Виды и причины ослаблений резьбовых соединений

Главным преимуществом резьбовых крепежных изделий является то, что их можно демонтировать и использовать повторно. Однако это их свойство является также источником серьезной проблемы, как для машин, так и для строительных металлических конструкций. Эта проблема — непреднамеренное и самопроизвольное ослабление (самоотвинчивание) резьбового соединения — болтового, винтового или шпилечного.

1. Механизмы ослабления резьбового соединения

В большинстве резьбовых крепежных соединений прочность соединения обеспечивается путем создания в нем большой стягивающей нагрузки. Эта стягивающая нагрузка создается при контролируемой затяжке болтового соединения.

Болтовое соединение с контролируемым натяжением

Рисунок 1 — Болтовое соединение с контролируемым натяжением

Ослабление резьбового соединения — это последующая потеря части этой стягивающей нагрузки. Это может происходить по двум причинам:

  • Ротационное ослабление, которое часто называют самоотвинчиванием, происходит тогда, когда крепежное изделие, например, гайка, вращается относительно болта под воздействием внешних нагрузок, что приводит к уменьшению стягивающего усилия в соединении.
  • Неротационное ослабление происходит тогда, когда отсутствует относительное движение между внутренней и наружной резьбой, но ослабление резьбового соединения все равно происходит.

2. Неротационный механизм отвинчивания гаек

Неротационное ослабление резьбового соединения может происходить как результат деформации самого резьбового крепежного изделия или соединения в целом. Это может происходить в результате локальной пластической деформации на опорных поверхностях болтового или винтового соединения.

Когда две опорные поверхности, например, детали и головки болта, приходят в контакт друг с другом, неровности на обеих поверхностях подвергаются значительной нагрузке. Поскольку фактическая площадь контакта может быть значительно меньше, чем видимая его площадь, то на этих неровностях возникают очень большие локальные напряжения. Величина этих напряжений даже при весьма умеренных нагрузках выше предела текучести материалов в болтовом соединении (рисунок 1).

Увеличенная область контакта с неровностями контактирующих поверхностей

Рисунок 2 — Увеличенная область контакта с неровностями контактирующих поверхностей [1]

Это приводит к тому, что поверхность частично проседает сразу после завершения операции затяжки болтового соединения. Это явление называют «просадка» (англ. embedding). Доля стягивающего усилия, которая теряется из-за просадки зависит от:

  • жесткости болта и самого соединения,
  • количества поверхностей, которые участвуют в соединении,
  • шероховатости поверхностей и уровня напряжений, которые действуют в соединении.

При умеренных нагрузках начальная осадка соединения обычно приводит к потере стягивающего усилия в болтовом соединении на 1 до 5 % в течение первых секунд после затяжки болтового соединения. Когда это соединение впоследствии динамически нагружается внешними нагрузками, происходит дальнейшая осадка соединения в результате давлений, которым подвергаются его поверхности.

Ослабление резьбового соединения в результате просадки является особенно проблематичным для соединений, которые состоят из нескольких тонкостенных элементов и имеют небольшую общую толщину соединения.

3. Теория ослабления болтового соединения

В настоящее время признанной теорией самопроизвольного ослабления резьбового крепежа считается теория Юнкера (1969). Она была разработана по результатам испытаний болтов на испытательной машине Юнкера (рисунок 3).

Испытательная машина Юнкера

Рисунок 3 — Испытательная машина Юнкера [1]

Основные положения теории Юнкера:

  • Хорошо затянутое болтовое соединение ослабевает в результате отвинчивания гайки, если возникает относительное движение между резьбами болта и гайки и между смежными поверхностями гайки и прижатого материала.
  • Поперечные динамические нагрузки создают намного более серьезные условия для самоотвинчивания, чем динамические осевые нагрузки.
  • Радиальные перемещения под действием осевых нагрузок значительно меньше, чем те, которые возникают от поперечных нагрузок (рисунок 4).
  • Наиболее частой причиной ослабления болтовых соединений является не вибрация, как часто считается, а движения в соединении, в частности, поперечные проскальзывание резьбы болтов и опорных поверхностей.
  • Если к болту приложена достаточная осевая нагрузка, чтобы предотвратить поперечные перемещения в соединении, то не требуются никакие фиксирующие устройства, так как трение будет держать части соединения вместе.

Поперечное перемещение в болтовом соединении

Рисунок 4 — Поперечное перемещение в болтовом соединении [1]

В случаях, когда проскальзываний в соединении нельзя избежать, например, в соединениях для компенсации температурных расширений, то необходимо применять специальные меры и устройства для фиксации резьбового соединения, например, в случае болтового соединения, стопорение гаек.

