Способы фиксации резьбовых соединений

Существующие способы фиксации резьбовых соединений условно можно разбить на три отдельные группы:

Фиксация с помощью деформации:

В данном случае усиление упругости соединения будет компенсироваться благодаря проседанию после сборки. Таким образом, усилие предварительного напряжения сохранится и затруднит ослабление резьбового соединения. Однако данный метод не предотвратит самоотвинчивание соединения в случае, когда между напряженными деталями присутствуют относительные колебания. Тарельчатые пружины с высокой жесткостью и конические пружинные шайбы могут послужить примерами способа деформации. Эффекты фиксации резьбовых соединений, получаемые с помощью использования иных элементов, таких, например, как пружинные шайбы, шайбы веерного типа, эластичные и зубчатые шайбы, не является адекватными. Шайбы подобного типа не рекомендуется использовать при фиксации болтов, относящихся к классу 8.8 и выше (американским эквивалентом является марка 5).

Рис. 25: На картер двигателя установлен болт с резьбовым фиксатором Loctite.

Фиксация путем использования элементов, предотвращающих самоотвинчивание

Использование крепежных элементов, предотвращающих самоотвинчивание, позволяет несколько убавить усилие затяжки. Например: проволочные фиксаторы, корончатые гайки, болты, оснащенные металлическими и пластмассовыми резьбовыми вставками. Используя данные элементы можно избежать изменения фиксированного положения, однако они малоэффективны для сохранения первоначально созданного усилия затяжки. Для этого следует использовать элементы, предотвращающие самоослабление.

Фиксация путем использования элементов, предотвращающих самоослабление резьбовых соединений

К таким элементам относятся:

• гайки и болты, имеющие стопорящие зубчики
• болты, имеющие рифленые фланцы
• специальные клеи

Продукция Loctite, предназначенная для эффективной фиксации резьбы

Предотвращающие самоотвинчивание устройства в вопросах фиксации резьбы должны отвечать самым высочайшим стандартам. Корпорацией Loctite были разработаны жидкие однокомпонентные клеи, способные полностью заполнять микроскопические зазоры, существующие в резьбовых соединениях между граничащими плоскостями. Контактируя с металлом при отсутствии воздуха, данные клеи полимеризуются, превращаясь в твердую, прочную, термореактивную пластмассу.

С помощью резьбового фиксатора создается соединение граничащих между собой резьбовых поверхностей, которое сцепляет их шероховатости, предотвращая любые перемещения резьбовых деталей. В результате, проблема разрешается там же, где и возникает - в резьбе. Именно по этой причине разработанные корпорацией Loctite резьбовые фиксаторы считаются наиболее эффективными средствами, предотвращающими самоотвинчивание в крепежных соединениях.

Рис. 26: Во время установки резьбовой части, на которую нанесен продукт, в глухое отверстие, находящийся в нём сжимаемый воздух не позволит продукту распределиться по всей резьбовой части, выдавив клей наружу, что приведет к значительному снижению прочности фиксации резьбового соединения.

Чтобы избежать подобных негативных последствий, продукт следует нанести и на дно отверстия, которое послужит для него своеобразным резервуаром.

Чтобы снизить расход продукта, на дно отверстия, перед его нанесением, можно поместить резиновую пробку.

Необходимо, чтобы фиксатор покрывал резьбу по всей длине и чтобы полимеризации клея ни что не препятствовало (некоторые очистители или масла могут затруднить и даже полностью остановить процесс анаэробной реакции). Нанесение на резьбовую часть жидких анаэробных фиксаторов осуществляется посредством специальных дозирующих устройств или вручную. Оптимальное количество используемого продукта будет зависеть от таких параметров, как: размер резьбы, вязкость фиксатора и конфигурация деталей. При больших размерах деталей клей следует наносить на обе поверхности. Для фиксации глухих резьбовых отверстий на дно отверстия клей следует наносить в количестве, достаточном для того, чтобы вытесненный резьбовой фиксатор после сборки заполнил резьбовое соединение по всей длине (рис. 26).

Рис. 27: Силы, воздействующие на резьбовые соединения.

В жидком состоянии некоторые из анаэробных фиксаторов Loctite на резьбовой коэффициент трения при монтаже воздействуют положительно, подобно смазке. Такое свойство позволяет использовать данные продукты в работе автоматических поточных линий, без замены установленного на них сборочного оборудования. Но при этом необходимо, чтобы были определены момент затяжки и предварительное напряжение.

