Триботехническая разработка болтовых соединений

При работе с термостойкими винтовыми соединениями следует ожидать режима релаксации (плавного спадания действующей силы) негативно влияющего на оставшейся силе затяжения винтового соединения. Вообще говоря, подбор пар материалов происходит таким образом, чтобы, при затянутом болте или гайке, допускалось некоторое расширение болта; это необходимо для достижения больших значений силы стягивания F_v. Высокое давление, возникающее на краях резьбы, накладывает на смазки для резьбы два важных условия:

а) Предотвращение контакта между металлическими краями резьбы

b) Контроль коэффициента трения резьбы.

Последний не должен превышать μ =0,125 для достижения необходимой силы стягивания F_v. 
Практическое применение

При выборе смазки для резьбы с наиболее подходящим коэффициентом трения следует руководствоваться болтовым материалом и качеством обработки поверхности, а так же рабочими условиями соединенных частей, такими как температура, химическое воздействие, влажность и пыль.

Коэффициенты трения между смазанными поверхностями варьируются от μ=0,15 до μ=0,35. Такая разница возникает, например, при использовании болта М12, изготовленного из стали 8,8 (материал С 45, материал № 1.0503), и аналогичного по размеру болта, состоящего из аустенитного нержавеющего материала (Х 5 Cr Ni 18 9, материал № 1.4301). Аналогичную разницу видно при рассмотрении болтов с различными покрытиями поверхностей, например электро-гальванизированными, оцинкованными горячим способом, кадмированными или хромированными.

Для того, чтобы исключить такие недостатки, для обработки резьбы используются пасты и АФ (антифрикционные) покрытия, содержащие твердые смазки, с малым разбросом коэффициента трения. Пасты наносятся ручным способом в избытке; АФ покрытия наносятся распылителем, центрифугированием или обмакиванием.

Термоустойчивые болтовые соединения смазываются высокотемпературными пастами, содержащими частицы металлов, таких как медь, для того, чтобы добиться желаемого эффекта в поведении момента срыва после воздействия температур. Они также применяются в избытке, кольцо из пасты является изолятором для влаги и окисляющих газов.

Триботехническая разработка болтовых соединений

Методика

Начинается разработка на основе требований, накладываемых на силу давления; необходимый крутящий момент затяжки может быть рассчитан, если известны коэффициенты трения резьбы и шляпки болта. В большинстве случаев, для того, чтобы добиться постоянной силы давления при одинаковом крутящем моменте затяжки необходимо добиться постоянного одинакового трения резьбы и шляпки болта, в том числе, при высоких температурах и для различных материалов.
 

С одной стороны, смазка должна иметь постоянный коэффициент трения при одном затягивании для различных зажимов; с другой стороны, одинаковый коэффициент трения должен быть при нескольких затягиваниях и ослаблениях одинаковых зажимов.

На основе математического соотношения между силой напряжения резьбы и крутящим моментом затяжки резьбы, коэффициенты трения резьбы и шляпки болта могут быть представлены как функция силы давления, крутящего момента затяжки и геометрических параметров резьбы. Дополнительные измерения на смазанных винтовых соединениях дают информацию о величине момента срыва и крутящего момента затяжки для различных резьб, с одной стороны, и прочности резьбы после некоторого времени затяжения и ослабления, с другой стороны.

Коэффициенты трения резьбы и шляпки болта могут быть получены из представленных измерений. Также является возможным рассчитать крутящий момент затяжки как функцию требуемой сила давления. Также можно вычислить соответствующую прочность. Кроме того, величины, измеренные для различных резьбовых материалов при комнатной температуре, были получены при повышенных температурах. Также измеренные величины были получены для чувствительной и нечувствительной к истиранию высокотемпературной стали.

Изложение оканчивается дальнейшими утверждениями, связанными с интересуемыми смазками для резьбы, в соответствии с защитой от коррозии, защитой от коррозионного истирания (трибокоррозии), заклиниваний и заеданий за счет остаточных продуктов сгорания. 

Сила давления болтов и крутящий момент затяжки

В болтовых соединениях необходимо трибологически рассмотреть резьбу, опорные поверхности шляпки болта и гайки. И для разработчиков и для техников, винтовое соединение является преобразователем крутящего момента затяжки М_А в силу давления F_V.

Между крутящим моментом затяжки М_А и силой давления F_V существует линейная зависимость. Основная цель – это добиться определенной силы зажима болтового соединения.

Изучаемая сила, которая является функцией прочности резьбы и ее диаметра, состоит из:

- составляющей силы давления, которая уменьшается за счет процесса оседания соединений в процессе работы;

- рабочая сила, которая может уменьшить силу зажима на соединениях;

- минимальная сила зажима, требуемая для выполнения нужных функций (трансмиссии или поперечной силы путем трения сцепления, поглощение давления контейнера или избежание одностороннего частичного закрытия соединения).

Необходимые математические зависимости в приложении к крутящему моменту затяжки болтового соединения с метрической резьбой ISO:
 

(1)  M_A=F_V·(0,159·P+0,578·d₂·μ_G+0,5·d_Km·μ_K)
M_A[Nm] крутящий момент затяжки
F_V[N] сила давления
P[m] шаг резьбы
(т.е. P(M10)=1,5·10^-3m, P(M12)=1,75·10^-3)
d₂[m] боковой диаметр резьбы
d_­2\d-0,64953·P, где d- внешний диаметр болта
т.е. d(M12)=12·10^{-3 m}
μ_G коэффициент трения резьбы болта
μ_K коэффициент трения шляпки болта
d_Km[m] средний диаметр трения шляпки болта, представлен в уравнении 2 

Следующее может быть использовано для вычисления среднего диаметра опорной поверхности гайки или шляпки болта: 

(2)  d_Km=0,5·(d_a+d_i)
d_Km[m] средний диаметр трения шляпки болта
d_a[m] внешний диаметр опорной поверхности болта/гайки
(зависит от того, какой стороной повернуто)
d_i[m] внутренний диаметр опорной поверхности болта/гайки 

Крутящий момент затяжки M_A состоит из двух частей:

1. Составляющая резьбы M_G, использовалась для определения силы давления F_V, дает значение коэффициента трения резьбы μ_G .
2. Несущая составляющая гайки или шляпки болта M_K, требуется для определения коэффициента трения шляпки болта μ_Л.
   
   Следствие:

(3) M_A=M_G+M_K
M_A[Nm] крутящий момент затяжки
M_G[Nm] момент резьбы, такой же как и в уравнении (4)
M_K[Nm] момент шляпки болта, такой же как и в уравнении (5) 

Следующее применяется к моментам резьбы и шляпки болта: 

(4) M_G=F_V·(0,159·P+0,578·d₂·μ_G)
M_G[Nm] момент резьбы
F_V[N] сила давления
P[m] шаг резьбы, (см. уравнение (1))
d₂[m] боковой диаметр болта, (см. уравнение (1))
μ_G коэффициент трения резьбы 
(5) M_K=0,5·F_V·d_Km·μ_K
M_K[Nm] момент шляпки болта
F_V[N] сила давления
d_Km[m] средний диаметр трения шляпки, такой же как в уравнении (2)
μ_K коэффициент трения щляпки