Руководство по выбору и безопасному использованию метрических болтов ISO для технического обслуживания

Представьте себе высокоточный дорогостоящий прибор, выведенный из строя из-за выхода из строя одного маленького болта — потери могут быть катастрофическими. В механическом обслуживании болты и гайки могут показаться незначительными, но они имеют решающее значение для обеспечения безопасной и стабильной работы оборудования. Однако, учитывая огромное разнообразие доступных метрических болтов и гаек, как можно точно идентифицировать, правильно выбрать и безопасно закрепить их? Это руководство содержит четкие практические инструкции для выполнения этих задач.

В сборке и обслуживании современной техники болты и гайки играют жизненно важную роль. Они являются ключевыми компонентами, соединяющими различные детали, обеспечивая структурную целостность оборудования. На первый взгляд все метрические болты могут выглядеть одинаково, но на самом деле они значительно различаются по типу резьбы, классу прочности и размерным характеристикам. Неправильный выбор или использование может привести к выходу оборудования из строя или даже к угрозе безопасности. Поэтому глубокое понимание характеристик метрических болтов и гаек, а также правильные методы выбора и крепления необходимы для персонала, занимающегося механическим обслуживанием.

Это руководство предназначено для специалистов, работающих на заводах и занимающихся механическим обслуживанием, и предоставляет базовые знания о метрических болтах и гайках ISO, чтобы помочь им правильно идентифицировать и использовать запасные части, обеспечивая безопасную и надежную работу оборудования. Мы сосредоточимся на наиболее часто используемых метрических болтах и гайках в промышленных условиях и предложим практические советы по идентификации и применению.

Стандарт ISO определяет несколько специализированных типов резьбы, но в большинстве механического оборудования обычно используются только два: стандартный шаг и мелкий шаг. Другие типы резьбы предназначены в основном для специализированных устройств, таких как прецизионные инструменты или оптическое оборудование.

Шаг относится к расстоянию между соседними витками резьбы, измеряемому в миллиметрах. Резьба со стандартным шагом подходит для большинства соединений общего назначения, в то время как резьба с мелким шагом используется там, где требуется более высокое усилие фиксации или устойчивость к вибрации.

В таблице ниже перечислены наиболее распространенные сочетания диаметров резьбы и шагов в промышленном оборудовании:

За исключением болтов и гаек самого низкого класса, все метрические крепежные изделия имеют маркировку, указывающую на прочность. Эти маркировки помогают быстро и точно определить их несущую способность.

На головках болтов обычно выбиты два числа, разделенные десятичной точкой. Полный диапазон включает десять классов от 3,6 до 14,9, но в промышленных условиях распространены классы 8,8, 9,8, 10,9 и 12,9. Головка болта также включает код производителя (обычно две или три буквы).

Первое число указывает на предел прочности болтовой стали, грубо измеряемый в 10 кг на квадратный миллиметр площади поперечного сечения. Например, болт класса 12,9 выдержит не менее 120 кг на квадратный миллиметр до разрушения. Аналогично, болт класса 8,8 имеет предел прочности 80 кг на квадратный миллиметр.

Когда болт постепенно воспринимает нагрузку, он слегка удлиняется, как пружина. Если нагрузка снимается, он возвращается к своей первоначальной длине. Однако существует предел, за которым болт не полностью восстановится, а вместо этого подвергнется необратимому растяжению — это предел текучести. Второе число на головке болта представляет собой процент предела прочности, который болт может выдержать до начала растяжения.

Например, болт класса 12,9 начинает растягиваться, когда нагрузка достигает 90% от его предела прочности. Аналогично, болт класса 9,8 начинает растягиваться при 80% от его предела прочности.

Маркировку прочности на гайках часто труднее идентифицировать, чем на болтах. Они могут отображаться в виде чисел или в виде узоров из точек и линий, где положение линии напоминает стрелки часов, указывающие класс.

Класс гайки всегда должен соответствовать или превышать класс болта на один уровень. Например, болт класса 8,8 должен сочетаться с гайкой класса 8 или 9. Болт класса 12,9 должен сочетаться с гайкой класса 12 или 14.

Как упоминалось ранее, когда болт постепенно воспринимает нагрузку, он достигает предела текучести (где начинается необратимое растяжение). Если нагрузка продолжает увеличиваться, болт достигает точки разрушения. Стандарты определяют «предел прочности», обычно 90% от нагрузки, необходимой для растяжения болта.

На практике производители часто проектируют оборудование таким образом, чтобы болты воспринимали нагрузки значительно ниже предела прочности, обеспечивая надежный запас прочности.

Болты с мелким шагом обычно на 10% прочнее болтов со стандартным шагом, потому что при нарезании резьбы удаляется меньше металла.

Рекомендуемые максимальные крутящие моменты в таблице ниже предполагают слегка смазанную резьбу. Затяжка болта до указанного крутящего момента должна установить натяжение в болте примерно до 85% от предела прочности, что эквивалентно 62% от предела прочности.

Используйте эти значения крутящего момента только в том случае, если производитель оборудования не указал настройку крутящего момента.

