NO150330B - Gjengeforbindelse - Google Patents

Abstract

Gjengeforbindelse.

Description

Oppfinnelsen vedrører en gjengeforbindelse, og mer spesielt en gjengeforbindelse som skal belastes i aksial retning og er beregnet for bruk ved høyere temperaturer, hvilken gjengeforbindelse omfatter to deler som 1) har sammenfallende akser og 2) har forskjellige termisk lineære ekspansjonskoeffisienter, hvorved ett stykke er en gjenget handel og den andre del er en gjenget hundel.

Gjengeforbindelser mellom deler med forskjellig termisk lineær ekspansjonsfrekvens har ofte overraskende lav styrke ved økede temperaturer. Dette er særlig tilfelle hvor ekspansjonskoeffisientene er vesentlig forskjellige, som f. eks. ved grafitt til metallforbindelser, og styrken kan være så lav at forbindelser av denne type noen ganger bryter i stykker uten noen belastning. Problemet skriver seg fra den meget lave styrke og ikke formbare egenskap, i dette tilfelle for grafitt, og den store forskjell i termisk ekspansjon mellom grafitt og de fleste materialer av interesse for høytem-peraturarbeide.

Problemet foreligger klart i tilfelle av en gjengeforbindelse som benyttes i roterende gassfordelingsapparater, som benyttes ved raffinering av smeltede metaller og er beskrevet i US patent nr. 3870511. En todelt aksel benyttes i den roterende gassfordeler, idet den øvre aksel er fremstilt av metall og den nedre aksel av grafitt. Disse aksler er forbundet med en gjengeforbindelse av den type som er vist på fig. 3 (men ikke avskrånet). gjennom hvilken den øvre aksel driver den nedre aksel. Drivretningen er slik at forbindelsen tilstrammes, og den må overføre det'ønskede dreiemoment såvel som motstå bøyning og strekkrefter.

Når en forbindelse med en diameter på 2,5 cm oppvarmes fra omgivelsestemperatur til 705°C, vil den metalliske yttergjenge, f. eks. av "Inconel 600"-legering, ekspandere ca'. 0,2 mm mer i diameter enn innergjengedelen av grafitt. Hvis den første diametrale klaring er bare 0,05 mm, slik det kan være med standard gjengepasning, vil metalldelen forsøke å ekspandere grafitten 0,15 mm mer. Dette tilveiebringer en belastning som sprenger grafitten.

For å overvinne"dette.problem.er det foreslått at det benyttes en radiell klaring på minst størrelsen for den radielle ekspansjonsforskjell som kan forventes. Det ble imidlertid funnet at det også var en aksial ekspansjonsforskjell- som resulterte i at en gjenge på metallakselen hadde en større stigning enn den motsatte gjenge på grafitten når .forbindelsen befant seg ved økede temperaturer. Således ville metallgjengen ved toppen være skjøvet opp på den tilpassede grafittgjenge, mens metallgjengen ved bunnen ble skjøvet ned på dens .tilhørende gjenge, igjen med tilveiebringelsen av en uakseptabel-belastning på.grafitten. • For .å .forhindre metallgjengen i å utøve denne kraft på grafitten, bl.e det.foreslått å tilveiebringe én til og med større radiell klaring enn nødvendig for å kompensere for den radielle -ekspansjonsforskjell. Derved ble den eneste' kontakt ved driftstemperaturer tilveiebragt av metallgjengen ved toppen som skjøv mot den tilpassede grafittgjenge. Denne minimale kontakt resulterte i høye belastninger på grafitten ved dette punkt..'- Et moderat dreiemoment vil bevirke" atgrafitt-" gjengen brytes i stykker og overfører så hele belastningen til den neste grafittgjenge, som' så brytes i stykker, og så nedover hele linjen av gjenger til forbindelsen går fullsten-dig i stykker..

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en forbedring av tidligere kjente gjengeforbindelser, som tilpasser forbindelsen for bruk ved økede temperaturer på en slik måte at belastninger som er bevirket av forskjellene i termiske ekspansjonskoeffisienter for delene minimaliseres og at en roterende belastning kan utøves på en jevn forutbestemt måte uten de feil man tidligere' hadde. Med andre ord vil forbindelsen være i stand til å.motstå belastninger med hensyn til bøyning, strekk og torsjon som ut-øves ved .påtenkte økede driftstemperaturer.

■• Andre hénsikter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå .av det. følgende .

Hensikten med oppfinnelsen oppnås ved en gjengeforbindelse av den innledningsvis nevnte art, som er kjenne-tegnet ved det som fremgår av kravene.

