Прочность витков резьбы гаек и шпилек для фланцевых соединений

Разрушение витков резьбы — довольно рас­пространенный вид по­ломок крепежных изделий. Основными кон­структивными параметрами, определяющими прочность витков, яв­ляются диаметр d и шаг резьбы Р, радиус впадины резьбы R, вы­сота гайки Н (длина свинчивания), соот­ношение механических характеристик материалов болта (шпиль­ки) и гайки (корпуса). В меньшей степени влияют поперечные размеры гайки (размер под ключ).

Влияние кон­структивных параметров резьбы на ее прочность

Результаты испытаний резьбовых соединений при осевых растягивающих нагрузках показывают, что при недостаточной высоте гайки происходит поломка соединения вследствие разрушения резьбы. Для повышения несущей способности резьбы увеличивают высоту гайки (длину свинчивания соединения). На рис. 1 приведена типичная за­висимость силы, разрушающей соединение, от длины свинчива­ния. Светлыми точками на кривых обозначено разрушение резьбы, темными — обрыв стержня по резьбовой части вне корпуса. Материал гаек — сталь 45 нормализованная (σ_в = 680 МПа), болтов — сталь 45 термоулучшенная (σ_в = 950 МПа). Кривые 1 получены при испытании соединений с диаметром резьбы d = 32 мм, кривые 2 — d = 24 мм, кривые 3 — d = 18 мм, кри­вые 4 — d = 12 мм, кривая 5 — d = 6 мм.

Влияние диаметра резьбы

Установлено, что с увеличением диаметра резьбы (при неизменных шаге и высоте гайки) несущая способность соедине­ния, оцениваемая по нагрузке, разрушающей резьбу, возрастает либо пропорционально диаметру (для соединений стальных шпи­лек с корпусными деталями из алюминиевых и магниевых сплавов, либо нелинейно (для стальных соединений). В по­следнем случае интенсив­ность повышения несущей способности резьбы снижа­ется при больших диамет­рах, однако несущественно, и в практических расчётах можно считать, что проч­ность резьбы увеличивается пропорционально ее диа­метру.

Влияние шага резьбы

Уменьшение шага резь­бы (см. рис. 1) при не­изменных наружном диа­метре и высоте гайки сни­жает прочность соединения, так как для мелкой резьбы труднее в пределах одного класса точности обеспечить перекрытие витков, одинаковое с крупной резьбой. Кроме того, радиальные деформации тела гайки при нагружении также сильнее сказываются на несущей способности соединений с мелкой резьбой. Снижение прочности соединения при уменьшении шага резьбы было обнаружено позднее.

Соотношение прочности материала гайки и болта

Степень влияния шага резьбы на прочность соединения в значительной мере зависит от материалов резьбовых деталей трубопроводов. При существенном различии пределов прочности материалов болта и гайки (σ_{в, б}/σ_{в, г}> 1,4) и одинаковых модулях упругости (Е_б = Е_г) прочность резьбы с увеличением шага изменяется пропор­ционально отношению σ_{в, б}/σ_{в, г}.

Это можно объяснить улучшением условий деформирования и разрушения витков резьбы гайки вследствие смещения наиболь­шего давления в зоне контакта к основанию витков гайки. Отметим, что при σ_{в, б}>>σ_{в, г} пластические деформации витков резьбы болта ничтожно малы.

Для соединения с гайками из материала с меньшим модулем упругости (например, из магниевого сплава с Е = 40 ГПа) влия­ние шага сказывается не в меньшей степени, чем для стальных соединений.

Необходимая высота гайки (длина свинчивания)

Из анализа кривых на рис. 1 следует, что при σ_{в, б}/σ_{в, г} < 3 в определенном диапазоне значений d/P (до d/P< 12) можно найти необходимую относительную высоту гайки H_н/d, при которой обеспечивается равнопрочность стержня болта на разрыв и витков на срез (смятие).

Необходимая высота гайки зависит от диаметра и шага резьбы, соотношения механических свойств материалов резьбовых деталей, а также типа соединения, влияющего на характер распределения нагрузки между витками. Увеличение высоты гайки сверх необходимой неэффек­тивно, так как прочность соединений, ограниченная несущей способностью стержня  болта, при этом не повышается. На рис. 1 показаны  кривые изменения необходимой высоты гайки (длины свинчивания) в зависимости от отношения d/Pдля соединений болтов из стали 38ХА (σ_в = 1150 МПа) с гайками из сплава МЛ7 (σ_в= 160 МПа, кривая 1), сплава АЛ5 (σ_в = 220 МПа, кривая 2), стали 20 (σ_в = 450 МПа, кривая 3), стали 35 (σ_в= 550 МПа, кривая 4). Увеличение необходимой высоты гайки с ростом отношения d/P связано с влиянием диа­метра и шага на прочность резьбы соединения и стержня болта (или шпильки для фланцевых соединений). Рекомендации по выбору необходимой высоты гайки даны в таблице. 1.

