Разъемное резьбовое соединение

 

Разъемное резьбовое соединение предназначено для узлов конструкции для тепловых и атомных электростанций. Гайка резьбового соединения надежно застопорена в условиях переменных температур и вибраций. Стопорение гайки осуществляется при эксплуатации за счет того, что она сцеплена с промежуточной деталью, которая может перемещаться только поступательно вдоль болта. Резьбовое соединение может многократно разбираться и собираться, т.е. оно является ремонтопригодным. Гайка навинчена на верхнюю часть болта с отверстием и сцеплена с промежуточной деталью за счет того, что ее выступы входят внутрь впадин на гайке. Промежуточная деталь постоянно поджимается стопорной пружиной. Промежуточная деталь и болт на его участке имеют в поперечном сечении фигурную форму - шестиугольную, вследствие чего промежуточная деталь может перемещаться только поступательно вдоль болта. Для навинчивания (свинчивания) гайки нужно отжать промежуточную деталь от гайки, нажимая на буртик и сжимая пружину. На соединяемую деталь, входящую в узел конструкции тепловой или атомной станции, действует сила, равная силе, с которой поджата пружина. 7 з.п. ф-лы, 20 ил.

Изобретение относится к изготовлению и эксплуатации резьбовых соединений в машиностроении, в частности, в машиностроении для тепловых и атомных электростанций.

Известно резьбовое соединение, содержащее гайку и болт. Гайка законтрена (застопорена) от случайного свинчивания с помощью сварки (гайка приварена к болту или к соединяемой детали) [1].

Недостаток этого известного резьбового соединения состоит в том, что оно неразборно. Узлы конструкций с такими резьбовыми соединениями практически неремонтопригодны, так как для разборки и ремонта необходимо срезать (удалить) сварные швы, что неизбежно влечет за собой повреждение гайки или болта, кроме того, срезание (удаление) сварных швов не всегда возможно из-за больших габаритов узла, большого веса узла и из-за недоступности мест расположения сварных швов (расположены в тесных или радиационно опасных местах). Эти недостатки имеют наибольшее отрицательное значение в машиностроении для тепловых и атомных электростанций, так как в качестве болтов могут быть использованы громоздкие и дорогостоящие конструкции в виде сплошных стержней или полых труб совместно с другими соединяемыми деталями (нанизанными на стержень или трубу), снятие (удаление) которых практически невозможно. Следует отметить также тот недостаток, который заключается в необходимости изготовлять гайку и болт (или деталь) из свариваемых материалов, практически из одинаковых, а это не всегда можно обеспечить.

Известно резьбовое соединение, содержащее гайку, болт и пружинящую шайбу (шайбу Гровера). Гайка законтрена (застопорена) от случайного свинчивания с помощью пружинящей шайбы. Узлы с такими резьбовыми соединениями могут разбираться и ремонтироваться. Гайка и болт (или деталь) могут изготовляться из разных, не сваривающихся между собой материалов [2].

Недостаток этого известного резьбового соединения в том, что оно выполнено на основе использования эффекта трения шайбы о гайку и соединяемую деталь и не обладает достаточной степенью надежности в условиях температурных колебаний и вибрации, а также малоприменимо при соединении керамических деталей, которые нельзя подвергать большим осевым усилиям (большим крутящим моментам на гайке), например, при соединении керамических электроизоляторов, обладающих небольшим пределом прочности на сжатие.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является разъемное резьбовое соединение, содержащее гайку с внутренней резьбой, болт, стопорную пружину и промежуточную деталь, причем промежуточная деталь установлена между гайкой и стопорной пружиной и сцеплена с гайкой [3].

Недостатком известного резьбового соединения является невозможность обеспечения освобождения промежуточной детали от сцепления с гайкой, невозможность перемещения промежуточной детали только в осевом направлении, т.е. малая надежность разборного резьбового соединения от случайного свинчивания в условиях температурных колебаний.

