Спецможливості
Техніка та обладнання

Пружинні шайби нарізних з’єднань сільгосптехніки

02.09.2008
149
Пружинні шайби нарізних з’єднань сільгосптехніки фото, ілюстрація

Взаємодія між агрегатами, вузлами та деталями машин забезпечується завдяки з’єднанням: зварюваним, штифтовим, шпонковим, нарізним тощо. Відповідність їхніх механічних властивостей, геометричних розмірів технічним умовам (ТУ) безпосередньо впливає на надійність машини в цілому.

Взаємодія між агрегатами, вузлами та деталями машин забезпечується завдяки з’єднанням: зварюваним, штифтовим, шпонковим, нарізним тощо. Відповідність їхніх механічних властивостей, геометричних розмірів технічним умовам (ТУ) безпосередньо впливає на надійність машини в цілому.

Кількість пружинних шайб у сучасній сільгосптехніці сягає 3000–5000 штук. Під час розрахунків показників надійності, зокрема безвідмовності, довговічності та збереженості, ігнорування такою кількістю деталей є науково не обгрунтованим.
Питання надійності з’єднань машин науковці розглядають уже кілька десятиліть, проте, попри досягнення в цій царині, не зникає потреба в його детальнішому вивченні. Приміром, вивчення стабільності закручування нарізних з’єднань потребує глибших досліджень усіх чинників, що впливають на самовідкручування, зокрема застосування пружинних шайб, кількість яких на сучасних зернозбиральних комбайнах перевищує 3000 шт. Із практики відомо, що введення пружинних шайб у нарізне з’єднання збільшує максимальну енергію коливань, за якої починається самовідкручування навантаженого в поперечному напрямі з’єднання. Проте не відомо, чому саме воно не забезпечує надійної фіксації з’єднання. Питанням дослідження експлуатаційних характеристик пружинних шайб, а саме: відповідності пружної сили шайб чинним технічним вимогам, її стабільності впродовж повторних циклів навантажень, відмовам унаслідок корозії, недостатньої твердості та порушення геометрії — відводилося недостатньо часу.
Наразі найбільше використовують кріпильні нарізні з’єднання в такому складі:
1 — болт (шпилька);
2 — гайка;
3 — шайба плоска;

Нормальна пружинна шайба (праворуч) та із залишковою деформацією внаслідок дії великої кількості циклів навантажень-розвантажень (ліворуч)

4 — шайба пружинна.
Як свідчить практика, надане зусилля притискання болтом із гайкою не залишається незмінним упродовж роботи з’єднання, чимале значення у цьому процесі належить пружинній шайбі. Вона є однією з послідовно з’єднаних деталей системи нарізного з’єднання, і ймовірність безвідмовної роботи протягом певного періоду експлуатації дорівнює добутку відповідних імовірностей з’єднуваних деталей, болта, гайки, плоскої та пружинної шайб. Якщо умовно взяти ймовірності безвідмовної роботи з’єднуваних деталей, болта, гайки та плоскої шайби рівними 1, то знайдемо, що загальна ймовірність лімітується відповідним значенням для пружинної шайби — 0,8:
p=p1 .p2 .p3 .p4 .p5 .p6 = 1 .1 .1 .1 .1 .0,8 = 0,8 .
Насамперед, слід зазначити, що пружинна шайба має основний недолік — створення ексцентричного навантаження під час стискання.
Згинальний момент при цьому створює додаткове напруження в стрижні болта. Наприклад, для болтового з’єднання М10 із зусиллям

Пружинні шайби номінального діаметра 10 мм:
1 — зруйнована, 2 — нова, 3 — деформована

притискання 2000Н напруження може сягати дворазового значення в поперечному перерізі дії пружної сили шайби, що в окремих випадках спричиняє відривання головки болта чи нарізного стрижня.
До несправностей пружинних шайб, які лімітують ресурс усього з’єднання, належать:
1) зменшення пружної сили;
2) зменшення твердості робочих ребер;
3) пошкодження поверхні корозією;
4) руйнування;
5) розгинання кінців.