4. Стопорные свойства болтов

4.1. Фланцевая головка

Более широкая головка болта — фланцевая головка — обеспечивает больше трения между головкой и поверхностью детали или элемента конструкции. При этом снижается поверхностное давление на опорные поверхности и тем самым снижается просадка соединения.

4.2. Рифленая головка

Рифление на опорной поверхности фланца головки выполняет функцию стопорения. При затяжке болта ребра рифления впиваются в поверхность конструкционного элемента и обеспечивают стопорящий эффект. Повреждение поверхности детали, особенно окрашенной, может быть препятствием для применения в некоторых случаях.

Если в болтовом соединении применяется рифленый болт, то и гайка в нем тоже должна быть рифленая [3] (рисунок 5). Это нужно для того, чтобы обеспечивать высокое трение на всех поверхностях соединения. В болтовом соединении с рифлеными болтом и рифленой гайкой шайбы не применяются.

Болты и гайки с рифленой опорной поверхностью

Рисунок 5 — Болты и гайки с рифленой опорной поверхностью

5. Стопорные свойства гаек

В промышленности применяется несколько десятков различных типов стопорных элементов — стопорных гаек. Все они имеют общий принцип — заклинить резьбу гайки на резьбе болта. Это достигается различными методами: механическими или химическими. К механическим методам относятся стопорные гайки с деформированной резьбой, нейлоновыми и стальными стопорящими вставками. Химические методы основаны на повышении трения между резьбами за счет заклинивания их путем введения специальных химических составов, например, такие известные составы как Фиксаторы от предприятия «Виброзащита».

6. Стопорные свойства шайб

Шайбы относятся к крепежным изделиям, так как они участвуют в обеспечении прочности и надежности соединений. Неправильное применение шайб может приводить к снижению прочности соединения или увеличению риска его ослабления.

6.1. Плоские шайбы

При правильном выборе плоские шайбы (рисунок 6) могут способствовать снижению поверхностного давления на мягкие материалы и минимизировать потерю прочности сжимающего усилия за счет просадки. Опорная поверхность шайбы обычно больше, чем опорная поверхность болта или гайки.

Круглая плоская шайба

Рисунок 6 — Круглая плоская шайба

Больший диаметр контактной поверхности дает большее усилие сопротивления трению. Поэтому, именно головка болта всегда вращается относительно шайбы при затягивании болтового соединения. Следовательно, она будет защищать менее прочный материал и тем самым снижать риск ослабления соединения при воздействии внешних сил.

В зависимости от применяемого класса прочности болта выбирают класс прочности шайбы. Выбор неправильной твердости шайбы может приводить к повышенному риску ослабления соединения, а также, если материал является слишком мягким чтобы поддерживать головку болта без просадки [2].

6.2. Пружинные (гроверные) шайбы

Обычно считается, что пружинные гроверные шайбы (рисунок 7) снижают риск ротационного ослабления болтового или винтового соединения. Главная цель этой пружинной шайбы — снижать потерю стягивающего усилия, которое происходит вследствие просадки болтового соединения. Поэтому, если правильно применять эту шайбу, то будет снижаться риск отвинчивания под воздействием динамических нагрузок.

Пружинные (гроверные) шайбы

Рисунок 7 — Пружинные (гроверные) шайбы [3]

Однако часто эти шайбы имеют чрезмерную прочность и поэтому приводят к более высокому риску ослабления соединения из-за просадки и/или динамических нагрузок [2]. Пружинные шайбы должны иметь прочность, которая достаточна, чтобы выдержать стягивающее усилие болтов класса прочности 5.8, когда они затянуты на полную прочность. При работе с такими болтами пружинные шайбы снижают потерю стягивающей нагрузки и тем самым снижают риск ослабления болтового соединения под воздействием динамических сил. Кроме того, кромки пружинной шайбы создают механическое зацепление за относительно мягкую поверхность, что дает дополнительный стопорящий эффект.

Эффективность пружинных шайб становится очень низкой, когда их применяют с термически упрочненным крепежом класса 8.8 и выше. Пружинное усилие шайбы является в этом случае слишком малым, а кромки шайбы не способны врезаться в твердую поверхность болта или гайки. Если пружинные шайбы применяются с высокопрочным крепежом, то они фактически создают повышенный риск для надежности соединения, так под воздействием высоких нагрузок могут разъехаться и сломаться.

