Причины ослабления резьбовых соединений и методы их устранения

В этой небольшой статье, предназначенной для профессионалов-технических работников: конструкторов, инженеров, технологов, ремонтников и продвинутых любителей мы попытаемся осветить в основном теоретические вопросы, касающиеся резьбовых соединений. Это немного теории о резьбовых соединениях, основные причины их ослабления, основные методы устранения этих причин. Рассмотрим также применение анаэробных материалов Loctite для стабилизации, упрочнения и увеличения долговечности резьбовых соединений.

Ослабление резьбовых соединений: причины

Резьбовые соединения – самый распространенный способ монтажа сборно-разборных узлов и конструкций. Он используется, например, в тракторо-, двигателе-, вагоно- и машиностроении, при ремонте промышленного оборудования, в строительстве. Изобретение резьбового соединения было основано на принципе работы водяного винта, который придумал Архимед еще в 287-212 гг до н.э. Этот простой и надежный способ соединения элементов давно стал привычным, однако он не безупречен.

Со временем под воздействием эксплуатационных и климатических нагрузок резьбовые соединения ослабевают из-за:

• снижения усилия затяжки;
• самопроизвольного отвинчивания элементов.
• усталости материалов резьбового соединения и скрепляемых деталей.

Снижение усилия затяжки и методы его предотвращения

Основные причины ослабления усилия затяжки: колебание температур, осевая нагрузка на болт, длина которого под воздействием этих факторов периодически увеличивается, затем снова сокращается. Кроме осевых нагрузок более существенно влияют поперечные микроперемещения.

 Помимо этого, ослабление затяжки происходит и по таким причинам как:

• проседание- это ослабление болтового натяжения из-за деформации деталей, находящихся под давлением затяжки. Например, это прогибание шайбы, уплотнение и истирание соприкасающихся микронеровностей и шероховатостей сопрягаемых болта, гайки и фланцев, в результате чего сила затяжки ослабевает; проседание характерно для шайб, гаек;
• проскальзывание: появляется, когда давление на опорную плоскость гаек (болтов) выше, чем сила сопротивления сжатию соединяемых поверхностей.

Предотвратить снижение усилия затяжки можно за счет повышения упругости соединения до такого состояния, при котором вероятная степень проседания и проскальзывания будут уравновешены. Достигают этого несколькими способами:

1. Использованием фланцевых гаек и болтов в паре с закаленными шайбами;
2. Предпочтением для сборки болтов с большим соотношением длины к диаметру (L/d).
3. Использованием тарельчатых пружин и шайб пружинного типа, применением гаек и болтов в комплектации с шайбой Гровера или вогнутой шайбой

4. Применением анаэробных резьбовых фиксаторов

Самоотвинчивание резьбовых соединений и способы его предотвращения

Поскольку болт затягивается как пружина и при движении гайки к шляпке болта между соединяемыми элементами возникает сжимающая сила, то он (болт) испытывает постоянное сжатие. Если напряжение вдоль оси снижается, гайка стремиться к откручиванию. Здесь важно отметить, что в резьбовых соединениях сопряжение поверхностей, как правило не более 15% остальное пустоты и зазоры, так как даже при высокой чистоте обработки все равно остаются микронеровности, неточности и плотно сжать поверхности мешает трение в резьбе между гайкой и болтом.

При сопряжении поверхностей всего в 15% силу сцепления трущихся поверхностей легко ослабляет вибрация и переменные нагрузки. Вибрации могут возникать как в поперечном, так и в продольном направлениях, а также в их комбинации. Для резьбовых соединений, ничем специальным не зафиксированных (например, фиксатор резьбы Loctite), большую опасность создают поперечные вибрации и переменные нагрузки вдоль оси. Продольные вибрации, осевые нагрузки меньше влияют на прочность резьбовых соединений, чем поперечные.

Для предотвращения самоотвинчивания стандартных резьбовых соединений следует:

• применять для сборки высокопрочные болты, с которыми затяжку можно выполнять сильнее; усилие затяжки будет создавать напряжения, предотвращающие возможные микроперемещения элементов узла;
• создавать механические связи для ограничения проскальзывания в резьбе за счет сварных точек;
• компоновать крепеж с большой разницей в длине и диаметре болта, где L/d>6 – оптимальное соотношение;
• создавать межвитковые соединения с помощью таких материалов, как, например, фиксатор резьбы Локтайт; клей эффективно заполняет зазоры, предупреждает поперечные сдвиги.

