Специализированный крепеж и его особенности

Погружаясь в изучение крепежа и методов его применения, не устаешь удивляться разнообразию вариантов. Причем в каждой отдельной отрасли один и тот же элемент может иметь совершенно разные черты, сохраняя лишь исходное название. Может меняться даже принцип работы — и тогда кажется, что промышленность сошла с ума, называя одним и тем же термином совершенно разные вещи.

На самом деле никто лучше инженера не представляет себе, насколько огромное пространство идей кроется за простейшим понятием «крепеж». И как важен правильный подбор каждого изделия — чтобы стоял на своем месте и выполнял функции в соответствии с планом. Этой, казалось бы, элементарной задаче предшествует весьма серьезная проектно-аналитическая работа. Которая никогда не заканчивается.

Отдельная категория продукции скрывается под обтекаемым названием «специализированный крепеж». Зачем нужна специализация в двадцать первом веке, когда технологический прогресс нацелен на повальную стандартизацию и унификацию, когда стираются границы не только между государствами и континентами, но и между технологиями? Ответ прост — узкая специализация необходима там, где результаты без нее будут однозначно хуже.

Основные виды специализированного крепежа

Специализированным крепежом в противовес универсальной продукции называют изделия, заточенные под узкую категорию специфических задач. При этом последние подчинены определенной классификации, имеют четкие установленные рамки и обладают свойством воспроизводимости при выполнении ряда условий. Подобные задачи выходят за ряд общих, но хорошо узнаваемы и неизменно повторяются.

В отличие от специализированного крепежа специальный предназначен для решения одной-единственной уникальной задачи — например, затяжки совершенно нового узла, конструкция которого не имеет аналогов. В этом случае конструкторы проектируют изделие, которое идеально впишется в узел, но не подойдет для применения в иных условиях. Больше его нигде нельзя будет использовать.

Специализированный крепеж рассчитан на обращение к нему тогда, когда возможностей универсальных метизов уже недостаточно, а разработка специального решения — избыточная трата ресурсов. Можно сказать, что специализация нужна для работы со сложными, но типовыми задачами.

Использование специализированного крепежа закреплено отдельными стандартами и нормативами в таких отраслях, как:

• горнодобывающая промышленность (в особенности — подземная разработка месторождений);
• металлургическая и литейная промышленность (где техника постоянно испытывает воздействие повышенных температур);
• производство электротехники и промышленной электроники;
• строительство;
• энергетика (в особенности — атомная);
• судостроение;
• авиастроение и выпуск ракетно-космической техники;
• военная промышленность;
• производство железнодорожного и автомобильного транспорта;
• пищевое и химическое производство.

В особо ответственных случаях применение универсального крепежа взамен специализированного может быть даже уголовно наказуемо. Это касается областей, где от надежности отдельных компонентов технических систем зависит комплексная безопасность и производства в целом, и обслуживающего персонала в частности. Документы, регламентирующие набор свойств для такой метизной продукции, регулярно пересматриваются и обновляются, а требования к их выпуску — ужесточаются, в том числе на международном уровне.

Что отличает специализированные крепежные изделия от универсальных:

• усиление конструкции в соответствии с эксплуатационными нагрузками;
• наличие дополнительных поверхностей, расширяющих функционал изделия, облегчающих установку, затяжку или демонтаж определенным инструментом;
• изменение в выборе материалов для изготовления, применение более сложных сплавов;
• назначение особой термической или химико-термической упрочняющей обработки (к примеру, вместо обычной закалки — нитроцементация поверхностей);
• наличие функционального защитного покрытия;
• присутствие стопорных элементов, предотвращающих ослабление соединения в процессе работы;
• повышенная размерная точность.

Нужно понимать, что специализированный крепеж сохраняет все признаки, присущие универсальному, но вместе с тем — приобретает и особые характерные черты. Он остается узнаваемым, пусть и несколько необычным.

Вопреки установлению общих мировых, международных и национальных стандартов, расширению линейки специализированной крепежной продукции способствует также здоровая конкуренция. Она присуща как коммерческой, так и военной сфере. Каждый производитель заинтересован в том, чтобы его изделия отличались от аналогичных, и реализуют это в том числе в крепежных элементах. Особенно ярко такой подход можно наблюдать в автомобилестроении.

