Стопорение резьбы: десять методов и единый критерий проверки

1. Зачем эта статья: два реальных случая

В июне 2010 года аттракцион Space Loos в парке OCT East в Шэньчжэне обрушился: погибли шесть человек, десять получили ранения. Расследование показало, что непосредственной причиной стал усталостный излом соединительного болта, причём излом начался в месте, где резьбовое соединение ослабло под циклической нагрузкой, из-за чего напряжения сконцентрировались во впадине резьбы.

В 2007 году в Великобритании сошёл с рельсов скоростной поезд. Гун и др. разбирают этот случай в своём обзоре: циклическая нагрузка в зоне контакта колеса постепенно отвинтила гайку с болта, и это стало одним из непосредственных пусковых факторов схода.

В обоих соединениях применялись обычные болты с пружинными шайбами. Тождество «пружинная шайба = защита от самоотвинчивания» почти рефлекторно для конструкторских бюро, однако с тех пор, как Юнкер опубликовал свою теорию поперечных колебаний в 1969 году, пять десятилетий испытаний показали, что пружинная шайба удерживает предварительную затяжку гораздо хуже, чем принято считать.

Статья построена на обзоре Review on anti-loosening methods for threaded fasteners (Gong H., Liu J. H., Feng H. H., Chinese Journal of Aeronautics, 2021), а также на NASA-STD-5020, ISO 16047, GB/T 3098 и GB/T 10431. В ней приведены реальные показатели десяти распространённых методов в форме, позволяющей инженеру сверять их с чертежом.

2. Почему резьба ослабляется: механизм

Многие инженеры полагают, что ослабление означает «гайка сама повернулась». В действительности это процесс из нескольких стадий.

2.1 Предварительная затяжка — основа жизни соединения

При затяжке болта соединение сжимается, а болт растягивается. Это растягивающее усилие и есть предварительная затяжка F_v. Пока F_v сохраняется, соединение не может сдвинуться, а винтовая пара не может провернуться. Самоотвинчивание — это не поворот гайки: это падение предварительной затяжки ниже критического значения, после которого винтовая пара начинает проворачиваться.

Затяжка теряется по двум путям:

• Упругая релаксация и осадка контакта: микронеровности на поверхностях стыка сминаются, контакт ползёт, и F_v за минуты или сутки падает на 5–20 %.
• Проворот при поперечной вибрации: испытания Юнкера 1969 года показали, что при перемещении зажатых пластин перпендикулярно оси болта трение в резьбе и на опорной поверхности на мгновение исчезает, и болт самовывинчивается по углу подъёма резьбы. Это самый опасный и самый распространённый вид ослабления.

2.2 Испытание Юнкера: единый экзамен для любого метода стопорения

Стопорные свойства сегодня оценивают испытанием Юнкера на поперечную вибрацию (DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431). Эксцентриковый кулачок приводит две пластины в относительное поперечное движение; болт проходит через обе, а датчик силы регистрирует F_v во времени.

Критерий — сохранение предварительной затяжки: остаточная F_v, делённая на начальную F_v, после 2000 циклов. Чем выше значение, тем лучше.

2.3 Пять переменных, задающих скорость ослабления

1. Начальная предварительная затяжка F_v: чем выше, тем надёжнее, но никогда не выше предела текучести.
2. Коэффициент трения μ в резьбе и на опорной поверхности: высокий μ сопротивляется провороту, но разброс μ делает затяжку непредсказуемой.
3. Поперечная амплитуда: чем больше относительное проскальзывание пластин, тем быстрее идёт ослабление.
4. Отношение длины зажима к диаметру L/d: гибкий болт поглощает вибрацию. При L/d = 3 и ниже соединение почти наверняка ослабнет.
5. Жёсткость соединения: жёсткая толстая пластина передаёт поперечное проскальзывание легче, чем тонкий лист или отливка.

3. Семь традиционных методов стопорения

3.1 Плоская шайба

Плоская шайба распределяет опорную нагрузку, защищает поверхность стыка от вращающейся гайки и перекрывает увеличенное отверстие. Стопорения она не обеспечивает вовсе. Пинелли и др. (2012) получили практически одинаковое сохранение затяжки с шайбой и без неё.

