Основные параметры упорной резьбы S
| Параметр | Значение | Единица | ГОСТ |
|---|---|---|---|
| Угол рабочей стороны профиля | 3° | градусы | ГОСТ 10177-82 |
| Угол нерабочей стороны профиля | 30° | градусы | ГОСТ 10177-82 |
| Диапазон номинальных диаметров d | 10–640 | мм | ГОСТ 10177-82 |
| Диапазон шагов P | 2–48 | мм | ГОСТ 10177-82 |
| Рабочая высота профиля H₁ | 0,75 × P | мм | ГОСТ 10177-82 |
| Высота профиля наружной резьбы h₃ | 0,867767 × P | мм | ГОСТ 10177-82 |
| Буквенное обозначение | S | — | ГОСТ 10177-82 |
Диаметры и шаги резьбы по ГОСТ 10177-82
| Номинальный диаметр d, мм | Шаг P, мм | Средний диаметр d₂, мм | Внутренний диаметр d₃, мм | Внутренний диаметр D₁, мм | Обозначение |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 2 | 8,500 | 6,529 | 7,0 | S10×2 |
| 16 | 2 | 14,500 | 12,529 | 13,0 | S16×2 |
| 32 | 3 | 29,750 | 26,793 | 27,5 | S32×3 |
| 40 | 3 | 37,750 | 34,793 | 35,5 | S40×3 |
| 40 | 6 | 35,500 | 29,587 | 31,0 | S40×6 |
| 60 | 8 | 54,000 | 46,116 | 48,0 | S60×8 |
| 80 | 10 | 72,500 | 62,645 | 65,0 | S80×10 |
| 100 | 12 | 91,000 | 79,174 | 82,0 | S100×12 |
| 120 | 14 | 109,500 | 95,702 | 99,0 | S120×14 |
| 160 | 16 | 148,000 | 132,231 | 136,0 | S160×16 |
Области применения упорной резьбы
| Область применения | Характер нагрузки | Преимущества | Примеры устройств |
|---|---|---|---|
| Гидравлические прессы | Односторонняя осевая | Высокая несущая способность | Прессы, домкраты |
| Винтовые прессы | Сжимающая | Устойчивость к большим нагрузкам | Формовочные прессы |
| Прокатные станы | Нажимная | Точность позиционирования | Нажимные винты |
| Подъёмные механизмы | Вертикальная | Самоторможение | Крюки, подъёмники |
| Станкостроение | Силовая | Высокая точность | Шпиндели, суппорты |
| Нефтегазовая отрасль | Высокое давление | Герметичность, прочность | Обсадные трубы (buttress) |
Сравнение типов резьб
| Тип резьбы | Угол профиля | Назначение | Относительный КПД | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Упорная (S) | 3° / 30° | Односторонние нагрузки | Высокий | Прессы, домкраты |
| Трапецеидальная (Tr) | 30° / 30° | Передача движения | Средний | Ходовые винты |
| Метрическая (M) | 60° | Крепёжные соединения | Низкий | Болты, винты, гайки |
| Прямоугольная | 0° / 0° | Точные передачи | Максимальный | Измерительные приборы |
| Упорная усиленная 45° | 3° / 45° | Особо тяжёлые нагрузки | Высокий | Прокатные станы |
Поля допусков упорной резьбы по ГОСТ 25096-82
| Класс точности | Наружная резьба (N) | Наружная резьба (L) | Внутренняя резьба (N) | Внутренняя резьба (L) |
|---|---|---|---|---|
| Средний | 7h | 8h | 7AZ | 8AZ |
| Грубый | 8h | 9h | 8AZ | 9AZ |
Содержание статьи
Общие сведения об упорной резьбе S
Упорная резьба, обозначаемая буквой S, представляет собой специализированный тип резьбового соединения, разработанный для работы в условиях значительных односторонних осевых нагрузок. Этот тип резьбы также известен под названием «пилообразная резьба» благодаря характерной форме профиля, напоминающего зубья пилы. В международной практике упорная резьба называется buttress thread.
Основное предназначение упорной резьбы заключается в обеспечении надёжной передачи больших усилий в одном направлении при минимальных потерях на трение. Благодаря особой геометрии профиля с малым углом рабочей стороны (3°), упорная резьба способна выдерживать значительно большие нагрузки по сравнению с метрической или трапецеидальной резьбой, что делает её незаменимой в тяжёлом машиностроении и промышленном оборудовании.
Важно: Упорная резьба S относится к категории ходовых (грузовых) резьб и не предназначена для крепёжных соединений общего назначения. Её применение оправдано только в случаях, когда требуется передача больших односторонних осевых усилий — в прессах, домкратах, нажимных устройствах прокатных станов.