Ослабление резьбовой сборки из-за усталостной прочности материалов

Способы предупреждения усталостного износа конструкторам хорошо известны. Правильно сконструированное и качественно собранное соединение не подвержено поломкам из-за усталостного старения. Если расчетные нагрузки были определены неверно, то возникают проблемы с надежностью узла.

Какой же должна быть расчетная нагрузка соединения? Верно ли, что несколько сотен пиковых значений ниже предела усталости не могут вызвать разрушение? Однозначного ответа на эти вопросы нет.

Это – во-первых. Второе, существует ведь такой фактор, как перегрузка соединений по причине их смещений в сторону, что тоже вызывает самоотвинчивание. Известно, что 20% усилия затяжки теряются в результате 50 смещений узла в сторону. Это, в свою очередь, провоцирует скольжение и выход соединения из строя при небольших частых нагрузках. Это значит, что проектировщик при выборе размера крепежных деталей должен выбрать верный способ их фиксации.

Основной применяемый метод — это надлежащее предварительное напряжение или предварительная нагрузка на крепежные элементы. Это значительно снижает риск влияния усталостной прочности на ослабление резьбы при циклических колебаниях из-за периодических нагрузок. Лучший способ предотвращения усталости – соединение жестких деталей болтами высокой упругости. Однако, пустоты и зазоры между болтом и гайкой всеравно остаются и постепенно сделают свое дело.

В случае с болтами высокой упругости самое надежное решение — это зафиксировать болты резьбовыми фиксаторами Loctite. Получится супернадежное соединение. Составы оптимальной консистенции эффективно заполняют резьбовые зазоры, предупреждая микроперемещения элементов.

От того, каким способом зафиксирован узел, зависит усилие сжатия и его (соединения) стремление к самоотвинчиванию. Если болт закреплен так, что самопроизвольное отвинчивание ему не грозит, то он будет работать независимо от количества циклов перегрузки. На сегодняшний день самым эффективным решением для поддержания постоянного усилия сжатия признаны фиксаторы резьбы Loctite.

Как зафиксировать резьбовые соединения предотвратить их ослабление

Все используемые способы фиксации резьбовых сборок делят на три группы:

1. метод деформации;
2. использование элементов, предотвращающих самопроизвольное отвинчивание;
3. применение химических материалов, предотвращающих самопроизвольное ослабление.

Деформация

Это заранее предусмотренное проседание крепежа сразу после сборки (достигается разными методами). В просевшем узле сохраняется усилие предварительного напряжения, поэтому резьбовое соединение меньше подвержено ослаблению из-за упругости соединяемых деталей. Однако, способ деформации не эффективен в отношении самопроизвольного отвинчивания при наличии относительных колебаний между напряженными элементами. Метод деформации реализуют за счет тарельчатых пружин повышенно жесткости, конических пружинных шайб, преднатяга. Фиксировать же соединение посредством типовых пружинных, эластичных, зубчатых шайб не рекомендуют. В особенности бесполезно применять такой тип крепежа при установке болтов класса 8.8 и выше.

Корончатые гайки, проволочные фиксаторы препятствуют самопроизвольному отвинчиванию, но частично снижают усилие затяжки, их трудно позиционировать.

Используют также гайки с пластмассовыми и нейлоновыми вставками. Они помогают сохранить усилие затяжки, но кратковременно.

Риски самопроизвольного ослабления резьбовых соединений также снижают за счет использования болтов и гаек со стопорящимися зубцами, болтов с рифленым фланцем.

Перечисленные крепежные детали помогают предотвратить нарушение фиксированного положения элементов узла, но они не способны поддерживать первоначальное усилие затяжки долгое время.

Немецкие резьбовые фиксаторы Loctite не имеют вышеуказанных недостатков. Они демонстрируют очень высокую эффективность, когда необходимо уберечь соединение от ослабления, предотвратить самоотворачивание и поэтому особенно рекомендуются для сборки ответственных узлов.

Кратко рассмотрим основной принцип действия этих адгезивов.

