Момент затяжки - важный показатель в работе с метрическими метизами

Нет ничего сложного в том, чтобы накрутить гайку на болт, собирая какой-то узел. С подобной задачей справится кто угодно, хотя бы раз в жизни видевший, как это происходит.

Совершенно другое дело — затянуть резьбовое соединение так, чтобы оно справилось со всеми эксплуатационными нагрузками и выдержало весь запланированный срок работы без ослабления, смещения и перекосов. В нагруженных строительных конструкциях и узлах промышленного оборудования этот вопрос имеет особое значение. Здесь ненадежный болт может стать катализатором разрушений и даже привести к резкому аварийному выходу из строя.

Чтобы такого не произошло, резьбу еще в процессе сборки затягивают с определенным усилием. Эту нагрузку называют моментом затяжки и рассчитывают, опираясь на условия работы. И, задаваясь вопросом, почему так важен момент затяжки, следует глубже заглянуть в саму механику резьбовых соединений.

Что происходит при затяжке резьбового соединения

Сборку по резьбе можно встретить в весьма обширном разнообразии — начиная от муфт для стыковки труб и заканчивая сложными многослойными конструкциями, где правая и левая резьба чередуются для компенсации совместного проворота при монтаже и демонтаже.

Простейшим и наиболее наглядным примером применения резьбы в промышленности и быту остаются крепежные изделия. И здесь классической схемой принято считать сочетание стержня (болта), работающего на растяжение, с втулкой (гайкой), испытывающей напряжения сжатия.

В свободном состоянии витки болта и гайки совпадают. Возможность их плавного сопряжения появляется благодаря некоторому минимальному зазору, величина которого строго ограничена. Будь он больше необходимого — гайка будет «гулять» на стержне и клинить при перекосе, будь он меньше нужного — и накручивание одной детали на другую потребует избыточного силового воздействия, что повлечет за собой преждевременный износ поверхностей.

С приложением нагрузки болт растягивается в осевом направлении. Его витки переносят усилие на витки гайки, «сжимая» последнюю. Напряжения при этом распространяются неравномерно, и наиболее нагруженными оказываются первые витки соединения.

Схема восприятия нагрузки витками выглядит приблизительно так:

• первые витки контакта болта и гайки — 32-35%;
• вторые витки — 20-24%;
• третьи витки — 12-15%;
• четвертые витки — 10-12%.

Оптимальная высота резьбового соединения условно равна номинальному диаметру резьбы. Это связано с тем, что «дальние» витки всё равно будут нагружены минимально, и на определенном этапе дальнейшее увеличение протяженности контакта становится попросту бессмысленным.

Неравномерность распределения напряжений по резьбе негативно сказывается на суммарной надежности и величине ресурса крепежа. Поэтому используют два пути стабилизации нагрузки:

1. Шаг резьбы на сопряженных деталях делают разным (в пределах 6-7% несовпадения). Это позволяет компенсировать разность между деформацией витков болта и гайки, приводя их к общей величине. В этом случае витки будут нагружены более равномерно, но всё еще неодинаково. Подобный подход влечет за собой существенное усложнение процесса изготовления метизов и в массовом производстве неудобен. Его используют исключительно при выпуске каких-то уникальных и нестандартных резьбовых соединений.
2. Гайку изначально делают на 20-30% мягче и податливей, чем болт. Этого достигают подбором материалов и назначением термической обработки на разных режимах. Под нагрузкой часть напряжений в такой паре сглаживается, поскольку более мягкая гайка меньше сопротивляется сжатию.

Второй метод наглядно отражен в ГОСТ 1759.4-87 и ГОСТ 1759.5-87. Оба эти стандарта устанавливают требования к механическим характеристикам резьбового крепежа. И по соответствию классов прочности можно легко проследить динамику подбора «мягкой» гайки. Так, например, для метизов класса прочности 12.9 болт калят до твердости 39-44 HRC, тогда как от гайки ждут аналогичной характеристики в диапазоне 31-38 HRC.