Forbedringen omfatter tilveiebringelsen ved omgivelsestemperatur av en konisitet, slik at forandringen i radiell klaring pr. lengdeenhet mellom motsatte gjenger på hver del svarer til uttrykket AAT tan 0, hvor: A = forskjellen i termisk lineære ekspansjonskoeffisienter

for materialene i hvert av stykkene i aksial retning,

AT = driftstemperaturen for forbindelsen minus omgivelsestemperatur, og

6 = den spisse vinkel som dannes mellom de belastede flater

til gjengene i hver del i forhold til aksene,

idét den radielle klaring Øker i belastningsretning for den del som har høyere termisk ekspansjonskoeffisient.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvis-ning til utførelseseksempler som er fremstilt på tegningene, som viser: fig. 1 et skjematisk riss i tverrsnitt av en utfør-elsesform for oppfinnelsen,

fig. 2 en forstørret del av et tverrsnitt svarende til det på fig. 1,

fig. 3, 4, 5, 6 og 7 skjematiske riss i tverrsnitt av andre utførelsesformer for oppfinnelsen.

Ved alle figurer er den radielle klaring og konisiteten sterkt overdrevet av illustrasjonsgrunner og således ikke i riktig målestokk. I praksis vil stiningen vanligvis være for liten til å være synlig med det blotte øye.

Gjengeforbindelsen som forbedringen gjøres med er med unntak av den bestemte konisitet i alle henseender van-lig, og den mest vanlige anvendelse i miitter- og boltforbind-elser. Standardskrugjengen har en gjengevinkel på 60°, og denne gjengevinkel såvel som andre kan benyttes i begge deler av gjengeforbindelsen. Den mest vanlige anvendelse er med en aksiell belastning på forbindelsen. Aksene til de to deler (gjengene} som utgjør gjengeforbindelsen er sammenfallende, noe som klart fremgår av tegningen, og for mange anvendelser er disse akser de samme som aksene til sylindre fra hvilke gjengedelene ble skåret ut. Aksene er også å anse som senterlinjer for vinkler og radielle mål.

De termisk lineære'ekspansjonskoeffisienter ér velkjente konstanter som bestemmer ekspansjonsstørrelsen under utøvelsen av varme på spesielle"materialer. De ér aagitt i tekniske■håndbøker og også angitt av fremstillerne av de spesielle materialer eller de kan fastslås med vanlige teknikker. Koeffisienter av særlig interesse her er for metallegeringer som benyttes ved høytemperaturanvendelser og ikke-metalliske produkter, såsom grafitt, som også benyttes ved høye temperaturer. Noen eksempler på metallegeringer og ikke-metalliske materialer for høytemperaturbruk og deres termiské ekspansjonskoeffisienter"(mm pr. mm pr. grad C)' er "Inconel 600"

(nikkelkromlegering) 15,1, "L-605" (kobolt-kromlegering) 14,4, "AISI type 304" rustfritt stål 18,36, "type-CS" grafitt -

(5 ,cm. diameter ekstrudert stang) 1,26, parallell til ekstru-deringsretning"'(aksial) og 3,24 vinkelrett til ekstruderings-retning, siliciumkarbid 4,5, smeltet kvarts 0,522, mulitt 5,4. Alle verdier skal multipliseres med 10~^.

Ved gjennomføring av oppfinnelsen kan enten den gjengede handel eller den gjengede hundel ha den høyere koeffisient, og den aksiale belastning kan utøves i hvilken som helst retning, idet hvert tilfelle tilpasses av den bestemte konisitet. Videre kan den radielle klaringsvariasjon tilveiebringes ved å plassere konisiteten på enten handelen eller 'hundelen, idet den ikke koniske del bærer den rette gjenge, eller ved å avskråne såvel handel som hundel for å gi riktig forandringsgrad i radiell klaring.

Hvor handelen har en lavere koeffisient enn hundelen, er det ikke noen foreskrevet minimal radiell klaring. Følgelig kan den radielle klaring være null, men er åv prak-tiske grunner noe større enn null for å gi en lett sammenset-ning. I motsatt tilfelle er imidlertid.en minimal radiell klaring foretrukket, og det er hvor hundelen har en lavere termisk ekspansjonskoeffisient enn handelén. Denne fore-trukkede minimale radielle klaring svarer til uttrykket BCAT, hvor: B = stigningsradien for gjengen til en av delerié (forskjellen i stigningsradius mellom hver del er uendelig liten),

C = forskjellen i ekspansjonskoeffisienter for materialene

i hver del i radiell retning,

AT = driftstemperaturen for forbindelsen minus omgivelsestemperatur.