Резьбовые анаэробные фиксаторы Loctite: основные понятия, характеристики, преимущества применения

Чтобы понимать на чем основаны преимущества методов стопорения резьбы с помощью анаэробных фиксаторов Loctite опишем их основные свойства, это поможет также выбрать и правильно использовать эти клеи.

Анаэробные адгезивы Loctite представляют собой составы на основе метакрилатов, которые отверждаются в небольших зазорах (максимальный размер резьбы М80) при отсутствии к ним доступа кислорода.

Механизм отверждения.

При доступе атмосферного кислорода, состав всегда остается жидким, не затвердевает. Если нанести анаэроб и собрать резьбовое соединение, то в малых зазорах прекратится доступ атмосферного кислорода. Одновременно, под действием ионов металла Cu(медь) и Fe(железо), в составе образуются свободные радикалы, которые запускают механизм полимеризации фиксатора.

Здесь, надо учитывать, что наибольшей активностью (активные металлы и сплавы) обладают сплавы, содержащие Cu и Fe. Некоторые металлы и сплавы вовсе неактивны (алюминий, нержавейка, некоторые покрытия и др.) и для их сборки необходимы специальные анаэробы либо применение специальных активаторов.

Фиксатор, пока он текучем состоянии не застывает и обладает высокими капиллярными свойствами, что позволяет заполнить все микронеровности, шероховатости. После полимеризации состав превращается в прочный полимер и с большой адгезией приклеивается к поверхностям. Сопряжение деталей получается 100%.

Кроме эффекта фиксации все резьбовые фиксаторы обладают высокими герметизирующими свойствами и пригодны для применения при высоком давлении жидкостей и газов.

Краткая классификация анаэробных фиксаторов Loctite.

По прочности фиксации резьбы различают:

• фиксаторы слабой фиксации: используются при фиксации регулировочных и установочных винтов, а также на металлах низкой прочности. Соединение легко разбирается
• фиксаторы средней степени фиксации. Применяются там, где необходимо обеспечить 100%-ную надежную фиксацию, но соединения может потребовать разборки. Разборка обычным инструментом. Особые свойства: даже если намеренно сорвать (сдвинуть) гайку на резьбе, то дальнейшее самоотвинчивание исключено даже при больших центробежных нагрузках, так как материал крошится в резьбе и всервано препятствует отворачиванию. Это касается всех видов фиксаторов резьбы Loctite.
• Сильной степени фиксации: применяются там, где нет необходимости в частой разборке. Разобрать простым инструментом проблематично, для разрушения состава необходим местный нагрев феном, газовой горелкой немного выше предельной термостойкости фиксатора -около +250 град С.

По консистенции.

От консистенции фиксатора, его вязкости зависит заполняемость зазоров, удобство в работе. Они бывают:

• Очень низкой вязкости, высокой текучести. Пример: Loctite 290 обладает специальным повышенным капиллярными эффектом, за счет чего легко проникает в уже собранное резьбовое соединение и там полимеризуется. Пригоден для герметизации микротрещин и микропор в деталях.
• Низкой вязкости, для малых диаметров резьбы примерно до М12, слабой фиксации,
• Средней вязкости – для резьбы до М36, один из примеров Loctite 243
• Высокой вязкости – для резьбы больших диаметров
• Твердые, полутвердые, пастообразные – не стекают с вертикальных и потолочных поверхностей, удобны в нанесении.
• Особая группа – фиксаторы предварительного нанесения. Смотрите о них в этой же статье ниже.

Кроме этого, анаэробные фиксаторы резьбы различаются по термостойкости, по времени полимеризации, имеют допуски к питьевой воде, все они химостойкие.

Однокомпонентные текучие клеи для резьбовых соединений Локтайт соответствуют самым высоким стандартам, эффективны в отношении стопорения и герметизации резьбы. Выше мы уже отмечали, что достигнуть полного сопряжения резьбовых поверхностей механическим путем невозможно. Адгезивы Loctite позволяют это сделать, демонстрируют способность заполнять микроскопические трещины, зазоры, шероховатости между соединяемыми резьбовыми элементами. В остутствии кислорода при определенных зазорах анаэробный фиксатор полимеризуется в твердый, термореактивный полимер, адаптированный к типичным эксплуатационным нагрузкам резьбы. Таким образом достигается 100% сопряжение фиксируемых поверхностей болта и гайки, происходит склеивание с заполнением зазоров. При этом клеевое соединение обладает очень высокой стойкостью на сдвиг, срыв, а сам полимеризованный фиксатор очень прочный пластик. Резьбовые фиксаторы Локтайт предотвращают микродвижения резьбовых деталей, тем самым обеспечивают надежность сборки, признаны наиболее эффективными в предупреждении самоотвинчивания.

