Момент затяжки в чем измеряется

9

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.

Момент затяжки в чем измеряется

Немного теории для полного понимания момента затяжки резьбовых соединений.

Момент силы, приложенный к гаечному ключу.

Момент силы (он же: крутящий момент, вращательный момент, вертящий момент, вращающий момент) — векторная физическая величина, равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Но понятия «вращающий» и «крутящий» моменты в общем случае не тождественны, т.к в технике понятие «вращающий» момент рассматривается как внешнее усилие, прикладываемое к объекту, а «крутящий» — внутреннее усилие, возникающее в объекте под действием приложенных нагрузок (этим понятием оперируют в сопротивлении материалов).

В физике момент силы можно понимать как «вращающая сила». В системе СИ единицами измерения для момента силы является ньютон-метр, Символ момента силы M . Момент силы иногда называют моментом пары сил, это понятие возникло в трудах Архимеда над рычагами. Сила, приложенная к рычагу, умноженная на расстояние до оси вращения рычага, есть момент силы. Например, сила в 3 ньютона, приложенная к рычагу на расстоянии 2 метров от его оси вращения, это то же самое, что сила в 1 ньютон, приложенная к рычагу на расстоянии 6 метров до оси вращения. Более точно, момент силы частицы определяется как векторное произведение:

где F — сила, действующая на частицу, а r — радиус-вектор частицы.

Момент силы измеряется в ньютон-метрах. 1 Н•м — момент силы, который производит сила 1 Н на рычаг длиной 1 м. Сила приложена к концу рычага и направлена перпендикулярно ему.

Посчитать: — кликни на любое число
Определения величин: наведи на любую величину

Ньютон (Н, N) — Newton.

Производная единица системы СИ, имеющая специальное название.

1 ньютон равен силе, сообщающей телу массой 1 кг. ускорение 1 м/с 2 в направлении ее действия.

Названа в честь Исаака Ньютона (1643-1727)- английского физика и математика, создавшего теоретические основы механики и астрономии и открывшего закон всемирного тяготения.

Дина (дин, dyn) — dyne.

Название происходит от греческого dýnamis — сила.

Дина — Основная единица давления системы СГС, которую в настоящее время вытеснила система СИ.

Дина равная силе, которая массе в 1 грамм сообщает ускорение 1 см/с 2 и , соответственно, соотношение между диной и ньютоном (единицей силы в Международной системе единиц): 1 Дина = 0,00001 Ньютонов (точно).

Килограмм-сила (кгс или кГ, kgf или kG), kilogram-force

Единица силы системы единиц МКГСС.

Равен силе, сообщающей телу массой один килограмм, ускорение 9,80665 м/с 2 (нормальное ускорение свободного падения, принятое 3-й Генеральной конференцией по мерам и весам, 1901).

1 кгс = 9,80665 ньютонов (точно).

В ряде европейских государств для килограмм-силы официально принято название килопонд (обозначается kp).

Фунт силы (lbf, иногда Lb), pound-force.

Британская единица силы.

Масса фунта-силы равна весу одного фунта.

Ускорение свободного падения в британской системе мер было равно 32,1740 футов в секунду за секунду, а после принятия международного значения нормального ускорения свободного падения (1901) равного 9,80665 м/c 2 , преобразовалось в 32,1740485564304 футов в секунду в секунду.

Cейчас 1 фунт силы равен 4,4482216152605 ньютонов (точно) или 0,45359237 килограмм силы (точно).

kip (килофунт силы)

Единица силы, распространенная в США с 20-го века по настоящее время и используется в основном архитекторами и инженерами. Образовано от слияния ’kilo’ + ’pound’.

1 kip равен 1000 фунтов силы или 4448,2216152605 ньютонов (точно).

Грамм-сила, pond, понд (гс или Г, p, pond, G) pond, gramm — force.

Грамм-сила — дольная единица силы в системе единиц МКГСС .

В ряде стран эту меру силы называют pond (русское ’понд’ почти никогда не используется).

1 грамм силы равен 0,001 килограмм-силы (точно) или 0,00980665 ньютонов.

Также может быть определен как сила, сообщающая массе 1 грамм ускорение, равное 980,665 см/с 2 .

 

Моменты затяжки метрических болтов, винтов и гаек

Выход из строя резьбовых соединений при чрезмерной затяжке может произойти из-за разрушения стержня болта или из-за срыва резьбы гайки и/или болта.

Болт или винт в сборе с гайкой соответствующего класса предназначены для создания соединений, которые можно затянуть до установленного значения пробной нагрузки болта без срыва резьбы. Пробная нагрузка обычно составляет 85-95% от предела текучести и определяется как максимальное растягивающее усилие, которое можно приложить к болту и которое не приведет к его пластической деформации.

Значение крутящего момента для конкретного размера болта зависит от:

1. Материала и класса прочности болта.
2. Материала соединяемых деталей (сталь, цветной металл или пластик).
3. Наличия или отсутствия антикоррозийного покрытия у винта.
4. Является ли крепеж сухим или в смазке.
5. Длины резьбы.

Таблицы ниже даны только для ознакомления, так как приведенные в них значения являются приблизительными. Из-за множества факторов, влияющих на соотношение крутящего момента и натяжения, единственный способ определить правильный крутящий момент — это провести эксперименты в реальных условиях соединения и сборки.

Таблица 1. Моменты затяжки – винт (болт) без покрытия (черный), коэффициент трения 0,14.