В процессе работы соединение по резьбе испытывает несколько видов нагрузки:

• растягивающие и сжимающие (осевые);
• сдвигающие;
• изгибающие;
• дополнительные (ударные, вибрационные, термические).

Изгибающие напряжения для крепежа наиболее опасны. Конструкторы стремятся исключить возможность их появления еще на этапе проектирования. Восприятие же осевых нагрузок и поперечного сдвига для метизов абсолютно нормально.

Чтобы повысить прочность узла, в процессе сборки механики прикладывают к паре «болт-гайка» нагрузку технологического рода — выполняют т.н. предварительную затяжку. Это осевое усилие, при котором болт растягивается, гайка сжимается, но эксплуатационные нагрузки со стороны работающей машины или металлоконструкции отсутствуют. Нужную силу прикладывают исключительно смещением гайки по болту за счет прокручивания.

Благодаря предварительной затяжке позже внешняя переменная нагрузка передается на детали лишь частично. Соединение вступает в работу в уже «подготовленном» напряженном состоянии, что позволяет повысить суммарную надежность.

Кроме того, возникают минимальные контактные напряжения, обеспечивающие плотность стыка на соприкосновении стянутых поверхностей. В этом случае при постепенном или даже резком возрастании нагрузки в процессе эксплуатации часть опасных напряжений распространяется на детали узла, а не только на крепеж. И этот же эффект позволяет уплотнять (герметизировать) фланцевые соединения, «расплескивая» прокладки из резины, паронита или металла.

При предварительной затяжке резьбы возникает некоторый крутящий момент, который также называют моментом затяжки. Он зависит от развиваемого усилия и плеча приложения силы. Принято считать, что для ослабления уже затянутого соединения потребуется от 70 до 100% исходного момента затяжки. Этот принцип легко проверить собственными ощущениями: завинчивая и отвинчивая с горлышка пластиковой бутылки крышку.

Со временем любая сборка на резьбе ослабевает. Особенно выраженным это будет при воздействии на узел переменных нагрузок. Напряжения, возникшие при предварительной затяжке, уменьшаются:

• при постепенном смятии неровностей на стыке стянутых поверхностей;
• под ударными нагрузками;
• вследствие релаксации (с нагревом стали свыше +300°С, цветных металлов — свыше +150°С);
• если эксплуатация машины допускает резонансный режим работы.

Ослабление затяжки не только понижает прочность соединения, но и может привести к дальнейшему самоотвинчиванию. Поэтому исходную величину предварительной затяжки заведомо завышают в 1,25-4 раза от требуемой расчетной характеристики.

Рекомендуемые значения всегда содержат максимум и минимум. Верхнее ограничение необходимо, чтобы избежать пластической деформации и разрушения болта в процессе сборки. При определении этой величины ориентируются на предел текучести материала — нагрузку, при которой металл начинает необратимо изменять свою форму. Используют соотношение:

• максимально допустимые напряжения равны 50-70% от предела текучести — в общем случае применения крепежа;
• равны 80-90% — для высокопрочных метизов, которые нужны при строительстве мостов, железнодорожных переездов и сборке тяжелых промышленных металлоконструкций.

Точный аналитический расчет предварительной затяжки выполняют по РД 37.001.131-89. В процессе вычислений опираются на такие параметры соединения, как:

• размер резьбы;
• величина шага;
• диаметр опорной поверхности гайки и головки болта;
• диаметр отверстия под установку крепежа;
• требуемое усилие затяжки;
• общий коэффициент трения в сопряжении.

Результатом расчета становится величина номинального крутящего момента, необходимого для затяжки резьбового соединения. При этом требуемое усилие (возникающую осевую силу) принимают равной 75% от пробной нагрузки, соответствующей классу прочности крепежа.

