Промышленный крепеж – особенности применения

При первом взгляде на любую технику, глаз выхватывает наиболее крупные и заметные фрагменты — корпусные части, приборную панель, сложные узлы, собранные из множества деталей. Редко кого заинтересуют самые мелкие элементы, которые гарантируют, чтобы всё вышеперечисленное держалось воедино.

Неверно подобранные болты могут ослабить конструкцию, и в критический момент аппарат, работающий под давлением, рванет. Шпилечное соединение же, установленное с изрядным запасом, при неконтролируемом взрыве сбережет жизнь персоналу.

Промышленный крепеж — это очень скромный супергерой. Он ускользает от внимания, когда люди любуются величием технологического прогресса, но пренебрежительное отношение к метизам может иметь баснословно дорогую цену. Это правило хорошо знакомо инженерам, поэтому проектированию, изготовлению и правильной расстановке крепежа уделяют так много времени и сил.

Условия работы крепежа

На все элементы технических систем распространяется общий единый комплекс внешних воздействий. Его изучению посвящены такие инженерные дисциплины, как «сопротивление материалов», «детали машин» и «техническая механика». Огромный шлицевый вал, на котором посажены метровые шестеренки, и болт М12, затянутый с обратной стороны гайкой, испытывают различный набор нагрузок, но подход к анализу их условий работы остается одинаковым.

С чем сталкивается крепеж:

• основная эксплуатационная нагрузка;
• предварительная нагрузка при установке (затяжке);
• термическая нагрузка;
• ударная и вибрационная нагрузка;
• коррозионное воздействие со стороны агрессивных сред.

В процессе непосредственной работы метизы подвержены таким режимам нагружения:

• растяжение;
• сжатие;
• изгиб;
• срез;
• смятие.

Разный крепеж испытывает различные нагрузки в зависимости от собственной конструкции и метода установки. Так болт работает преимущественно на растяжение, а гайка — на сжатие. Шпилька в сквозном отверстии будет подвержена растяжению, а при посадке в резьбовое гнездо с упором в дно или крайние витки — испытывать в том числе и сжатие.

Проектный расчет ведут по одному или двум параметрам, выбирая определенный вариант нагружения. На изгиб крепежные изделия не рассчитывают — такую картину можно наблюдать лишь при однозначно неправильной установке метизов (например, когда длинный и тонкий болт размещен в чересчур свободном для него отверстии). Чтобы полностью исключить риск существенного проявления изгибающих напряжений, конструкторы проектируют соединения, руководствуясь общепринятыми схемами.

Результатом проектного расчета на основную нагрузку становится минимальный диаметр крепежной детали. Это — точка отсчета, которая показывает, какого размера должно быть сечение метиза, чтобы он не разрушился в процессе работы. Увеличивая диаметр, инженер усиливает соединение.

Еще в процессе монтажа, до приложения эксплуатационных нагрузок, крепеж испытывает минимальную деформацию. Иначе ее называют нагрузкой от предварительной затяжки и обязательно учитывают при проектном расчете общей выносливости детали. В наиболее ответственных случаях слесари при сборке резьбовых соединений используют динамометрические ключи, с помощью которых можно контролировать затяжку.

Термическая нагрузка возникает в случае, если крепеж испытывает нагрев или охлаждение, а также последовательную смену этих состояний. Нормальные условия работы метизов ограничены весьма узким диапазоном — от +5 до +50°С. Всё, что выходит за эти рамки, уже оказывает влияние на соединение. Чтобы уменьшить негативный эффект от реакции материалов на изменение температур, крепеж изготавливают из жаростойких, жаропрочных и криогенных сплавов. Правильно подбирая металл, можно добиться того, что болт не будет бояться даже нагрева свыше +700°С или охлаждения до −200°С.

Ударные нагрузки всегда более опасны, чем равномерное нагружение. Они ведут к образованию трещин и их последующему стремительному развитию. При проектировании и размещении крепежа, инженеры стараются предусмотреть риск, что метизы будут воспринимать удар. Для этого закладывают демпферные устройства и применяют материалы повышенной ударной вязкости.