Дослідження
1. Пружна сила
Основні вимоги до досліджуваних шайб — сталевих, нормального типу, виконання 1 за ГОСТ 6402–70, покриття за ГОСТ 1759–70 наведено в табл. 1.
Ми провели дослідження на відповідність пружної сили технічним умовам. За результатами вимірювань осн

Нарізне з’єднання, пошкоджене корозією

овні геометричні розміри та зовнішній вигляд досліджуваних шайб відповідали технічним умовам ГОСТ 6402–70. Дослідження пружних властивостей пружинних шайб проводили на випробувальній універсальній машині типу FM-500 ННТІ НАУ. Дослідні зразки шайб відбирали по 12 штук кожного досліджуваного типорозміру з партій по 1000 штук у кожній.
Шайби навантажували до значення деформації, коли вся їхня опорна поверхня торкалася опори установки, а збільшення зусилля не спричиняло фіксації деформації на циферблаті випробувальної машини. Через кожні 0,25 мм деформації пружинних шайб з номінальним діаметром 10 та 12 мм (16 мм — 0,5 мм, 6 мм — 0,1 мм, 8 мм — 0,2 мм) тимчасово припиняли навантаження й записували значення зусилля. За результатами досліджень з’ясували, що пружність шайб зменшується зі збільшенням циклів навантажень.
За даними досліджень, тільки 26% шайб відповідали ТУ за пружною силою, що свідчить про якість вихідного контролю на заводах-виробниках і наголошує на потребі підвищення якості вхідного контролю під час закупівлі в ремонтні майстерні та господарства. Із певним припущенням можна сказати, що зі 100 встановлених шайб у перші години роботи вийдуть із ладу 74 одиниці. Під час проведення досліджень виявлено, що існують значні розбіжності між пружністю пружинних шайб під час їх навантаження та розвантаження. Це явище має місце внаслідок внутрішніх втрат енергії у матеріалі.
За даними експериментальних досліджень, залежності відношення сили пружності під час навантаження до сили пружності під час

Механічний зв’язок із пружинною шайбою: 1 — опорної поверхні гайки,
2 — з’єднуваної деталі

розвантаження від деформації та кількості навантажень 12 пружинних шайб п’яти типорозмірів є не лінійними, що свідчить про комплексну дію всіх чинників.
Грані відігнутих кінців пружинних шайб мають бути гострими, щоб могли вдавлюватися в м’якший матеріал фіксованих деталей, забезпечуючи цим самим механічний зв’язок, що перешкоджає послабленню. Проте в разі недостатнього зусилля пружності шайба не виконує свого призначення й залишається в плоскому стані між гайкою та опорною поверхнею деталі, виступаючи при цьому слабкою ланкою в з’єднанні.
Це спричиняє розкручування з’єднання і, відповідно, вихід із ладу з’єднуваних деталей, що тягне за собою втрати коштів та робочого часу на відновлення працездатності.
2. Твердість
Твердість пружинних шайб є одним із визначальних чинників їхньої працездатності. Згідно з ГОСТ 6402–70 сталеві пружинні шайби повинні мати твердість 41,5–49,5 HRCе (НRС 40–48) (табл.1).
У лабораторії ННТІ НАУ шайби, які не було використано, перевіряли на твердість твердоміром переносним типу НРО-10 у трьох точках, взаємно зміщених на 120° (по три точки на кожні 120°, усього дев’ять точок на шайбу). Для досягнення належної точності досліджувані точки очищали від антикорозійного покриття з допомогою шліфування. За даними досліджень, кількість шайб, що відповідають технічним умовам за твердістю, становить 28% загальної кількості шайб.
18,88% досліджуваних шайб мають недостатню твердість, 53,31% — надмірну. Недостатня твердість спричиняє залишкову деформацію шайби, зокрема і робочих ребер, надмірна — її руйнування. Слід також сказати, що надмірне значення пружної сили теж негативно впливає на стабільність зусилля попереднього закручування з’єднання. В цьому разі явище самовідкручування може проявлятися двома способами.
1. За контролю зусилля попереднього закручування або крутного моменту під час монтажу з’єднання потрібне їхнє значення настає до повного замикання контактуючих поверхонь. Ця коливальна система матиме елемент (не доведена до плоского стану пружинна шайба), пружність якого в кілька разів менша за пружність інших елементів. Тому активно відбуватиметься згадуване явище “відставання”, матеріал шайби працюватиме на навантаження-розвантаження зі значними амплітудами.
2. Якщо з’єднання довести до замкнутого стану, надмірне зусилля в нарізному стрижні спричинить його залишкову деформацію, і з’єднання послабиться.
3. Корозія
Великої шкоди в середовищі вологого повітря за звичайної температури завдає корозія металів: щорічна світова втрата металу сягає 20%. За підвищеної вологості повітря поверхня металу покривається тонким шаром води, в якій розчиняються кисень та інші гази, що містяться в повітрі. Під дією кисню на поверхні металу утворюється плівка оксидів. Швидкість корозії залежить від багатьох чинників, зокрема, від забрудненості та вологості повітря. За відносної вологості повітря близько 65% інтенсивність корозії невелика. Її називають критичною. В разі перебування сталі в середовищі повітря з відносною вологістю понад 65% інтенсивність корозії зростає.
Пошкоджена корозією пружинна шайба:
а) збільшується в розмірі, бо іржа має меншу густину, ніж метал, з якого вона утворилася, довантажуючи таким чином нарізне з’єднання;
б) має меншу твердість робочих граней, роблячи деталь недієздатною.
Збільшення зусилля притискання з’єднуваних деталей завдяки іржі хоча і є позитивним явищем, однак іржа — це нестійка хімічна сполука, і за вібраційного навантаження вона руйнується, тоді в нарізному з’єднанні виникає зазор. Твердість робочих граней