Роль силы трения в резьбовых соединениях

Помимо растягивающих и сжимающих напряжений, возникающих при затяжке резьбы, между взаимно скользящими витками болта и гайки также действуют силы трения. Их связь с усилием предварительной затяжки носит обратно пропорциональный характер: с увеличением трения в зоне контакта соединение ослабевает. Поэтому при сборке резьбы пытаются снизить силы трения различными способами.

Основной показатель этого эффекта — коэффициент трения — зависит от:

• материала контактирующих деталей;
• чистоты обработки резьбы (шероховатости витков);
• наличия, характера и свойств покрытия;
• наличия и характера смазки.

Кроме того, имеет значение также, сколько раз соединение собирали. Опытные люди подмечают, что «прогнав» несколько раз гайку по болту, можно добиться более плавной накрутки. Это связано с тем, что поверхности притираются друг к другу, сминаются некоторые микронеровности и вместе с минимальной деформацией витков уходит погрешность обработки.

Большой «вес» при определении сил трения между гайкой и болтом имеет сочетание материала обеих деталей. Сборка стального стержня с бронзовой гайкой пройдет куда легче, чем если весь комплект изготовлен из стали, ведь коэффициент трения «сталь по стали» равен 0,15, а «сталь по бронзе» — 0,1. Самые тяжелые условия трения будут присущи деталям из титановых сплавов — здесь коэффициент трения достигает показателя в 0,345-0,543. Присутствие любого металлического покрытия — цинкового, кадмиевого, никелевого — также меняет картину взаимодействия.

Существенно снижает силы трения применение смазочных материалов. Появление тонкой пленки на поверхности контактирующих витков улучшает движение при закручивании и препятствует заеданию гайки после продолжительной работы (т.н. «прикипание» металла).

Общий ассортимент смазочных материалов, которые используются при сборочных работах, делят на:

• фторуглеродные;
• неорганические;
• углеводородные;
• кремнийорганические смазки.

Они могут быть в виде вязкой жидкости, пасты, твердого бруска или даже пыли. Смазку аккуратно наносят на поверхность резьбы. Оптимально, когда покрывают составом и витки болта, и витки гайки, но это не всегда удобно, поэтому чаще смазывают только стержень.

Сегодня наиболее популярными средствами для смазки резьбовых соединений выступают солидол, литол, специальные силиконовые составы и машинное масло. Если узел будет работать в зоне действия повышенных температур, предпочтение отдают смазкам на основе графита.

Характеристика метрических и дюймовых метизов

Существует несколько типов резьбы в соответствии с исходным профилем витков. Основные — это метрическая и трубная. Вторую часто называют «дюймовой» из-за исчисления размеров в дюймовой системе. У обоих типов присутствуют значимые различия в геометрии, которые и определяют область их применения.

Профиль витков метрической резьбы близок к равнобедренному треугольнику с углом раскрытия 60 градусов. Вершины срезаны, но не настолько, чтобы утверждать о схожести с трапецией. Дно впадины имеет некоторое скругление — это связано с наследованием геометрии инструмента, которым нарезают витки.

Основными параметрами метрической резьбы выступает номинальный диаметр и шаг. Стандартный диапазон диаметров — от 0,25 до 600 мм. Шаг может быть крупным или мелким. Начиная с М1 для каждого размера можно подобрать несколько вариантов шага, а также заказать специализированный крепеж и вовсе с нестандартными параметрами — геометрия витков вполне допускает такие эксперименты.

Метрический профиль резьбы идеально справляется с нагрузками силовой стяжки. Поэтому ему отдают предпочтение при выпуске промышленной и строительной метизной продукции.

Метрическую резьбу также можно встретить на сопряжениях крупных деталей гидро- и пневмоаппаратуры, но только там, где соединение уплотняют резиновыми кольцами, воротниковым манжетами или хотя бы плоскими прокладками. Это связано с тем, что по виткам метрической резьбы свободно просачивается и газ, и жидкость.