Крепеж жесткой фиксации

Жесткая фиксация в различных узлах предусматривает однозначное и постоянное положение соединенных деталей, их силовое прижатие друг к другу. Достигнутый результат должен сохраняться на протяжении достаточно длительного времени под воздействием эксплуатационных нагрузок — в том числе вибрационных и ударных.

В категорию наиболее распространенного жесткого крепежа попадают такие изделия, как:

• болты;
• винты (к ним же причисляют саморезы и шурупы);
• шпильки;
• гайки.

Вся перечисленная продукция используется для силовой стяжки резьбовых соединений, причем в конструкции закладывают исключительно метрическую резьбу. Лишь в редких случаях обращаются к вариантам с трапецеидальной и упорной, а дюймовый профиль применяют лишь там, где в большей степени необходима герметизация узла, а не силовой прижим и удержание.

Конструктивные варианты

В качестве поверхностей под затяжку ключом на специализированных болтах и винтах предусмотрены головки, на шпильках — пояски, на гайках — какая-то часть наружной поверхности или же всё тело целиком. Это может быть:

• шестигранник;
• квадрат;
• цилиндр с двумя фрезерованными лысками;
• с шестигранным углублением;
• с квадратным углублением;
• с крестообразным зевом;
• с прямым шлицем;
• с наружной рифленой накаткой (под ручную затяжку);
• с поперечным отверстием под вороток.

Головки крепежных винтов в потай и полупотай делают коническими и с выпуклой полусферой. Это позволяет при монтаже «опустить» их до уровня лицевой поверхности.

Изделия также могут быть оснащены стопорными элементами — выступами, щупами, усами. Они необходимы, чтобы упереться в рядом находящуюся плоскость и исключить саму вероятность проворота крепежа в резьбовом гнезде в процессе эксплуатации. Такие решения реализуют, если общепринятого стопорения шайбами или проволокой недостаточно.

Под головкой специализированных болтов или винтов может быть:

• юбка;
• опорный фланец;
• радиусное скругление;
• кольцевая выборка;
• заниженная шейка;
• коническая шейка;
• полусфера (для самоустановки).

Свободный торец нарезного конца на болтах, винтах и шпильках выполняют:

• плоским;
• сферическим;
• коническим;
• с подпятником;
• с подпятником и полусферой;
• с выборкой вовнутрь.

Еще большее конструктивное разнообразие можно встретить среди гаек, хотя кажется, что это самая прозаичная деталь на свете. Они могут быть:

• шестигранными (высокими, нормальной высоты, уменьшенными);
• круглыми (с пазами, шлицами, лысками или торцовыми отверстиями);
• корончатыми;
• квадратными;
• «трефными»;
• с каннелюрами;
• колпачковыми;
• глухими с наружной резьбой;
• втулочными с внутренним шестигранником.

Опорные торцы гайки также выполняют плоскими, с усиленной юбкой, с торцовыми зубчиками или шипами. Может присутствовать разгружающая выточка или даже существенное облегчение профиля в сторону снижения жесткости — для установки «висячих» гаек на подставках.

Используемые материалы

Метизы общего назначения традиционно изготавливают из простых углеродистых сталей. Это преимущественно марки 10, 10кп и 20, 20кп, в редких случаях 35. Такие сплавы хорошо поддаются пластической деформации в горячем или холодном состоянии. Указанная технология лежит в основе массового выпуска продукции — объемная штамповка из проволоки или прутков на холодно- и горячевысадочных автоматах.

Для производства же специализированного крепежа перечень используемых материалов существенно расширяется:

• упрочненные — из сталей 45, 40Х, 30ХГСА, 40Г2;
• термостойкие — из сталей 15Х11МФ, 20Х12ВНМФ, 25Х1МФ, 20Х1М1Ф1ТР;
• высоконагруженные — из сталей 30Х2НМФА, 20Х2НМТРБ, 40Х2Н2МА, 38ХН3МФА;
• для работы в коррозионно-активных средах и под действием экстремальных температур (выше +500°С) — из нержавеющих марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 06ХН28МДТ, 12Х13, 20Х13, 14Х17Н2, 07Х16Н6;
• для электротехники — из бронзы БрАМц9-2, латуни Л63 и ЛС59-1, из алюминиевых сплавов АМг5, Д1, Д16.

Интересным частным случаем специализированных крепежных изделий будет их изготовление из хромоникелевых и хромокобальтовых сплавов. Эти материалы не восприимчивы к коррозии, способны выдержать температуры свыше +700˚С и отличаются очень высокой прочностью.