3.2 Пружинная шайба

Это самая переоценённая деталь в каталоге. Предполагается, что разрезной край врезается в опорную поверхность и создаёт упругий натяг. Данные испытаний говорят об обратном:

• Дравид и др. (2012): болты с пружинными шайбами теряли затяжку быстрее, чем болты без шайбы, поскольку разрезной край концентрирует напряжения и ускоряет местное проскальзывание.
• Пинелли и др., по результатам 24 месяцев эксплуатации автомобилей: ни одно соединение с пружинной шайбой не сохранило рабочей затяжки.
• Разрезной край оставляет риски на поверхности стыка при повторной вибрации и становится очагом коррозии.

3.3 Тарельчатая шайба (пружина Бельвиля)

Коническая тарельчатая шайба накапливает упругую деформацию, и её реальная задача — компенсация релаксации: по мере осадки стыка тарелка раскрывается и сохраняет усилие зажима. Расчёты Савы методом конечных элементов показывают явный выигрыш на соединениях с большим термическим несовпадением (алюминий–сталь, биметаллические пакеты). Провороту при поперечной вибрации она не препятствует, поэтому подходит для термоциклирования (выпускные коллекторы, теплообменники), а не для постоянного поперечного возбуждения (тележки, грохоты).

3.4 Клиновая шайба (тип Nord-Lock)

Самое распространённое решение последних 20 лет в ветроэнергетике, на железной дороге и в горной промышленности. Пара шайб: радиальные зубья на наружных поверхностях, клиновые скосы на внутренних, причём угол клина α больше угла подъёма резьбы β.

Любая попытка отвинтить болт поднимает его по скосу. Поскольку α > β, осевое усилие, необходимое для подъёма по скосу, превышает осевое усилие, высвобождаемое при отвинчивании, поэтому чем сильнее соединение стремится ослабнуть, тем плотнее оно затягивается.

Мисек (2017) и расчёты Лая методом конечных элементов подтверждают сохранение затяжки выше 80 % в стандартном испытании Юнкера. Недостатки: высокая стоимость (пара стоит в 20–50 раз дороже пружинной шайбы), чувствительность к плоскостности на больших размерах и непригодность при чрезмерном зазоре в отверстии.

3.5 Шайба с насечкой

Внутренние или наружные зубья врезаются в опорную поверхность и обеспечивают механическое стопорение. Эффективна на мягких материалах (алюминий, пластмассы, тонкий лист), где зубья могут внедриться; на закалённой или высокопрочной стали зубья сминаются, и стопорение пропадает. Кроме того, она сильно повреждает поверхность стыка, поэтому её не применяют на окрашенных и анодированных деталях.

3.6 Сдвоенная гайка

Две гайки, прижатые друг к другу, создают дополнительную нормальную силу в резьбе. Девять из десяти сдвоенных гаек в цеху собраны в неправильном порядке.

Правильная последовательность (практика NASA-STD-5020):

1. Затянуть нижнюю (силовую) гайку и удерживать её ключом;
2. Навинтить верхнюю (стопорную) гайку до соприкосновения торцов;
3. Затянуть обе друг относительно друга, пока осевое усилие между ними не достигнет 30–50 % предела текучести.

Чжан и др. (2019) измерили при правильной последовательности сохранение затяжки более чем втрое выше. При неправильной последовательности сдвоенная гайка работает как одиночная.

3.7 Гайки с нейлоновой вставкой и цельнометаллические самоконтрящиеся гайки

Нейлоновый поясок в верхней части гайки расширяется болтом и создаёт дополнительное трение. Просто, разборно, дёшево — стандартная стопорная гайка в автомобилестроении и электронике.

Главная слабость — температура. Выше 120 °C нейлон ползёт, и момент стопорения за несколько сотен часов падает более чем вдвое. Нейлоновые гайки не применяют на выпускных коллекторах, в тормозах и на деталях печей.

Цельнометаллические самоконтрящиеся гайки (треугольная резьба типа Spiralock, ASTM A194 Grade C) деформируют верх гайки в эллипс, пропил или обжимку. Они работают до 250 °C, но допускают не более 5–10 повторных сборок.

4. Три новых метода стопорения

Все три быстро набирают долю в аэрокосмической отрасли, космической технике и робототехнике.

4.1 Гайка с деформированной резьбой

Как выглядит: последние два-три витка гайки превращены из профиля 60° V в скруглённую впадину (дуга около 30°). Снаружи она неотличима от шестигранной гайки, но навинчивается плотнее, поскольку витки болта заклиниваются, а не скользят.

