УДК 624.078.46

Комплекс устройств для развинчивания трудноразборных резьбовых соединений

Рубцов Виталий Юрьевич – мастер участка АО "ЕВРАЗ-НТМК", аспирант Уральского федерального университета.

Аннотация: В статье рассмотрены возможные разрушения резьбовых соединений различных типов при их разборке. Предложены способы и устройства, позволяющие без разрушения производить развинчивание таких резьб. Кроме уменьшения сопротивления развинчивания для резьб с коррозией или резьбовых соединений на компаундах и герметиках, разработано устройство с векторным разделением приложенного усилия для развинчивания труб на резьбовых соединениях. Для развинчивания винтовых и болтовых соединений со сломанными гранями предложен универсальный трехгранный ключ.

Ключевые слова: Резьбовое соединение, усилие развинчивания, трубная резьба, деформированная резьба, трехгранный ключ.

Наиболее часто при разборке узлов на резьбовых соединениях происходит разрушение резьбовых элементов (шпилек, болтов, винтов, резьбовых отверстий, трубных резьб и т.д.). В виде причин, приводящих к разрушению, могут являться: деформация резьбовых элементов, коррозия или старение резьб, вызванное агрессивной средой, также усталостное напряжение в самих элементах при их длительеной работе под нагрузками, или при низком качестве изготовления самой резьбы (низком поле допуска). Характер разрушения может наблюдаться как в виде смятия (срыв) резьбы, так и сдвигового разрушения самого элемента.

Рассмотрим на примере болтового соединения возможность разрушения резьбового соединения при развинчивании.

При одновременном действии усилий, вызывающих срез и растяжение болтов, наиболее напряженный болт, наряду с проверкой на растяжение, проверяется по формуле (1) [1]

где N_s и N_t – усилия, действующие на болт, срезывающее и растягивающее соответственно;

N_bs и N_bt – расчетные усилия

Расчетное усилие Nb, которое может быть воспринято одним болтом, в зависимости от вида напряженного состояния, определяется по формулам:

– при срезе

– при смятии

– при растяжении

где R_bs, R_bp, R_bt – расчетные сопротивления болтовых соединений (табличные значения);

d – наружный диаметр стержня болта

A = πd²/4 – расчетная площадь сечения стержня болта;

A_bn – площадь сечения болта нетто

Σ t – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении;

n_s – число расчетных срезов одного болта;

γ_b – коэффициент условий работы болтового соединения при работе на срез и смятие, учитывающий качество обработки поверхности отверстий для болтов и их расположение в соединяемых элементах

При развинчивании болта, начальный момент будет соответствовать сопротивлению на разрыв, что по модулю будет равно сопротивлению на развинчивание. При допущении, что максимальное действие на резьбу при ее развинчивании будет приходиться на головку болта с точечным упором для фиксирования, усилие на срез будет соответствовать усилию на развинчивание. Упразднив квадратичность приложения суммарного усилия, предположим, что данные усилия будут равны и установим их по усилию развинчивания болта, определяемого по формуле (5) [2]:

где σ_разр - условная прочность при разрыве

p – шаг резьбы

n – число витков резьбы

d – диаметр резьбы

γ – угол при вершине резьбы (для метрических 60°)

α – угол подъема витка резьбы

Подставив в формулу (1), значение N_s=F, как усилие, по модулю равное усилию среза, а N_t =0, получим:

При развинчивании такого соединения на динамометрическом ключе, значение F_доп. (допустимое усилие) не должно превышать N_bs , иначе произойдет разрушение болтового соединения.

В качестве уменьшения фактического значения F, необходимого для развинчивания резьбового соединения без разрушения, возможно коррелировать следующие параметры:

Уменьшить σразр, как было описано в предыдущей статье [2] для соединений на тиоколовых компаундах и герметиках, используя 3% пероксид водорода; для резьб с повышенной коррозией – используя размягчитель коррозии (мыльный раствор, керосин или минеральные кислоты).

В случае, когда резьба была механически повреждена при превышении допустимых нагрузок или при деформации соединения - особенно часто наблюдается в трубных соединениях (на фитингах), возможно использовать разделение допустимого усилия на осевое и радиальное (рис 1):

Рисунок. 1 Схема приложения сил при развинчивании резьб.

Используя такое разделение в зависимости от значения угла подъема витка резьбы, возможно уменьшить усилие развинчивания до 20%.

Одно из предлагаемых устройств, использующих разделение усилий, приведено на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство для развинчивания трубных резьб с применением разделения усилий.

В данном устройстве трубы 1,2, обжимаются хомутами 3; за счет цилиндров 4, происходит раздвижение кронштейнов 6 в окружном направлении, раскручивая резьбу. Одновременно с этим цилиндр 5 создает смещение кронштейнов 6 в осевом направлении, раздвигая хомуты 3, которые шарнирно закреплены на оси 7, позволяющей производить как скручивание хомутов относительно друг друга, так и их осевое смещение, благодаря скольжению по ней. Усилие, создаваемое в цилиндрах 4 суммарно не должно превышать N_t (по формуле 8), для предотвращения разрушения резьбы. Усилие, создаваемое в цилиндре 5, допускается превысить на 5-10% N_s (рассчитанной по формуле 7), для создания противоположного усилия в векторной системе, либо, для создания циклически-повторяющихся усилий с применением переменного режима воздействия.

Также к трудноразъемным резьбовым соединениям возможно отнести соединения с разрушенными опорными поверхностями под инструмент. При использовании гаечных ключей с открытым зевом, нагрузка распределяется по двум противоположным граням, что часто приводит к срыву граней, поломке ключа или разгибанию зева. Для развинчивания трудноразъемных винтов (болтов) преимущественнее использовать ключи шестигранные (накидные, торцевые), при работе такого ключа работают, как правило, минимум 3 грани под углом 120º, что при развинчивании положительно влияет на распределение нагрузки, а замкнутость поверхности граней придает ключу надежность. В случае, когда 2-3 грани на шестиграннике винта деформированы, произвести развинчивание такого винта практически невозможно даже 6-гранным ключом, как правило, ключ будет либо прокручиваться, либо не установится на шестигранник винта. Наиболее часто применяемый способ: установка на сварку рычага и выкручивание винта, но в силу характера работы некоторых устройств и механизмов (устройства с высокочастотными датчиками, с присутствием легкоплавких материалов, горючих и взрывчатых веществ), не всегда есть возможность использовать сварку в работе. Так к примеру, для винтов со сломанными гранями, существует множество экстракторов для извлечения винта, а также специализированных ключей, описанных в литературе [3]. Перечисленные ключи отвечают только некоторым конкретным требованиям, поэтому был разработан универсальный ключ.

Рисунок 3. Ключ трехгранный универсальный для развинчивания винтов с деформированными гранями.

На рисунке 3 предлагается ключ для развинчивания винтовых и болтовых соединений с разрушенными гранями. На ключе 1 грани 2,3 неподвижны и прилегают к целым граням головки винта, грань 4 регулируется винтом 5.

Особенность такого ключа заключается в том, что при развинчивании, также как и у 6-гранных ключей, в работе задействованы 3 грани и имеется замкнутый контур, что позволяет создавать больший крутящий момент, без деформации. Для развинчивания винта таким ключом, достаточно иметь на поверхности 2 целых грани под углом 120º, 3-ю грань под углом 120º предварительно необходимо подготовить (срезать или обточить напильником). Конструкция ключа позволяет использовать его для широкого диапазона наружных шестигранных головок.

Список литературы