Профиль и геометрические параметры
Профиль упорной резьбы представляет собой неравнобокую трапецию с двумя различными углами наклона боковых сторон. Рабочая сторона профиля имеет угол наклона 3°, что обеспечивает максимальную площадь контакта и, следовательно, высокую несущую способность. Нерабочая сторона наклонена под углом 30°, что облегчает изготовление резьбы и обеспечивает необходимый зазор при свинчивании.
Основные геометрические соотношения по ГОСТ 10177-82
H = 1,587911 × P — высота исходного треугольника
H₁ = 0,75 × P — рабочая высота профиля
h₃ = 0,867767 × P — высота профиля наружной резьбы
d₂ = d − 0,75 × P — средний диаметр наружной резьбы
d₃ = d − 1,735534 × P — внутренний диаметр наружной резьбы
D₁ = d − 1,5 × P — внутренний диаметр внутренней резьбы
где P — шаг резьбы (мм), d — номинальный (наружный) диаметр (мм)
Такая геометрия обеспечивает оптимальное распределение нагрузки между витками резьбы. Рабочая сторона с углом 3° воспринимает основную осевую нагрузку практически перпендикулярно, минимизируя радиальные составляющие силы. Нерабочая сторона с углом 30° служит для направления и фиксации соединения, а также облегчает нарезание резьбы стандартным инструментом.
Пример расчёта для резьбы S40×6
Исходные данные: номинальный диаметр d = 40 мм, шаг P = 6 мм
Средний диаметр: d₂ = 40 − 0,75 × 6 = 40 − 4,5 = 35,5 мм
Внутренний диаметр наружной резьбы: d₃ = 40 − 1,735534 × 6 = 40 − 10,413 = 29,587 мм
Внутренний диаметр внутренней резьбы: D₁ = 40 − 1,5 × 6 = 40 − 9 = 31,0 мм
Рабочая высота профиля: H₁ = 0,75 × 6 = 4,5 мм
Стандартизация и нормативные документы
Упорная резьба в Российской Федерации регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 10177-82 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба упорная. Профиль и основные размеры». Данный стандарт, введённый в действие 01.01.1983 года, устанавливает единые требования к профилю, размерам и обозначениям упорной резьбы на территории России и стран СНГ.
Стандарт определяет диапазон номинальных диаметров от 10 до 640 мм с соответствующими шагами от 2 до 48 мм. При выборе размеров резьбы первый ряд диаметров следует предпочитать второму согласно требованиям п. 2.1 стандарта. Это обеспечивает унификацию и сокращение номенклатуры резьбонарезного инструмента.
Допуски упорной резьбы устанавливаются ГОСТ 25096-82 «Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба упорная. Допуски». Стандарт определяет два класса точности — средний и грубый, а также систему обозначения полей допусков.
Для особо тяжёлых условий эксплуатации применяется ГОСТ 13535-87 «Резьба упорная усиленная 45°», которая имеет углы наклона боковых сторон 45° и 3° и предназначена для диаметров от 80 до 2000 мм.
В нефтегазовой отрасли для резьбовых соединений обсадных труб применяется упорная резьба типа buttress, регламентированная ГОСТ 34057-2017 «Соединения резьбовые обсадных, насосно-компрессорных труб, труб для трубопроводов и резьбовые калибры для них».
Обозначение упорной резьбы: Включает букву S, номинальный диаметр и шаг в миллиметрах. Для левой резьбы добавляются буквы LH.
Примеры: S80×10 — правая резьба диаметром 80 мм с шагом 10 мм; S80×10LH — левая резьба; S80×10-7h — с указанием поля допуска наружной резьбы; S80×20(P10) — двухзаходная резьба с шагом 10 мм и ходом 20 мм.
Расчёт основных параметров
При проектировании соединений с упорной резьбой необходимо учитывать несколько ключевых факторов: прочность материала, характер нагрузки, условия эксплуатации и требования к точности. Расчёт начинается с определения требуемой несущей способности резьбового соединения.
Расчёт несущей способности упорной резьбы
Площадь расчётного сечения стержня:
A = π × d₃² / 4
Допустимая осевая нагрузка:
F = A × [σ]
Допускаемое напряжение (при растяжении/сжатии):
[σ] = σт / [n]
где σт — предел текучести материала, [n] — коэффициент запаса прочности (обычно 2,0–2,5 для передач винт-гайка)
Особое внимание следует уделять расчёту длины свинчивания, которая должна обеспечивать равномерное распределение нагрузки между витками. По ГОСТ 25096-82 длины свинчивания подразделяются на нормальные (N) и длинные (L). Для обеспечения надёжности соединения рекомендуется принимать длину свинчивания не менее 1,2–1,5 номинального диаметра резьбы.
