažených menší silou, kdy u kuželového závitu byla síla potřebná k povolení větší nebo rovna utahovací síle. Při dotažení většími silami, již nebyl rozdíl tak výrazný, ale stále se projevovalo větší sevření kuželového závitu. Tento rozdíl je ještě znázorněn na grafu, na kterém je dobře patrný zmenšující se rozdíl povolovacích sil. 35 30
25 20
Klasický závit
15
Kuželový závit
10 5 0 10
15
20
25
30
35
40
Graf 1. Povolovací síly [N.m] 30
Po vyšroubování šroubu z kuželového závitu byla shledána jeho mírná deformace z konce, který byl zašroubován v kuželovém zúžení. Deformaci způsobil tlak zužujícího se konce závitu. Nutno však podotknout, že díky tomuto sevření, byl šroub vice odolný, proti povolení.
Obr.21 Deformace závitu
4.4 Prokázání většího sevření v konci závitu Další částí experiment bylo přesvědčení se o skutečném větším sevření na konci závitu, vyřezaného kuželovým závitníkem oproti klasickému závitníku. Na tuto část experimentu byl připraven jeden kus obrobku vyřezaný kuželovým a jeden kus klasickým závitníkem. Do těchto obrobků se poté zašrouboval šroub dotahovací silou 30 N.m. Obrobek byl poté upnut do svěráku metalografické pily MTH a v podélné ose rozříznut (Obr.22). K rozříznutí byl použit kotouč o síle 1mm z nitridu bóru.
Obr. 22 Upevnění obrobku a řez v metalografické pile
31
Po rozříznutí se oba obrobky porovnaly a rozdíl v sevření byl dobře patrný. Závit šroubu v kuželovém závitu byl daleko vice ,,nalisován” než v klasickém závitu (Obr 23 a 24).
Obr.23 Závit vyřezaný klasickým závitníkem
Obr. 24 Závit vyřezaný ,,kuželovým” závitníkem
4.5 Závity jištěné přípravkem Loctite Mezi další možnosti zajištění, které jsme otestovali, v kuželovém závitu je chemické jištění pomocí přípravku Loctite 270. Tento přípravek je určen k trvalému upevňování a utěsňování závitových spojů. Produkt vytvrzuje, bez přístupu vzduchu ve spáře mezi lepenými kovovými povrchy a zabraňuje uvolnění či prosakování spoje, které je způsobeno vibracemi a rázy. Produkt je určen pro závity do M20, doba potřebná k zaschnutí je u oceli 10 minut. Výrobce uvádí povolovací moment 33 N.m.
32
Obr. 25 Přípravek Loctite 270 a jeho nanesení na šroub Přípravek byl nanesen na šrouby, které byly poté momentovým klíčem dotaženy silou 30 N.m do obou typů závitů a nechali se zaschnout po dobu 48 hodin. Výsledky jsou znázorněny v tabulce 4. Tab. 4. Závity jištěné přípravkem Loctite 270
Dotahovací síla [N.m] klasický závit Povolovací síla [N.m]
kuželový závit
S chem. jištěním 30 31
Bez chem. jištěním 30 20,5
42
28
Z tabulky je patrné, že jištění přípravkem Loctite zvýšilo sílu potřebnou k povolení šroubu zhruba o 50% u každého druhu závitu. Výrobcem deklarovaná povolovací síla 33 N.m však u klasického závitu nebyla dosažena.
33
5. DISKUSE Cílem práce bylo seznámit s vlivem přesahu na závitová spojení a zpracovat přehled o možných způsobech jištění závitových spojení. V experimentální části byla popsána možná metoda jištění závitového spojení eliminací profilu matice. Závit vyřezaný upraveným závitníkem, vykazoval, jak se později při sérii měření ukázalo, větší potřebnou sílu k povolení šroubu než klasický závit. Rozdíl této síly však s velikostí dotahovací síly klesal. To bylo způsobeno elastickými deformacemi v koncové části konkávního tvaru středního průměru kuželového závitu. Jako další část experimentu bylo přesvědčení se o možnostech využití chemického jištění proti uvolnění šroubu a vlivu na velikost povolovací síly, jak u klasického, tak i kuželového závitu. Na jištění byl použit v praxi hojně používaný přípravek Loctite 270 na rozebiratelné spoje. Síly potřebné k povolení šroubu vzrostly u obou typů závitů cca o 50%. Měřením se potvrdilo, že zúžení profilu na konci závitu v první fázi eliminuje vůli uložení (6H/6g) a postupně v rámci elastické deformace se uplatňuje přechodné uložení (např. 6H/k5), které se promění v elastickou deformaci vytvářející přítlak na tentýž závit šroubu až k hranici elasticko-plastického stavu. Velikost tlaku a radiálního resp. tangenciálního napětí by bylo možné určit z rovnice v případě přesné znalosti jejich velikosti. Jeho přesné určení v rámci orientačního měření bakalářské práce naráží na vybavení o měřících přesnostech 10 -3- 10-5 (profiloměr, obraz. analýza). Deformace šroubu po dotažení je kvalitněji rozložena a ukazuje na průběžné sevření závitu os od uložení s vůlí až do stavu nalisování. U klasického závitu je deformace plastického charakteru výraznější a neposkytuje svírací účinek nutný pro zajištění šroubu proti povolení. Z toho je zřejmé, že chemické jištění má své nesporné výhody, ale v případě nekvalitně připraveného povrchu (mastnota, prach) jeho účinnost razantně klesá a tudíž bez přítomnosti tlaku nutného mezi šroubem a konvexním tvarem závitu matice nedochází k zajištění polohy šroubu v případě dynamického (vibračního) namáhání.