Дюймовая резьба имеет треугольный профиль с раскрытием на 55 градусов. Вершины и впадины витков выполнены с выраженным радиусным скруглением. Благодаря этому, при сопряжении болта и гайки, зазор в соединении заполняется полностью с вытеснением воздуха. Это позволяет достигнуть герметичности при затяжке.

Стандартный ряд размеров трубной резьбы исчисляется в дюймах — от 1/16″ до 6«. В метрической системе такой разброс близок к диапазону от М8 до М164. Но для дюймовой резьбы шаг строго увязан с диаметром и для каждого размерного варианта возможно только одно-единственное исполнение. В том числе само понятие «шага резьбы» заменяется термином «число ниток»

Дюймовую резьбу используют в тех соединениях, где необходимо исключить риск утечки газовой или жидкостной среды. Это разнообразные фитинги, ниппели, муфты и штуцера для трубопроводов и аппаратов, работающих под давлением, а также форсунки, мелкие детали гидравлики и пневматики.

Нельзя соединить между собой болт и гайку, принадлежащие к разным системам резьбы — метрической и дюймовой. Если возникает необходимость в подобном узле, то изготавливают специальные переходники. На этих деталях с одной стороны выполняют метрическую, с другой — трубную резьбу.

Таблица момента затяжки метрических метизов

Для стального крепежа без покрытия и без смазки

в Нм (ньютоны на метр)

Размер резьбы (крупный шаг)	Класс прочности по ГОСТ 1759.4
	5.8 (сырые)		8.8 (улучшенные)		10.9 (закаленные)		12.9 (закаленные)
	Момент затяжки
	min	max	min	max	min	max	min	max
М6	4,4	7,1	6,7	10,8	12,6	15,5	14,7	18,1
М8	10,6	17,0	16,1	26,0	30,2	37,3	35,3	43,5
М10	20,6	33,3	31,6	51,0	59	72,9	69	85,3
М12	36	58	55	88	102	126	119	147
М14	57	91	86	139	162	200	190	234
М16	85	140	135	215	250	305	290	360
М18	120	195	190	305	345	425	400	495
М20	170	270	270	430	480	600	570	700
М24	290	470	390	740	830	1030	970	1200

Чтобы получить значения момента затяжки для крепежа с определенным защитным покрытием и смазкой, а также для резьбы с мелким шагом, следует обратиться к РД 37.001.131-89.

Там приведены таблицы с готовыми данными для каждого конкретного случая. В том числе в конце документа вы найдете подробную методику расчета со всеми поправочными коэффициентами.

Таблица момента затяжки дюймовых метизов

в Нм (ньютоны на метр)

Размер резьбы	Материал сопрягаемых деталей
	Цветные сплавы (алюминий, бронза, латунь)	Сталь или чугун
1/16"	5	15
1/8"	15	20
1/4"	20	25
3/8"	25	35
1/2"	35	55
3/4"	45	75
1"	60	95
1 1/4"	75	115
1 1/2"	85	135

Для соединений на дюймовой резьбе момент затяжки — не столь значимый параметр, как для сборки в метрической системе. Поэтому допускается укрупненный приблизительный расчет.

В технической документации на сборку трубной резьбы редко можно встретить нормирование усилия предварительной затяжки. Чаще всего достаточность этого параметра проверяют дальнейшими испытаниями системы на герметичность под повышенным давлением: если по резьбе нет утечки, значит, затяжка выполнена правильно.

Инструмент для затягивания резьбы с контролем момента затяжки

Некоторые слесари, много лет посвятившие сборочным работам, способны по собственным ощущениям понять, достаточно ли они затянули резьбу или можно еще чуть-чуть поднажать. Но этот метод ненадежен, субъективен и по своей сущности антинаучен.