Чтобы защитить универсальный крепеж от ржавления, обычно закладывают химическое оксидированием (воронение) или фосфатирование, а также гальваническое цинковое покрытие, иногда — с хроматированием (характерного желтого цвета). Специализированный же крепеж оперирует куда более широким списком функциональных покрытий.

Какой обработке подвергают продукцию:

• хромирование;
• никелирование;
• кадмирование;
• оловянирование;
• меднение;
• серебрение;
• нанесение цинк-ламельного покрытия (актуально для автомобильного крепежа);
• нанесение многослойных покрытий «медь-никель» и «медь-никель-хром».

Наиболее сложные виды финальной обработки метизной продукции можно встретить при подготовке крепежа для химического и пищевого производства. Там детали должны быть не просто устойчивы к постоянному окислению со стороны рабочей среды, но и вовсе оставаться химически инертными, не вступая в контакт с сырьем.

Такелажный крепеж

Оснастку для грузоподъемных и транспортных операций можно выделить в отдельную категорию крепежной продукции — со своими характерными чертами, узкой спецификой применения и производства. По этим критериям изделия соответствуют понятию «специализированный крепеж», но с их помощью осуществляют не силовую стяжку каких-либо узлов, а строповку, подъем или упаковку различных грузов.

Выбор такелажного крепежа зависит от нескольких факторов:

• типа объекта, который транспортируют;
• суммарного веса вместе с тарой;
• способа транспортировки;
• возможностей маневрирования (поворот, наклон, удержание в подвешенном состоянии, стыковка на весу и т.д.).

Одним из наиболее распространенных видов такелажного крепежа будут рым-болты и рым-гайки. При изготовлении первых руководствуются требованиями ГОСТ 4751-73, вторых — DIN 582.

В обоих случаях изделия выполняют роль импровизированных зацепов-петель для конструкций, на которых изначально отверстия под строповку не предусмотрены. Рым-болты вкручивают в специально заложенные резьбовые отверстия на корпусных частях, а рым-гайки — надевают на резьбовые концы отдельных деталей (к примеру, нарезные ступени валов или осей). С помощью такого крепежа можно успешно перемещать грузы от 40 кг до 20 тонн весом.

Одним из основных деталей грузоподъемной схемы будет грузовой крюк, который также можно рассматривать как элемент такелажной оснастки. На нем сосредотачивается львиная доля нагрузки.

Изделия бывают:

• одно- и двурогие;
• кованые и штампованные;
• с коротким и с длинным хвостовиком;
• с приливами и без.

Все требования к производству крюков изложены в ГОСТ 34680-2020. Стандарт устанавливает в том числе разделение на несколько классов в соответствии с нагрузочной способностью.

Крепежные крюки изготавливают из различных сталей:

• в общем случае — из марок 20, 20Г, 09Г2С;
• для повышенных нагрузок — из марок 30ХМА, 40ХН2МА, 35ХМ, 16Г2АФ;
• для сложных условий работы — из марок 38Х2Н2МА, 34ХН1М.

Крюк может быть как полностью открытым, так и с подпружиненным язычком-защелкой. Он предотвращает риск выскальзывания стропы без нагрузки из гнезда крюка (например, когда груз уже опустили на землю и происходит его распаковка).

Особого внимания в системе специализированного крепежа для такелажных работ заслуживают талрепы. Эти устройства не используются при непосредственном подъеме груза. С их помощью реализуют статический осевой натяг — при увязке, пакетировании или установке какого-либо объекта врастяжку. Наиболее часто эту продукцию можно встретить при закреплении грузов на платформах, в частности — на морских и железнодорожных перевозках.

Талреп представляет собой резьбовую муфту, в которой с обеих сторон размещены тяги с присоединительными элементами. Это может быть гак (крюк), вилка или ушко. Вращение тяги по резьбе обеспечивает ее продольное смещение относительно муфты. Регулируя таким образом осевое положение обеих тяг, обеспечивают требуемый натяг в том случае, если каждая тяга увязана с какой-либо стропой, цепью или тросом.

Общие требования к производству простейших механических талрепов изложены в ГОСТ 9690-71. В настоящее время всё более широкое распространение получили устройства с автоматическим стопорением — их выпускают по ГОСТ 19191-73.

По форме и сочетанию присоединительных частей талрепы делят на несколько схем:

• вилка-вилка;
• вилка-ушко;
• вилка-гак;
• ушко-гак;
• ушко-ушко;
• гак-гак.

