Самостопорящийся крепёж для соединений под вибрацией: выбор механизма, ограничения по температуре и повторному применению, и что проверять на реальном соединении

Нагружено ли соединение так, что возникает самоотвинчивание?

Самоотвинчивание вызывается относительным перемещением зажатых деталей перпендикулярно оси крепежа, а не одной только осевой нагрузкой. Испытание Юнкера на поперечную вибрацию воспроизводит именно это перемещение и фиксирует силу зажима, поперечное смещение и число циклов. Именно поэтому его описывают как распространённый и надёжный метод сравнения стойкости болтовых соединений ⁹. Испытательные лаборатории используют ту же установку для сравнения конструкций крепежа и стопорных механизмов при контролируемых вибрационных воздействиях. Они отмечают, что такой метод выделяет поведение при ослаблении, которое не выявляют статические или усталостные испытания ²⁸. Это различие важно при составлении программы испытаний. Статическое испытание пробной нагрузкой или усталостное испытание того же соединения может быть пройдено, тогда как соединение всё равно самоотвинчивается в эксплуатации, поскольку ни одно из них не создаёт поперечного проскальзывания, приводящего механизм в действие ²⁸. Если на ваше соединение действует знакопеременная боковая нагрузка, вибрация от вращающегося или возвратно-поступательного источника либо термоциклирование, сдвигающее зажатый пакет, рассматривайте его как случай поперечного движения. Задавайте стопорный механизм, а не обычную гайку. Чего источники не дают — это уровня вибрации, при котором стопорение становится обязательным. В этих данных нет порога по частоте, амплитуде или направлению, который отделял бы соединения, нуждающиеся в самостопорящемся крепеже, от тех, которым он не нужен. Это решение опирается на ваши собственные эксплуатационные данные или на сравнение Юнкера для рассматриваемых механизмов.

Исключите механизмы, температурный предел которых ниже рабочей температуры соединения

Температура — первый фильтр, потому что она исключает механизм полностью, а не требует выбора одного свойства за счёт другого. Цельнометаллическая гайка превалирующего момента стопорится за счёт деформации верхних витков в трёхлепестковую форму. При навинчивании резьба болта упруго деформирует металл гайки, и превалирующий момент возникает из-за металлического контакта с натягом без участия полимера ². Гайка с нейлоновой вставкой, напротив, полагается на упругость и эластичную память термостабилизированной вставки из нейлона Type 6/6. Именно эта вставка обеспечивает стопорящую эффективность вплоть до указанных 250 °F (≈121 °C) ¹⁸. Это различие и задаёт границу. Выше примерно 120 °C полимерная вставка выходит за пределы обычного рабочего диапазона ²⁴, тогда как цельнометаллическая гайка, по имеющимся данным, рассчитана примерно на 200 °C длительно и на 300 °C кратковременно ². Если соединение работает вблизи выпускной системы, пара или технологического тепла, нейлоновый вариант отпадает ещё до сравнения остальных параметров. Отметим, что это заявленные характеристики отдельных источников, а не обязательный отраслевой предел. У цельнометаллического варианта свои компромиссы: более высокий момент монтажа, более высокая стоимость по сравнению с эквивалентной гайкой с нейлоновой вставкой и несколько менее стабильная стопорящая сила при повторных установках ².

Будет ли соединение разбираться и собираться заново?

Повторное применение — второй фильтр, и он определяется тем же различием в конструкции. Цельнометаллическая гайка превалирующего момента, по имеющимся данным, допускает больше повторных применений, чем гайка с нейлоновой вставкой, и обычно рассчитана на 5–10 циклов до заметной потери стопорящих свойств ². Для гайки с нейлоновой вставкой повторное применение не рекомендуется вовсе ²⁴. Если ваш план обслуживания предусматривает плановую разборку — интервалы осмотра, замену изнашиваемых деталей, доступ для полевого обслуживания, — нейлоновая вставка в таком плане является компонентом однократного применения. Каждая переборка требует новой гайки. Цельнометаллическая гайка выдерживает ограниченное число переборок, но цифра 5–10 циклов — это характеристика одного производителя. Ни один источник здесь не определяет количественно, какой превалирующий момент остаётся к концу этого диапазона ². Для соединения, которое перебирают чаще, или для случая, когда остаточную стопорящую силу после каждой переборки нужно знать, доказательная база не даёт окончательного ответа. Запросите у поставщика данные по превалирующему моменту, измеренные после того числа циклов, которое фактически предусмотрено вашим регламентом обслуживания, вместо того чтобы принимать на веру одно лишь количество циклов.