Особое место занимают вибрационные нагрузки. Сами по себе они неопасны для крепежа, но постоянные микросмещения могут привести к самораскручиванию и ослаблению отдельных соединений.

Чтобы такого не случилось, еще на стадии монтажа производят стопорение резьбы различными методами (заливка клеем, обвязка проволокой и др.) и ставят дополнительные фиксаторы (к примеру, пружинные или зубчатые шайбы под головками болтов).

Коррозия — это медленный, но неумолимый враг любого металла или сплава. Абсолютно устойчивых материалов не существует, но можно подобрать вариант, при котором комплект крепежа благополучно отработает заданный ресурс, даже если он будет непосредственно контактировать с агрессивной средой или подвергаться постоянному нагреву свыше +500°С. В промышленности метизы для таких условий работы изготавливают из нержавеющих высоколегированных сталей, латуней, бронз, алюминиевых и хромоникелевых сплавов.

Чтобы сделать крепеж максимально устойчивым ко всем заявленным нагрузкам, инженеры оптимизируют их конструкцию, подбирают наиболее подходящие материалы, применяют термическое упрочнение (закалку) и нанесение специальных защитных покрытий. Каждый, даже самый мелкий метиз — это результат огромной работы, при которой учитывали все действующие факторы.

Классификация

Стержневой крепеж

Наиболее обширная группа метизов промышленного применения — это детали, конструкция которых максимально приближена к стержню, с резьбовой нарезкой или без таковой. Их устанавливают в предварительно подготовленные отверстия, сквозные или глухие.

Самым распространенным типом стержневого крепежа выступают всем известные болты. В промышленной технике болтовые соединения негласно считаются более предпочтительными, чем все остальные — за счет надежности и условной простоты монтажа.

Болты бывают:

• цилиндрические и конические;
• с шестигранной, круглой, квадратной и звездообразной головкой;
• с коротким резьбовым концом или нарезкой по всей поверхности;
• со ступенью под плотное позиционирование в отверстии или без;
• стяжные (обычные), откидные и фундаментные, а также рым-болты (необходимые для подъема и транспортировки груза).

Следующими по популярности идут винты. В отличие от болта, который по классической схеме требует двух сквозных отверстий и затяжки гайкой с обратной стороны, винты рассчитаны на установку в резьбовые отверстия корпусных деталей.

Различают изделия:

• с нормальной головкой, в потай и полупотай;
• с шестигранной, круглой, полукруглой (сферически выпуклой) и конической головкой;
• с поверхностями под затяжку инструментом (шестигранное, крестообразное и звездообразное углубление, прямой шлиц) и с рифленой накаткой под ручную затяжку;
• стяжные и установочные (для предотвращения взаимного перемещения деталей сборки);
• со стандартной метрической резьбой и с профилированными витками (самонарезающие).

Особенностью винтов выступает то, что в промышленности в 85% случаев используют исключительно закаленную продукцию из стали, тогда как крепеж других типов в равной степени востребован и в сыром неупрочненном состоянии.

В отличии от остальных стержневых метизов, шпильки в классическом формате имеют одноступенчатую конструкцию без головки и сразу два резьбовых хвостовика. Такая форма обладает некоторыми преимуществами: к примеру, при нагреве свыше +300°С «ровный» стержень шпильки меньше подвержен дополнительным возникающим напряжениям, чем болт или винт, имеющие усиление на головке, что делает нагрев тела неравномерным.

Шпильки бывают:

• с одним или двумя резьбовыми концами, а также с нарезкой по всей длине;
• с различным соотношением длин резьбовых концов;
• жесткого типа или с занижением диаметра между резьбовыми хвостовиками;
• с дополнительными элементами под монтаж (выступ, лыски, торцовые отверстия).