Очень удобно и эффективно применять фиксаторы резьбы Loctite синие, зеленые, красные, фиолетовые на линиях автоматической сборки. Однако, резьбовые фиксаторы снижают коэффициент трения при монтаже, действуют как смазка. Это надо учитывать и перед тем, как использовать клеи на сборочном оборудовании следует определить момент затяжки и предварительное напряжение.

При использовании фиксаторов резьбы Локтайт синего и остальных цветов необходимо создать оптимальные условия для полимеризации адгезива. Загрязнение резьбы, масляная пленка и др. не дадут как следует зацепиться фиксатору за микронеровности, здесь все как при обычной склейке. Однако, некоторые модификации локтайт допускают наличие на деталях незначительных остатков СОЖей, масел, но всеравно это не позволит полностью раскрыть потенциал фиксатора. Поэтому, мы всегда рекомендуем подготовить резьбу: очистить от загрязнений и качественно обезжирить.

Как сохранить необходимое усилие сжатия и поможет ли в данном случае фиксатор Локтайт?

Потребителю важно знать, какое усилие сжатия деталей можно получить с применением гаек и болтов той или иной конфигурации. Также покупателю желательно понимать, как долго сохранится первоначальное усилие сжатия.

При стягивании фланца возникает сопротивление, при этом болт продолжит вращение до достижения баланса между крутящим моментом, приложенным к головке и реактивным моментом сопротивления сборки. Последний показатель определяется тремя параметрами:

• трением между головкой болта и сопрягаемой поверхностью;
• трением в резьбе;
• напряжением болта.

Соотношение равновесия выражают формулой: T = K d F, где

T – момент затяжки;

F – усилие сжатия;

D – диаметр крепежного элемента;

«К»  – эмпирическая константа, связанная с коэффициентом трения. Эта постоянная учитывает все силы трения, переменный диаметр под головкой болта и в резьбе, куда приложены силы трения.

Величина коэффициента трения, с которым связана постоянная «К» колеблется в значительной степени из-за высокой силы сжатия поверхностями, которые могут бать смазанными, оксидированными, химически обработанными, шероховатыми или гладкими. «К»  замасленной стали колеблется от 0,11 до 0,17 или ± 20%. Суммарная сила трения поглощает до 90% затяжки. Необработанные опорные поверхности увеличивают значение постоянной «К»  почти в 2 раза.

С резьбовыми фиксаторами Локтайт удается рассчитать момент затяжки и натяжение болта до точных значений, поэтому их рекомендуется использовать на массовых сборочных производствах. Величина постоянной «К» зависит от материала изготовления крепежных деталей и фланцев и их качества, резьбового зазора, степени шероховатостей поверхностей, скорости монтажа и характеристик жидкого фиксатора Loctite. Для определения оптимального момента затяжки с целью создания необходимого воздействия на болт проводят испытания. При помощи специальных приспособлений измеряют крутящий момент.

Предварительное нанесение покрытий на крепежные детали перед серийной сборкой

Бывают ситуации, когда нанесение жидких или твердых резьбовых фиксаторов в серийном производстве прямо на конвейере невозможно или не желательно или неэффективно, например, нет возможности установить дозирующие устройства и др. В этом случае очень удобно предварительное нанесение фиксатора на крепеж. Под маркой Loctite выпускаются специальные фиксаторы (герметики) с функцией стопорения и герметизации, которые наносят на метизы предварительно задолго до сборки. Капсулированные фиксаторы Локтайт используют для нанесения на внутреннюю или наружную резьбу без необходимости введения добавочных операций. Крепеж с нанесенным покрытием может долго храниться на складе до подачи в производство.

В процессе сборки из микрокапсул выдавливается активатор, за счет которого происходит полимеризация. Капсулированный фиксатор демонстрирует те же прочностные, антивибрационные качества, что и жидкие анаэробы, обладает химической стойкостью. С такими продуктами обеспечивается гарантия качества сборки, они позволяют экономить время, снижают себестоимость производства.