Fagmannen fil forstå at konisiteten er jevn langs lengden til den gjengede del som den er anbragt på og at dette kan tilveiebringes ved bruk av en konisk tapp for hungjengen eller en konisk form for hangjengen eller kan skjæres ut på en dreiebenk. Gjenger av ikke maskinerbart materiale kan fremstilles ved sliping eller forming. Det er foretrukket at konisiteten plasseres bare på en av delene. Anbringelse av konisitet på gjengede stykker er selvfølgelig velkjent såvel ved rørbøssinger for å forhindre lekkasje som i forbindelse med relativt myke materialer, men i disse tilfeller er handelen og hundelen avskrånet i samme grad, slik at det ikke er noen forandring i radiell klaring langs lengden til det gjengede samvirke.

Driftstemperaturen for forbindelsen ligger vanligvis over omgivelsestemperatur, f. eks. over 537°. Den eneste viktige faktor her er at temperaturen ved hvilken det er ønsket å benytte forbindelsen er kjent, slik at den riktige radielle klaring og konisitet kan bygges inn i forbindelsen. Det kan her henvises til en forutbestemt driftstemperatur. Omgivelsestemperaturen på den annen side er den temperatur ved hvilken gjengene måles og er vanligvis romtemperatur i det rom hvor delene fremstilles.

Fagmannen vil forstå at når handelen har den lavere termiske ekspansjonskoeffisient, såsom ved grafitt, vil en oppvarming til driftstemperatur bevirke at klaringen øker i radiell retning. I en forbindelse av den type som er vist på fig. 6, er denne forskjøvet i en viss grad av forskjellen i langsgående ekspansjon. Virkningen til forskjellen i langsgående eller aksial ekspansjon i forskyvning av forskjellen i radiell ekspansjon øker med avstanden fra seteflaten 29 til et punkt som betegnes som "nøytralpunktet", hvor det ikke<* >er noen løsgjøring eller tilstramming av gjengen. Dette er det punkt ved hvilket delen som har den høyere koeffisient, i dette tilfelle hundelen, beveger seg utover og oppover i forhold til handelen, som sitter under hundelen, i en grad slik at det oppnås en resulterende bevegelse som er parallell til gjengeflaten. Således vil ved ethvert punkt under nøy-tralpunktet gjengen løsgjøres, og ved ethvert punkt over nøy-tralpunktet vil gjengen tilstrammes. Hvis avstanden fra nøy-tralpunktet til seteflaten er X, så er

hvor A,.B, C og 9 er definert foran.

Hvis det antas ..at konisiteten er blitt tilveiobragt i henhold til AAT tan 6 med den radielle klaring økende i riktig retning, vil den spesielle forbindelse, dvs. med en handel med den lavere koeffisient, når den oppvarmes til driftstemperatur bli løs og må tilstrammes på nytt ved den valgte temperatur hvis en tett forbindelse er ønsket. Dette krav om gjentatt tilstramming kan unngås ved å eliminere gjengen (se fig. 7) på enten én av delene eller begge delene, utgående fra nøytralpunktet over avstanden X til seteflaten. Hvis denne forbindelse sammensettes med et meget lett dreiemoment, vil bare gjengen ved nøytralpunktet, i dette tilfelle den andre gjenge, være i kontakt. Når forbindelsen oppvarmes, vil belastningen på gjengen ikke forandres, men klaringen .eller ga-pet mellom gjengene over denne kontakt vil avta. Ved den bestemte driftstemperatur vil den samme lette kontakt oppnås på alle gjenger. Hvis en tett forbindelse er krevet ved driftstemperatur, kan den gjengede forbindelse sammensettes med en forutbestemt dreiekraft eller tilstrammes med et gitt vinkel-moment. forbi punktet for den første kontakt. Derved vil ved driftstemperatur alle gjenger være belastet.

Trekket.med et nøytralpunkt kan også benyttes ved forbindelsen på fig. 3 hvor handelen har. den høyere ekspansjonskoeffisient. Hvis gjengesamvirket utstrekker seg til nøytralpunktet, som er en avstand X (som definert ovenfor) fra seteflaten 18 (ved å avslutte enten en av gjengene eller begge gjenger ved dette punkt), vil gjengen hverken løsne eller tilstrammes når den oppvarmes. Hvis gjengesamvirket utstrekker seg utover nøytralpunktet, vil forbindelsen løsne når den oppvarmes. Hvis gjengesamvirket ender kort foran nøy-tralpunktet, vil . forbindelsen tilstrammes når den oppvarmes.