В промышленности широко используют такой специфический крепеж, как штифты. Это гладкие детали высокой точности и низкой шероховатости. Их устанавливают в столь же точные отверстия, чтобы добиться жесткого и однозначного совмещения двух деталей относительно друг друга («заштифтовать»).

Возможны различные варианты:

• цилиндрические и конические;
• полностью гладкие и насеченные;
• закаленные и незакаленные;
• одноступенчатые и с головкой;
• с плоским или сферическим торцом, а также с торцовой выборкой;
• с прорезью и без.

Отдельно следует упомянуть о заклепках. Им присущи все особенности стержневого крепежа, но их установка в отверстие предусматривает также пластическую необратимую деформацию, в результате которой с двух сторон от соединения образуются усиленные борта. Они препятствуют извлечению заклепки и обеспечивают полную неподвижность соединения.

Заклепки бывают:

• пустотелые;
• полупустотелые;
• трубчатые;
• слепые.

Их монтаж требует обязательного применения специального инструмента. В прошлом простые заклепки устанавливали с помощью молотка, но этот метод не обеспечивает нужной скорости и равномерной раздачи наружной части металла.

Гайки

Если стержневой крепеж ставят в два сквозных отверстия, а не в резьбовое гнездо на корпусной детали, то с обратной стороны (или даже с двух в случае со шпильками) необходимо накрутить ответный элемент. Его выбирают из огромного ассортимента гаек.

Такие метизы испытывают преимущественно сжимающие нагрузки и контактное усилие при упоре торца в установочную плоскость. Степень прочности гайки не должна уступать стержню, на котором она установлена. Многие пренебрегают этим условием, забывая, что общая эксплуатационная нагрузка в соединении распределяется на весь комплект крепежа, пусть и не в одинаковой мере.

Различают гайки:

• шестигранные и круглые;
• низкие, высокие и нормальной высоты;
• с опорной юбкой и без;
• с размещением фаски с одной или двух сторон;
• под ключ, прорезные и корончатые.

Присутствует даже крепеж особенной конструкции — колпачковые гайки, которые укрывают конец резьбового стержня внутри себя, и гайки-барашки, которые можно затянуть и послабить от руки, без применения ключей или гайковертов.

Не все гайки предназначены для затяжки резьбовых соединений. Круглые шлицевые изделия используются для осевой фиксации подшипников на ступенях вала. Для этого на следующей (нижней) ступени нарезают короткую резьбу, после чего на нее накручивают гайку, которая поджимает нижнее кольцо подшипника, предотвращая тем самым его возможный проворот на валу.

Шайбы и шплинты

Неправильным будет ограничить картину промышленного крепежа только посадкой гайки на стержневую деталь. Чтобы соединение работало максимально эффективно, необходимо задействовать еще некоторые дополнительные элементы — шплинты и шайбы.

Они не участвуют в восприятии эксплуатационных нагрузок напрямую. Такие метизы решают иные задачи:

• уменьшают концентрацию давления в зоне затяжки, что позволяет избежать деформации стянутых деталей около кромки посадочного отверстия;
• обеспечивают гайке или головке болта более ровную опорную плоскость в качестве контактной;
• снижают негативное воздействие вибрационной и ударной нагрузки, которая может привести к самооткручиванию резьбового соединения и ослаблению крепежа;
• препятствуют самопроизвольному перемещению болта относительно гайки.

Шайбы делят на:

• подкладные и стопорные;
• круглые и квадратные;
• пружинные (гроверы), лапчатые, вырубные (с зубцами наружу или вовнутрь), с торцовыми зубчиками («Lock»);
• плоские и объемные (в форме короткого конуса);
• гладкие и насечные (с прорезями по диаметру);
• для резьбовых соединений и упорные (фиксирующие втулки или подшипники).

Шплинт — это элемент, напоминающий сложенный вдвое отрезок проволоки. С одной стороны образуется петелька, с другой — два различных по длине хвостика.

