Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica

WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI

Laboratorium z Podstaw Konstrukcji Maszyn

Temat : Badanie nośności złączy śrubowych

Nowak Bartosz

Nicpoń Paweł

Nawalany Michał

Norys Błażej

Rok IIA, gr5b

1. Cel ćwiczenia

• Eksperymentalne wyznaczenie nośności złączy przy określonym momencie dokręcania nakrętki oraz porównanie dokładności i powtarzalności napinania śrub kluczem dynamometrycznym oraz napinaczem hydraulicznym

• Porównanie nośności złączy o powierzchniach stykających się suchych i zatłuszczonych

1. Schemat stanowiska pomiarowego

1. Opis stanowiska i przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie realizowane jest na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Badaniom podlega złącze śrubowe nakładkowe o płaskich powierzchniach styku.

Trzy płyty skręcone są ze sobą za pomocą 2 śrub M20. Zmierzona siła odnoszona jest do napięcia śrub , będącego wynikiem przyłożenia określonego momentu dokręcającego na kluczu dynamometrycznym lub ciśnienia na napinaczu hydraulicznym. Po dokręceniu śrub (4) złącze obciąża się siłą wywołaną prze pokrętła (8) na cięgna (6).Siła mierzona na dynamometrze (5) przenoszona jest przez dźwignię (7) z przełożeniem 5:1 na płytę (3), powodując jej przesunięcie. Przesunięciu temu zapobiega siła tarcia wywołana dokręceniem śrub (4). W chwili gdy siła tarcia zostanie pokonana odczytuje się wartość siły obciążającej, z uwzględnieniem przełożenia dźwigni (7) i na tej podstawie określa się nośność połączenia.

1. Wyniki ćwiczenia

1. Tabela wartości dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu

Metoda napinania	Moment/ Ciśnienie napinania	Wskazania czujnika dynamometru	Wartość sił obciążających dźwignię	Nośność złącza	Teoretyczna Siła napięcia	Siła napięcia wyznaczona z nośności złącza
		xi(yi)	Fd[kN]	F[kN]	Qw[kN]	QF[kN]
Klucz dynamo- metryczny	78,5Nm	x1	53	1,86	9,28	39,88
		x2	50	1,75	8,75
		x3	51	1,79	8,93
		x4	51	1,79	8,93
Napinacz hydrauliczny	24MPa	y1	53	1,86	9,28	39,84
		y2	50	1,75	8,75
		y3	50	1,75	8,75
		y4	50	1,75	8,75

1. Taela wartości dla zabrudzonych powierzchni oporowych śrub i gwintu

Metoda napinania	Moment/ Ciśnienie napinania	Wskazania czujnika dynamometru	Wartość sił obciążających dźwignię	Nośność złącza	Teoretyczna Siła napięcia	Siła napięcia wyznaczona z nośności złącza
		xi(yi)	Fd[kN]	F[kN]	Qw[kN]	QF[kN]
Klucz dynamo- metryczny	78,5Nm	v1	46	1,61	8,05	39,88
		v2	50	1,75	8,75
		v3	50	1,75	8,75
		v4	50	1,75	8,75
Napinacz hydrauliczny	24MPa	z1	50	1,75	8,75	39.84
		z2	52	1,82	9,1
		z3	53	1,86	9,28
		z4	53	1,86	9,28

1. Wyznaczenie wartości napięcia śrub Q_w

1. klucz dynamometryczny

$$M = \frac{1}{2}Q_{w}\left\lbrack ds \cdot tg\begin{pmatrix} \gamma & + \rho^{'} \\ \end{pmatrix} + d_{m} \cdot \mu \right\rbrack$$

$$Q_{w} = \frac{2M}{\mathbb{d}_{s} \cdot tg\begin{pmatrix} \gamma & + \rho^{'} \\ \end{pmatrix} + d_{m} \cdot \mu} = 39,88kN$$

Gdzie:

𝕕_s = 18, 38mm - średnica podziałowa śruby M20

d_m = 25mm - średnia średnica powierzchni oporowej nakrętki

h = 2, 5 - skok gwintu M20

γ - kąt wzniosu linii śrubowej

$$tg\gamma = \frac{h}{\pi \cdot \mathbb{d}_{S}}$$

$$\text{tg}\rho^{'} = \mu^{'} = \frac{\mu}{\cos\alpha_{r}}$$

2. napinacz hydrauliczny

Q_w = p*A = 39,84[kN]

gdzie:

A=1660 mm² - czynne pole powierzchni tłoka napinacza

5. Wyznaczanie nośności złącza z otrzymanych wyników

1. Wartość sił oddziaływujących na dźwignię Fd_i[kN] z wykresu cechowania dynamometru

2. Wartość nośności złącza F_i[kN]

F_i = 5*F_di

2. Wartość napięcia w śrubach

gdzie:

m=2 - liczba powierzchni trących złącza

=0,05 – współczynnik tarcia pomiędzy posmarowanymi powierzchniami płyt, wyznaczony eksperymentalnie

n=2 – ilość śrub

6. Statystyczne opracowanie wyników pomiaru

Tabela pomiarowa – dane ustawione w szeregu niemalejącym

LP	Powierzchnie śrub
	Suche
	Klucz dynamometryczny
	Xi
1	49
2	49
3	51
4	52
5	53
6	53
7	53
8	54
9	54
10	55
11	55
12	58
13	61
14	61
15	64
16	64
17	64

1. Wykluczanie błędów grubych

• O błąd gruby podejrzane są skrajne wyniki , które należy sprawdzić.

