Изменения шага, угла профиля и формы резьбы для повышения долговечности крепежа

Малость эффекта влияния шага резьбы крепежа на предел выносливости

Анализ данных экспериментальных исследований крепежных изделий показывает, что при одинаковом отношении R/P (R – радиус впадины резьбы, P – шаг резьбы) шаг резьбы практически не влияет на предел выносливости резьбовых соединений. Лишь для резьбы с диаметром 10 мм при R = 0 наблюдается небольшой (до 10 %) разброс результатов относительно среднего значения. При других значениях R/P разброс не превышает 2…5%. Это позволяет рассматривать резьбу как совокупность мелких выточек.

Преимущества мелкой резьбы

Повышение разрушающих нагрузок в крепежных соединениях с мелкой резьбой

Напряжения в стержне с такими выточками распределяются неравномерно лишь на небольшой глубине, прилегающей к вершине. В этом случае коэффициент концентрации напряжений зависит от отношения R/P и не зависит от отношения R/d. Если разрушающие напряжения в болте с мелкой резьбой одинаковые с крупной резьбой, то разрушающие нагрузки при мелкой резьбе выше за счёт большей площади. Например, для резьбы М10×1,5 площадь сечения А₁= 55,1 мм², а для резьбы М10×1 А₁ - 62,4 мм², т. е. на 13 % больше.

Стопорящие свойства крепежа с резьбой малого шага

Для накатывания мелкой резьбы требуются станки меньшей мощностью. Кроме того, крепёж с мелкой резьбой имеет более высокие стопорящие свойства. Благодаря указанным преимуществам мелкую резьбу широко применяют в машиностроении.

Таблица 1

Основные размеры резьбы М10 и значения σ_ап для резьбовых соединений с разными углами профиля (σ_m = 200 МПа)

α,°	d2,мм	d1, мм	σап, МПа
45	8,650	7,300	80
60	9,026	8,020	55
75	9,144	8,490	65
90	9,374	8,874	85

Угол профиля и форма резьбы

Следствия уменьшения угла профиля резьбы крепежа

При уменьшении угла профиля (за исходный угол профиля принят угол для метрической резьбы α = 60°) увеличивается рабочая глубина (перекрытие) витков и, как следствие, осевая податливость резьбы, которая способствует более равномерному распределению нагрузки между витками и разгрузке первого витка.

Следствия увеличения угла профиля крепежных деталей

При α > 60° также улучшается распределение нагрузки между витками, но уже за счёт увеличения радиальной податливости гайки. Результаты расчетов показывают, что нагрузка на первый виток резьбы М10 с α = 75° снижается на 17 % по сравнению со стандартной резьбой; при α = 90° уменьшение нагрузки составляет 35 %.

Наряду со снижением нагрузки при α > 60° существенно уменьшаются действующие в основании витков напряжения, связанные с изгибом. При α = 90° резьба получается как бы «безизгибной» (рис. 1), что существенно повышает прочность соединений. 

Влияние угла профиля резьбы на сопротивление шпилек и болтов усталости

Влияние угла профиля резьбы на сопротивление усталости исследовалось И. А. Биргером и Г. Б. Иосилевичем. Испытывались шпильки М10 с α = 45, 60, 75 и 90° из стали 38ХА (σ_в - 1150 МПа). 

Резьба на шпильках нарезалась на токарно-винторезном станке резцами с пластинами из твердого сплава Т15К6, заточенными на профилешлифовальном станке. Резьба в гайках нарезалась специальными метчиками. Профили исследованных резьб изображены на рис. 4.

Влияние угла профиля и формы резьбы

Как показывают результаты испытаний (табл. 1; рис. 2), увеличение угла профиля резьбы до α = 90° или уменьшение до α — 45° позволяет повысить предел выносливости соединения на 45 ,.. 55 %. Впервые резьба с α = 90° для болтов была предложена в работе Биргера.

Разрушение соединений происходит, как правило, на уровне или ниже опорного торца гайки, что свидетельствует о существенном уменьшении максимальных напряжений в сечении первого витка.

По данным Р. Б. Хейвуда, долговечность болтов с α = 90° в 10 раз больше, чем стандартных.

Резьба с α = 90° может быть рекомендована для ответственных конструкций объектов энергетики, соединений фланцев технологических трубопроводов высокого давления, когда необходим очень высокий предел выносливости (особенно для нарезанных резьб). Изготовление резьбы с малой высотой профиля при α = 90° легче, чем резьбы с профилем стандартной формы.

Нецелесообразность увеличения угла профиля резьбы крепежа выше 90°

Отметим, что увеличение угла профиля резьбы свыше 90° может привести к разрушению тела гайки из-за высокой радиальной нагрузки. Смещения усилий к оси стержня и уменьшения напряжений от изгиба витков можно достичь при выполнении на болтах (шпильках) резьбы с несколько большим, чем на гайках, углом симметричного профиля α = 62 ... 65°, а также при изготовлении резьбы с асимметричным профилем . Резьба гайки должна иметь при этом стандартный профиль, а для обеспечения свинчиваемости и взаимозаменяемости следует несколько увеличить зазоры по среднему диаметру. Асимметричный профиль резьбы болта применяется в Великобритании и США. По данным Хирониса, такая резьба выдерживает значительные напряжения (рис. 3). 