Сами муфты же изготавливают цельноштампованными или сварными, открытыми или закрытыми. От прочности этого изделия в том числе зависит суммарная выносливость всего изделия под нагрузкой.

При разнообразных такелажных операциях также используют многочисленные карабины. Эти накидные детали ставят быстрым набросом на петлю или кольцо стропы, при этом возможность самопроизвольного обратного хода исключена за счет наличия замка-защелки. Карабин рассчитан на сравнительно небольшой вес, и его главное преимущество перед привычными крепежными скобами — это высокая скорость использования.

Обязательным условием будет применение карабинов исключительно для восприятия статических нагрузок. На рывковые воздействия этот крепеж не рассчитан.

Различают продукцию нескольких классов:

• B — базовый (общего назначения);
• H — грушевидный;
• K — фигурный;
• T — конечный с проймой под стропу;
• A — анкерный;
• Q — жесткий, с закрытием гайкой;
• X — овальный.

При оценке нагрузочной способности карабина смотрят на его размеры и толщину сечения металла. Пробные испытания растягивающим усилием прикладывают последовательно сначала к большой, а затем к малой оси (к дужкам большей петли и меньшей). При достаточной прочности изделие выдерживает предельно допустимую по расчету величину нагрузки без деформации профиля, растрескивания металла или иных повреждений.

Как подобрать специализированный крепеж

Техническое оснащение под узкоспециализированные задачи подбирают, держа в уме ключевые условия работы и схему восприятия эксплуатационных нагрузок.

В отношении крепежа будет удобным использовать следующий алгоритм действий:

1. Произвести расчет максимально возможного внешнего усилия, действующего на соединение (для такелажа это масса груза, для крепления на болтах — растяжение или сдвиг).
2. Определить значимые внешние факторы (нагрев, охлаждение, воздействие коррозионно-активных сред, удары или вибрации).
3. Заложить требуемый запас прочности.
4. Выбрать материал для изготовления крепежа.



5. Рассчитать ключевые геометрические параметры (диаметр резьбы, высота гайки, толщина сечения карабина), используя в качестве исходных данных по прочности характеристики, присущие выбранному конструкционному материалу.
6. Выполнить поиск руководящих нормативов, предписаний, отраслевых или национальных стандартов, устанавливающих требования к крепежу, работающему в рассматриваемых условиях. Если таковые в наличии — подробно их изучить, выписав для себя все базовые данные о допустимых вариантах, будь то рекомендуемые марки сталей, методы изготовления, точность, стандартный размерный ряд и т.д.
7. Определиться с точными характеристиками требуемого крепежа, согласовав результаты своих расчетов с номенклатурой и условиями соответствующих стандартов.
8. Рассмотреть необходимость применения функциональных покрытий — для защиты металла от коррозии, абразивного изнашивания или «прикипания» к установочным поверхностям в процессе длительной эксплуатации. Уделите особое внимание этому вопросу, если помимо защитных свойств покрытие должно также решать какую-то дополнительную задачу (например, полностью нейтрализовать любой химический контакт с окружающей средой или быть безопасным для продуктов питания).
9. Согласовать выбранный специализированный крепеж с конструкторами, проектировавшими узел, и механиками, которые в дальнейшем будут его эксплуатировать.

В своей работе всегда опирайтесь на руководящие документы, нормативы и стандарты. В каждой отрасли любой сложный вопрос уже тщательно изучен и имеет целый ряд решений. Не нужно «изобретать велосипед», тем более — когда чересчур вольное техническое творчество может быть наказуемо.

Заключение

Если вам пришлось от универсального крепежа перейти к специализированному, значит, поставлена задача, требующая куда более осмысленного подхода, чем все бывшие ранее. Специализация — всегда значит углубление и тщательное изучение вопроса с целью достижения наилучшего результата.

Чтобы уверенно и успешно ориентироваться в области специализированного крепежа, вам придется работать с целым рядом предписаний, рекомендаций и требований. Понадобится найти такое техническое решение, которое будет соответствовать всем пунктам — начиная от прочности и надежности и заканчивая удобством в применении и экономической обоснованностью.

Последний момент крайне важен. Нужно немало знаний и опыта, чтобы выбрать крепеж, который будет прекрасно работать на своем месте. Но еще более сложным будет достигнуть этой же цели, не уводя себестоимость всего комплекса работ в заоблачные дали. Именно в поиске такого баланса проявляется вся тонкость подбора специализированного крепежа.