Крупная резьба

 

Мелкая резьба

 

Таблица 2. Моменты затяжки – винт электролитически оцинкованный, коэффициент трения 0,125.

Крупная резьба

 

Мелкая резьба

Почему важен момент затяжки болта?

Даже опытные мастера иногда затягивают болты с чрезмерным или недостаточным усилием. Честно говоря, значения крутящего момента редко можно найти в технической информации о продукте. А ведь именно недостаточная или чрезмерная затяжка болтового соединения является частой причиной выхода крепежа из строя. Оптимальный момент затяжки жизненно важен для обеспечения безопасного и надлежащего функционирования винта.

Что происходит при затягивании болта?

Прилагаемый к гайке крутящий момент, заставляет ее скользить вверх по наклонной плоскости резьбы. При этом уменьшается расстояние между опорными поверхностями болта и гайки. Этот размер представляет собой длину захвата болтового соединения.

При дальнейшей затяжке на болт действует нагрузка на растяжение. Его материал, чаще всего сталь, сопротивляется этому этому растяжению и создает усилие зажима на скрепляемых компонентах. Точно так же материалы подложки сопротивляются сжатию, чтобы сбалансировать давление зажима. Создаваемое напряжение называется предварительным натягом крепежа.

Конструктивные соединения, относящиеся к категории ответственных, требуют затяжки до определенного крутящего момента для обеспечения правильного предварительного натяга.

• Правильно затянутый болт немного растягивается, но не выходит за область своей упругой деформации. Находясь под постоянным напряжением, он сохраняет усилие затяжки и проявляет устойчивость к усталостному разрушению.
• Чрезмерно затянутый болт растягивается за границы упругого удлинения, что приводит к его необратимой пластической деформации и последующему разрушению.
• Недостаточно затянутый болт допускает незначительный зазор между соединяемыми заготовками, который будет увеличиваться после постоянной динамической нагрузки или других рабочих нагрузок. Зазор в соединении означает отсутствие предварительного натяжения, что неизбежно приведет к разрушению соединения.

Таким образом, момент затяжки — это оптимальный крутящий момент, приложенный к гайке, чтобы болт мог надежно удерживать нагрузку, не деформируясь и не ломаясь. Единица измерения в системе СИ: Н·м (Ньютон-метр).

Момент силы предварительной затяжки резьбового соединения является расчетным значением и составляет 75-80% от величины пробной нагрузки. Последняя же служит в качестве контрольного показателя, который винт должен выдержать в ходе испытаний. Если вы превысите значение пробной нагрузки при затягивании, вы рискуете вывести из строя крепежный элемент.

Еще одно преимущество предварительного натяга

При первом взгляде на болтовой узел создается впечатление, что резьбовой крепеж сам несет все нагрузки, действующие извне в процессе эксплуатации. Но это не так. Когда к предварительно нагруженному соединению, прикладывается внешняя нагрузка, болт воспринимает неполное ее действие, а обычно только небольшую ее часть. Когда же рабочая нагрузка прикладывается к крепежному узлу, который не был предварительно нагружен, вся величина нагрузки ложится только на болт, что повышает вероятность его отказа.

Но это правило работает только в том случае, когда дополнительные внешние нагрузки не превышают предварительную нагрузку болтов, в противном случае нагрузка на резьбовой крепеж возрастает.

Роль сил трения и смазки в соединении

Для определения затягивающего усилия используются несколько специальных методов расчета, учитывающих не только класс прочности и диаметр резьбы винта, но и влияние гальванических покрытий, специальных смазочных материалов или эффект твердых и гладких сопрягаемых поверхностей и т. д.

Следует иметь в виду, что табличные данные являются грубым расчетом, не учитывающим сколько в реальных условиях сборки будет потеряно крутящего момента из-за трения.

При сухой сборке и грубых поверхностях приблизительно 90% приложенного крутящего момента приходится на преодоление сил трения: 50% на опорную поверхность гайки и 40 % между сопрягаемыми витками резьбы. Таким образом, для создания напряжения используется всего порядка 10% усилия затяжки.

Но выход найден! — Уменьшить трение за счет смазки. При смазанной резьбе потребуется на 15-25% меньший крутящий момент для достижения того же напряжения, кроме того, это снизит вероятность поломки крепежного изделия во время установки и продлит срок его службы. Производители смазочных материалов обычно указывают значение коэффициента трения крепежа, который обеспечивает смазка.

Также можно использовать болты с заданным коэффициентом трения, например, с цинковым покрытием, которое снижает сопротивление при завинчивании.

Инструмент для установки с регулируемым моментом затяжки

Приложение точного момента затяжки к крепежным деталям достигается с помощью динамометрического ключа. При затягивании он показывает прилагаемое усилие в аналоговом или цифровом формате. Однако все динамометрические инструменты имеют определенную погрешность, которую необходимо учитывать для определения подходящего момента затяжки.

Как правило, о точности динамометрического ключа можно узнать у производителя или продавца.

Заключение

Хотя предварительная нагрузка является главным приоритетом в болтовом соединении, существует множество внешних факторов, влияющих на возможность достижения или сохранения усилия затяжки, таких как рабочие температуры, коррозионные среды, нагрузки на сдвиг, вибрация. Поэтому для обеспечения длительной гарантии надежности разъемного сопряжения важно контролировать и поддерживать предварительный натяг на уровне в процессе эксплуатации и при ремонтных работах.