Отметим, что применение гаек, резьба которых имеет увеличенный угол α или асимметричный профиль, может привести к снижению сопротивления усталости.

Зарубежные исследования различных профилей резьбы крепежа

Влияние угла профиля и формы резьбы на долговечность крепежных соединений изучалось Итоном. Профили исследованных резьб показаны на рис. 4.

Резьбы крепежа с профилями I и IV, наиболее распространенные в США, имели α = 60°.

Резьбы крепежных изделий с профилями II и III упорные, причем в первом случае угол наклона рабочей стороны резьбы равен 3°, нерабочей 30°, а во втором случае соответственно 0 и 45°. Рабочая высота профиля III меньше, чем профиля II.

Резьба крепежных деталей с профилем V имела α = 90°.

Резьбы с профилями VI и VII предназначены для воспринятая переменных нагрузок. Исключение контакта по вершинам витков резьбы с профилем VII, как показали результаты экспериментов, повысило долговечность соединений, но снизило прочность при испытании на срез. Такую резьбу используют в США для соединений, нагруженных тяжелыми динамическими нагрузками. Шпильки изготовляли из марганцево-никелевой стали (σ_в = 668…730 МПа). Испытания проводили при нулевом цикле напряжений.

Относительная прочность резьбовых соединений

В табл. 2 приведены данные об относительной прочности резьбовых соединений (за единицу принята прочность резьбы с α = 60° и плоскосрезанной впадиной). Как показывает анализ этих данных, профиль (VI и VII), образованный дугой окружности и исключающий контакт между вершиной резьбы гайки и впадиной резьбы шпильки, позволяет на 60% повысить предел выносливости соединений. При использовании упорной резьбы и резьбы с α = 90° значение σ_ап повышается незначительно (до 10 %). Это объясняется влиянием ударных нагрузок из-за увеличенных радиальных зазоров при отнулевом цикле напряжений. Предел выносливости этих соединений можно повысить путем предварительной затяжки крепежа.

Таблица 2

Относительная прочность резьбовых соединений крепежа

Профиль резьбы	База испытаний, число циклов
	105	106	107
I	1,00	1,00	1,00
II	1,09	1,01	0,98
III	1,06	1,14	1,07
IV	1,21	1,18	1,22
V	1,04	1,05	1,09
VI	-	1,25	1,12
VII	1,31	1,51	1,60

Переменные средний диаметр и шаг

Изменив радиус впадины или профиль резьбы, можно эффективно снизить концентрацию напряжений от местной нагрузки на витки.

Для улучшения распределения нагрузки нужно таким образом изменить средний диаметр по высоте гайки, чтобы контакт витков начинался вблизи свободного торца гайки. Р. Хейвудом установлено, что прямая конусность 1:50 при увеличении среднего диаметра от торца к головке болта (рис. 5) снижает долговечность соединений  c 10⁵ до 6×10⁴ циклов. Обратная конусность 1:100 повышает долговечность до 1,8×10⁵, а при большей конусности (1:50) — до 2,1×10⁵ циклов.

Применение гаек с коническим заходом

Отметим, что использование резьбы c переменным средним диаметром ограничено требованием недопущения в резьбе больших зазоров, поэтому в паре с конусным болтом предпочтительно применять конусную гайку.

Разновидностью этого метода является усечение (коррекция) витков резьбы гайки в наиболее нагруженной области до нарезания резьбы или после него. Угол φ принимают равным 10…15°. Согласно данным Лутандера и Вальгрена, при усечении нижних витков гайки на 12° предел выносливости повышается на 20%. Такое же увеличение получено Г. Вигандом при усечении под углом 10°.

Рекомендации по применению гаек c коническим заходом приведены в работе Р. А. Уолкера и Г. Майера. Гайка с увеличенным шагом дает более равномерное распределение нагрузки. По данным Р. Хейвуда, долговечность соединения гайки с 11,85 витками и болта с 12 витками на 1" повышается c 10⁵ (для обычного соединения) до 5,8×10⁵ циклов, причем разрушения всегда происходят значительно глубже опорной поверхности гайки, что свидетельствует о более равномерном распределении нагрузки между витками.

Степень влияния шага гайки и прочность ее материала

Переменный шаг в сочетании с углом профиля α = 90° способствует существенному повышению долговечности. Степень влияния увеличенного шага гайки зависит от прочности её материала при растяжении. В случае невысокой прочности происходит перераспределение нагрузки вследствие пластических деформаций и нижние витки начинают работать аналогично виткам обычной гайки. Рекомендуется использовать болты и гайки из одного материала.

Иногда применяют гайки с утопленной резьбой. В таких соединениях нижний виток болта более податливый, что снижает нагрузку. Гайка с прорезями по впадинам резьбы, которые увеличивают их податливость и улучшают распределение нагрузки. Однако на практике такую конструкцию реализовать крайне сложно.

Заключение

Стремление конструкторов к разработке крепежных изделий, применяемых для соединительных деталей трубопроводов, направлено на поиск геометрических характеристик конструкции, обеспечивающих наивысшую надёжность резьбового соединения для заданных условий эксплуатации.

Получив доступ к данной странице, Вы автоматически принимаете Пользовательское соглашение.