Высокопрочные болты на трения

Вот это словосочетание — ?высокопрочные болты на трения? — у многих, даже у некоторых коллег по цеху, вызывает образ просто очень крепкого болта. Мол, закрутил покрепче ключом потяжелее — и соединение держит. На деле же всё куда тоньше и капризнее. Суть ведь не в прочности самого болта как такового, а в создании такого усилия затяжки, при котором поверхности соединяемых элементов сжимаются настолько, что передача усилия между ними происходит именно за счёт трения, а не за счёт среза тела болта или смятия стенок отверстия. И вот тут начинается самое интересное, а часто и проблемное.

Где тонко, там и рвётся: ключевые ошибки на монтаже

Работая с поставками для серьёзных объектов, от мостовых конструкций до каркасов энергоблоков, видишь однотипные косяки. Самый частый — игнорирование состояния поверхностей. Привезли пакет элементов, уже покрытых заводской грунтовкой или, что хуже, слегка заржавевших. Монтажники их стыкуют и ставят наши высокопрочные болты. А коэффициент трения-то уже не тот! По проекту, допустим, 0.35, а на краске или окалине он падает до 0.15. Соединение вроде затянуто, динамоключ щёлкнул, но его реальная несущая способность — в разы ниже расчётной. Это не брак болта, это брак подготовки.

Второй момент — сама затяжка. Метод контролируемого момента — это не панацея. Ключ может быть не откалиброван, резьба или торец гайки могут быть не смазаны тем самым спецсоставом, который указан в проекте. А разная смазка даёт разный коэффициент в паре трения резьбы. В итоге при одном и том же моменте затяжки усилие предварительного натяжения в стержне болта будет плавать процентов на 25-30. Представляете разброс? Мы как-то разбирали инцидент на одной из подрядных площадок — болты М24 класса 10.9, всё по ГОСТ, ключи с сертификатами. А соединение ?поползло? при нагрузках ниже паспортных. Оказалось, монтажники для ?облегчения жизни? использовали универсальную графитовую смазку вместо указанного антифрикционного покрытия на основе дисульфида молибдена. Эффект был, как если бы часть болтов не дотянули.

И третий, чисто российский нюанс — ?доработка? инструмента. Видел, как бригада, чтобы не таскать тяжёлый динамометрический ключ на высоту, использовала обычный гидравлический домкрат с самодельным адаптером и манометром. Да, в теории можно вывести зависимость ?давление в домкрате — момент на гайке?. Но на практике температура, износ уплотнений, угол перекоса — всё это вносит такую погрешность, что говорить о контролируемой затяжке не приходится. Это уже лотерея.

Не всё то болт, что блестит: про материалы и покрытия

Класс прочности 8.8, 10.9, 12.9 — это не просто цифры. Для ответственных соединений на трение, особенно в агрессивных средах (скажем, для тех же нефтяных крепежных деталей или конструкций у моря), важен не только предел текучести, но и поведение материала при циклических нагрузках, склонность к хрупкому разрушению. Дешёвый болт, вытянутый до нужных параметров на разрывной машине, но сделанный из стали с высоким содержанием фосфора и серы, может прекрасно пройти приёмочные испытания на партию, а потом дать трещину по резьбе от переменных вибрационных нагрузок. У нас в ООО Баоцзи Юньхай Стандартная Деталь при подборе материала под конкретный заказ, допустим, для ветроэнергетики или железнодорожного крепежа, всегда запрашиваем у клиента данные по спектру нагрузок. Потому что иногда логичнее предложить болт из стали с меньшим пределом прочности, но с лучшей ударной вязкостью.

С покрытиями — отдельная история. Цинкование горячее, термодиффузионное, дакромет — каждое меняет тот самый коэффициент трения. И его нужно либо компенсировать увеличением контролируемого момента затяжки (что прописывается в проекте), либо использовать шайбы с фиксированным коэффициентом, которые ставятся под гайку. Мы часто комплектуем поставки именно такими калиброванными пакетами: болт+гайка+две шайбы (под головку и под гайку), причём одна из них — стопорная или зубчатая. Это не для накрутки цены, а для гарантии, что соединение после затяжки не самоотвернётся от вибрации и что коэффициент трения в паре ?шайба-элемент? будет стабильным. Для атомной энергетики это вообще обязательная практика, и мы, производя крепежные изделия для атомной энергетики, уделяем этому этапу максимум внимания.

Был у меня опыт лет десять назад, когда пришлось переделывать узел крепления площадочной конструкции из-за экономии на покрытии. Заказчик купил болты подешевле с простым гальваническим цинком. Через полгода в условиях промышленной атмосферы на резьбе появилась ?белая ржавчина?, затяжка ослабла, и узел начал стучать. Пришлось всё срезать, зачищать контактные площадки и ставить новые болты, но уже с термодиффузионным покрытием. С тех пор мы всегда акцентируем этот момент в консультациях.

Из практики: когда теория встречается с реальным объектом

Расскажу про один случай с мостовым переходом. Проектом были предусмотрены высокопрочные болты на трения с контролем момента затяжки. Всё по науке: поверхности пескоструены до чистого металла, болты с калиброванным покрытием, динамометрические ключи с свежими поверками. Но! Конструкция была большой длины, и монтаж вёлся в летнюю жару, под солнцем. Стальные элементы здорово прогревались, расширялись. Болты затягивали, казалось бы, в соответствии с паспортами. А ночью, когда температура упала на 15 градусов, металл сжался. И из-за этого температурного деформирования предварительное натяжение в части болтов выросло сверх расчётного, почти до предела текучести материала. Хорошо, что инженер надзора вовремя забил тревогу и потребовал провести контроль ультразвуком. Пришлось частично отпускать гайки и проводить повторную затяжку уже при усреднённой температуре, прописанной в специально выпущенном дополнении к ППР. Этот случай теперь для нас хрестоматийный — мы всегда уточняем температурные условия монтажа при формировании рекомендаций по затяжке.

