Повторное использование крепёжных деталей и определение усилия затяжки

Автор: Guy Avellon, журнал «Fastener World»
Перевод: специалист по маркетингу ООО ЗВК «БЕРВЕЛ» Игнатова Д.В.

Сокращения:

РС- резьбовое соединение;
Cr+6 – шестивалентный хром;
Cr+3 – трёхвалентный хром;
RoHS - (англ. Restriction of Hazardous Substances) — директива, ограничивающая содержание вредных веществ.

На большинство вопросов, связанных с применением крепежа, есть решения, выработанные многолетним опытом работы. Однако найти информацию о таких решениях очень сложно, поскольку область их применения довольно ограничена.

Зачастую производители и дистрибьюторы не имеют возможности ответить на технические вопросы, связанные с эксплуатацией крепежа. При этом срок службы крепежа зависит от области его применения и условий эксплуатации. Неверное понимание назначения крепежа и условий его эксплуатации ведёт к серьезным последствиям, ведь в случае разрыва соединения или иных видов поломки, ответственность несут обе стороны, и покупатель, и производитель.

В данной статье приведены ответы на самые актуальные вопросы о повторном использовании крепёжных деталей и величине усилия затяжки.

1. Можно ли повторно использовать крепёжную деталь в ответственных соединениях?
Ответ: Нет.

Казалось бы, что ответ на данный вопрос очевиден, но всё же, вопрос является актуальным. Однажды этот вопрос был задан работником сферы ядерной энергетики. В ответственных соединениях крепёж подвергается высокой нагрузке, поэтому правильная сборка и монтаж деталей играют важнейшую роль. Неправильная затяжка соединений приводит к усталостным разрушениям, что в 90% случаев является причиной отказов резьбовых соединений. Несвоевременное выявление разрушений в теле болта может привести к разрыву изделия. Например, микротрещины на теле болта практически невозможно обнаружить при внешнем осмотре, поэтому контроль может быть проведен только в лабораторных условиях (испытание ультразвуком и др.). Поэтому крепёж стоит обязательно заменить, ведь стоимость болта не сравнима со стоимостью дальнейших затрат на восстановление повреждённых конструкций.

2. Можно ли повторно использовать крепёжные детали в нормальных условиях эксплуатации?
Ответ: Да

Ответ, данный в статье, является условным, так как повторно использовать можно лишь крепёж из углеродистых марок стали, прошедший все необходимые лабораторные испытания и установленный в контролируемых условиях. При первичной установке обязателен контроль соблюдения всех технологических операций (обработка контактных, поверхностей, сборка соединений, установка болтов, натяжение и контроль за натяжением болтов), так как в случае нарушения требований, при повторном применении может произойти деформация и разрушение изделий. Если условия использования крепежа Вам неизвестны, тогда несомненно стоит отказаться от повторного использования.

Крепёж из специальных материалов при допустимой нагрузке должен быть использован однократно. Здесь требуется пояснить, что мелкий крепёж (М8 и менее) может быть использован повторно, но если крепёж был установлен с максимальным усилием, его механические свойства могут быть снижены.

Поэтому, если резьбовая крепёжная деталь из углеродистых или специальных марок стали подвергалась нагрузке, превышающей пробную нагрузку или предел текучести, такую деталь ни в коем случае нельзя использовать повторно, так как и механические, и физические её свойства уже не будут соответствовать заявленным требованиям.

3. Можно ли повторно использовать гайки?
Ответ: Нет

Это простой ответ на довольно сложный вопрос. Основным объяснением является переменная величина коэффициента трения. При предварительной затяжке стержень болта на участке между головкой и гайкой подвержен воздействию крутящего момента, то есть при завинчивании гайки резьбового соединения на гайку действует крутящий момент, преодолевающий моменты трения в резьбе и на торце гайки. Под напряжением резьба гайки растягивается. Усилие воздействует на резьбы гайки и болта по-разному. После ослабления напряжения резьба на стержне болта переходит в начальное состояние, а поверхность резьбы на гайке деформируется. При откручивании гаек требуется крутящий момент большей величины, чем при затяжке. Это объясняется коррозией РС, взаимным проникновением материалов болта и гайки в зону резьбы под действием длительной нагрузки. Кроме того, гайка может иметь невидимые дефекты, впоследствии приводящие к разрушению РС.
Поэтому, ввиду непредсказуемой величины коэффициента трения по указанным выше причинам, достижение необходимого усилия натяжения невозможно.

