Почему гайки и болты могут самопроизвольно откручиваться

Время прочтения статьи: 20 минут

Автор статьи: pkmetiz.ru

Резьбовые соединения — самый распространенный тип сопряжения деталей и элементов конструкций в строительстве, машиностроении и других отраслях, в коммунальном хозяйстве, в быту. При помощи болтов, шпилек, гаек обеспечивается надежное соединение, способное выдерживать значительные нагрузки. Преимуществом также можно назвать простой монтаж и возможность многократной сборки-разборки соединительного узла.

Однако у этого способа соединения есть и свои недостатки. Одной из характерных проблем можно назвать явление самоослабления, при котором гайка откручивается сама, без внешнего воздействия. Это приводит к уменьшению усилия затяжки, что может стать причиной повреждения или разрушения конструкции.

Особенности крепления гаек и болтов

Чтобы определить причины, почему откручивается гайка в составе болтового соединения, а также последствия самоослабления, нужно понимать особенности его конструкции. Для выполнения крепежного узла всегда используется болт, диаметр стержня которого меньше диаметра монтажного отверстия. Поэтому между поверхностью стержня и стенкой отверстия остается небольшой зазор.

Неподвижность крепежа и надежность соединения достигается за счет предварительной нагрузки, которая создается при затягивании гайки. Если усилие затяжки ослабевает, снижается и предварительная нагрузка. В результате крепеж перестает выполнять свою функцию и не обеспечивает надежной фиксации. Воздействия внешних усилий при этом могут вызывать разрушение конструкции. Последствия такого явления зависят от сферы использования резьбовых соединений. В некоторых случаях эти последствия могут быть катастрофическими.

Почему постоянно откручивается гайка?

Причины самоослабления резьбовых соединений активно изучались со второй половины 19 века. Наиболее значимым стало исследование Герхарда Юнкера, опубликованное в 1969 году. Немецкий инженер пришел и  убедительно доказал, что гайки постоянно откручиваются в результате действия вибрационных нагрузок, которые вызывают поперечные микроперемещения сопрягаемых деталей.

При таких поперечных нагрузках на витки резьбы болта и гайки действует усилие, которое стремится перемещать их друг относительно друга. Когда величина этого усилия превышает силу трения, которая создается преднагрузкой затянутого болта, происходит смещение витков резьбы.

Многократные поперечные смещения соединяемых деталей могут привести к тому, что гайка откручивается полностью.

Тест на самопроизвольное ослабление узла крепления

Для проведения исследований воздействия вибрационной нагрузки на резьбовое соединение Юнкером был разработан специальный вибростенд. Конструкция стенда обеспечивает передачу резьбовому соединению циклического поперечного смещения, которое создается скользящей частью установки на игольчатых роликоподшипниках.

Внутри соединения расположен датчик нагрузки. Он обеспечивает постоянный контроль нагрузки, действующей на болт. Стенд позволяет определить при каком значении нагрузки происходит процесс самооткручивания. Испытания не только наглядно демонстрируют, почему откручиваются гайки, но и позволяет получить данные для последующей обработки. По этим данным строятся графики затухания преднагрузки. Это дает возможность оценить уровень сопротивления определенного типа резьбового соединения самоослаблению.

Разжимание

Еще одной причиной, почему откручивается гайка, становится явление «разжимания». Это невращательное ослабление, при котором снижение преднагрузки происходить без относительного перемещения между наружной и внутренней резьбой. При разжимании резьбового соединения не происходит движения крепежа.

Распространенным вариантом разжимания является впрессовывание, которое связано с возникновением местной локальной деформации в области узла соединения. Деформация происходит на поверхностях стыка, под поверхностью гайки, в резьбе. Такие деформации вызваны наличием микронеровностей поверхности металла. В результате фактическая поверхность контакта оказывается существенно меньше видимой поверхности. Поэтому нагрузка в зоне контакта может превышать предел текучести металла, что и вызывает его деформацию.

В большинстве случаев самопроизвольное ослабление гайки на резьбовом соединении связано с комбинированным действием разжиманием и самооткручивания. Вначале в результате разжимания происходит потеря преднагрузки. Когда она снижается меньше критического значения, под действием вибрационных нагрузок гайка начинает раскручиваться.

Как сделать чтобы гайка не откручивалась

Существует несколько способов, как сделать, чтобы гайка не откручивалась. В частности, применяют следующие методы:

• Установка шайбы. Под гайку устанавливается шайба из мягкого сплава. После этого гайку затягивают. Метод не обеспечивает повышенную надежность соединения. Применяется для монтажа оборудования и конструкций, которые не подвергаются значительным вибрационным нагрузкам.
• Установка шайбы и гровера. Применение гровера в составе крепежного узла позволяет создать дополнительное напряжение, которое препятствует самопроизвольному раскручиванию. Метод дает более надежную фиксацию и улучшает устойчивость к вибрации.
• Самоконтрящиеся гайки. Конструкция такой гайки имеет специальный фиксатор, который защищает узел соединения от поперечного смещения.
• Фиксатор резьбы. Удобный способ, как закрутить гайку, чтобы не откручивалась от болта. Фиксатор — специальный состав, который наносится непосредственно на тот участок резьбы болта, на который будет накручиваться гайка. Он хорошо защищает от смещений, способных вызвать самопроизвольное раскручивание. Минус заключается в требовательности фиксатора к условиям эксплуатации. Он может терять свои свойства при температурных перепадах, при повышенной влажности воздуха.
• Установка двух гаек. После закручивания основной гайки, поверх нее накручивается вторая. Вторая гайка дополнительно прижимает первую. Метод отличается максимальной простотой, но обеспечивает высокую надежность. При необходимости можно поставить не одну, а несколько дополнительных гаек.

Использование этих методов дает возможность значительно повысить надежность резьбового соединения.