Почему держит: в обычной гайке радиальный зазор во впадине резьбы позволяет болту колебаться под поперечной нагрузкой и постепенно вывинчиваться. Деформированная резьба переносит контакт из впадины на вершину и структурно устраняет этот зазор. Сохранение затяжки по Юнкеру выше 90 %, допускается 15 и более повторных сборок; это самый быстрорастущий выбор для авиационных и робототехнических соединений.

4.2 Гайка с эффектом памяти формы

Изготавливается из никель-титанового сплава, нагревается выше температуры превращения, раздаётся по болту и затем сокращается. Затяжка на 30 % выше, чем у обычной гайки, но стоимость крайне высока, а применение ограничено ответственными местами авиационных двигателей.

4.3 Анаэробный фиксатор резьбы (химическое стопорение)

Это не механическое устройство, а химическое стопорение. Loctite 243 (средней прочности) и 263 (высокой прочности) отверждаются в отсутствие кислорода и соединяют винтовую пару в одно целое.

Читем и Даттилио независимо друг от друга получили наибольшее сохранение затяжки среди всех методов при полном отсутствии повреждений поверхности стыка. Ограничения: поверхность должна быть чистой (масло снижает прочность связи на 70 %), 243 разрушается ручным инструментом при комнатной температуре, тогда как 263 неразборный и требует нагрева до 150 °C или сверления; оба непригодны при непрерывной работе выше 150 °C.

5. Три сравнительные таблицы

Таблица 1 — десять методов стопорения по результатам испытания Юнкера

Источник: Гун и др., 2021, табл. 2. Стандартное испытание Юнкера (DIN 65151), 2000 поперечных циклов.

Таблица 2 — рекомендуемые методы по видам применения

Таблица 3 — стоимость и эффективность

За единицу принято «пружинная шайба + обычная гайка» = 1×. Приведены коэффициенты, а не цены, поэтому можно подставить собственные закупочные данные.

6. Схема выбора из семи шагов

Если провести любой чертёж через эти семь шагов, выбор обычно становится очевидным.

Шаг 1 — Есть ли поперечная вибрация?

Соединение покачивают рукой. Если видно относительное перемещение (> 0,1 мм) либо речь идёт о вращающемся оборудовании, рельсовом или автомобильном транспорте, ветроустановках, — пружинные и плоские шайбы сразу исключаются, и расчёт продолжается.

Шаг 2 — Какова температура?

• ≤ 120 °C: нейлоновые гайки допустимы.
• 120–250 °C: цельнометаллическая гайка, клиновая шайба или высокотемпературный фиксатор резьбы.
• > 250 °C: тарельчатая шайба с высокотемпературным фиксатором резьбы либо цельнометаллическая гайка из Inconel.

Шаг 3 — Будет ли соединение разбираться?

• Частый доступ (крышки, сервисные панели): клиновая шайба, цельнометаллическая гайка, сдвоенная гайка.
• Никогда (несущая конструкция): фиксатор резьбы высокой прочности.
• Изредка (ежегодное обслуживание): 243 средней прочности.

Шаг 4 — Из какого материала соединяемые детали?

• Алюминий, пластмассы, тонкий лист: шайба с насечкой или нейлоновая гайка; плоских шайб, склонных к выгибанию, избегать.
• Закалённая или высокопрочная сталь: клиновая шайба или фиксатор резьбы; насечка сминается.
• Чугун: плоская шайба плюс самоконтрящаяся гайка, поскольку пористая поверхность требует распределения нагрузки.

Шаг 5 — Проверить L/d

При значении ниже 3 болт слишком жёсток, и никакое механическое устройство не спасёт соединение. Добавляют втулку для увеличения длины зажима, берут более длинный болт или применяют фиксатор резьбы.

Шаг 6 — Бюджет и объём

Следует пользоваться таблицей 3: при 1–2× берут фиксатор резьбы или обычную гайку; при 4–12× — нейлоновую или цельнометаллическую самоконтрящуюся гайку; при 30–100× — клиновую шайбу или гайку с деформированной резьбой; гайки с памятью формы — только для крайних случаев авиационных двигателей.

Шаг 7 — Опытный образец и проверка

Выполняют 2000 циклов по GB/T 10431 или ISO 16130 и допускают изделие к выпуску только при сохранении затяжки выше 60 %. Нельзя принимать решение по каталожной кривой поставщика — одно собственное испытание обходится дешевле любого другого вида страховки.