Шплинты устанавливают в отверстие на резьбовом конце болта или шпильки до упора в петельку, после чего хвостик отжимают в сторону. Таким образом получают поперечно расположенный фиксатор, не дающий гайке сместиться к краю стержневой детали и тем самым ослабить соединение.

Стоит отметить, что стопорение с помощью шплинта получило настолько широкое распространение во всех отраслях промышленности, что в любом ГОСТе на болты обязательно присутствует конструктивное исполнение, рассчитанное на их установку.

Шплинты можно использовать и с обычными шестигранными гайками. Но наиболее эффективны они в комплекте со специальными корончатыми, в которых уже предусмотрены торцовые пазы под размещение фиксатора.

Наиболее востребованные метизы в промышленности

Абсолютным лидером на рынке крепежа следует считать болт. Соединения на его основе используются как при сборке разнообразной промышленной техники, так и при возведении различных технологических металлоконструкций, начиная от каркасных станин тяжелого оборудования и заканчивая опорами под емкости и резервуары.

Чаще всего отдают предпочтение болтам по ГОСТ 7798-70. Это изделия с шестигранной головкой нормальной высоты и нарезкой хвостовика на определенную длину. Стандарт рассчитан на нормальную метрическую резьбу от М6 до М48.

В случае, если условия монтажа стеснены и можно пожертвовать некоторой степенью прочности, конструкторы закладывают болты с заниженной шестигранной головкой — по ГОСТ 7796-70. Различие по высоте головки в сравнении с нормальной продукцией составит примерно от 11 до 20%.

Отдельно нужно остановиться на рым-болтах. Их выпускают по ГОСТ 4751-73. Это абсолютно незаменимый крепеж при транспортировке груза и прочих такелажных работах. Такое изделие можно сравнить с обычным болтом, на головке которого присутствует круглое кольцо под строповку.

Степень распространенности рым-болтов хорошо иллюстрирует тот факт, что в конструкции всех промышленных изделий свыше 20 кг обязательно должно быть заложено гнездо под такой крепеж, если нет подходящих отверстий или крюков.

Когда болтовые соединения по какой-то причине неудобны для сборки, промышленники обращаются к винтам. При этом отдают предпочтение продукции следующих типов:

• ГОСТ 11738-84 — изделия с цилиндрической высокой головкой, внутри которой присутствует углубление под шестигранный ключ. Стандарт насчитывает варианты от М3 до М36. Такие винты выбирают для наиболее нагруженных случаев, оставляя головку на поверхности;
• ГОСТ 17474-80 — крепеж с конической головкой, которую можно частично утопить в теле корпусной детали. Затяжка минусовой или крестообразной отверткой. Номенклатура — от М1 до М20 мм;
• ГОСТ 17473-80 — винты со сферической выпуклой головкой, которую прячут в полупотай или оставляют на поверхности. Предложены типоразмеры от М1 до М20, с прямым шлицем и крестообразным углублением.

В выборе гаек большинство промышленников остаются верны базовому шестигранному типу. Это изделия по ГОСТ 5915-70 (обычной высоты) и ГОСТ 5916-70 (уменьшенные). Общий ассортимент ограничен резьбой от М1,6 до М48. И если в случае с обычными гайками габаритная высота составляет 80-90% от размера резьбы, то заниженные изделия имеют тот же показатель в 50-60%.

Если же соединение предусматривает регулярное ручное обслуживание (например, на станочных приспособлениях), то предпочтение отдают барашковым гайкам по ГОСТ 3032-76. Они оснащены двумя фигурными лепестками, в которых также могут присутствовать облегчающие отверстия.

Что примечательно, форма лепестков для гайки-барашка по ГОСТ отличается от европейских аналогов по DIN, хотя никакой роли в вопросах прочности или эргономичности не играет.

Для производства стандартных шпилек используют обширное количество ГОСТов — с ГОСТ 22032-76 по ГОСТ 22043-76 (12 документов). Между собой они отличаются соотношением длин резьбовых хвостовиков, а также назначением: последние два рассчитаны на установку в гладкие отверстия, тогда как продукцию вплоть до ГОСТ 22041-76 можно ставить в резьбовые гнезда на корпусных деталях.

