1. Вступление
Практически в каждом техническом изделии, независимо от его сложности, используются резьбовые соединения. Основным преимуществом резьбовых крепежных элементов по сравнению с большинством других состоит в том, что такое соединение можно многократно разбирать и использовать повторно. Тем не менее, оно может стать источником проблем, вызванных самопроизвольным ослаблением.
Проблема самоослабления известна с начала промышленной революции, и в течение последних 150 лет изобретатели разрабатывали способы предотвратить ее.
Несчастные случаи, непосредственно вызванные самораскручиванием крепежа, случаются в различных сферах и порой могут привести к катастрофическим последствиям.
2. Предварительные исследования
Самым значительным исследованием, опубликованным по этому вопросу на сегодняшний день, стало исследование Герхарда Юнкера (1969 г.). Юнкер рассказывает о разработанной им теории, объясняющей, почему крепежные элементы самопроизвольно раскручиваются при вибрационной нагрузке.
Юнкер обнаружил, что поперечная динамическая нагрузка создает гораздо более благоприятные условия для самораскручивания, чем осевая.
3. Почему резьбовой крепеж самопроизвольно раскручивается?
Затянутое крепежное соединение может самопроизвольно раскручиваться, когда витки резьбы начинают двигаться относительно друг друга. Такое движение происходит, когда сдвигающее усилие, действующее на соединение, больше, чем сила сопротивления трению, создаваемая преднагрузкой болта. При многократных поперечных движениях этот механизм может привести к тому, что крепеж полностью раскрутится.
Рис. 4. Так называемые, графики затухания преднагрузки используются для определения сопротивления конкретного типа крепежа самопроизвольному ослаблению. Такие графики отображают преднагрузку болта в зависимости от количества циклов испытаний.
4. Тест на самопроизвольное ослабление узла крепления
Юнкер разработал вибростенд для исследования влияния сдвигающего усилия на детали, соединенные резьбовым крепежом. Вибростенд позволяет передавать циклическое поперечное смещение в резьбовое соединение. Датчик нагрузки внутри соединения позволяет непрерывно контролировать нагрузку на болт, когда к резьбовому соединению прилагается движение в поперечном направлении. Это стандартный тип вибростенда, используемого для исследования процесса самораскручивания. Обзор схемы испытаний показан на рисунке 4, а на рисунке 5 – вид машины в разрез.
Рис 6. Некоторые, так называемые, блокирующие устройства совершенно неэффективны в предотвращении раскручивания. Например, установка спиральной шайбы под головку болта может привести к ослаблению соединения быстрее, чем при использовании одного болта.
Тестирование шайбы-гровера подробно описано в отдельной статье.
5. Самоконтрящиеся гайки
Такие гайки часто используются для предотвращения полного раскручивания болтового соединения. Известно, что по мере того, как преобладающий крутящий момент увеличивается, увеличивается как сопротивление самораскручиванию, так и напряжение кручения, вызванное трением на витках резьбы. Вибростенд Юнкера был модифицирован для того, чтобы к соединению одновременно прилагались напряжение трения и поперечная нагрузка. Схема проведения испытаний показана на рисунке 9.
Рис.8. Самоконтрящиеся гайки действительно можно рассматривать только как устройства фиксации болтов (при поперечном смещении соединения), а не как «контргайки».
6. Разжимание
Самопроизвольное ослабление происходит, когда крепеж вращается под действием внешней нагрузки. Невращательное ослабление - это когда относительного перемещения между внутренней и внешней резьбой нет, но потеря преднагрузки происходит. Когда последнее происходит без движения крепежа, используется термин «разжимание».
Рис 9. Вибростенд Юнкера был модифицирован для того, чтобы к соединению одновременно прилагались напряжение трения и поперечная нагрузка. При определенных условиях самоконтрящиеся гайки могут продолжать самопроизвольно раскручиваться и в итоге просто сорвутся с болта.
Впрессовывание - форма разжимания, связанная с локальной пластической деформацией, которая возникает под поверхностью гайки, на поверхностях стыка и в резьбе в результате пластического выравнивания шероховатости. Это происходит даже тогда, когда нагрузка ниже предела текучести болта или предельного поверхностного давления материала соединения и является результатом того, что реальная площадь контакта между поверхностями меньше, чем видимая.
На практике раскручивание гаек и болтов часто является комбинацией разжимания, которое приводит к уменьшению преднагрузки, и они начинают двигаться друг относительно друга. Как только возникает подвижность в соединении - детали крепежа обычно выходят из строя либо происходит самораскручивание.
Рис. 10. При увеличении видно, что поверхности гладких на вид поверхностей не такие уж гладкие. Это создает локализованные очаги высокого напряжения, когда резьбовое соединение подвегается нагрузкам. Это приводит к частичному разрушению контактных поверхностей и уменьшению преднагрузки. Разрушение поверхности происходит как во время затягивания, так и после, когда нагрузке подвергаются все составляющие элементы.
