Как снизить риск ослабления резьбовых соединений?

При проектировании соединений планирование минимальной ожидаемой предварительной нагрузки, создаваемой болтами, позволяет эффективно избежать риска ослабления. Если вы не используете «коэффициент запаса прочности» и вместо этого проектируете с учетом средней предварительной нагрузки, многие болты, скорее всего, ослабнут. Вам также необходимо учесть потерю предварительного натяга из-за заделки, которая обычно происходит в резьбе и под поверхностью контакта между головкой болта и гайкой, когда поверхность контакта оседает.

Что такое резьбовые крепления

Фактически, резьбовые соединения играют неотъемлемую роль в любом инженерном изделии, каким бы сложным оно ни было. Ключевое преимущество резьбовых креплений перед большинством других методов соединения заключается в том, что они съемные и могут использоваться повторно. Эта особенность часто является важной причиной, по которой резьбовые крепления выделяются и предпочтительнее других методов соединения. Они часто играют жизненно важную роль в поддержании структурной целостности продукта. Однако не следует упускать из виду, что резьбовые крепления также часто являются основным источником проблем в машинах и других компонентах. Отчасти это связано с тем, что они могут случайно ослабнуть.

Самоотвинчивание резьбовых соединений стало явлением с начала промышленной революции. Изобретатели потратили последние 150 лет на поиск эффективных решений для предотвращения этого явления. Многие распространенные методы фиксации резьбовых застежек были изобретены более 100 лет назад. Однако лишь недавно стали понятны основные механизмы, приводящие к саморасшатыванию. На самом деле существует множество различных механизмов, приводящих к ослаблению резьбового соединения, которые можно условно разделить на две категории: ротационное ослабление и невращательное ослабление.

Ротационное и невращательное рыхление

В подавляющем большинстве случаев резьбовые соединения затягиваются для создания предварительной нагрузки на соединение. Ослабление можно определить как последующую потерю предварительного натяга после завершения процесса затяжки. Это может произойти одним из двух способов. Вращательное ослабление, часто называемое самоослаблением, происходит, когда крепеж вращается под внешней нагрузкой. Невращательное ослабление происходит тогда, когда относительного перемещения между внутренней и наружной резьбой нет, но происходит потеря преднатяга.

Ослабление крепежа из-за невращательного ослабления

Неротационное расшатывание может произойти из-за деформации самого крепежа или соединения после сборки. Это может быть результатом частичного пластического разрушения этих интерфейсов.

Когда две поверхности соприкасаются друг с другом, неровности на каждой поверхности несут несущую нагрузку. Поскольку фактическая площадь контакта может быть значительно меньше кажущейся площади, даже при умеренных нагрузках неровности превышают предел текучести материала.

Увеличенные поверхности, показывающие контакт неровностей.

Это приводит к частичному разрушению поверхностей после завершения операции затяжки. Такое складывание часто называют встраиванием. Величина зажимной силы, потерянной из-за заделки, зависит от жесткости болта и соединения, количества соединений болтов, присутствующих в соединении, шероховатости поверхности и приложенных напряжений подшипника. В условиях умеренного поверхностного напряжения первоначальное разрушение обычно приводит к потере от 1% до 5% силы зажима в течение первых нескольких секунд после затягивания соединения. Когда соединение впоследствии подвергается динамической нагрузке от приложенных сил, происходит дальнейшее снижение из-за изменений давления, которые происходят на границах соединения.

Ослабление из-за потерь при закладке проблематично в соединениях, которые включают несколько тонких сопрягаемых поверхностей и небольшую длину зажима болта. Если поверхностное несущее напряжение поддерживается ниже предела текучести при сжатии материала соединения, можно рассчитать величину потерь при внедрении и спроектировать соединение так, чтобы компенсировать эти потери.

Теория Юнкера о самоослаблении застежки

Герхард Юнкер опубликовал в 1969 году технический документ («Новый стандарт самоослабления крепежных изделий под действием вибрации», документ SAE 690055, 1969 г.), в котором были представлены результаты тестовой работы, которую он провел для подтверждения своей теории о том, почему резьбовые крепежные детали самоотвинчиваются. . Его главный вывод: предварительно натянутые крепежные детали могут ослабляться вращением, как только возникает относительное движение между сопрягаемыми резьбами и между опорной поверхностью крепежного изделия и зажатым материалом. Юнкер обнаружил, что поперечные динамические нагрузки вызывают условия саморасшатывания, которые гораздо более суровы, чем динамические осевые нагрузки. Причина этого в том, что радиальное движение при осевых нагрузках значительно меньше, чем радиальное движение при поперечных нагрузках.

Поперечное перемещение в болтовых соединениях

Юнкер показал, что предварительно натянутые крепежные детали могут самоослабляться, когда происходит относительное движение между сопрягаемой резьбой и опорной поверхностью крепежного изделия. Это относительное движение происходит, когда поперечные силы, действующие на соединение, превышают сопротивление трения, создаваемое предварительным натягом болта. При небольших поперечных смещениях между боковыми сторонами резьбы и контактными поверхностями в зоне подшипника может возникнуть относительное движение. После преодоления люфта резьбы на болт будут действовать изгибающие силы, и, если боковое скольжение продолжится, опорная поверхность головки болта будет скользить. После начала резьба и головка болта временно освобождаются от трения. Внутренний закрывающий момент, возникающий из-за предварительной нагрузки, действующей на угол спирали резьбы, создает коррелированное вращение между гайкой и болтом.