Внутри каждого норматива заложено разделение на жесткие (одноступенчатые) шпильки и облегченные, с занижением диаметра по срединной гладкой части. Варианты обозначены как исполнение 1 и исполнение 2. Вопреки тому, что жесткие шпильки предназначены только для условно коротких соединений, в большинстве случаев изделия с промежуточной проточкой не используются.

Специализированный крепеж

Следует понимать, что возникновение какого-то уникального крепежа для какой-то определенной отрасли промышленности будет связано исключительно с особенностями условий работы этих метизов, а не размером нагрузок.

Наиболее надежными методами противодействия силовой нагрузке остаются увеличение сечения и использование материалов повышенной прочности. Конструкция при этом принципиально не пересматривается, а следовательно — крепеж остается стандартным.

Потребность в особых метизах определяется по степени влияния таких факторов, как:

• воздействие экстремальных температур;
• контакт с агрессивными средами;
• постоянные ударные и вибрационные нагрузки.

Частным случаем будет также необходимость изоляции крепежных элементов от контакта с рабочей средой с целью обеспечения безопасности самой жидкости или газа, а не метизов.

Специализированный крепеж присущ таким отраслям, как:

• судостроение;
• подземная добыча полезных ископаемых;
• газо- , нефтедобыча и переработка;
• химическое и пищевое производство;
• выпуск медицинского оборудования;
• автомобилестроение;
• обустройство железных дорог и производство ж/д транспорта.

Чем будет отличаться специализированный крепеж от общепромышленного:

• оптимизацией конструкции с учетом приложения эксплуатационных нагрузок;
• изменением формы поверхностей под затяжку (головок) с расчетом на какой-то особенный инструмент или способ монтажа;
• изготовлением из материалов с уникальными свойствами — к примеру, высоколегированных теплостойких сталей, антимагнитных латуней и прецизионных сплавов;
• термическим упрочнением по сложной многоступенчатой технологии, в том числе — химико-термическими способами (азотирование, борирование, цементация);
• применением многослойных защитных покрытий (цинк-ламель в автомобилестроении, медь-никель-хром в химической промышленности).

Требования к выпуску специального промышленного крепежа устанавливают внутриотраслевые стандарты — ТУ, ОСТ, определённые ГОСТы. Некоторые предприятия, занятые выпуском сложной узкопрофильной техники, предпочитают заказать специализированный чертеж, выпустив отдельные чертежи на каждую деталь и указав жесткие рамки по реализации технологии ее изготовления.

Объем испытаний на специальную метизную продукцию тоже будет отличаться от мероприятий, подтверждающих качество метизов общего назначения. Так обычные болты испытывают на растяжение. Нестандартные же, выпущенные под конкретную задачу, могут подвергаться повторным испытаниям под нагревом или охлаждением, а также проверяться на коррозионную стойкость под действием соляного тумана.

Заключение

Метизное производство занимает особое место в машиностроительной отрасли. Объемы выпуска исчисляются миллионами штук и практически бесконечным перечислением номенклатуры. Доля ручного труда сведена к минимуму, и изготовлением разнообразных болтов, гаек и заклепок занимаются станки-автоматы и автоматические линии.

Свыше 80% выпущенной продукции соответствует общим стандартам — ГОСТ, DIN и EN. Такой крепеж используется во всех сферах промышленности, в строительстве и в быту. Что примечательно, конструкция и требования к стандартным метизам не меняются уже несколько десятилетий — настолько они надежны и универсальны.

К заказу специализированного крепежа обращаются лишь в случаях, когда возможностей обычной продукции становится категорически недостаточно. И здесь, опираясь на накопленный опыт и знания, инженеры создают нечто принципиально новое или в существенной мере улучшают старое, адаптируя его к требуемым условиям работы.