Допускают ли условия эксплуатации и сочетание материалов выбранный механизм и его покрытие?

Стопорный механизм, прошедший по температуре и повторному применению, всё равно может оказаться неверным выбором, если соединение находится в агрессивной среде. В морских условиях, при воздействии противогололёдной соли, удобрений, в горнодобывающей промышленности и в условиях мойки водой полагаться только на совместимость металлов редко бывает достаточно. Полный пакет защиты от коррозии нужно рассматривать целиком: совместимый основной материал, защитное покрытие там, где оно уместно, электроизоляция, герметизированные стыки и геометрия соединения, не задерживающая влагу ¹³. Винт из нержавеющей стали, который выглядит как улучшение по сравнению с оцинкованной сталью, может создать более агрессивную гальваническую пару в алюминиевом корпусе, подверженном воздействию соли, если соединение не изолировано ¹³. Покрытия этот риск не снимают, поскольку они не являются постоянным барьером. При монтаже резьба прорезает, опорные поверхности трутся, а углубления деформируются, что обнажает локальные участки и создаёт на них гальванические элементы ¹⁴. Та же логика применима к основному материалу: консерванты для древесины на медной основе могут существенно ускорять коррозию оцинкованных винтов и увеличивать количество водорода, образующегося при коррозии ⁴. Соотношение площадей поверхности — та часть вопроса, которую легче всего упустить. Коррозия концентрируется на крепеже, болтах и переходных соединениях, тогда как окружающий материал остаётся неповреждённым. Большая катодная поверхность в сочетании с малой анодной площадью резко повышает скорость коррозии анодного металла ²⁵. Прибрежные и влажные среды усиливают этот эффект, особенно там, где меньшую площадь поверхности имеет именно анодный материал ²⁶. Для вашего соединения это означает проверку того, какая сторона пары мала, — крепёж из нержавеющей стали в крупной алюминиевой конструкции представляет собой неблагоприятное направление, — а также того, отводит ли соединение воду или задерживает её. Если вы сочетаете крепёж из нержавеющей стали с конструкцией из алюминия или углеродистой стали, определитесь с гальванической парой и вариантами изоляции до подачи RFQ.

Подтверждайте момент затяжки на реальном соединении, а не на похожей детали

Силу зажима создаёт трение, а сила зажима определяет работу соединения. Поэтому то, что фактически даёт момент монтажа, определяется набором покрытий и состоянием сопрягаемых поверхностей ¹⁰. Покрытие может хорошо показывать себя на отдельном крепеже и вести себя иначе в паре с гайкой, шайбой, вставкой или покрытой ответной поверхностью. На результат влияют требования к повторному применению, скорость монтажа, особенности превалирующего момента и материалы опорных поверхностей ¹⁰. Именно поэтому не следует заимствовать данные по моменту у похожей детали с покрытием. Подтверждайте их на реальном соединении, особенно там, где действуют вибрация, термоциклирование или сочетание разнородных материалов, например стали с алюминием ¹⁰. Испытание «момент затяжки — осевое усилие» по ISO 16047 — это метод, который измеряет стоящий за этими значениями коэффициент трения или коэффициент момента, при типичной целевой величине µ = 0.12–0.18 для смазанных систем ²⁷. Рассматривайте её как заявленную типичную целевую величину для смазанных систем, а не как значение, которое можно принять для вашего соединения. Тот же источник отмечает, что измерение критично там, где задана сила зажима, — а это именно тот случай, который вы пытаетесь закрыть ²⁷. Перед выпуском соединение должно иметь результат испытания Юнкера на поперечную вибрацию для выбранного механизма и результат испытания «момент — усилие» для выбранного набора покрытий. Проводите оба испытания на конфигурации соединения, соответствующей серийному производству, а не на представительной. Если поставщик приводит значение момента, не указывая коэффициент трения и состояние сопряжения, при которых оно измерено, это значение пока непригодно к применению.

Проверьте, не попадает ли твёрдость крепежа в диапазон водородного охрупчивания

Водородное охрупчивание наиболее опасно для крепежа твёрдостью выше 39 HRC (380 HV), в частности для классов прочности 10.9 и 12.9 и гаек классов 10 и 12. Оно проявляется в двух формах: внутреннее охрупчивание, вносимое при травлении и гальваническом покрытии, и средовое охрупчивание, приобретаемое под воздействием условий эксплуатации ¹². Приведённые ниже проверки применимы, когда в вашем соединении сочетаются этот диапазон твёрдости с покрытием или с коррозионно-агрессивной средой.