При повторяющихся боковых движениях этот механизм может полностью ослабить застежку. Чтобы исследовать причины ослабления, Юнкер разработал испытательную машину, так называемую «машину Юнкера», которая позволит количественно оценить эффективность противорасшатывающих свойств конструкции крепежа.

Роликоподшипники используются для устранения эффекта трения между подвижной пластиной и неподвижной пластиной. Тензодатчики могут непрерывно контролировать нагрузку на болт, в то время как подвижная пластина, на которой зажата гайка, подвергается боковому перемещению. Это главное преимущество по сравнению со стандартами испытаний на удар, поскольку потерю предварительной нагрузки можно измерить во время испытания и построить график зависимости предварительной нагрузки от периода. Идея машины Junker заключается в том, что боковое смещение, создаваемое кулачком, вызывает раскачивание крепежного элемента. Преодоление трения в застежке создает действие саморасстегивания.

Кривые ослабления при испытании на вибрацию Junker

Такие испытания, как тест Юнкера (подробности испытаний приведены в спецификации DIN 65151), позволяют сравнить характеристики крепежных изделий различных конструкций с самоотвинчиванием. За последние два десятилетия была проделана большая работа по исследованию существующих конструкций крепежных изделий с целью сравнения их с ослаблением вибрацией. Чтобы провести достоверное сравнение, важно, чтобы использовалась одна и та же амплитуда, поскольку это оказывает существенное влияние на результаты. Здесь показаны типичные результаты испытаний винтовой пружинной шайбы.

Некоторые испытания показали, что размещение винтовой пружинной шайбы под головкой болта может ускорить ослабление; другие испытания показали, что использование такой шайбы дает такие же характеристики, как и использование болта без какого-либо стопорного устройства. Многие крупные производители OEM знают об этих выводах и больше не указывают такие шайбы в своих внутренних стандартах. Однако, судя по продолжающемуся использованию этих шайб, многие организации, похоже, не знают об этих выводах.

Многие стопорные устройства для резьбовых соединений основаны либо на предотвращении относительного перемещения резьбы между резьбой болта и гайки (например, с помощью нейлоновых вставных гаек), либо на предотвращении перемещения гайки относительно соединения (например, с помощью различных типов «стопорных» шайб). ). Однако Юнкер и другие более поздние исследователи указали на важность предотвращения бокового движения суставов. Болтовые соединения сконструированы таким образом, чтобы усилие зажима болтов было достаточным для предотвращения бокового смещения, вызванного трением между пластинами соединения, и предотвращения ослабления. Этого можно достичь на этапе проектирования, выбирая размер и прочность крепежа таким образом, чтобы предварительная нагрузка могла создавать достаточное трение, чтобы внешние нагрузки не вызывали движения сустава.

Выводы

Что касается явления саморасшатывания резьбовых соединений, то обычно считается, что основной причиной является движение соединения, особенно боковое скольжение между резьбой болта и несущей поверхностью, а вибрация не является наиболее критическим фактором. Если от болта можно получить достаточную предварительную нагрузку для удержания соединения в неподвижном состоянии, тогда нет необходимости в дополнительных фиксирующих устройствах, поскольку трения достаточно, чтобы прочно удерживать детали вместе. При проектировании резьбовых соединений основная проблема заключается в том, чтобы обеспечить достаточную предварительную нагрузку, чтобы надежно удерживать детали на месте даже в условиях изменяющихся условий трения. На рисунке ниже показано влияние изменений трения на преднатяг болта. Обычно в спецификациях затяжки указывается диапазон крутящего момента, отвечающий требованиям сборки соединения и при этом учитывающий экономичность. Если принять во внимание этот диапазон крутящих моментов, а также возможные основные крутящие моменты (с максимальными и минимальными пределами), можно построить диаграмму, показывающую изменение предварительной нагрузки из-за различных спецификаций сборки. Проектирование соединения с учетом минимальной ожидаемой предварительной нагрузки, создаваемой болтами, эффективно устраняет риск ослабления. С другой стороны, если не учитывать «коэффициент запаса прочности» и проектирование основано на среднем предварительном натяге, многие болты, скорее всего, ослабнут. Кроме того, необходимо сделать определенный допуск на потерю предварительного натяга из-за заделки в зоне резьбы и под головкой болта и торцом гайки при осадке контактной поверхности. Для контроля заделки необходимо следить за тем, чтобы напряжения подшипника на торце гайки, головке болта и внутри соединения всегда находились в пределах максимального диапазона подшипниковых напряжений, допускаемого зажимаемыми материалами. В некоторых случаях, когда невозможно избежать смещения сустава, например, при движении сустава, вызванном тепловым расширением, следует использовать надежные фиксирующие устройства.