Det skal nå gis en beskrivelse av tegningene: Fig. 1 viser et sideriss av en gjengeforbindelse hvor handelen 4 har en høyere ekspansjonskoeffisient enn hundelen 5. Belastningsretningen 6 er vist for handelen 4, mens belastningsretningen 7 er vist for hundelen 5. De sammenfallende akser eller senterlinjer 1 svarer til aksene for sy-lindrene av hvilke delene er fremstilt. Flatene 2 og 3 ut-gjør de lastbærende flater for hundelen 5 og handelen 4. Stigningslinjen 8 er den for handelen 4, mens stigningslinjen 9 er linjen for hundelen 5. Stigningsradien 12 er den for hangjengen og stigningsradien 11 er den for hungjengen. Stigningen 13 indikerer stigningen for hungjengen, hvorved stigningen for hangjengen selvfølgelig måles på samme måte. Det skal bemerkes at alle figurer på tegningen viser forbindelser ved omgivelsestemperatur. Fig. 2 er en forstørret del av en gjengeforbindelse svarende til den som er vist på fig. 1. Senterlinjen 1, stigningslinjene 8 og 9 og belastningsretningene 6 og 7 er de samme som på fig. 1. Den radielle klaring 14 er antydet som avstand mellom stigningslinjene 8 og 9 langs en linje vinkelrett til senterlinjene. Vinkelen 15 er angitt ved symbolet for den greske bokstav theta og er blitt definert ovenfor. Fig. 3-7 viser alle senterlinjene 1 og belastningsretningene 6 og 7 som på fig. 1 ogv2. På fig. 3 har handelen 16 en høyere ekspansjonskoeffisient enn hundelen 17 og har også seteflaten 18 som ligger mot flaten til hundelen. På fig. 4 har handelen 21 igjen den høyere ekspansjonskoeffisient med hundelen 22 utformet av et lavt ekspanderende materiale. Her ligger seteflaten 23 til delen 21 mot den indre flate på delen 22 i motsetning til det ytre anlegg på fig. 3. På fig. 5 har hundelen 24 en høyere ekspansjonskoeffisient enn handelen 25, og seteflaten 26 til handelen 25 ligger mot den indre flate på hundelen. De motsatte konusretninger på fig. 4 og 5 med hensyn til han- og hundelene skal bemerkes, hvorved den radielle klaring alltid øker i retning av belastningen, av delen med høyere termisk ekspansjonskoeffisient.

På fig. 6 er handelen betegnet med 28 og hundelen med 27, hvorved sistnevnte har en høyere koeffisient. Seteflaten 29 til handelen 28 ligger mot den ytre flate på hundelen i motsetning til fig. 5. Fig. 7 viser en side av fig. 6 og ad-skiller seg bare ved den gjengeløse del 30 som går fra nøy-tralpunktet i en avstand X til seteflaten. Formelen for X er angitt og diskutert ovenfor. Her er gjengen eliminert fra såvel handel som hundel.

Det skal forstås at selv om seteflaten er beskrevet som en del av handelen, vil den når forbindelsen er tilstram-met ligge an mot sitt motstykke på hundelen, som også kan be-traktes som en seteflate. Avstanden X går mellom dette anlegg og nøytralpunktet. På fig. 3 - 6 er gjengen vist med underskjæringer, slik de vanligvis vil bli fremstilt ved prak-tiske gjengeskjæremetoder. Lengden for denne underskjæring vil ha en viss virkning på kvaliteten til forbindelsene som er vist på fig. 4 og 6, men det antas her at dennne lengde er så liten at den ikke har noen praktisk effekt. På fig. 3-7 er videre gjengeretningen (høyregjenger eller venstregjenger) valgt slik at den overførte dreiebelastning har en tendens til å tilstramme forbindelsen. Når forbindelsen er slik til-strammet, vil de to stykker være plassert aksielt i retningene 6 og 7. Dette er selvfølgelig ikke meningsfylt hvis det ikke overføres noe dreiemoment annet enn det som benyttes for å forbinde de to deler til hverandre.

Eksempel

Ved begynnelsen av beskrivelsen ble det vist til en roterende gassfordeler, og en forbindelse av den type som er vist på fig. 3 er nevnt i denne forbindelse. Dette eksempel vedrører en sammenligning mellom problemforbindelsen som er omtalt ovenfor og en todelt aksel fremstilt ifølge oppfinnelsen og beregnet for bruk i den roterende gassfordeler, hvilken forbindelse er konstruert på samme måte som den gjengede forbindelse på fig. 3.