Пример расчёта для винта домкрата S60×8
Исходные данные: d = 60 мм, P = 8 мм, материал — сталь 45
Внутренний диаметр: d₃ = 60 − 1,735534 × 8 = 60 − 13,884 = 46,116 мм
Площадь сечения: A = π × 46,116² / 4 = π × 2126,7 / 4 ≈ 1670 мм²
Для стали 45: σт = 355 МПа (ГОСТ 1050-2013, прокат нормализованный)
При коэффициенте запаса [n] = 2,2: [σ] = 355 / 2,2 ≈ 161 МПа
Допустимая осевая нагрузка: F = 1670 × 161 = 268 870 Н ≈ 269 кН
При расчёте также необходимо учитывать концентрацию напряжений в зонах перехода от резьбы к гладкой части детали. Для ответственных изделий коэффициент концентрации напряжений определяется экспериментально или по справочным данным и может составлять 2,0–3,0 в зависимости от конструкции и качества обработки.
Области применения и преимущества
Упорная резьба находит широкое применение в различных отраслях промышленности, где требуется передача больших односторонних усилий. Основными преимуществами упорной резьбы являются: высокий коэффициент полезного действия благодаря малому углу рабочей стороны, большая несущая способность, способность к самоторможению при однозаходном исполнении.
В гидравлических и винтовых прессах упорная резьба используется для создания больших усилий прессования при относительно небольших крутящих моментах на приводе. Винтовые прессы с упорной резьбой способны развивать усилия до нескольких тысяч тонн, что делает их незаменимыми в металлургии и машиностроении.
В прокатных станах упорная резьба применяется в нажимных винтах, обеспечивающих точное позиционирование валков и создание необходимого давления прокатки. Высокая точность и надёжность упорной резьбы критически важны для качества прокатываемого металла.
Подъёмные механизмы — домкраты, крюки, подъёмники — широко используют упорную резьбу благодаря её способности к самоторможению. Это обеспечивает безопасность эксплуатации, так как механизм не может самопроизвольно опуститься под действием нагрузки при отсутствии вращающего момента.
В нефтегазовой отрасли упорная резьба типа buttress применяется для соединения обсадных труб, работающих в условиях высоких давлений и агрессивных сред. Профиль резьбы обеспечивает высокую прочность соединения на растяжение и герметичность.
Технология изготовления и контроль качества
Изготовление упорной резьбы требует специального оборудования и инструмента из-за особенностей несимметричного профиля. Основными методами нарезания являются: токарная обработка резцами, фрезерование дисковыми и концевыми фрезами, шлифование для получения высокой точности.
При токарной обработке используются специальные резцы с углами заточки, соответствующими профилю упорной резьбы (3° и 30°). Для обеспечения требуемой шероховатости поверхности рекомендуется финишная обработка методом накатывания или шлифования. Накатывание особенно эффективно для серийного производства, так как обеспечивает упрочнение поверхностного слоя и высокую производительность.
Контроль качества упорной резьбы осуществляется с помощью специальных резьбовых калибров и измерительных средств. Основными контролируемыми параметрами являются: средний диаметр d₂, шаг резьбы P, угол профиля, шероховатость поверхности. Для ответственных изделий применяется 100% контроль резьбовыми калибрами-кольцами (ПР и НЕ) и калибрами-пробками.
Поля допусков упорной резьбы (ГОСТ 25096-82)
Наружная резьба: 7h, 8h, 9h (строчная буква h — основное отклонение)
Внутренняя резьба: 7AZ, 8AZ, 9AZ (прописные буквы AZ — основное отклонение)
Рекомендуемые посадки: 7AZ/7h (средний класс), 8AZ/8h (грубый класс)
Пример обозначения посадки: S80×10-7AZ/7h
Современные требования и перспективы развития
В современных условиях к упорной резьбе предъявляются повышенные требования по точности, долговечности и экологичности производства. Развитие новых материалов и технологий обработки открывает дополнительные возможности для совершенствования резьбовых соединений.
Применение современных сталей и сплавов с улучшенными механическими свойствами (40Х, 40ХН, 38ХМА) позволяет повысить несущую способность упорной резьбы по сравнению с традиционной сталью 45. Использование поверхностного упрочнения методами химико-термической обработки (цементация, азотирование) значительно увеличивает износостойкость резьбовых соединений.
Внедрение систем автоматизированного проектирования (CAD/CAM) и числового программного управления станками (ЧПУ) обеспечивает высокую точность изготовления и повторяемость параметров резьбы. Применение координатно-измерительных машин для контроля качества позволяет достигать точности измерений до единиц микрометров.