Создание требуемого усилия сжатия

Покупатель, приобретающий болт или гайку, не редко желает выяснить, какое усилие сжатия можно получить при использовании приобретенных деталей и в течение какого периода времени оно сможет сохраняться на первоначальном уровне. Впоследствии также может возникнуть потребность ослабить или разобрать данное соединение. Болты и гайки эту функцию выполняют очень хорошо, но чтобы получить желаемый результат на протяжении долгого времени их следует использовать грамотно.

Затягивая винт или болт, мы прилагаем усилие к головке. Вращательное усилие, направленное по часовой стрелке, уменьшает интервал между гайкой и болтом. При возникновении сопротивления (к примеру, стягивание фланца) болт продолжит вращение до момента образования баланса между реактивным моментом сопротивления соединения и крутящим моментом, приложенным к головке. Первый образуют три составляющих: трение между сопрягаемой поверхностью и головкой болта, напряжение болта и трение в резьбе. Каким образом распределяется вращающий момент между тремя вышеперечисленными факторами показано на рисунках 27 и 28.

В виде формулы соотношения равновесия можно отобразить следующим образом: T = KdF,

здесь

T = значение момента затяжки

D = значение диаметра болта

F = значение усилия сжатия

K = значение эмпирической постоянной, учитывающей все силы трения, а также переменный диаметр в резьбе и под головкой болта, где воздействуют силы трения (коэффициентом трения она не является, хотя и имеет с ним связь).

Определить значения K можно экспериментально (рис. 29).

Величина коэффициента трения и, соответственно, постоянной K может значительно колебаться вследствие очень большой силы сжатия, создаваемой поверхностями, которые бывают шероховатые, гладкие, оксидированные, химически обработанными и/или смазанные. У замасленной стали значение K постоянное и варьируется в пределах 0.11 - 0.17 или порядка 20% от момента затяжки. Суммарной силой трения поглощается 80-90 % момента затяжки (рис. 28). Соответственно, для определения оптимальных значений момента затяжки, необходимых для того, чтобы обеспечить определенные осевые нагрузки на болт, следует произвести специальные испытания с использованием устройств для измерения величины крутящего момента. В технических данных смазок и других материалов, используемых для обработки резьб, часто указываются значения постоянной K, которые размещаются на кривой «вращающий момент – натяжение», представленной на рисунке 30. Указанные значения были получены опытным путем на болтах 3/8 x 16 (ориентировочно соответствует резьбе M10) c завернутой гайкой. Торец и резьба гайки смазывались. При несмазанных опорных поверхностях (как гайки, так и головки болта) значение постоянной K может увеличиться почти вдвое. При работе с резьбовыми фиксаторами Loctite можно точно рассчитать момент натяжение и затяжки болта, благодаря чему они идеальны для использования в поточном производстве. На значение постоянной K влияют следующие факторы: материал фланцев и крепежа, скорость сборки, качество болта, шероховатость поверхностей и резьбовой зазор, выбранный продукт Loctite.

Рис. 28: Соотношение моментов в болте (предварительно затянутом).

Рис. 29:

Относительные* величины коэффициента К, отражающие смазывающие свойства фиксаторов резьбы на разных материалах.

Рис. 30: Напряжение при кручении.

О подборе болта

Для получения необходимого усилия прижима F, конструктору необходимо осуществить подбор подходящего крепежного элемента. Усилие прижима, взаимосвязанное с S (напряжение болта), можно представить в виде следующего уравнения:

S = F/A,

в котором А - площадь поперечного сечения используемого болта или, как правило, сумма площадей всех используемых в соединении болтов. Если заранее известен материал болта, то наиболее оптимальным значением напряжения болта S считается 75 процентная составляющая от допускаемой нагрузки и, соответственно, можно вычислить значение A. Далее, используя уравнение «момент затяжки – напряжение», нетрудно определить количество болтов и их диаметр:

T = k D F

Крутящее усилие сдвига будет создавать сжимающий вращающий момент. Если эта величина будет превышать допустимую нагрузку на болт, число используемых болтов необходимо увеличить так, чтобы уменьшить величину максимальной нагрузки для каждого крепежного элемента. Процедура может выполняться, исходя от обратного: при варианте, когда применяется меньшее число болтов, необходимо повышение предельных нагрузок, поэтому вышеуказанное уравнение можно применить для определения наиболее подходящего материала болтов. Как показывает практика, величина k зависит от использования и для каждой ситуации должна определяться опытным путем. Уравнение (рис.30) может служить лишь в качестве ориентира. Наиболее достоверные значения получаются путем проведения экспериментов.