Производитель: «Но при повторном использовании детали был использован тот же момент затяжки»

При повторном использовании гайки показатели момента затяжки уже не соответствуют заявленным нормативам. Сила трения меняется при каждом повторном использовании, так как внутренняя резьба гайки деформируется и прессуется. При затяжке РС с помощью динамометрического ключа необходимо точно выставить момент затяжки и зафиксировать его в заданном положении. Но при повторном использовании точно определить момент затяжки практически невозможно, что снижает надёжность соединения, и вероятность пластической деформации резьбы возрастает.

Наибольшее значение имеет трение в резьбе между гайкой и стержневой крепежной деталью, а также гайкой и поверхностью соединяемой детали, которые зависят от таких факторов, как состояние контактных поверхностей, вид покрытия, наличие смазочного материала, погрешности шага и угла профиля резьбы, отклонение от перпендикулярности опорного торца и оси резьбы, скорость завинчивания и др.
Потери на трении могут быть достаточно большими. При практически сухом трении, грубой поверхности и усадке материала, потери могут быть такими большими, что при затяжке на непосредственное напряжение соединения, останется не более 10% момента. Остальные 90% уходят на преодоление сопротивления трения и усадку.

При повторном использовании гаек «паразитное» трение имеет большую величину. И, хотя гайковерт будет показывать требуемый момент, требуемое сжатие соединения не будет достигнуто. Когда при эксплуатации на РС будут воздействовать нагрузки или вибрация, велик риск самоослабления соединения и, как результат, - аварии.

Коэффициент трения можно снизить, используя масло, но не чрезмерно, поскольку при этом велика опасность падения сопротивления и превышения силы напряжения соединения, что может привести к разрушению стержневой крепежной детали.

Значения коэффициента трения в реальных условиях сборки можно лишь прогнозировать. Как показывают многочисленные эксперименты, - они не стабильны.

Феномен повторного использования гаек играет существенную роль в применении колёсных гаек, так как снятие и замена колёс необходима для перестановки шин, осмотра тормоза, ремонта автомобиля и пр. По статистике каждый автомобиль с пробегом более 120000 км подвержен риску поломки шпилек по причине ослабления усилия затяжки колёсных гаек вторичного использования.

Потребитель: «После затяжки болтов Вашего производства произошла поломка»

Здесь важно понимать, что заявленную величину момента затяжки нужно использовать в качестве справки, так как каждая готовая деталь до установки в соединение обладает определёнными физическими свойствами, которые необходимо учитывать при определении момента затяжки.

Рассмотрим в качестве примера гальваническое покрытие. Формулы для вычисления момента затяжки были разработаны десятки лет назад, основным покрытием для нанесения было гальваническое покрытие. На тот период времени для оцинкования применяли цианистый электролит. В результате эффективность составляла 40-60%, риск наводораживания оставался высоким, поверхность деталей была пористой и неровной. Поэтому «К»- фактор (коэффициент трения) в таких продуктах был гораздо выше, чем в продуктах с применением щелочных и кислых нецианистых электролитов в 70-х годах. Эффективность оцинкования с новыми электролитами стала еще выше. Поэтому величина усилия затяжки и коэффициента трения изменились.

Однако справочные данные в таблицах моментов затяжки оцинкованных РС оставались неизменными на протяжении десятилетий. На сегодняшний день ситуация иная. В 2002 году Европейским союзом была принята директива RoHS, ограничивающая содержание вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании. В связи с этим использование шестивалентного хрома (Cr+6) было запрещено. Впоследствии произошла замена токсичного шестивалентного хрома на трёхвалентный хром (Cr+3).

Покрытия с применением Cr+6 обеспечивали более высокую коррозионную защиту, чем покрытия Cr+3. Покрытия Cr+3 имеют более тонкий слой и уровень коррозионной защиты намного ниже. Чтобы компенсировать этот недостаток, необходимо применять более толстый слой нанесения либо наносить дополнительный слой поверх существующего.

Переменная величина усилия затяжки обусловлена вариациями в показателях толщины покрытия Cr+3. В результате последних испытаний по регулированию усилия затяжки было доказано, что для крепёжных деталей с покрытием Cr+3 показатели усилия затяжки должны быть увеличены на 7-10%. Более того, на точность определения усилия затяжки также влияет метод нанесения покрытия.

Стандартизация продуктов производителем позволит контролировать отклонения и снизить потенциальный риск потребителя.

Дата: 20.10.2017
Источник: журнал «Fastener World»