Частые проблемы с крепежными элементами и способы их устранения

Только кажется на первый взгляд, что затянуть болт — это самая простейшая задача, за которой не кроется никаких подводных камней. На самом деле вопросам изготовления, выбора и применения резьбового крепежа посвящены тысячи исследовательских работ, а на каждый собранный узел воздействуют с десяток внутренних и внешних факторов, меняющих отдельные аспекты его эксплуатации.

Столкнуться с необходимостью установки болтов, винтов или гаек может любой, проанализировать нагрузки и условия работы — далеко не каждый. Для этого необходимы специфические знания и обширный практический опыт. Тогда как цена допущенных ошибок может быть чересчур высока: ненадежный крепеж способен привести к разрушению огромную машину, а неправильно подобранный с технологической точки зрения — заставит слесарей вести сборку в буквальном смысле стоя на голове.

Избежать большинства проблем можно, хотя бы просто узнав об их существовании и рисках возникновения. Ознакомившись с общей картиной всех возможных уязвимостей и недостатков разных видов крепежа, вы приобретете понимание сущности их работы и сможете более уверенно предсказывать перспективу эксплуатации того или иного узла и соединения.

Частые проблемы с крепежными элементами

Ослабление крепежа

При сборке резьбового соединения условную гайку затягивают поверх стержня болта с определенным усилием. В данной схеме гайка испытывает сжимающие напряжения, а болт — растягивающие. Их совместное действие приводит к тому, что соединяемые между метизами детали остаются неподвижно прижатыми друг к другу.

Но в некоторых случаях через какое-то время можно наблюдать самоотвинчивание резьбы: гайка проворачивается относительно болта и немного смещается вдоль оси, а само соединение ослабляется. Это происходит под действием различного рода нагрузок:

• Знакопеременных;
• Динамических;
• Ударных;
• Вибрационных;
• Термических (перепады температур).

Также на ослабление крепежа непосредственно влияет такое явление, как усталостная прочность. Это результат того, что с течением времени происходит некоторое снижение прочностных характеристик материалов под влиянием циклических нагрузок. Это актуально как для самих метизов, так и для стянутых ими деталей.

Самоотвинчивание резьбы опасно тем, что собранное соединение перестает выполнять свою функцию. Узел теряет свою неподвижность и требуемое монолитное положение. Элементы смещаются друг относительно друга, толчками и ударами дополнительно интенсифицируя подвижность.

Первая стадия самоотвинчивания — потеря усилия, стягивающего узел, последняя — потеря болта, полностью вышедшего из резьбового гнезда. Такая неисправность может стать причиной аварийных ситуаций, что особенно актуально для высокоскоростных роторных машин или аппаратов, работающих под давлением.

Поломка или деформация крепежных элементов

Классическая схема расчета условного болта подразумевает проверку на растяжение (продольная нагрузка) и срез (поперечная нагрузка). Наиболее выгодным для такого крепежа считается положение, при котором поперечное нагружение исключено вообще, а стержень работает сугубо на растяжение. По этой причине предельно допустимая нагрузка на один и тот же болт для среза будет значительно ниже растяжения.

Деформация (искажение исходной формы) метизов происходит, когда приложенная нагрузка превышает предел текучести материала. Если же эта характеристика идет по нарастающей и перешагивает через предел прочности, то наступает разрушение.

Крепежные детали склонны деформироваться и ломаться непосредственно по месту работы в тех случаях, когда фактические рабочие нагрузки оказываются куда выше, чем проектные. Как правило, это связано либо с ошибками в исходных расчетах, либо с неправильной эксплуатацией самого объекта, когда конкретный узел нагружают сверх установленных норм.

Как проявляется деформация крепежа:

• Смятие витков резьбы (слизывание);
• Отрыв тела под головкой;
• Изменение геометрии изогнутого анкерного болта;
• Разбивка поверхности под ключ (внутренний шестигранник или шлиц);
• Изгиб резьбового стержня при неправильной затяжке.

Любое необратимое искажение формы метиза сигнализирует о превышении предела текучести. Независимо от причины поломки, надежность изделия стремительно снижается. Деформированный элемент следует в любом случае признать непригодным к работе и заменить.

Коррозия крепежных элементов

Коррозионные процессы на металле развиваются вследствие окисления поверхности каким-либо активным веществом, будь то жидкость или газ. В отношении метизов чаще всего это вода или насыщенный влагой воздух. В химическом и пищевом производстве крепеж также может сталкиваться с куда более агрессивными средами (например, кислоты, щелочи, соли).

Развитие коррозии приводит к постепенному разрушению поверхностных слоев. Визуально это выглядит как образование рыхлой ржавчины, отслоение металла, стремительное появление и заглубление лунок-кратеров.