6.3. Гроверные шайбы при поперечной вибрации

На рисунке 8 представлены результаты вибрационных испытаний на машине Юнкера болтовых соединений М10 с гроверной шайбой и без нее. Амплитуда вибрации составляла +/- 0,5 мм [1].

Результаты испытаний показали, что установка пружинной шайбы под головку болта может приводить к его самоотвинчиванию быстрее, чем для болта без такой шайбы [1]. Аналогичное мнение об эффективности пружинных шайб по стопорению болтов и гаек высказано в известном руководстве по проектированию крепежа NASA [3].

Испытания болтов на машине Юнкера

Рисунок 8 — Испытания болтов на машине Юнкера: «болт с гроверной шайбой» и «болт без шайбы»

 

6.4. Другие стопорные шайбы

  • Тарельчатые (рисунок 9)
  • Зубчатые (рисунок 10)

Тарельчатые шайбы

Рисунок 9 — Тарельчатые шайбы: а — гладкие, б — рифленые [3]

Зубчатые шайбы

Рисунок 10 — Зубчатые шайбы [3]

7. Применение контргаек

Эти гайки обычно стопорят друг друга, как это показано на рисунке 9. До сих пор идут споры, какая из гаек должна быть снизу — толстая или тонкая [3].

Стопорение контргайкой

Рисунок 11 — Стопорение контргайкой [3]

Однако, есть мнение, что этот тип стопорения является слишком непредсказуемым, чтобы быть надежным [3]. Если внутренняя гайка затянута сильнее, чем наружная, то она «потечет» до того, как наружная гайка будет затянута до своей полной нагрузки.

С другой стороны, если наружная гайка затягивается больше, чем внутренняя гайка, то внутренняя гайка будет разгружаться. При этом наружная гайка начнет «течь» до того, как внутренняя гайка наберет свою полную нагрузку.

Это значит, что очень трудно получить правильную затяжку для каждой из этих двух гаек. Поэтому, считается [3], что самоконтрящие гайки являются намного более практичным выбором для стопорения, чем гайка и контргайка. Однако, например, в случаях, когда болтовое соединение не несет осевой нагрузки, применение контрящей гайки может быть вполне оправдано.

8. СТО НОСТРОЙ 2.10.76-2012 о стопорении резьбовых соединений

СТО НОСТРОЙ 2.10.76-2012 «Болтовые соединения» [4] по-разному подходит к стопорению различных типов соединений. Это в целом соответствует подходу на основе теории Юнкера.

8.1. Три основных типа болтовых соединений

  • Фрикционные (сдвигоустойчивые) соединения. В этих соединениях сдвигающие усилия воспринимаются силами трения, действующими на контактных поверхностях соединяемых элементов в результате натяжения болтов на проектное усилие.
  • Срезные соединения. В этих соединениях сдвигающие усилия воспринимаются сопротивлением болтов срезу, а соединяемых элементов — смятию.
  • Фрикционно-срезные соединения. В этих соединениях учитывается как сопротивление болтов срезу, так соединяемых элементов — смятию и трению.

Фрикционные соединения — это соединения с контролируемым натяжением на высокопрочных болтах, а срезные и фрикционно-срезные — соединения с неконтролируемым натяжением.

8.2. Требования по стопорению соединений

Для фрикционного соединения каждый болт (высокопрочный) устанавливается в соединение с двумя круглыми шайбами (одна ставится под головку болта, другая — под гайку). Высокопрочные болты с увеличенным размером головки под ключ, при разности номинальных диаметров отверстий и болтов до 4 мм, допускается устанавливать с одной шайбой под вращаемым элементом (гайкой или головкой болта). Никаких дополнительных мер по стопорению гаек не производится. Особое внимание уделяется подготовке контактных опорных поверхностей болтов, гаек и шайб для обеспечения на них высоких усилий трения.

В срезных соединениях допускается установка под гайкой двух плоских шайб. Под головкой болта шайбу допускается не устанавливать. Для предотвращения самоотвинчивания гаек, их дополнительно закрепляют постановкой специальных шайб или контргаек. При этом конкретные виды шайб не указываются. Для болтов, работающих на растяжение, закрепление гаек рекомендуется осуществлять исключительно постановкой контргаек.

В конструкциях, воспринимающих статические нагрузки, гайки болтов, затянутых на усилие 50–70 % от минимального предела прочности болта на растяжение, допускается дополнительно не закреплять. При этом резьба болтов не должна попадать на плоскость среза.