Фото 3. Розігнуті пружинні шайби номінального діаметра 10 і 12 мм

пружинної шайби має бути більшою за твердість контактуючих із нею поверхонь і є визначальною в її дієздатності. Зменшення твердості шайби нижче за НRС 40–48 не дасть змоги мати стабільний механічний зв’язок між деталями нарізного з’єднання і з’єднуваними деталями.
4. Руйнування
Через неякісний матеріал та неправильну експлуатацію пружинна шайба може зруйнуватися. Найчастіше причинами цього небажаного явища є крихкість матеріалу, надмірний розхил кінців шайби та вплив ударних навантажень унаслідок недостатнього зусилля притискання з’єднуваних деталей.
5. Розгинання
Пружинні шайби мають ще один вагомий недолік. Унаслідок створення механічного зв’язку між робочою гранню та опорною поверхнею гайки (грань вдавлюється в гайку) виникає додатковий опір під час її відкручування (рисунок 1).
Цей опір розгинає або ламає кінці шайби, роблячи її таким чином недієздатною. У разі ж вдалого демонтажу з’єднання без розгинання чи ламання шайби опорна поверхня гайки залишається ушкодженою, що створює сприятливі умови для корозії.

Практичні рекомендації
1. Кількість пружинних шайб, які використовують на сучасній сільгосптехніці, сягає 3000 шт. Проте дотепер питанню їхньої надійності (а можливо, й доцільності використання) відводили недостатньо часу.
Внаслідок дії вібраційного навантаження на нарізне з’єднання за певної частоти та амплітуди вимушеної сили відбувається процес заміни сили навантаження силою розвантаження. З огляду на те, що сила навантаження в 1,13–21,16 раза більша за силу розвантаження, відбувається “відставання” в русі деталей нарізного з’єднання від з’єднуваних деталей. Унаслідок цього явища створюється зазор між опорною поверхнею шайби та гайкою (шайби та з’єднуваною деталлю), сили тертя зменшуються до нуля — і починається самовідкручування. В такому разі пружинна шайба зі значною різницею між пружністю навантаження і розвантаження та недостатнім зусиллям попереднього закручування з’єднання стає недієздатною. Цю різницю можна зменшити кількома циклами навантаження пружинної шайби до плоского стану перед монтажем на машину.
Кількість циклів для кожного з розміру шайб наведено в табл. 2 (значення округлено у більший бік, якщо кількість десятих 0,5 і більше, в менший бік — менше 0,5).
На практиці процес зниження коефіцієнта К(n)і найефективніше виконувати підтяжкою з’єднань після короткочасного прикладання робочого навантаження, кількість циклів коливань при цьому має відповідати наведеній у таблиці 3.
2. Твердість шайб є величиною, що безпосередньо впливає на їхню пружність. Різниця між дослідженнями на відповідність ТУ пружності та твердості в 2% дає змогу з достатньою для практики точністю застосовувати метод визначення пружних характеристик за зусиллям стискання пружинних шайб до плоского стану. За ГОСТ 6402–70 не передбачено перевірки пружної сили, але цей метод можна використовувати як альтернативний під час приймання шайб у господарствах, ремонтних майстернях тощо.