В машиностроении на постоянной основе используют несколько вариантов измерения момента предварительной затяжки резьбовых соединений:

1. По удлинению болта. Самый точный способ, когда по деформации крепежа рассчитывают силовую характеристику. Замеры выполняют при помощи микрометров, поскольку степень удлинения на коротких болтах составит всего 20-60 мкм.
2. По углу поворота гайки. Для этого используют угловой измеритель и рассчитывают взаимосвязь упругой деформации витков с перемещением при сборке (синхронно вокруг оси и вдоль нее).
3. По крутящему моменту на гайке. Здесь применяют специальный слесарный инструмент — гаечный ключ со встроенным индикатором усилия. Иначе этот инструмент называют динамометрическим ключом.
4. По степени деформации упругих фасонных шайб. Под головку болта при сборке соединения подкладывают специальные детали нежесткого типа. В процессе затяжки они в существенной мере деформируются, и это позволяет оценить приложенную нагрузку.
5. По пневмотензометрическому методу. Замеряется расход воздуха через кольцевую щель специальной шайбы, установленной под гайкой. Принцип измерений основан на том, что при затяжке и сопутствующем прогибе витков зазор в соединении уменьшается, что приводит к вытеснению воздуха.

Самым оптимальным способом контроля момента при предварительной затяжке будет сборка с помощью динамометрических ключей — это быстро, просто и не требует от слесаря высокой квалификации.

Такой инструмент выпускают по ГОСТ 335-2015. В соответствии с отраслевой документацией его правильное название — «моментный ключ». Этот термин прямо указывает на область применения устройства.

Конструкция изделия подразумевает схему стандартного гаечного ключа с удлиненной ручкой. Здесь также заложен узел, реагирующий на усилие, возникающее при затяжке соединения. По механике работы этого чувствительного элемента динамометрические ключи делят на:

• предельные — срабатывающие исключительно на превышении допустимого максимального значения нагрузки, но не дающие численной информации о ее фактической величине;
• показывающие — способные в численной форме сообщить о величине нагрузки в реальном времени.

Предельные ключи также бывают:

• рассчитанные на строго определенный момент (предустановленные);
• с возможностью регулировки на нужное значение.

Такие устройства сигнализируют о достижении верхнего предела момента затяжки звуком — как правило, механической трещоткой. Это похоже на аналогичный узел у микрометра.

Показывающие динамометрические ключи могут быть оснащены:

• шкалой часового типа (стрелочные);
• цифровой индикацией;
• цифровым табло и шкалой одновременно (комбинированные);

Инструмент изготавливают в двух основных конструктивных типах: как непосредственно гаечный ключ и как отвертка (для затяжки винтов). Принцип работы у них идентичен, различна только область применения.

В общем случае, динамометрический ключ рассчитан на 5000 циклов затяжки, но, будучи не просто слесарным, а еще и измерительным инструментом, он нуждается в регулярной метрологической поверке.

Заключение

Казалось бы, что может быть проще, чем затянуть гайку на болте? Чаще всего это действительно очень легко, особенно, когда под рукой есть ключи подходящего размера.

Но в промышленной сфере всё усложняется тем, что от надежной работы множества машин, трубопроводов и аппаратов напрямую зависит безопасность не только предприятия и всего производственного цикла, но и здоровье обслуживающего персонала. Здесь затягивать крепеж «по ощущениям» попросту преступно, поскольку нужно исключить любой риск ослабления соединения и при этом не перегрузить сами детали так, чтобы они работали на пределе своих возможностей и быстро вышли из строя из-за выработки ресурса.

Чтобы это было возможным, механики контролируют момент затяжки болтов и гаек. Это необходимо далеко не на всех узлах, где возможно применение резьбового крепежа. Но такой подход совершенно обязателен там, где от незыблемости узла зависит очень многое, а на общую сборку действуют переменные эксплуатационные нагрузки, нагрев, охлаждение, вибрации и удары.