Анаэробные уплотнители предварительного нанесения Loctite изготавливают на водной основе, в них нет растворителей, что предопределяет безопасность их применения. Капсулированные герметики не токсичны и не возгораемы. Для удобства сборки, распознавания, контроля нанесения они окрашены в разные яркие цвета. После нанесения на резьбу они высыхают, что удобно при хранении, а полимеризация происходит в процессе сборки, после того как происходит резьбовой контакт и из микрокапсул выдавливается отвердитель, что удобно в работе.

Мы оказываем услуги по предварительному нанесению таких фиксаторов на любые метизы.

Какой из способов фиксации резьбы предпочесть

Чтобы оценить надежность метода фиксации при сборке, рекомендуется выполнить испытания циклическими нагрузками.

Сравнительные испытания

Опыты проводились на специальном стенде в независимых лабораториях Германии и научных подразделениях компании Henkel. Качество сборки всегда выше при минимальных потерях напряжения болта. Установленный болт подвергали осевой и поперечной нагрузке при смещении точки приложения усилия посредством кулачка.

Большинство используемых на практике методов механического усиления при испытаниях показали не лучшие результаты.

Жидкий анаэробный фиксатор резьбы Loctite между тем подтвердил ожидаемые результаты. Он продемонстрировал лучшие показатели по сохранению усилия сжатия. Анаэробы Локтайт экономичны в нанесении, подходят для всех типразмеров резьбы, не требуют дополнительных расходов, снижают трудозатраты, складские запасы, так как не имеет смысла держать большой склад стопорящих приспособлений. В сравнении с механическими способами стопорения применять жидкие фиксаторы гораздо выгоднее. Примерных расход фиксатора на одно соединение можно посмотреть на примере Loctite 243 здесь.

При проведении испытаний выявились также недостатки рифленого фланцевого болта с уплотненной поверхностью. Высокая стоимость – существенный недостаток крепежа. Кроме того, с ним повреждение поверхностей фиксируемых деталей вокруг опорной поверхности неизбежно. Опорные поверхности нарушаются, потому что зубцы фланца пилообразной формы врезаются в них и при ослаблении стяжки разрушают материал. С рифленым фланцевым болтом невозможно добиться должного качества сборки даже с закаленными деталями.

Усилие отворачивания

При сравнительном испытании усилие отворачивания можно принимать в качестве индекса полноты заполнения резьбовых зазоров, уровня полимеризации и адгезии. Как правило, усилие отворачивания и сопротивляемость самоотвинчиванию не связаны между собой. Необходимость разукомплектации резьбовых узлов с применением обычных инструментов на практике возникает часто.

Корпорация Loctite разработала и выпускает фиксаторы слабой и сильной степени закрепления. Для лучшего понимания характеристик клея, в инструкции к нему производитель указывает «разборка затруднена» или «демонтаж может быть выполнен с применением обычных инструментов». Отсутствие заедания элементов из-за коррозии обусловлено тем, что резьбовые зазоры были заполнены фиксатором. Крепеж допускается применять повторно после удаления старого анаэроба.

Усилие отворачивания зависит от:

• диаметра болта и длины резьбы;
• усилия предварительного натяга;
• материала изготовления соединяемых резьбовых деталей;
• вида обработки поверхности.

Необходимо учитывать, что болты, предварительно напряженные до предела упругости, использовать повторно не рекомендуется. При вторичной сборке при достижении предела напряжения велик риск поломки сборки.

Большое достоинство резьбовых фиксаторов Локтайт в том, что их можно применять с гарантированной эффективностью на болтах любого типоразмера, в том числе специально изготовленных. Это позволяет решать логистические задачи с меньшими затратами.

Резьбовые фиксаторы уплотняют, герметизируют, стопорят

Анаэробные фиксаторы резьбы Локтайт не только обеспечивают надежность и долговечность резьбовой сборки. Клей эффективно заполняет резьбовые зазоры, предотвращает микроперемещения крепежных элементов, работает как герметик.

Адгезивы Loctite демонстрируют исключительную химостойкость, что позволяет применять их при сборке узлов и механизмов, эксплуатация которых предполагает контакт с агрессивными промышленными средами. Анаэробы защищают соединения от влажностных нагрузок, предупреждают коррозию, увеличивают эксплуатационный ресурс изделий. С фиксаторами Loctite снижается трудоемкость производства за счет возможности выполнять сквозные отверстия вместо глухих, следовательно, уменьшается себестоимость продукции.