Технический результат изобретения направлен на повышение надежности разборного резьбового соединения от случайного свинчивания в условиях температурных колебаний и вибрации, например, при использовании для прикрепления головок к направляющим каналам в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов; обеспечение небольших осевых усилий (небольших крутящих моментов на гайке) на болту, при одновременном предохранении от свинчивания, например, для прикрепления керамических изоляторов, обладающих небольшой прочностью; обеспечение возможности продольного теплового или радиационного удлинения деталей, соединяемых болтом, при одновременном предохранении от свинчивания; обеспечение возможности достижения именно в таком разборном резьбовом соединении больших осевых усилий (больших крутящих моментов на гайке), регламентированных только условиями прочности резьбы, болта или других деталей, которые скреплены этим болтом.

Это достигается тем, что в разъемном резьбовом соединении, содержащем гайку с внутренней резьбой, болт, стопорную пружину и промежуточную деталь, причем промежуточная деталь установлена между гайкой и стопорной пружиной и сцеплена с гайкой, промежуточная деталь выполнена с возможностью обеспечения освобождения от сцепления с гайкой за счет сжатия стопорной пружины, а для обеспечения возможности ее перемещения только в осевом направлении вдоль болта поперечные сечения ее отверстия и наружной поверхности участка болта, расположенного в зоне промежуточной детали, выполнены фигурными, причем гайка установлена с возможностью вращения вокруг своей оси при навинчивании и свинчивании в момент ее освобождения от сцепления с промежуточной деталью за счет сжатия стопорной пружиной. Болт может быть выполнен в виде сплошного стержня или полой трубы с наружной резьбой. Промежуточная деталь может быть выполнена в виде втулки или шайбы. Разъемное резьбовое соединение может быть снабжено дополнительными стопорными пружинами и промежуточными деталями. Фигурные профили поперечных сечений отверстия в промежуточной детали и части болта с наружной фигурной поверхностью могут быть выполнены в виде шестиугольника. Разъемное резьбовое соединение может быть снабжено силовой гайкой и дополнительной одной промежуточной деталью, болт дополнительно может быть выполнен с участком с наружной резьбой, причем силовая гайка может быть размещена на этом дополнительном участке болта, а одна дополнительная промежуточная деталь может быть размещена между силовой гайкой и стопорной пружиной.

На фиг. 1 представлено разъемное резьбовое соединение с промежуточной деталью в виде втулки; на фиг. 2 - вид сверху на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - разъемное резьбовое соединение с промежуточной деталью в виде шайбы; на фиг. 5 - вид сверху на фиг. 4; на фиг. 6 - разъемное резьбовое соединение с промежуточной деталью в виде шайбы; на фиг. 7 - вид сверху на фиг. 6; на фиг. 8 - поперечное сечение Б-Б на фиг. 6; на фиг. 9 - разъемное соединение с опорной втулкой; на фиг. 10 - вид сверху на фиг. 9; на фиг. 11 - поперечное сечение В-В на фиг. 9; на фиг. 12 - разъемное резьбовое соединение, в котором для сцепления гайки с промежуточной деталью используются грани шестигранной гайки; на фиг. 13 - вид сверху на фиг. 12; на фиг. 14 - поперечное сечение Г-Г на фиг. 12, на фиг. 15 - разъемное резьбовое соединение с двумя промежуточными деталями в виде штампованных шайб; на фиг. 16 - вид сверху на фиг. 15; на фиг. 17 - верхняя часть разъемного резьбового соединения на фиг. 1; на фиг. 18 - вид по стрелке А на фиг. 17, на фиг. 19 - вид по стрелке А на фиг. 17, как вариант исполнения; на фиг. 20 - верхняя часть промежуточной втулки с выступом на фиг. 17.