Таблица 1.

Минимальная длина свинчивания (высота гайки) для стальных шпилек

Материал гайки	σв, МПа	lmin/d (Hmin/d) при σm, МПа
		400…700	850…1200	1300…1700
Сталь (сплав титана)	400…700	0,6…0,8	0,9…1,1	1,2…1,6
	850…1200	0,9…1,1	0,6…0,8	0,9…1,1
	1300…1700	—	0,9…1,1	0,6…0,8
Чугун	180…250	1,3…1,5	—	—
Дуралюмин	360…440	0,8…0,9	1,3…1,8	—
Силумин (литой)	150…200	1,3…1,5	—	—
Бронза	200…250	1,3…1,5	—	—
Сплав бериллия	400…650	0,6…0,8	1,1…1,3	—

Примечание. Символом "—" обозначено, что равнопрочность стержня шпильки (болта) на разрыв витков резьбы на срез обеспечить невозможно.

↑ В начало

Влияние материала болта и гайки на прочность витков резьбы

Соотношение механических характеристик материалов болта и гайки существенно влияет на процесс деформирования и характер разрушения витков резьбы, поэтому несущая способность соединений при разных отношениях σ_{в, б}/σ_{в, г} значительно различается, даже для материалов болта и гайки с одинаковыми модулями упругости.

На рис. 2 показаны кривые изменения нагрузки, разруша­ющей резьбу М24х1соединений, в зависимости от отношения H/d при различной прочности шпилек из сталей 30ХГСА (линии 1 и 2) и 45 (линии 3, 4, и 5). Материал гаек — сталь 45 (σ_в = 680 МПа). Видно, что, увеличивая предел прочности шпи­лек от 740 до 1660 МПа (высокопрочные шпильки), можно более чем в 2 раза повысить не­сущую способность резьбы соединения. Это обстоятельство, объяс­няемое улучшением условий деформирования витков гайки (смещением нагрузки к основанию витков гайки), следует учитывать при проектировании и изготовлении соединений литых, кованых или штампованных корпусов из пластичных и, как правило, мало­прочных низкоуглеродистых сталей (например, соединения кор­пусов сосудов и аппаратов высокого давления фланцами и др.).

Срез витков шпильки или болта

Отметим, что при σ_{в, б}≈σ_{в, г} наблюдается срез витков шпильки; прочность соединения в этом случае невелика (кри­вая 4 на рис. 2).

Смятие витков резьбы

При σ_в,б≈(1,3 ... 1,8)σ_в,г  соединение раз­рушается вследствие пластического изгиба витков (смятия); при этом нередко происходит выламывание витков одной из деталей. Несущая способность соединения в таком случае значительно выше, чем при разрушении от среза витков шпильки. Отсюда следует важный практический вывод: для более полного исполь­зования механических характеристик гаек (корпусных деталей) необходимо применять болты (шпильки) из материала с σ_в,б≥1,3σ_в,г. При больших диаметрах резьбы (d>24 мм) наблю­дается одновременное выламывание витков болта и гайки в ре­зультате пластического изгиба.

Срез витков гайки: наибольшая прочность

При σ_в,б>2σ_в,г соединения разрушаются, как правило, в результате среза витков гайки; прочность при этом наибольшая (кривая 1 на рис. 2). На рис. 3 показаны схемы деформации витков (рисунки шлифов) соединений стальных болтов М16 (σ_в,б = 880 МПа) с гайками из стали (σ_в,г = 435 МПа) при ступенчатом нагружении до разрушения. Согласно зависимостям, показывающим изменение относи­тельной деформации соединения (по резьбовой части), небольшие пластические деформации в резьбе появляются уже при напря­жениях, составляющих 40% разрушающих. Интенсивный рост пластических деформаций начинается при напряжениях σ = (0,7...0,9) σ_т; разрушение носит очень резкий характер и сопровождается повышением температуры в соединении до 60°С.

Если стальные шпильки свинчены с корпусами из легких ма­териалов, например из алюминиевых и магниевых сплавов, то несущая способность резьбы таких соединений также возрастает при увеличении прочности материала шпилек.

↑ В начало

Заключение

Таким образом, на прочность витков резьбы оказывают влияния как конструктивные геометрические факторы: диаметр, шаг резьбы, длина свинчивания, радиус впадины резьбы R и их взаимные соотношения, – так и материал обеих соединяемых деталей.

Прочность резьбы увеличивается с ростом её диаметра, шага, высоты гайки, прочности материала болта (шпильки). Наибольшую нагрузку выдерживают резьбовые соединения, в которых происходит разрушение срезом витков гайки.

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