Демонтаж и вторичное применение резьбовых фиксаторов

При сервисных и ремонтных работах, возможность повторного использования крепежа позволяет экономить средства и время, избавляет от необходимости большого складского запаса. Демонтировать узел без повреждения резьбы, собранный с применением фиксаторов резьбы Loctite, можно с помощью обычных инструментов и тем самым сохранить крепеж. Фиксаторы локтайт также предупреждают закисание, коррозию винтов, шпилек, болтов и т.д.

Резьбовые фиксаторы для сборки пищевого оборудования

Большинство клеев для резьбовых соединений Локтайт безопасны и не содержат токсичных компонентов. У них есть допуск для применения в производстве оборудования для пищевой промышленности. Свяжитесь с нами, чтобы получить дополнительные данные о продукции Loctite, помощь в выборе материалов для оптимального решения задач вашего предприятия.

Как наносить резьбовые фиксаторы 

Адрезив наносят на наружную или внутреннюю резьбу, достаточно смазать им одну из соединяемых поверхностей. При этом необходим контроль полного заполнения резьбового зазора. В том случае, если фиксатор резьбы Loctite наносить капельно, следует проследить, чтобы продукта было достаточно для полного покрытия резьбового контакта после завинчивания.

Наносить адгезивы следует на обезжиренные и очищенные поверхности. Для этого можно применять специальные быстрые, щадящие, безвредные, фирменные составы в виде спреев, а также качественный ацетон.

В глухие резьбовые отверстия клей наносят на дно в объеме, достаточном для того, чтобы при вытеснении он покрыл всю длину резьбового контакта. Необходимо понимать, что если нанести состав на резьбу, то в процессе сборки он будет вытеснен сжатым воздухом, идущим из глухого отверстия. В случае очень глубоких отверстий, чтобы снизить расход анаэроба, на дно можно установить заглушки из необходимого материала,

Анаэробы наносят на резьбовые поверхности преимущественно вручную или посредством дозирующих приспособлений. Нужное количество адгезива определяют с учетом вязкости продукта, типоразмера деталей и резьбы. При сборке узлов из крупных деталей фиксаторы резьбы Локтайт красного и других цветов лучше наносить на обе сопрягаемые поверхности

Используемое сегодня современное оборудование автоматического и полуавтоматического типа обеспечивает точную подачу фиксатора, нанесение без излишков. Стандартные дозаторы адаптированы для работы с анаэробами, при своевременном сервисе функционируют корректно длительный период.

По запросу клиентов мы поставляем специальное дозирующее оборудование для ручной и автоматической подачи. Ручными методами считают способы, когда продукт из перистальтического дозатора наносится на поверхности детали за счет давления кисти руки. Посмотреть можно здесь.

Категория автоматических систем включает полностью автоматические и полуавтоматические.

Выбор способа подачи фиксатора (ручной или автоматический) подбирается в зависимости от возможности интеграции того или иного метода, потребностей производства. На выбор также влияют физико-химические свойства анаэробов.

Анаэробы поставляются в герметичной удобной фасовке – флаконах объемом 10, 50, 250 и 1000 мл. Бутылочки изготовлены с носиком-насадкой, который позволяет дозировать и аккуратно наносить продукт прямо из упаковки.

Экономическая эффективность использования резьбовых фиксаторов

Анаэробные фиксаторы Локтайт – выигрышная альтернатива таким элементам как специальные стопорящие гайки, шайбы и болты, другие приспособления, которые стоят дорого. С уплотнителями возможно применение стопоров стандартного типа, приобрести которые можно по низкой цене. Недорогой крепежный элемент, установленный с применением фиксатора резьбы Loctite, обойдется гораздо дешевле, нежели установка рифленого болта с поверхностным уплотнением. Стоимость материала влияет на затраты существеннее, чем метод сборки. Таким образом, фиксаторы резьбы обеспечивают существенную экономию. В том числе и за счет того, что обеспечивать герметичность и коррозийную защиту соединений.

В любом случае расчеты показывают, что резьбовая сборка с применением фиксаторов Локтайт гораздо дешевле.