Перспективным направлением развития является создание композитных материалов для изготовления деталей с упорной резьбой, что особенно актуально для авиационной и космической техники, где критически важно снижение массы при сохранении прочностных характеристик.
Экологические аспекты: Современные требования предусматривают использование экологически чистых смазочно-охлаждающих жидкостей при механической обработке и применение материалов, пригодных для вторичной переработки.
Часто задаваемые вопросы
Основное отличие заключается в профиле резьбы. Упорная резьба имеет неравнобокую трапецию с углами 3° (рабочая сторона) и 30° (нерабочая сторона), что обеспечивает высокую несущую способность при односторонних осевых нагрузках. Трапецеидальная резьба имеет равнобокую трапецию с углом 30° на обе стороны и предназначена для передачи движения в обоих направлениях. Благодаря малому углу рабочей стороны, упорная резьба обеспечивает более высокий КПД при односторонних нагрузках.
Обозначение включает букву S, номинальный диаметр и шаг резьбы в миллиметрах: S40×6 — упорная резьба диаметром 40 мм с шагом 6 мм. Для левой резьбы добавляются буквы LH: S40×6LH. При необходимости указывается поле допуска: S40×6-8h (наружная резьба) или S40×6-7AZ (внутренняя резьба). Посадка обозначается: S40×6-7AZ/7h.
По ГОСТ 10177-82 применяются следующие формулы: средний диаметр d₂ = d − 0,75×P; внутренний диаметр наружной резьбы d₃ = d − 1,735534×P; внутренний диаметр внутренней резьбы D₁ = d − 1,5×P. Например, для S60×8: d₂ = 60 − 6 = 54 мм; d₃ = 60 − 13,884 = 46,116 мм; D₁ = 60 − 12 = 48 мм.
Упорная резьба не предназначена для обычных крепёжных соединений. Она разработана специально для передачи больших односторонних осевых усилий в механизмах типа винт-гайка (прессы, домкраты, нажимные устройства). Для крепежа используется метрическая резьба M, которая обеспечивает надёжное соединение при растяжении, сжатии и поперечных нагрузках благодаря симметричному профилю с углом 60°.
Для нарезания упорной резьбы используются специальные резцы с профилем, соответствующим углам 3° и 30°. На токарных станках применяются фасонные резцы с соответствующей заточкой, на фрезерных — дисковые и концевые фрезы. Для серийного производства применяется накатывание роликами. Для контроля необходимы резьбовые калибры ПР и НЕ, а также шаблоны профиля. Важно обеспечить правильную геометрию режущего инструмента для получения точного несимметричного профиля.
Упорная резьба широко применяется в металлургии (нажимные винты прокатных станов), машиностроении (гидравлические и винтовые прессы, домкраты), нефтегазовой отрасли (обсадные трубы с резьбой buttress), авиационной промышленности (силовые актуаторы), энергетике (механизмы управления задвижками). Основные области применения — везде, где требуется передача больших односторонних осевых усилий с высоким КПД.
Качество упорной резьбы контролируется резьбовыми калибрами ПР (проходной) и НЕ (непроходной), измерением среднего диаметра микрометром со вставками, проверкой шага резьбы и угла профиля с помощью профилометров и шаблонов. Для ответственных изделий применяется контроль на координатно-измерительных машинах с точностью до единиц микрометров. Контролируемые параметры: d₂, P, угол профиля 3° и 30°, шероховатость поверхности.
Для упорной резьбы используются конструкционные стали: сталь 45, 40Х, 40ХН для обычных условий; легированные стали 38ХМА, 30ХГСА для повышенных нагрузок; нержавеющие стали 12Х18Н10Т для агрессивных сред. Материалы винта и гайки должны образовывать антифрикционную пару. Часто винт изготавливают из закалённой стали, а гайку — из бронзы (БрО10Ф1, БрА9Ж3Л) или антифрикционного чугуна для снижения трения и износа.
Отказ от ответственности
Данная статья носит ознакомительный характер. Представленная информация предназначена для общего ознакомления с упорной резьбой S и не заменяет профессиональной инженерной консультации. При проектировании и изготовлении изделий с упорной резьбой необходимо руководствоваться действующими государственными стандартами и техническими условиями.
Нормативные источники: ГОСТ 10177-82 «Резьба упорная. Профиль и основные размеры»; ГОСТ 25096-82 «Резьба упорная. Допуски»; ГОСТ 13535-87 «Резьба упорная усиленная 45°»; ГОСТ 34057-2017 «Соединения резьбовые обсадных, насосно-компрессорных труб»; ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей»; справочники по машиностроению.
Авторы не несут ответственности за возможные последствия применения данной информации в практической деятельности без соответствующих инженерных расчётов и проверок по действующим нормативным документам.
