Глава 4. Сборка типовых узлов

4.1. Способы сборки узлов и соединений

В процессе сборки узлов важным является обеспечение соответствующей точности сборки, т.е. обеспечение требуемых сопряжений, зазоров, натягов.

Требуемую точность можно обеспечить:

· применением карт измерений сопрягаемых поверхностей;

· пригонкой;

· применением компенсаторов;

· макетной сборкой.

Карты измерений, как правило, составляются при сборке узлов, содержащих стандартные или унифицированные детали. Особенно это касается сборки сдвоенных подшипников качения, когда должна быть обеспечена минимальная разница диаметров внешних колец в пределах существующих допусков.

В этом случае должна быть обеспечена высокая точность измерений.

При использовании пригонки точность сборки достигается путем пригонки одного из заранее намеченного для этой цели звена. Все остальные звенья при этом изготавливают с допусками, экономически приемлемыми для определенных производственных условий.

Для компенсации погрешностей, полученных при обработке сопрягаемых деталей, и при их сборке во многих случаях используют компенсаторы. Компенсаторы подразделяются на неподвижные (прокладки, шайбы, кольца, слой самотвердеющей пластмассы и др.) и подвижные (клинья, втулки, пружины, эксцентрики, регулировочные винты и т.д.).

Этот способ широко используется при сборке зубчатых и червячных передач.

При сборке крупногабаритных изделий иногда используется макетная сборка. Например, при соединении штанги с большим конусом доменной печи требуется высокая плотность сопряжения поверхностей клина с конусом и штангой. В этом случае изготавливается макет соединения конуса и штанги и на нем осуществляется подгонка поверхностей клина.

На макетах осуществляется подгонка криволинейных участков трубопроводов циркуляционных смазочных систем, монтируемых в подвальных помещениях.

4.2. Сборка резьбовых соединений

Резьбовые соединения в конструкциях машин составляют 15-25 % от общего количества соединений. Сборка их в процессе монтажа оборудования (крепление крышек, полумуфт) в большинстве случаев выполняется вручную из-за отсутствия механизированного инструмента или невозможности его применения. Эти операции являются наиболее трудоемкими и в то же время требуют высокой квалификации рабочего, чтобы обеспечить необходимое усилие затяжки. Примерно 80 % энергии, расходуемой на весь процесс завинчивания, затрачивается на преодоление сил трения и около 20 % на затяжку. Поэтому необходима разработка способов, обеспечивающих значительное снижение трудозатрат на затяжку болтовых соединений, особенно при монтаже металлургических машин, где используются болты с резьбой от М10 до М400. Затяжка болтов может осуществляться двумя способами:

1) удлинение болта на величину, обеспечивающую необходимое усилие, и затем довинчивание гайки на эту величину;

2) довинчивание гайки, обеспечивающее необходимое усилие затяжки, с использованием механизированного инструмента.

На работоспособность болтового соединения решающее влияние оказывает правильно выбранное усилие затяжки.

Сила предварительной затяжки может быть найдена из выражения:

(4.1)

где Р - внешняя нагрузка на болтовое соединение, МН;

К - коэффициент, равный 0,75-1,0 и зависящий от конструктивных особенностей соединения;

E₁, Е₂ - модуль упругости материала болта и соединяемых деталей соответственно, МПа;

F₁, F₂ - поперечные сечения болта и детали (условного цилиндра), м².

При затяжке резьбового соединения вращением гайки необходимое усилие Р_кл, приложенное к гаечному ключунарасстоянии L_кл от оси вращения, можно определять из зависимости

(4.2)

где d - наружный диаметр резьбы.

Необходимая величина затяжки может быть достигнута поворотом на определенный угол j гайки после соприкосновения стыковых плоскостей соединения.

(4.3)

где L - длина болта или шпильки между опорными плоскостями, м;

S -шаг резьбы, м;

Е₁,E₂-модули упругости материала соответственно болта и детали, МПа;

F₁, F₂ - площади сечения болта и скрепляемых деталей, м².

Затяжку резьбового соединения можно также контролировать, измеряя удлинение болта

(4.4)

Напряжение растяжения в болте в этом случае не должно превышать 0,5-0,7 предела текучести материала.

При монтаже стяжных болтов (соединение станин прокатных клетей, мощных прессов и других машин), имеющих значительные диаметры резьбы, при затяжке требуются большие крутящие моменты на ключе. В ряде случаев создание таких моментов представляет значительные трудности. В распоряжении монтажных организаций имеется гидравлический ключ УБС-200, рассчитанный на затяжку болтов диаметром до 200 мм.Существует способ затяжки резьбовых соединений, основанный на растягивании болта гидроцилиндром с захватом за дополнительную гайку, установленную на болте. В этом случае основная гайка должна находиться под небольшим натягом.

После растяжения болта основная гайка должна быть повернута на угол j, рассчитанный по зависимости (4.3). Но по конструктивным или технологическим условиям часто не может быть использован гидравлический принцип растягивания болта. Тогда применяют термический способ затяжки. Требуемая сила затяжки Р_заm обеспечивается удлинением болта после предварительного нагрева на величину l_t=l_зат.

Температура подогрева может быть определена из следующего соотношения:

(4.5)

где a -коэффициент линейного расширения материала болта;

L_н - длина нагрева болта.

Контролируют нагрев измерением удлинения болта. После нагрева гайку поворачивают до соприкосновения с деталью.

4.3. Сборка соединений с гарантированным натягом

В металлургических машинах соединения с гарантированным натягом имеют большое распространение: соединение полумуфты с валом, подшипника качения с валом, ступицы зубчатого колеса с валом, зубчатого венца со ступицей и т.д.