• Подтвердите класс прочности или твёрдость крепежа и гайки: выше 39 HRC (380 HV) — это диапазон, в котором риск описывается как наиболее опасный ¹².
• Если деталь имеет гальваническое покрытие, подтвердите термическую обработку после покрытия при 190–220 °C в течение 8–24 часов с началом не позднее 4 часов после нанесения покрытия ¹².
• Уточните, подкреплена ли выбранная схема пропекания данными испытаний под постоянной нагрузкой на серийных деталях, поскольку загрузка печи, время и равномерность температуры влияют на результат ⁶.
• Для высокопрочного крепежа запросите испытание под постоянной растягивающей нагрузкой по ISO 15330, как правило при 75 % пробной нагрузки, не менее 200 часов и без разрушений ²⁷.
• Если источником водорода служит сама эксплуатационная среда, решайте вопрос через выбор материала, спецификацию покрытия и конструкцию соединения, а не только пропеканием ¹².

Применяйте установленный критерий приёмки при оценке механизма

Когда механизм выбран, вопрос приёмки сводится к тому, достаточно ли его стопорящего действия. DIN 25201-4 приводит установленный критерий: после 2000 циклов нагружения должно сохраняться не менее 80 % от исходной предварительной затяжки, равной 50 % ⁵. Этот же стандарт добавляет эталонное испытание для определения эффективного смещения, при котором болт начинает самоотвинчиваться, три эталонных испытания для подтверждения этого смещения и двенадцать проверочных испытаний на каждый набор измерений. Фиксируйте усилие предварительного натяжения, поперечное смещение и число циклов ⁵. Эталонный этап важен потому, что испытание нужно проводить при смещении, достаточном для того, чтобы болт начал самоотвинчиваться. Иначе стопорный механизм не нагружается ⁵. Испытание Юнкера по DIN 65151 — более старый и по-прежнему распространённый метод сравнения стойкости соединений. Редакция DIN 25201-4 добавляет к нему более строгие требования к эталонным и проверочным испытаниям и к отчётности ⁹. Испытательные лаборатории называют этот же стандарт общей основой для сравнения стопорных механизмов там, где критична стойкость к ослаблению от вибрации ²⁸. Используйте критерий как инструмент сравнения рассматриваемых механизмов на вашем соединении, а не как сертификат допуска. Успешное прохождение на стенде само по себе не доказывает, что механизм удержит на серийном соединении. Сопоставьте результат Юнкера с данными «момент — усилие» из предыдущего шага, прежде чем утверждать соединение.

Где источники расходятся в оценке надёжности нейлоновой вставки

Обе позиции исходят от поставщиков, у которых в этом сравнении есть собственный продукт. S18 — производитель самоконтрящихся гаек с нейлоновой вставкой, а S24 — конкурирующий производитель клиновых стопорных гаек, в таблице которого собственный продукт оценивается как надёжный, а нейлоновая вставка — как ненадёжная ^{18, 24}. Ни то, ни другое не является независимой проверкой, поэтому разрешить расхождение, взвешивая два утверждения друг против друга, нельзя. Для вашего соединения вопрос решил бы результат испытания на поперечную вибрацию на фактической конфигурации соединения, выполненного по критерию DIN 25201-4, при испытании вариантов с нейлоновой вставкой и цельнометаллических при одинаковом смещении и одинаковом числе циклов ⁵. Пока такого результата нет, более надёжным критерием различения остаётся температурная граница, поскольку оба источника как минимум согласны в том, что характеристики нейлоновой вставки падают с ростом температуры ^{18, 24}.

Часто задаваемые вопросы

Связанные страницы

• Крепёж для систем ОВиК и воздуховодов: выбор материала, покрытия, стопорения и документации, который подтверждается источниками
• Стопорение резьбы при вибрации: нейлоновая накладка на резьбе, клей-фиксатор резьбы, контровочная проволока или стопорная шайба — что позволяют ранжировать доказательства
• Самостопорящийся крепёж в алюминии и меди: 5 проверок до выпуска чертежа
• Расчёт предварительной затяжки болта и усилия затяжки: момент, трение и метод затяжки
• Как читать паспорт крепежного изделия: какие поля можно проверить, а какие нужно затребовать