Чем чревата коррозия для крепежных элементов:

• Замедленное разрушение тела детали даже в условиях щадящих эксплуатационных нагрузок;
• Снижение суммарной несущей способности изделия;
• Зарастание зазоров в витках резьбы, что затрудняет последующую разборку.

Опасность развития коррозии крепежа кроется также в том, что эти мелкие детали на сборочном узле зачастую становятся концентраторами окислительных процессов. Иначе говоря, первым ржаветь начинает именно метиз, даже если в целом агрегат выглядит вполне чистым. Далее уже коррозия исподволь распространяется на материал сопряженных деталей по точкам контакта — виткам резьбы в резьбовом отверстии, цилиндру и фаскам в гладком отверстии, а также торцовым поверхностям, в которые упираются головки болтов и юбки гаек. Это особенно заметно в деревянных конструкциях (диваны, шкафы, двери), где ржавчина дополняется гниением древесины.

Остановить коррозию можно только на самых начальных этапах поражения металла. Ее зачищают специальной агрессивной химией вроде растворителей. Если же ржавчина уже начала полноценно «съедать» метизы — их проще сразу же заменить, не дожидаясь распространения на окружающие объекты. В наиболее сложных условиях химического производства коррозия способна полностью уничтожить болт размером М16 буквально за один месяц. Головка остается визуально целой, но стоит только попробовать вытащить крепеж из гнезда — и он буквально распадается в труху.

Неправильный выбор крепежных элементов

Проектируя тот или иной узел и закладывая в него крепление резьбовыми метизами, инженер решает целый комплекс задач: нужно обеспечить определенное усилие стяжки, гарантировать надежность на требуемом промежутке времени, предусмотреть удобство монтажа и демонтажа всей конструкции.

Неверное решение приводит в итоге к неправильному выбору крепежа, что влечет за собой следующие проблемы:

• Изделие не выдерживает эксплуатационные нагрузки и быстро выходит из строя;
• При затяжке деформируются поверхности сопряженных элементов;
• Специфические условия работы вызывают стремительное падение прочности (высокий нагрев, контакт с агрессивными средами, экстремальное охлаждение с охрупчиванием и т.д.);
• Крайне неудобно вести сборку;
• Демонтаж и изъятие крепежа без разрушения невозможны.

Чтобы избежать подобного исхода событий, последовательность выбора болтов, шурупов, резьбовых шпилек и гаек подразумевает рассмотрение сначала стандартных универсальных решений, потом перехода к специализированным, а затем — к нестандартным специальным, когда уникальный крепеж проектируют под конкретный узел.

К примеру, если общая конструкция не позволяет вести затяжку соединений Г-образным ключом или отверткой, то между винтами с внутренним шестигранником и наружными лысками выбирают последний вариант — он позволит оперировать более удобным инструментом (рожковым ключом). А при отсутствии доступа к обратной стороне узла недальновидным будет использование соединения на болте с гайкой, ведь вы попросту не сможете удержать один из элементов. Здесь более рациональной становится схема на винтах или заклепках.

Проблемы с резьбовыми соединениями

Сложности, связанные непосредственно с реализацией тех или иных соединений на резьбовом крепеже, возникают в двух случаях — при сборке и при разборке. С чем можно столкнуться:

• Метиз не садится в отверстие или вворачивается очень тяжело, со скрипом;
• Поверхности под ключ сминаются или разбиваются при затяжке;
• Очевидное заедание резьбы на определенном участке;
• После эксплуатации внешне целый и чистый болт нельзя выкрутить из гнезда;
• После демонтажа на резьбовых витках изделия отчетливо видны слезы износа.

В большинстве своем такие проблемы с резьбой связаны с ошибками в изготовлении самого крепежа и в обработке посадочных мест под его размещение. Каковы будут их основные причины:

• Погрешность в нарезке резьбы (неравномерный шаг, конусность, бочкообразность стержня, криволинейность сечения, биение и т.д.);
• Выход размеров резьбы за установленные допуска;
• Несоответствие шероховатости по резьбе рекомендуемым значениям (Ra 6,3 мкм для обычных и Ra 3,2 мкм для ответственных соединений);
• Попадание абразивных частиц между витками резьбы при закрутке;
• Сборка «на сухую», без применения смазки.

Подобные дефекты способны в значительной степени усложнить монтаж и в перспективе — возможный демонтаж оборудования или какой-либо строительной конструкции. Кроме того, некачественное резьбовое соединение теряет и в нагрузочной способности, поскольку выдает худшие условия эксплуатации.

Способы устранения проблем с крепежными элементами

Укрепление и повторное затягивание крепежа

Для предотвращения ослабевания резьбы в конструкции узлов сразу закладывают меры, называемые «стопорением». Как правило, это дополнительные элементы в соединении, создающие препятствия для самопроизвольного проворота метизов под действием ударов или вибраций и позволяющие более надежно закрепить узел в требуемом положении.