Den øvre aksel på den problematiske forbindelse er fremstilt av en legering "Incbnel 600". Den nedre aksel, som har en,ytre diameter på 44,5 mm maskineres fra ekstrudert grafitt av type CS med en diameter på 50 mm. Gjengen som.for-binder de to deler er betegnet som 7/8 - 9 UNC - 2A og 2B

(22,2 mm nominell ytre diameter, 9 gjenger pr. 2,54 cm, Unified National Course til toleranseområdet 2A utvendig og

2B innvendig!. Dette tillater en diametral klaring mellom 0,05 mm og 0,41 mm eller en radiell klaring mellom 0,025 mm og 0,2 mm. Gjengesamvirkets lengde er ca. 3,05 cm. Disse deler er målt og sammensatt ved 21°C og blir så oppvarmet og brukt Ved en temperatur på 632°C. En stor del av forbindelsene som var fremstilt og brukt på denne måte gikk i stykker ved opp-splitting av grafitten i det gjengede område; En del av disse gikk i stykker ved oppvarming før den egentlige bruk.

Gjengen i grafittdelen til den problematiske forbindelse ble så gjort konisk som på fig. 3. De første deler er gjenget på dreiebenk, og de derpå følgende deler blir til-skåret med en avskrånet tapp. Den diametrale eller inner sluttede konus som ble benyttet er 0,76 mm pr. 25,4 mm lengde, noe som er to ganger den radielle klaringsforandring pr. 25,4 mm lengde, som beregnet med den formel som er angitt foran, dvs. den radielle klaring pr. enhetslengde = AÅT tan 6, hvorved det ble benyttet en termisk lineær ekspansjonskoeffisient for grafitt på 0,70 (verdien i aksiell retning eller parallelt til ekstruderingsretningen) og 8,7 for legeringen av "Inconel 600" (igjen er verdien i aksiell retning). Den minimale diametrale klaring holdes i området mellom 0,15 mm og 0,25 mm. Temperaturskalaen er i °C, vinkelen 6 er 60°C, sammensetningen gjøres ved 21°C og bruken er ved 632°C. Bruken av disse forbindelser eliminerer feil ved oppvarmingen, og i vesentlig grad elimineres også bruksfeil. Videre er bruks-levetiden for den gjengede forbindelse mange ganger fordoblet.

Claims (7)

1.. Gjengeforbindelse som skal belastes i aksial retning, hvilken forbindelse omfatter to deler (4, 5). som 11 har sammenfallende akser (11 og 2J. har forskjellige termisk lineære ekspansjonskoeffisienter, hvorved ett stykke er en gjenget handel (45 og den andre del er en gjenget hundel (51, karakterisert ved at gjengene er utformet med en slik konisitet at ved omgivelsestemperatur vil forandringen i radiell klaring pr. lengdeenhet mellom motsatte gjenger (2, 31 , på hver del (4, 5) være lik uttrykket AAT tan 0, hvor: Å = forskjellen i termisk lineær ekspansjonskoeffisient for materialene i delene, i aksial retning, AT = driftstemperaturen for forbindelsen minus omgivelsestempe ratur, og

9 = den spisse vinkel som dannes av den belastede flate på gjengen til hver del i forhold til aksene, hvorved den radielle klaring øker i retning av belastningen av delen med høyere termisk lineær ekspansjonskoeffisient.

2. Forbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at handelen (4) har en høyere termisk ekspan-sjonskoef f isient enn hundelen 5 (fig. 1 - 4) .

3. Forbindelse ifølge krav 1, karakterisert ved at hundelen har en høyere termisk ekspansjonskoeffisient enn handelen (fig. 5 - 7).

4. Forbindelse ifølge krav 2, karakterisert ved at den minimale radielle klaring er lik uttrykket B CAT, hvor B = stigningsradien for gjengen til en av delene, C = forskjellen i termisk lineær ekspansjonskoeffisient for materialene til delene, i radiell retning, og AT = det samme som angitt ovenfor.

5. Forbindelse ifølge krav 4, karakterisert ved at handelen er metall og hundelen grafitt.

6. Forbindelse ifølge krav 3, karakterisert ved at handelen er grafitt og hundelen metall.

7. Forbindelse ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at han- og hundelen ligger an mot hverandre utvendig for å tilveiebringe en seteflate (18, 29), idet minst en av delene i forbindelsen har et gjengeløst parti som går fra seteflaten (18, 29) i en avstand X til begynnelsen av BC det gjengede parti, hvilken avstand X er lik 2a tan 9' ^vor B = stigningsgraden for gjengen til en av delene, C = forskjellen i termisk lineær ekspansjonskoeffisient for materialene i delene, i radiell retning, og A og 9 er det samme som angitt ovenfor (fig. 3, 7)..