На фиг. 1 изображено разъемное резьбовое соединение, содержащее гайку 1 и болт 2. Болт 2 выполнен в виде полой трубы с отверстием 10 (болт 2 может быть выполнен в виде сплошного стержня). На верхней части болта 2 выполнена резьба 9. На двух торцевых поверхностях гайки 1 выполнены впадины (пазы). Впадины (пазы) 5 могут быть выполнены только на одной торцовой поверхности, обращенной в сторону промежуточной детали (втулки или шайбы) 4. Выполнение впадин на двух торцах гайки позволяет избежать ошибок при ее установке. На промежуточной детали 4 выполнены ответные выступы 6, которые входят внутрь впадин 5 на гайке 1. Гайка 1 навинчена на болт 2 и застопорена (законтрена) от случайного свинчивания за счет того, что выступы 6 на промежуточной детали 4 входят внутрь впадин 5 на гайке 1, вследствие чего гайка не может самопроизвольно вращаться, т.е. самопроизвольно свинчиваться. Дело в том, что промежуточная деталь 4, сцепленная с гайкой 1, вовсе не может вращаться вокруг своей оси, так как она размещена на участке 8 болта 2. Поперечное сечение А-А по наружной поверхности этого участка 8 выполнено фигурным - шестиугольным, т. е. болт 2 на участке 8 выполнен шестигранным по наружной поверхности, причем внутреннее отверстие в промежуточной детали 5 также выполнено шестиугольным (см. фиг. 3). Таким образом, промежуточная деталь 4 имеет возможность только для поступательного перемещения вдоль фигурного участка 8 болта 2. Стопорная пружина 4 постоянно поджимает промежуточную деталь 4 до упора в гайку 1 и, тем самым, обеспечивает постоянное сцепление, т. е. обеспечивает постоянное стопорение (законтривание) гайки 1. Для того, чтобы намеренно свинтить (или завинтить) гайку 1, нужно отжать за счет воздействия на опорный кольцевой буртик 7 промежуточную деталь 4 от гайки 1 (вывести промежуточную деталь из состояния сцепления с гайкой 1) за счет сжатия стопорной пружины 3 и придать гайке 1 вращательное движение в нужном направлении, удерживая промежуточную деталь 4 в отжатом состоянии. Деталь 11 - это скрепляемая деталь или опорная деталь (для стопорной пружины) той конструкции (того узла), в которой размещен болт 2. Деталь 11 поджата в статическом положении с той силой (болт 2 растянут с той силой), с которой сжата стопорная пружина 3. Это полезно в том случае, когда деталь 11 обладает низкой прочностью на сжатие. В остальных случаях низкое усилие поджатия детали 11 может неудовлетворять конструктора. Конструкции разъемных резьбовых соединений с высоким усилием поджатия детали 11 изображены на фиг. 6 и 9.

На фиг. 4 изображено разъемное резьбовое соединение, аналогичное тому, которое изображено на фиг. 1. Отличие состоит в том, что промежуточная деталь 4 выполнена в виде штампованной шайбы с меньшей высотой, чем втулка. Меньшую высоту (длину) имеет и фигурная часть 8 болта 2. Принципиальной разницы между этими двумя резьбовыми соединениями нет. Все цифровые обозначения деталей и их элементов аналогичны обозначениям на фиг. 1. Принцип сборки и разборки (свинчивания и завинчивания гайки 1) аналогичен тому, который описан выше, применительно к фиг. 1.

На фиг. 6 изображено разъемное резьбовое соединение, отличающееся от разъемного резьбового соединения на фиг. 1 тем, что в нем дополнительно установлена опорная втулка 12, а также тем, что опорная втулка 12 установлена внутри промежуточной детали 4. Поперечные сечения Б-Б внутреннего отверстия и наружной поверхности опорной втулки 12 выполнены фигурными - шестигранными (см. фиг. 8). Гайка 1 может быть завинчена до упора в опорную втулку 12 с той силой (с тем крутящим моментом), которая ограничена только прочностью резьбы или болта. Деталь 11, соответственно, может быть поджата именно такой силой (гораздо большей, чем силой сжатия стопорной пружины 3). В остальном разъемное резьбовое соединение аналогично разъемному резьбовому соединению на фиг. 1. Все цифровые обозначения деталей и их элементов аналогичны обозначениям на фиг. 1. Принцип сборки и разборки (свинчивания и завинчивания гайки 1) аналогичен тому, который описан выше, применительно к фиг. 1. Промежуточная деталь 4 отжимается от гайки 1 за счет сжатия стопорной пружины 3 независимо от наличия опорной втулки 12.