7. Шесть самых частых ошибок инженеров

8. Частые вопросы: десять практических вопросов

Вопрос 1. Можно ли исключить пружинные шайбы везде?

На статических, невибрирующих и неответственных соединениях (внутренняя обшивка, слабонагруженные крышки) они допустимы. Везде, где есть динамическая нагрузка, риск для людей или дорогой простой, их заменяют клиновыми шайбами или фиксатором резьбы.

Вопрос 2. Толще клиновая шайба — значит лучше?

Нет. Угол клина должен быть строго больше угла подъёма резьбы, а шайбы применяются только парой: одиночная шайба ничего не делает. Начиная с M16 выбирают исполнение с кабельной меткой — его проще контролировать при осмотре.

Вопрос 3. Сколько раз можно использовать нейлоновую гайку?

Промышленная практика — 5–10 сборок. Каждая расширяет вставку и снижает момент стопорения. В аэрокосмической отрасли их часто списывают после трёх.

Вопрос 4. 222, 243 или 263?

222 — низкой прочности, до M6, регулируемый; 243 — средней прочности, разборный, общего назначения до M20; 263 — высокой прочности, неразборный, свыше M20. Всегда выбирают минимальный класс, который держит нагрузку: более высокий может не разобраться.

Вопрос 5. Что обеспечивает стопорение в алюминии?

Алюминиевая резьба слаба, и фиксатор при демонтаже может вырвать витки. Применяют шайбу с насечкой, которая внедряется в мягкий металл, либо сначала устанавливают проволочную резьбовую вставку, а затем нейлоновую гайку.

Вопрос 6. Допустимы ли пружинные шайбы с нержавеющими болтами?

Нет. Нержавеющая сталь по нержавеющей схватывается: при сборке заедает, при демонтаже срывается. Применяют цельнометаллическую самоконтрящуюся гайку или шайбу с покрытием.

Вопрос 7. Безопасны ли 70 % предела текучести?

Да. ISO 898-1 задаёт для класса 8.8 предел текучести 640 МПа и рекомендует затяжку 60–75 % от него. Риск разрушения начинается примерно выше 90 %.

Вопрос 8. Что работает выше 300 °C?

Болты из Inconel 718, тарельчатые шайбы и смазка на основе MoS₂. Фиксатор резьбы размягчается выше 150 °C, а нейлоновые вставки отказывают при 120 °C.

Вопрос 9. Какие стопорные гайки допускают повторное использование?

Цельнометаллические — 5–10 раз, нейлоновые — 5, с деформированной резьбой — 15, клиновые шайбы — неограниченно, фиксатор резьбы — практически однократно.

Вопрос 10. Как определить, что болт ослаб в эксплуатации?

При осмотре наносят контрольную линию через гайку и стык; разрыв линии означает перемещение. На ответственных соединениях применяют индикаторы усилия в болте или краску, чувствительную к моменту затяжки.

9. Стандарты и литература

Китайские стандарты

• GB/T 3098.1 Механические свойства болтов, винтов и шпилек
• GB/T 10431 Метод испытания крепёжных изделий на поперечную вибрацию
• GB/T 94.3 Пружинные шайбы — чашечные и волнистые
• GB/T 6184 Гайки шестигранные самоконтрящиеся, тип 1, цельнометаллические
• GB/T 889.1 Гайки шестигранные самоконтрящиеся, тип 1, с неметаллической вставкой

Международные стандарты

• ISO 898-1 Механические свойства крепёжных изделий
• ISO 16047 Крепёжные изделия — испытание зависимости момента от усилия зажима
• ISO 16130 Крепёжные изделия — испытание эксплуатационных свойств самоконтрящихся типов
• DIN 65151 Аэрокосмическая техника — стопорные свойства резьбовых крепёжных изделий
• NASA-STD-5020 Требования к системам резьбового крепления

Основная литература

• Gong H., Liu J. H., Feng H. H. Review on anti-loosening methods for threaded fasteners. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
• Junker G. H. New criteria for self-loosening of fasteners under vibration. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
• Dravid S., Tripathi K., Chouksey M. Experimental study of prevailing torque locking behavior of plain and spring washers. Int. J. Eng. Res., 2012.
• Pinelli M., Subramanian C., Tabor J. Experimental study of breakaway torque in service. Transport Research Record, 2012.