Ещё пример — работа с железнодорожными крепежными деталями. Там вибрационные и ударные нагрузки колоссальные. Просто поставить болт с высоким классом прочности недостаточно. Критически важна конструкция самого соединения: часто используются фрикционные соединения с отверстиями под развёртку (не под clearance!), чтобы исключить люфт. И здесь точность изготовления самого болта, особенно посадочного подголовочного стержня и размеров под ключ, выходит на первый план. Малейший недоворот из-за сорванных граней или ?недокрута? из-за упругой отдачи — и всё, соединение работает не на трение, а на срез. Мы на своём производстве под такие задачи держим отдельный парк прецизионного инструмента и делаем выборочный контроль не на разрыв, а на крутящий момент затяжки с одновременным замером угла поворота — строим диаграммы, чтобы убедиться в стабильности характеристик.

А вот с американскими стандартными крепежами (типа ASTM A325, A490) часто возникает путаница с эквивалентами. К нам обращаются, когда нужна замена или поставка для оборудования американского производства. Так вот, просто найти болт с похожими геометрией и маркировкой — мало. Нужно лезть в спецификацию и смотреть, какая именно обработка и покрытие требуются. Иногда их A325 — это материал, аналогичный нашему 40Х ?селект?, а иногда — с особыми требованиями к ударной вязкости при низких температурах. Мы, имея в портфеле высокопрочные нестандартные крепежные изделия, обычно запрашиваем у клиента оригинальную документацию или чертёж, чтобы не гадать. Потому что поставка ?примерно такого же? в ответственных узлах — это прямой путь к аварийной ситуации.

Про нестандартные решения и почему они ?нестандартные?

Слово ?нестандартные? в нашем названии ООО Баоцзи Юньхай Стандартная Деталь многие понимают как ?экзотические?. На деле чаще всего это значит ?точно под заданные условия?. Допустим, нужен фрикционный болт увеличенной длины, но с уменьшенным под головкой диаметром стержня для снижения концентрации напряжений. Или болт с комбинированной головкой — под внутренний шестигранник и под гаечный ключ, для монтажа в стеснённых условиях. Стандартные ГОСТы или DIN такого не предусматривают. Вот здесь и начинается работа инженеров: расчёт на прочность, подбор заготовки, разработка технологии высадки и накатки резьбы, чтобы не нарушить структуру металла.

Особняком стоят материалы. Тот же титановый крепёж. Его используют не для прочности (у титана предел текучести часто ниже, чем у хорошей легированной стали), а для сочетания прочности, малого веса и коррозионной стойкости. Но коэффициент трения у титана совсем другой, он склонен к задирам и заеданию резьбы. Значит, для фрикционных соединений на титане нужно или специальное покрытие на резьбу, или применение стопорных элементов другой конструкции. Мы такие вещи отрабатываем на тестовых образцах, прежде чем запускать в серию.

Провалы? Были. Как-то взялись сделать партию болтов большого диаметра (М56) из высокопрочной стали для испытательного стенда. Сделали всё по техпроцессу, термообработку провели. Но при контрольной затяжке на стенде несколько болтов дали трещину в зоне перехода от головки к стержню. Разбор показал, что виновата была не сталь, а слишком резкий переход в конструкции головки, заданный конструктором-заказчиком. Мы тогда не настояли на своём мнении на этапе обсуждения чертежа. С тех пор любое нестандартное изделие проходит обязательный этап инженерного анализа, и если наши технологи видят потенциально опасное решение, мы предлагаем альтернативу с обоснованием. Иногда это удорожает процесс, но зато избавляет от куда больших затрат на замену и простои.

Вместо заключения: о чём стоит помнить всегда

Так что, возвращаясь к началу. Высокопрочные болты на трения — это система. Болт, гайка, шайбы, состояние поверхностей, инструмент, техпроцесс затяжки и квалификация людей. Вырви любой элемент — система даст сбой. Наша задача как поставщика — не просто продать метизы с нужной маркировкой, а убедиться, что клиент понимает, как с ними работать, и обеспечить его именно тем комплектом, который гарантированно сработает в его конкретных условиях. Иногда для этого приходится делать больше, чем прописано в договоре: и техкарту по монтажу нарисовать, и порекомендовать конкретную смазку, и даже инженера своего на пусконаладку отправить. Но это тот случай, когда ответственность за конечный результат нельзя делить пополам — если соединение не сработает, виноваты будем все: и проектировщик, и монтажник, и мы, как производитель. Поэтому лучше перебдеть.

Сайт наш, https://www.bjyhbzj.ru, — это по сути витрина наших возможностей. Но самые важные разговоры, как правило, происходят после того, как оттуда приходит запрос. В телефонном разговоре или в переписке по электронной почте, когда начинаешь выяснять детали: ?А для чего? А в какой среде? А как будут затягивать??. Вот тогда и рождается то самое решение, которое потом, через месяцы или годы, будет молча и надёжно работать в какой-нибудь эстакаде, ветряке или нефтяной платформе. И в этом, если вдуматься, и есть главный смысл нашей работы с этими самыми ?простыми? болтами на трении.