Болты и гайки с мелким шагом обычно используются только в особых случаях, и в документации по техническому обслуживанию производителя следует указывать требуемый крутящий момент для каждого применения.

Мелкая резьба часто используется, когда болты ввинчиваются в блоки из мягкого металла (например, алюминиевое литье), где резьба в блоке может быть намного слабее, чем болт, и обычно требует меньшего крутящего момента, чтобы избежать срыва резьбы.

Многие факторы влияют на прочность резьбовых деталей, включая методы производства, качество поверхности и точность формы резьбы.

Прочность резьбового соединения зависит от его самого слабого компонента. Например, если высокопрочный болт ввинчивается в более мягкий, более пластичный материал (например, алюминиевый сплав или низкоуглеродистую сталь), более мягкая деталь определяет максимальный безопасный крутящий момент.

Чаще всего болты должны выдерживать не только растягивающие нагрузки от затяжки, но и боковые или «сдвиговые» нагрузки. Типичным примером являются две пластины, скрепленные болтами и подверженные силам, которые прикладывают сдвиговые нагрузки к болту.

Если приложенная нагрузка очень мала, трение между пластинами из-за затяжки болта может предотвратить движение. Однако, если не установлены штифты для восприятия сдвиговой нагрузки, болт в конечном итоге испытает как сдвиговое, так и растягивающее напряжение. Сочетание этих напряжений создает общее напряжение, превышающее напряжение каждого из них по отдельности, поэтому предварительный крутящий момент болта, возможно, потребуется снизить по сравнению с максимальными значениями, чтобы учесть дополнительное напряжение от сдвига.

В качестве ориентира, уменьшение крутящего момента затяжки на 10% позволяет 35% номинальной нагрузки болта выдерживать силы сдвига без перегрузки.

Инженеры-конструкторы должны учитывать все эти факторы и могут указывать меньший крутящий момент, особенно в подъемном оборудовании, требующем высоких запасов прочности.

Всегда обращайтесь к документации по техническому обслуживанию производителя оборудования для указанных значений крутящего момента для болтов и гаек в подъемных и несущих нагрузку конструкциях.

В таблице ниже перечислены правильные размеры гаечных ключей и шестигранных ключей для наиболее распространенных размеров болтов и гаек в промышленном оборудовании.

Чтобы свести к минимуму риск соскальзывания ключа и повреждения краев крепежа, по возможности используйте накидной ключ (или накидную часть комбинированного ключа).

Метрические болты изготавливаются немного меньшего размера, чем их номинальный размер — например, болт M16 обычно имеет диаметр стержня 15,97 мм. Это означает, что болт 16 мм может пройти через отверстие 16 мм, но для учета несовмещения деталей отверстия под болт обычно сверлятся немного больше.

В таблице ниже приведены типичные размеры отверстий под болт и правильные размеры сверла под резьбу для стандартной и мелкой резьбы.

Для метрической резьбы размеры сверла под резьбу легко рассчитываются как диаметр болта минус шаг резьбы. Например, для болта M16 со стандартным шагом 2,0 мм требуется сверло под резьбу размером 16 – 2 = 14 мм.

При нарезании резьбы, особенно для размеров M10 и меньше, часто вынимайте метчик, чтобы удалить металлическую стружку и предотвратить поломку.

При затяжке болта в резьбу или сборку гайки и болта для стягивания деталей приложенный крутящий момент создает растягивающее напряжение в стержне болта.

Фактическая сила в болте зависит от таких факторов, как форма резьбы, шаг, качество поверхности и смазка. Для большинства стандартных случаев с легко смазанными метрическими болтами силу можно приблизительно рассчитать по формуле:

Сила = 5 × Крутящий момент / Диаметр

Где сила измеряется в ньютонах (Н), крутящий момент — в ньютон-метрах (Нм), а диаметр — в метрах (м). Например, болт M16, затянутый до 247,5 Нм, создает:

Сила = 5 × 247,5 Нм / 0,016 м = 77 344 Н (77,3 кН)

Чтобы преобразовать ньютоны в килограмм-силу (кгс), разделите на 9,81 (или 10 для быстрой оценки), что даст 7884 кгс нагрузки на болт.

Сухая резьба увеличивает трение, что приводит к снижению усилия.

Болтовые соединения обычно выходят из строя тремя способами: разрушение при сдвиге, разрыв при растяжении или срыв резьбы.

Разрыв при растяжении (обрыв болта) происходит из-за перегрузки соединения или чрезмерной затяжки. Болты часто выходят из строя в месте соединения резьбы со стержнем.

Разрушение при сдвиге происходит, когда боковые силы превышают несущую способность болта, что часто усугубляется чрезмерной затяжкой, не оставляющей запаса прочности для сдвиговых нагрузок. Оба типа отказов обычно происходят в начале или в конце жизненного цикла компонента.

Частым отказом при эксплуатации является отвинчивание гаек с болтов под действием боковых нагрузок, что приводит к каскадным отказам. Конусность резьбы приводит к расширению гайки, уменьшая зацепление резьбы до тех пор, пока металл не деформируется и резьба не сорвется.