Aby odrzucić podejrzany wynik należy spełnić warunek:

n = 17 pomiarów, dla P=0,99; =3,01

• Średnia nośność z wyników możliwych do zaakceptowania przy podejrzeniu pierwszego F₁ i ostatniego wyniku F_n

• Wartość średnia będąca nieobciążonym estymatorem odchylenia standardowego z populacji

• Sprawdzenie zależności do odrzucenia podejrzanych wyników:

• Sprawdzenie wyników na występowanie błędów grubych

	X	Y	V	Z
Fmin	9,85	9,84	9,83	9,91
Fmax	9,69	9,61	9,61	9,67
smin	0,86	1,14	0,9	0,94
smax	0,89	1,15	0,87	0,99
tmin	1,48	1,71	1,97	2,35
tmax	1,69	1,72	2,22	1,89

Ponieważ t<t_n(P)=3,01 nie ma podstaw do odrzucenia sprawdzanych wyników

Nośność średnia:

$$F_{\text{srY}} = \frac{F_{\text{iY}}}{n} = 9,73F_{\text{srV}} = \frac{F_{\text{iV}}}{n} = 9,73F_{\text{srZ}} = \frac{F_{\text{iZ}}}{n} = 9,78F_{\text{srX}} = \frac{F_{\text{iX}}}{n} = 9,78$$

Wartość średnia będąca nieobciążonym estymatorem odchylenia standardowego z populacji:

S_0x=0,89849

S_0y=1,209367

S_0v=0,9725

S_0z=1,0642

2. Szereg kumulacyjny

Lp.	Sn(Fj)	Fx [kN]	Fy [kN]	Fv [kN]	Fz[kN]
1	0,050	8,58	7,88	8,05	7,7
2	0,111	8,58	8,05	8,23	8,58
3	0,166	8,93	8,23	8,75	8,75
4	0,222	9,1	8,58	8,75	8,75
5	0,277	9,28	8,93	9,1	8,75
6	0,333	9,28	9,28	9,28	9,28
7	0,388	9,28	9,28	9,45	9,63
8	0,444	9,45	9,28	9,45	9,63
9	0,500	9,45	9,63	9,98	9,98
10	0,555	9,63	9,8	9,98	9,98
11	0,611	9,63	9,8	9,98	10,15
12	0,666	10,15	10,68	10,15	10,15
13	0,722	10,68	10,68	10,5	10,33
14	0,777	10,68	11,03	10,5	10,5
15	0,833	11,2	11,2	10,85	11,2
16	0,888	11,2	11,55	10,85	11,38
17	0,944	11,2	11,55	11,55	11,55

1. Test Kołmogorowa

• Dla suchych powierzchni oporowych śrub i gwintu:

• klucz dynamometryczny (X)

• napinacz hydrauliczny(Y)

• Dla zatłuszczonych powierzchni oporowych śrub i gwintu

• klucz dynamometryczny(V)

• napinacz hydrauliczny(Z)

• Maksymalną rozbieżność 'D', wart śr F i odchylenie stand S₀ wyznaczamy z wykresu Kołmogorowa

	X	Y	V	Z
D	0,145	0,085	0,07	0,088
F	9,72	9,8	9,68	9,92
S0	1,12	1,36	1,12	1,14

Dla poziomu istotności α=0,1 λ_α = 1, 22

Obliczamy λ dla poszczególnych przypadków:

	X	Y	V	Z
λ	0,597850316	0,350464	0,288617	0,352

Dla λ< λ _α hipotezę można uznać za słuszną bez dalszych badań. W naszych badaniach w każdym przypadku λ_i< λ _α.

7. Wykresy rozrzutów nośności prób oraz odpowiadających im funkcji gęstości

7. Wnioski

1. Po pierwsze można zauważyć, że nośność złącz śrubowych zatłuszczonych smarem jest większa od nośności złącz o powierzchniach suchych. Przyczyną takiego zachowania się złącz jest zmniejszenie współczynnika tarcia na powierzchniach gwintu poprzez użycie smaru.

2. Na podstawie pomiarów i obliczeń dokonanych na zajęciach można

zaobserwować, że napinanie złącz suchych napinaczem hydraulicznym jest znacznie dokładniejsze aniżeli kluczem dynamometrycznym tego samego złącza.

Wynika to z braku konieczności pokonywania sił tarcia na gwincie i powierzchni nakrętki.

3. Napinanie złącza zatłuszczonego nie gwarantuje stałej określonej teoretycznie wartości napięcia w złączu. Ponadto w złączach odpowiedzialnych w których powtarzalność otrzymanych napięć ma być najwyższa powinno się używać napinaczy hydraulicznych, ponieważ ich powtarzalność jest największa.