Наиболее распространенные способы стопорения резьбы самые следующие:

• Использование подкладных шайб (плоские, с торцовыми зубьями, пружинные гровера);
• Заливка витков клеем;
• Приварка гаек к торцу хвоста болта на 2-3 точки;
• Проектирование крепежа с упорными лысками или шипами;
• Установка шплинтов, штифтов, гужонов;
• Увязка проволокой, продетой сквозь отверстия в головках нескольких болтов;
• Использование лапчатых шайб и специальных гаек к ним.

Еще один метод предотвращения возможного ослабления соединения — предварительная затяжка с четко рассчитанным крутящим моментом. Такой подход выступает единственно допустимым для автомобильного крепежа. Для реализации предварительной затяжки используют специальный слесарный инструмент, позволяющий контролировать развиваемое усилие — динамометрический ключ.

Замена поврежденных крепежных элементов

Отремонтировать или как-то исправить деформированный крепеж практически невозможно. Такая процедура нецелесообразна, поскольку изделие после ремонта всё равно теряет в нагрузочной способности и надежности. Повторный ввод его в эксплуатацию чреват достижением предельного состояния за куда более короткий срок, чем изначально.

Поэтому единственным выходом становится полная замена метизов. При этом ориентируются на следующие параметры:

• ГОСТ или DIN оригинала, если таковые известны;
• Диаметр резьбы и рабочую длину;
• Размер под ключ и форму поверхности (головка, внутренний зев, шлиц и т.д.);
• Класс прочности;
• Наличие защитного покрытия.

Если после анализа выхода метизов из строя было принято заключение, что исходные элементы не выдерживают реальных условий работы, то в сторону увеличения изменяют следующие параметры:

• Диаметр резьбы;
• Класс прочности;
• Защитное покрытие.

В случае, если сборка/разборка узла на «родном» крепеже вызывает сложности, то рассматривают также изменение поверхностей под ключ или вовсе переходят с болтового на шпилечное или винтовое соединение. Но без инженера, способного оценить подобные радикальные изменения конструкции в комплексе, это весьма рискованный вариант.

Противокоррозионная защита

Для предотвращения развития коррозии метизную продукцию изготавливают либо из материалов, нечувствительных к ней, либо со специальными защитными покрытиями, изолирующими изделие от внешних воздействий. Какой-либо иной эффективной профилактики не существует.

Наибольшую коррозионную стойкость демонстрирует крепеж из нержавеющих сталей. Это высоколегированные сплавы, содержащие хром, никель, марганец, молибден, медь и титан. Сами по себе они обладают сниженной прочностью по сравнению с конструкционными сталями, зато почти не реагируют при контакте с агрессивными средами.

В метизном производстве сегодня используют:

• Аустенитные нержавеющие стали;
• Мартенситные;
• Ферритные;
• Кислотостойкие;
• Хлоридостойкие;
• Жаропрочные (способные выдержать температуру вплоть до +600°С без существенной потери в прочности);
• Криогенные (способные работать при низкой температуре до −196°С).

Кроме того, болты и гайки изготавливают также из цветных сплавов:

• Меди;
• Бронзы;
• Латуни;
• Алюминия и сплавов на его основе;
• Хромоникелевых и хромокобальтовых сплавов.

В том числе с целью предупредить окисление металла гильзу строительного дюбеля делают из пластика.

Более простым и дешевым способом защитить метизы от коррозии будет их изготовление из обычных углеродистых сталей с последующим нанесением наружных непроницаемых слоев. В этот список попадают следующие технологии:

• Химическое оксидирование (воронение);
• Химическое фосфатирование;
• Цинкование;
• Цинкование с хроматированием или пассивированием;
• Никелирование;
• Кадмирование;
• Хромирование;
• Оловянирование;
• Нанесение цинк-ламельных покрытий (в автомобильной промышленности).

Недостатком защитных покрытий по сравнению с производством крепежа из нержавеющих сталей будет условная изнашиваемость таких наружных слоев. Под действием коррозии такие оболочки постепенно уничтожаются. Этот же процесс усиливается с механическими повреждениями, возникающими при закрутке метизов в резьбовые гнезда.

Правильный выбор крепежных элементов

Если поставлена задача проектирования нового узла на резьбовых соединениях или запланирована модернизация старого, рекомендуют воспользоваться следующим подходом в вопросе подбора оптимального типа крепежа:

• Вести расчет диаметра резьбы с достаточным запасом и округлять сугубо в большую сторону ради усиления соединения;
• Рассчитывать количество метизов и логику их размещения, исходя их наиболее равномерного распределения нагрузки и удобства сборочных работ;
• Оперировать классами прочности, закладывая более прочные изделия даже там, где на первый взгляд это не сильно необходимо;
• Использовать дополнительные элементы, улучшающие условия работы резьбовых соединений (подкладные шайбы, шплинты, клей-герметик и т.д.);
• Отдавать предпочтение продукции с защитой от коррозии (как минимум, вороненые или оцинкованные метизы).