На фиг. 9 изображено разъемное резьбовое соединение, отличающееся от разъемного резьбового соединения на фиг. 1 тем, что в нем на болту 2 дополнительно выполнен участок 19 с наружной резьбой, что на этом участке дополнительно размещена силовая гайка 14, непосредственно поджимающая деталь 11, причем усилие поджатия ограничивается только прочностью резьбы или болта, а также прочностью самой детали 11. Между силовой гайки 14 и стопорной пружиной 3 дополнительно размещена промежуточная деталь 13, которая выполнена в виде втулки. На кольцевом буртике 17 этой промежуточной детали 13 выполнены выступы 18, которые входят в ответные впадины 16 на силовой гайке 14. Ответные впадины 16 выполнены на двух торцах силовой гайки 14, но могут быть выполнены только на одном торце силовой гайки 14, обращенном к промежуточной детали 13 (это не совсем целесообразно, так как при этом могут быть ошибки в правильной установке силовой гайки 14). Поперечное сечение В-В (см. фиг. 11) промежуточной детали 13 и участка 15 болта 2 имеет фигурную форму - шестиугольную, т. е. аналогично поперечному сечению А-А (см. фиг. 3). В остальном цифровые обозначения деталей и их элементов аналогичны обозначениям на фиг. 1. При сборке вначале устанавливается гайка 14 и поджимается с той силой, которую позволяет прочность резьбы или болта 2, а также прочность самой детали 11. Далее устанавливаются дополнительная промежуточная деталь 13, стопорная пружина 3, промежуточная деталь 4 и навинчивается гайка 1 таким образом, который описан выше, применительно к фиг. 1. В этом случае стопорная пружина 3 поджимает сразу две промежуточные детали 13 и 4, стопоря сразу две гайки 14 и 1.

На фиг. 3, 8, 11 изображены поперечные сечения промежуточных втулок и болтов, а также опорной втулки. Описание этих поперечных сечений даны выше при описании фиг. 1, 4, 6, 9. Цифровые обозначения одних и тех же деталей на всех фигурах одинаковы.

На фиг. 12 изображено разъемное резьбовое соединение, которое содержит гайку 1, болт 2 (в виде сплошного стержня), стопорную пружину 3, промежуточную деталь 4 (в виде штампованной шайбы), которая сцеплена с гайкой.

Отличие разъемного резьбового соединения на фиг. 12 от аналогичного разъемного резьбового соединения на фиг. 1 или 4 состоит в том, что на гайке 1 не выполнены впадины или выступы, а их роль, связанную со сцеплением гайки с промежуточной деталью, выполняют грани шестигранной гайки.

На болту 2 выполнена резьба 9 и лыска 21, преимущественно по всей длине болта. Это позволяет изготовить исходный стержень для болта путем прокатки. Что касается головки болта (условно не показана), то она может быть получена путем кузнечной высадки или путем приварки. На промежуточной детали 4 выполнены два выступа 20, между которыми и размещены две параллельные грани гайки 1. В принципе на детали 4 могут быть выполнены три выступа под три грани гайки 1 (это менее технологично). По центру промежуточной детали 4 выполнено фигурное отверстие, которое не позволяет промежуточной детали 4 провернуться вокруг оси болта 2 (фиг. 14). Гайка 1, если она не освобождена от сцепления с промежуточной деталью 4, также не может поворачиваться вокруг своей оси (не может свинчиваться или навинчиваться). Сцепление гайки 1 с промежуточной деталью 4 осуществлено аналогично тому, как это и заявлено ранее (роль граней впадины на гайке, в которые упираются выступы на промежуточной детали, играют сами грани гайки). Гайка 1 не может провернуться между выступами 20 в связи с тем, что расстояние между параллельными гранями гайки (размер "под ключ"), расположенными между выступами 20, меньше чем размер по диагонали шестигранной гайки. Освобождение от сцепления гайки 1 и промежуточной детали 4 (как и заявлено ранее) осуществляется путем нажатия на буртик (опорную поверхность) 7 промежуточной детали 4 и сжатия стопорной пружины 3. Конкретная конструкция всех заявленных деталей и их размеры зависят от конкретных условий использования. Витки пружины 3 могут быть расположены для лучшего центрирования пружины на меньшем расстоянии от наружной поверхности болта 2, чем это изображено на фиг. 12. Деталь 11 - это деталь, принадлежащая конструкции, в которой может быть применено заявленное изобретение. Этой деталью может быть хрупкий электрический изолятор из керамики, вместе с которым нецелесообразно применять шайбу Гровера и затягивать гайку 1 (изолятор может расколоться).