3. Потребує уваги й таке негативне явище, як корозія. Основними способами захисту від корозії є застосування шайб із металевими покриттями, стійкими до корозії. Наразі в господарствах використовують три способи зберігання техніки:
1 — відкритий;
2 — закритий;
3 — комбінований.
Домінуючим серед них є, на жаль, відкритий, який у поєднанні з високим відсотком спрацьованості спричиняє чималі затрати робочого часу та коштів на відновлення працездатності. Належний захист від корозії нарізних з’єднань буде в умовах закритого способу зберігання техніки.
4. Руйнування шайб — не завжди раптова відмова, оскільки це явище є наслідком неякісного виготовлення або неякісного матеріалу. Ретельний вхідний контроль під час постачання цієї продукції вилучить його з переліку причин відмови сільгосптехніки в період сівби, садіння, збирання врожаю тощо.
5. Якщо унеможливити відмови пружинних шайб через перші чотири причини можна завдяки організаційним, технологічним, експлуатаційним та іншим способам, то уникнути розгинання кінців під час демонтажу не можна через спільність принципу роботи шайби з даним явищем. Інакше кажучи, шайба для того й призначена, щоб створювати додатковий опір саморозкручуванню завдяки утворенню механічного зв’язку з’єднуваних і з’єднуючих деталей. Усунути явище розгинання (ламання) можна тільки одним способом — вилучити шайбу з експлуатації: нема пружинної шайби — нема й проблеми.

Висновок
Пружинні шайби є невід’ємною складовою сучасної сільськогосподарської техніки. Та, на жаль, доцільність їхнього використання все ще залишається поза увагою, замість того, щоб з допомогою таких шайб зміцнити надійність і без того ненадійних машин. Річ у тому, що нарізне з’єднання є гвинтовою парою, і кут підйому гвинтової лінії у найнесприятливіших умовах цілком достатній для її самогальмування. Проведений аналіз відмов свідчить, що без потреби встановлена пружинна шайба знижує рівень надійності з’єднання (замість підвищення) і спричиняє відмови   сільськогосподарської техніки, а отже, й значні затрати робочого часу та коштів. Нині для підвищення надійності роботи з’єднання нарізному стрижню надають науково обгрунтоване попереднє напруження й періодично його контролюють під час роботи.

Я. Михайлович,
О. Романюк,
канд. техн. наук, доценти
А. Рубець,
А. Засунько,
асистенти, НАУ

Інтерв'ю
Ма­рек Руж­няк— влас­ник гру­пи ком­паній Agro-Land Group
Аг­рар­на Поль­ща та­кож міцно «при­кипіла» до Ук­раїни, ад­же польські тех­но­логії, техніка, посівний та насіннєвий ма­теріал уже дав­но от­ри­ма­ли схва­лен­ня ук­раїнських сільгоспви­роб­ників і
Заріпов Андрій
Несприятливі погодні умови часто спричинюють втрату частини врожаю.  Але аграрії можуть зберегти фінансову стабільність  за допомогою агрострахування. 

1
0