По способу получения нормальных напряжений на сопрягаемых поверхностях соединения с гарантированным натягом условно делят на поперечно-прессовые и продольно-прессовые.

В поперечно-прессовых соединениях сближение сопрягаемых поверхностей происходит радиально или нормально к поверхности. Такие соединения осуществляют одним из следующих способов:

- нагреванием охватывающей делали перед сборкой;

- охлаждением охватываемой детали;

- путем пластической деформации (например, развальцовки);

- приданием упругости охватываемой детали;

- при использовании материалов, обладающих "памятью" формы.

При продольно-прессовом соединении охватываемая деталь под действием прикладываемых вдоль оси сил запрессовывается в охватываемую деталь с натягом.

Сборку с нагревом охватывающей детали осуществляют тогда, когда в соединении предусмотрены значительные натяги.

Минимальная температура после нагрева для стальных деталей:

(4.6)

где d - диаметр отверстия, мм;

t_н - начальная температура детали, °C;

a - коэффициент, равный 1,15-1,3, компенсирующий частичное охлаждение детали в процессе ее установки перед запрессовкой;

i - натяг, мм;

a - необходимый свободный зазор, мм;

«+» - нагрев;

«-» - охлаждение.

При сборке продольно-прессового соединения с гарантированным натягом наибольшая сила запрессовки P может быть найдена по формуле:

P = f_зап p d L, (4.7)

где f_зап - коэффициент трения при запрессовке;

- контурное давление на поверхности контакта, МПа;

d - диаметр охватываемой детали, м;

L - длина запрессовки, м.

Контурное давление на поверхности контакта можно определить по формуле:

(4.8)

где d - расчетный натяг, мкм;

Е₁, E₂ - модули упругости охватываемой и охватывающей детали соответственно, МПа;

C₁=0,7 - для сплошного стального вала;

C₂ - для охватывающей детали:

где D - наружный диметр охватывающей детали, м;

d - внутренний диаметр детали, м;

m₂ - коэффициент Пуассона, для стали - 0,3, чугуна - 0,25, бронзы – 0,33.

Коэффициент трения при запрессовке колеблется в широких пределах от 0,05 до 0,25 (меньшие значения со смазочным материалом).

При гидропрессовом способе с целью уменьшения усилия запрессовки на контактную поверхность между сопрягаемыми деталями подается масло под давлением, обеспечивающем разделение контактирующих поверхностей слоем смазочного материала (рис.4.1).

Рис. 4.1. Схема запрессовки путем нагнетания масла

Охватываемая деталь делается с разными посадками по длине запрессовки, чтобы обеспечить незначительный натяг в начале ее и за счет этого создать необходимое давление масла на поверхности контакта.

4.4. Сборка узлов с подшипниками качения

Основные требования, предъявляемые к собираемым узлам:

- тщательная промывка;

- точная сборка и регулировка радиальных зазоров.

От качества выполнения посадки подшипников на вал или в корпус зависят долговечность и надежность работы машины. Сборка подшипниковых узлов может осуществляться различными способами:

- с помощью ручных, пневматических или гидравлических прессов;

- подогревом подшипников в горячем минеральном масле;

- охлаждением вала с применением твердой углекислоты;

- индукционным нагревом.

Работоспособность подшипников обеспечивается при точном соблюдении радиальных зазоров. На сборке, вследствие затруднения измерения радиальных зазоров, чаще всего измеряют и контролируют осевой зазор, т.е. осевое перемещение вала с напрессованным внутренним кольцом относительно внешнего кольца подшипника. Особое внимание необходимо уделять контролю осевых зазоров в регулируемых подшипниках. Регулировка осевых зазоров подшипников в узлах металлургических машин, как правило, осуществляется подбором необходимого комплекта прокладок, обеспечивающих заданный осевой зазор. Порядок регулировки следующий:

- установка торцевой крышки (рис. 4.2) до упора в торец наружного кольца подшипника и закрепление ее равномерно винтами так, чтобы выбрать осевой зазор в подшипнике (туго проворачивается вал);

- измерение щупом зазора К в нескольких местах по окружности между торцевыми поверхностями крышки и корпуса;

- определение толщины комплекта регулировочных прокладок по формуле:

(4.9)

где К_ср - средний зазор между крышкой и торцевой поверхностью корпуса, мм;

С - осевой зазор подшипника, мм;

- установка рассчитанного комплекта регулировочных прокладок, затягивание винтов и проверка вращения вала (оно должно быть свободным).

Рис. 4.2. Регулировка конического роликоподшипника

4.5. Сборка подшипников скольжения

Сборка разъемных подшипников скольжения включает установку вкладышей в корпус и крышку, шабрение вкладышей по валу, для обеспечения диаметральных зазоров, и соответствующей поверхности контакта.

При установке вкладышей добиваются их плотного прилегания соответственно к крышке и основанию. Площадь прилегания должна быть не менее 70%. Некоторые вкладыши, в том числе текстолитовые, крепят в корпусе с натягом по напряженной или прессовой посадке. Натяг создается в результате того, что длина вкладыша по дуге больше длины постели полуотвестия на величину h_max (рис. 4.3), которая рассчитывается по формуле:

где s - допускаемое напряжение сжатие для материала вкладыша, МПа;

a - угол контакта дуги вкладыша, град.;

D - средний диаметр вкладыша, м;

Е - модуль упругости материала вкладыша, МПа;

n=3-5 - коэффициент запаса прочности материала вкладыша.