На фиг. 15 изображено разъемное резьбовое соединение, которое содержит гайку 1, болт 2 (в виде сплошного стержня), стопорную пружину 3, две промежуточные детали 4 (в виде штампованных шайб), и силовую гайку 14. Силовая гайка 14 сцеплена с одной из промежуточных деталей 4 точно так, как и гайка 1 сцеплена с промежуточной деталью 4 (см. верхнюю часть фиг. 15 и 12). На фиг. 15 гайка 14 и промежуточная деталь 4 являются зеркальным отображением гайки 1 и промежуточной детали 4. При рабочем проектировании высоту гайки 1 можно уменьшить в связи с тем, что на нее действует снизу только усилие сжатия пружины 3.

Отличие разъемного резьбового соединения на фиг. 5 состоит в том, что оно содержит силовую гайку 14, которая предназначена для того, чтобы затянуть резьбовое соединение с определенным моментом, не беспокоясь о хрупкости детали 11.

На фиг. 14 изображено поперечное (фигурное) сечение Г-Г разъемного резьбового соединения, изображенного на фиг. 12. Промежуточная деталь 4 не может повернуться вокруг оси болта 2 из-за наличия на болту лыски 21.

Заявленное разъемное резьбовое соединение на фиг. 15 может быть использовано на железнодорожном транспорте, например, для прикрепления железнодорожных рельс к шпалам из железобетона.

На обследованном участке железнодорожного пути рельсы были прикреплены винтовыми соединениями должным образом только к части шпал из железобетона. На остальных шпалах винтовые соединения были ослаблены (гайки не затянуты до упора) или совсем развинчены (гайки и шайбы Гровера валялись рядом). Содержание железнодорожного полотна в надлежащем порядке требует периодического осмотра и устранения обнаруженных неисправностей. Это затруднительно, особенно в удаленных и безлюдных районах, а также зимой из-за снега.

Предлагается применить заявленное разъемное резьбовое соединение для прикрепления железнодорожных рельс к железобетонным шпалам. В этом случае на фиг. 15 под деталью 11 следует понимать накладку для прикрепления железнодорожных рельс к железобетонным шпалам. При рабочем проектировании усилие пружины 3 можно выбрать с помощью специального ключа, отжимающего пружину 3 от гайки 1, можно использовать мышечную силу и собственный вес рабочего. Если усилие пружины будет выбранным более 30 кГс, например, 150 кГс, то можно разработать такой механизированный специальный ключ, который мог бы закрепляться на рельсах и отжимать пружины 3 от гаек 1 по одной или обеим сторонам рельс с двух сторон. Без таких специальных ключей гайки 1 нельзя будет отвинтить - это намного уменьшит частоту осмотра и устранение неисправностей (осмотр и устранение неисправностей можно будет проводить один раз в несколько лет), а также увеличит надежность железнодорожного полота и безаварийность работы железной дороги.

На фиг. 17 изображена верхняя часть разъемного резьбового соединения. В целом это разъемное резьбовое соединение изображено ранее на фиг. 1. Гайка 1 навинчена на верхнюю часть болта с резьбой 9, в котором выполнен внутренний канал (отверстие) 10, на гайке имеются впадины 5, внутрь которых входят выступы 6, т.е. выступы сцеплены с впадинами. Выступы 6 выполнены на промежуточной детали (втулке или шайбе) 4, которая имеет возможность передвигаться только поступательно вдоль фигурной, например, шестигранной части болта 8. Гайка 1 имеет возможность вращаться (свинчиваться или навинчиваться) только в том случае, если выступы 6 выведены из зацепления с впадинами 5. На промежуточной детали выполнен нажимной буртик 7.