Об усталостной прочности

Существует два пути для определения усталостной прочности болтовых соединений: усталость соединяемого болтами материала и усталость болта. На жестком соединении усталость затянутого нормально болта не отразится. Первоначальное напряжение болта будет сохраняться в относительно постоянном состоянии до той поры, пока величина внешней нагрузки на соединение не будет превышать нагрузку болта. При величине эксплуатационных нагрузок на болт ниже расчетных - конструкторских, основывающихся на усилии преднатяга, болт будет функционировать при малозаметных колебаниях напряжения или вовсе без него и на надежности соединения усталость болта не отразится, независимо от числа нагрузочных циклов.

Увеличение гибкости соединения приведет к увеличению переменного напряжения в болтовом или винтовом крепежах. При слишком большой гибкости присутствующие переменные нагрузки могут стать довольно сильными и, независимо от изначальной предварительной нагрузки на крепежные элементы, привести к усталостному разрушению последних.

Важнейшим условием, способным не допустить циклические колебания напряжения, вызванные циклическими нагрузками, является надлежащее предварительное напряжение или предварительная нагрузка на крепежные детали. Как показывают результаты испытаний, соединение относительно упругими болтами жестких деталей - лучший способ предотвращения поломок вызванных усталостью.

Использование фиксаторов резьбы Loctite гарантирует повышенную надежность соединений. Клеем заполняются все зазоры, имеющиеся в резьбе, в результате чего совершенно не остается места для перемещения крепежных средств.

Использование метода спектрального анализа при расчете безопасной нагрузки

Методика преодоления усталостного износа хорошо известна конструкторам. При грамотном проектировании и монтаже конструкция соединение функционирует таким образом, что образующиеся усилия достичь величин, способных породить усталостные поломки, не могут. Очевидной проблема становится при исследовании спектра воздействующих сил. На рисунке 31 изображен небольшой сегмент с показаниями тензометра, полученными во время испытания одного из самолетных узлов. (Спектр нагрузок на усталость для исследуемых деталей истребителя)

Рис. 31: Вид спектра нагрузки.

Неизбежно возникает вопрос, как определить расчетную нагрузку соединения? Мы знаем, что в соединениях, стянутых с усилиями, превышающими действующие на них нагрузки, циклических нагрузок на болты не возникает. Допустима ли такая высокая сила сжатия, что величина нагрузки на болт не сможет превысить значения разрушения, равного 4450 Н (1 тыс. фунтов F), или возможно ли, чтобы вероятностный риск смог бы достичь нескольких сотен максимальных значений, которые, разумеется, не смогут вызвать усталостного разрушения, если они не превышают предела усталости? На данный вопрос однозначно ответить затруднительно. Во-первых, необходимо проведение спектрального анализа, с целью выяснения вероятности образования пиковых нагрузок. Результаты подобного анализа отражены на рисунке 32.

Рис. 32: Сложение спектра.

Во-вторых, необходимо рассмотреть и другой аспект проблемы, который не менее важен, чем вопрос усталости. Процесс самоотвинчивания крепежных деталей может происходить в результате перегрузки соединения. Так, при 50-ти смещениях болтового соединения в сторону будет потеряно 20 % усилия затяжки. В связи с уменьшением этого усилия более частые и более слабые нагрузки вызовут скольжение и довольно скорый выход данного соединения из строя. Таким образом, конструктору необходимо наряду с выбором размера болта определиться и со способом его фиксации. Разные методы фиксации оказывают различное влияние и на усилие сжатия и на возможность самоотвинчивания соединения. Если болт закрепить, предохраняя его от самоотвинчивания, то на его работу не сможет оказать влияния даже очень большое число циклов перегрузки. Расчетная нагрузка может составлять долю пиковой нагрузки при очевидной экономии веса и стоимости. Фиксаторы резьбы Loctite являются наиболее эффективным средством предотвращения самоотвинчивания соединения и поддержания постоянного усилия сжатия.