Как было сказано ранее, наиболее рационально начинать подбор со стандартной продукции и переходить к нестандартной, лишь убедившись в том, что первая категория никак не решает поставленных задач.

Но нужно понимать, что общий спектр метизной продукции крайне обширен и не стоит ограничиваться лишь какими-то наиболее ходовыми крепежными изделиями. Так в мебельном производстве существует собственная узкопрофильная фурнитура, существенно отличающаяся от ассортимента в строительных магазинах и в арсенале механосборочного цеха.

Обслуживание резьбовых соединений

У профессиональных механиков, постоянно занятых ремонтом промышленной техники с большим количеством резьбовых соединений, существуют собственные правила и инструкции по успешному обслуживанию таких узлов. Вот некоторые из них:

• Детали перед сборкой должны быть тщательно очищены от пыли и грязи. В ряде случаев их дополнительно протирают, используя растворитель. Это позволяет снизить риск абразивного изнашивания в соединениях и предотвратить развитие коррозии.
• При сборке резьбы обязательно смазывают. Для машин, эксплуатируемых в условиях повышенных температур, используют специальные графитовые смазки. Смазанная резьба легче собирается и в меньшей степени «прикипает» в период эксплуатации.
• По результатам демонтажа производится дефектовка всех деталей узла, метизов в том числе. При малейших признаках износа или деформации крепеж подлежит замене, для чего всегда в доступности должен быть ремкомплект, а перечень метизов указывают в сопроводительной документации для того, чтобы отдел обеспечения заранее их закупил.
• При затяжке следует использовать специальный слесарный инструмент, оптимально подходящий для конкретных поверхностей под ключ. Это облегчает работу слесаря и позволяет точно сцентрировать крепеж при затяжке, без перекоса в гнезде и разбивки зева или шлица. На наиболее ответственных машинах узлы затягивают с помощью динамометрических ключей.

Следуя таким советам по обслуживанию резьбовых соединений, можно не только облегчить себе работу по сборке и разборке на планово-предупредительных и аварийных ремонтах, но и в некоторой степени увеличить общий ресурс крепежа.

Профилактические меры

1. При проектировании руководствуйтесь общепринятыми нормативами по расчету и подбору крепежных изделий. Полезным будет углубиться в вопрос и просмотреть специализированную литературу по конкретному типу объектов, подлежащих сборке. Зачастую там оговаривается и тема метизов. Не пренебрегайте прочностным расчетом, закладывайте весомый запас прочности с учетом всех возможных сценариев эксплуатации. Обращайте внимание на риск коррозии, термических воздействий, абразивного износа и т.д.
2. Обучайте персонал правильной работе с резьбовыми соединениями. Слесарь-сборщик должен быть знаком со всеми нюансами посадки тех или иных метизов, спецификой их работы и схемами нагружения, с особенностями тех или иных вспомогательных компонентов (шайбы, шплинты, гужоны и т.д.), должен уметь использовать самый различный слесарный инструмент (в том числе динамометрический). Анекдотическая «забивка болта» категорически недопустима.
3. В ходе планового визуального контроля за работой оборудования или содержанием строительных объектов следует уделять максимум внимания состоянию крепежных элементов. Наиболее ответственные узлы проверяют динамометрическим ключом с определенной периодичностью, не допуская снижения усилия предварительной затяжки. Ремонт или исправление повреждений на метизах нерациональны и проще произвести их полную замену.

Заключение

Может сложиться ошибочное мнение, что по-настоящему серьезные вопросы — это в проектировании валов, зубчатых колес, рычагов и корпусных деталей, а резьбовой крепеж к ним — нечто мелкое и незначительное. Опытные конструктора уделяют метизам не меньше внимания, чем подбору толщины стенки сосуда под давлением или расчету сечения ведущего вала.

При первоначальной сборке и в дальнейшей эксплуатации неправильные решения в области крепежа могут привести к достаточно значимым проблемам, например, к аварийной разгерметизации какой-либо камеры или смещению рабочих узлов в динамической машине прямо «на ходу». Потеря колеса прямо в движении из-за сорванной резьбы — еще один аварийный прецедент из автомобильной отрасли.

Тему крепежа нужно рассматривать комплексно, начиная от подбора подходящих метизов и заканчивая их инспекцией при диагностике оборудования. В ряде случаев вместе с изменением нагрузочных характеристик эксплуатации какого-либо объекта, нередко приходится модернизировать и крепежные узлы. Без глубоких знаний и понимания самой сути работы метизов — болтов, винтов, саморезов, гаек — это предприятие обречено на провал.