На фиг. 18 изображен вид по стрелке А. В гайке 1 выполнена впадина 5 прямоугольной формы, внутрь которой входит выступ 5 также прямоугольной формы, выполненный на промежуточной детали 4. Для того, чтобы вывести из зацепления впадины 5 и выступы 6, т.е. вывести из зацепления гайку 1 и промежуточную деталь 4, необходимо нажать на буртик 7 и сдвинуть (отжать) промежуточную деталь 4, сжимая пружину (см. фиг. 1).

На фиг. 19 изображен вариант вида по стрелке А, т.е. вариант исполнения впадин 5 и выступов 6. Боковые стенки впадин 5 и выступов 6 выполнены под наклоном α° (под углом α° ) к продольной оси болта. Остальные элементы конструкции на фиг. 19 аналогичны элементам конструкции на фиг. 18 (аналогичны также наименования и обозначения). При определенной величине наклона боковых поверхностей впадин 5 и выступов 6 (при определенном угле), зависящем от материала гайки и промежуточной втулки, т.е. от коэффициента трения между этими деталями, боковые поверхности впадин 5 могут скользить по боковым поверхностям выступов 6. В этом случае нет необходимости намеренно с помощью специального инструмента отжимать промежуточную втулку 4 от гайки 1 для того, чтобы гайка могла вращаться (свинчиваться или навинчиваться). Достаточно намеренно вращать гайку 1 с определенным моментом, превышающим момент трения в резьбе, чтобы промежуточная втулка 4 автоматически отжималась от гайки 1 за счет возникновения вертикальной силы на наклонных поверхностях впадин 5 и выступов 6. При такой конструкции впадин 5 и выступов 6 отпадает необходимость в нажимном буртике 7. Габариты промежуточной втулки 4 в плане не будут выходить за габариты гайки 1.

На фиг. 20 изображена верхняя часть нажимной втулки 4 с выступом 6, на котором выполнены наклонные боковые поверхности, и буртик 7.

В предлагаемом разъемном резьбовом соединении достигаются большие осевые усилия (большие крутящие моменты на гайке), регламентированные только условиями прочности резьбы, болта или других деталей, которые скреплены болтом (сплошным стержнем или полой трубой) и осевые усилия от завинчивания гайки до упора воспринимает и передает дальше именно опорная втулка; повышается надежность разъемного резьбового соединения от случайного свинчивания в условиях температурных колебаний и вибраций.

Формула изобретения

1. Разъемное резьбовое соединение, содержащее гайку с внутренней резьбой, болт, стопорную пружину и промежуточную деталь, причем промежуточная деталь установлена между гайкой и стопорной пружиной и сцеплена с гайкой, отличающееся тем, что промежуточная деталь выполнена с возможностью обеспечения освобождения от сцепления с гайкой за счет сжатия стопорной пружины, а для обеспечения возможности ее перемещения только в осевом направлении вдоль болта поперечные сечения ее отверстия и наружной поверхности участка болта, расположенного в зоне промежуточной, детали выполнены фигурными, причем гайка установлена с возможностью вращения вокруг своей оси при навинчивании и свинчивании в момент ее освобождения от сцепления с промежуточной деталью за счет сжатия стопорной пружины.

2. Соединение по п.1, отличающееся тем, что болт выполнен в виде сплошного стержня или полой трубы с наружной резьбой.

3. Соединение по п.1, отличающееся тем, что промежуточная деталь выполнена в виде втулки или шайбы.

4. Соединение по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными стопорными пружинами и промежуточными деталями.

5. Соединение по п.1, отличающееся тем, что фигурные профили поперечных сечений отверстия в промежуточной детали и части болта с наружной фигурной поверхностью выполнены в виде шестиугольника.

6. Соединение по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено опорной втулкой с фигурными профилями в поперечном сечении внутреннего отверстия и ее наружной поверхности, установленной внутри промежуточной детали.

7. Соединение по п.6, отличающееся тем, что упомянутые фигурные профили поверхностей опорной втулки выполнены в виде шестиугольников.

8. Соединение по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено силовой гайкой и дополнительной одной промежуточной деталью, болт дополнительно выполнен с участком с наружной резьбой, причем силовая гайка размещена на этом дополнительном участке болта, а одна дополнительная промежуточная деталь размещена между силовой гайкой и стопорной пружиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20