34
6. ZÁVĚR Předkládaná bakalářská práce řeší praxí velmi žádanou problematiku – odolnost tvarového spoje proti jeho uvolnění působením dynamického (kmitavého) namáhání. Práce je ohledně požadavků na bakalářskou práci obsazena v kompilační rešeršní části vycházející z osobního názoru řešitele na celkový problém. Rešeršní část je zpracována v oblasti věcného posouzení tvarového (šroubového) spojení a možnosti vytvoření elastického svěrného napětí do závěru řezaného závitu (matice) pomocí upraveného nástroje, který umožňuje potřebné zmenšování středního průměru závitu pomalým ohybem volných konců závitníku. Nastíněná problematika byla ověřena základním experimentem, který předpokládané dopady konkávního konce závitu potvrdil. Z důvodu pouze orientačního měření nebyl v práci uveden detailní výpočet na postupné eliminace vůle, tlaku, radiálního a tangenciálního napětí. Velikost přesahu byla stanovena jen z pohledu metalografického pozorování (postupná eliminace vůle závěru závitu a uložení závěru závitu v přesahové oblasti. Uvedené skutečnosti jsou jednou z možností razantního řešení posuzované události v rámci vytváření znaleckého posudku. Uvolnění tvarového spojení (šroubu) může v praxi vést k vysokým ekonomickým a společenským ztrátám (uvolnění šroubu diferenciálu stavebního stroje, ztráta těsnosti u hydrauliky dřevozpracujících strojů apod.) Je-li posuzující seznámen s celkovou problematikou jištění šroubových spojů, může ve svém vyjádření kritický stav (technický problém) nejen erudovaně posoudit, ale i navrhnout případné řešení existujícího problému, který v technické praxi není ojedinělý a na jehož řešení pracují mnohé firmy (Bossard). S jejichž výsledky by měl technický znalec počítat. Z uvedeného je zřejmé jak synkretický přístup řešitele, přínos jeho poznání, zpracovaná metodika a její využití v technické praxi. V případě detailního rozpracování by bylo nutné vyrobit sadu dělených závitníků (Narex) po dohodě a provést statisticky vyhodnotitelný soubor měření, který by byl náplní závěrečné práce většího rozsahu, ale i významný v oblasti aplikačního jištění šroubových spojů u spojovacích zařízení.
35
LITERATURA: [1]
Thema B: Odborně technické informace, Bossard AG Schrauben, CH-6305 Zug, 2.vydání,2001
[2]
SVOBODA, Pavel. Základy konstruování. Vyd. 2., dopl. a přeprac. Brno: CERM, 2008, 234 s. ISBN 978-80-7204-584-6.
[3]
SHIGLEY,
Joseph
Edward,
Charles
R
MISCHKE
a
Richard
G
BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. 1. vyd. Editor Martin Hartl, Miloš Vlk. Brno: VUTIUM, 2010, 1159 s. ISBN 978-80-214-2629-0.
[4]
ŽDÍMAL, P. Lisovaný spoj. ústav konstruování, 2008.
[5]
HURNÍKOVÁ, Šárka. Stanovení technické životnosti předpjatého šroubu při stochastickém zatížení. Ostrava, 2005. VŠB - Technická univerzita Ostrava. Vedoucí práce Miloš Němček.
[6]
Loctite 270. Http://www.loctite.as/ [online]. [cit. 2013-05-29]. Dostupné z: http://www.loctite.as/?p=productsMore&iProduct=981121&sName=Loctite-270-10-ml-zajistovac-sroubu
[7]
Loctite 270. Http://www.loctite-eshop.cz/ [online]. [cit. 2013-05-29]. Dostupné z: http://www.loctite-eshop.cz/loctite-270-50ml-vysoko-pevnostni-p61
[8]
BUCHAR, Jaroslav, Stanislav BARTOŇ a Ivo KŘIVÁNEK. Mechanika těles. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 1996, iv, 161 s. ISBN 80-715-7213-6.
[9]
URBANEC, Michal. Jištění šroubového spoje. Brno, 2011. Bakalářská práce. Mendelova univerzita v Brně, Agronomická fakulta. Vedoucí práce doc. Ing. Michal Černý, CSc.
[10]
Precote. Http://www.konwert.com/ [online].
[cit.
2013-05-29].
Dostupné
z:
http://www.konwert.com/cz/precote-30-80-85,41.html
[11]
ONDRÁČEK, Emanuel. Mechanika těles. Pružnost a pevnost II. 2. vyd. Brno: VUT Brno, 1991, 262 s. ISBN 80-214-0299-7.
36
