Момент затяжки болтов: расчёт через коэффициент закручивания и контроль натяжения

Что на самом деле задаёт момент затяжки

Затянутый болт работает как пружина: он растянут усилием F и сжимает детали пакета. Именно усилие держит соединение от раскрытия и сдвига, поэтому конструктор задаёт усилие, а монтажник получает его через момент на ключе или через угол поворота гайки.

Момент тратится не только на растяжение болта. ГОСТ ISO 16047-2015 раскладывает его на момент в резьбе и момент трения на опорной поверхности гайки или головки (пп. 10.3, 10.4). Трение зависит от покрытия, смазки и состояния поверхностей, поэтому при одном моменте разные партии болтов дают разное усилие.

Сам ГОСТ ISO 898-1-2014 на болты моменты затяжки не устанавливает: соотношение момента и усилия он прямо исключает из своей области и отсылает к методу ISO 16047 (разд. 1).

Формула: T = K · F · d

ГОСТ ISO 16047-2015 вводит коэффициент закручивания K как отношение момента к произведению усилия и номинального диаметра (п. 5.3, формула 1). Перевёрнутая, она даёт момент на ключе.

Делитель 1000 переводит Н·мм в Н·м. В СП 70.13330.2012 та же зависимость записана как M = K · P · d (п. 4.6.9), где P — расчётное усилие натяжения болта, а диаметр подставляют в метрах — получается тот же результат в Н·м.

У коэффициента два ограничения из ГОСТ ISO 16047-2015. Значение K действительно только для одного размера резьбы, одинаковых условий трения и одинаковой геометрии. И определяют его при усилии 75 % пробной нагрузки, 0,75 · Fp (п. 10.1), — при другом уровне затяжки он может отличаться.

Усилие затяжки и класс прочности

Доля пробной нагрузки, до которой затягивают болт, — решение конструктора, а не монтажника. Как ориентир для расчёта ГОСТ ISO 898-1-2014 даёт пробную нагрузку Fp — контрольное усилие, которым болт испытывают на соответствие классу прочности. Это произведение напряжения от пробной нагрузки Sp на номинальную площадь сечения резьбы As.

Номинальные значения — по таблице 3 ГОСТ ISO 898-1-2014. Первое число класса, умноженное на 100, — номинальное временное сопротивление Rm; второе, умноженное на 10, — доля предела текучести от Rm: у 8.8 это 0,8 · 800 = 640 МПа. Что эти характеристики означают и как их получают при испытании, — в статье «Механические свойства металла».

Готовые пробные нагрузки для резьб M3–M39 с крупным шагом — в таблице 5 стандарта и в калькуляторе момента затяжки. Например, у M16 площадь As = 157 мм², у класса 8.8 Fp = 91 000 Н.

Откуда взять коэффициент K

K — свойство партии крепежа в конкретном состоянии: с данным покрытием, смазкой и шайбами. Надёжных источников два.

• Документ о качестве на партию. Для высокопрочных болтокомплектов ГОСТ 32484.1-2013 требует указывать в нём коэффициент закручивания на партию и способ подготовки поверхности перед испытанием — смазку (разд. 8).
• Испытание партии по ГОСТ ISO 16047-2015. В протоколе обязательно указывают покрытие и смазку (п. 11.2) — без них число K ничего не говорит.

ГОСТ 32484.1-2013 делит высокопрочные болтокомплекты по k-классам (п. 4.4.4). У K0 требований к коэффициенту нет. У K1 нормируется диапазон отдельных значений: для системы HV по ГОСТ 32484.4-2013 — от 0,11 до 0,20 при любом покрытии, коэффициент вариации не более 0,10 (п. 7.5.1). У K2 нормируют среднее значение и разброс, такие комплекты поставляют только собранными одним изготовителем в одной таре (п. 4.3).

Для монтажа металлоконструкций СП 70.13330.2012 ставит потолок: средний K не более 0,2, болты с большим K применять нельзя (п. 4.6.6). Там же — подготовка: резьбу и опорные поверхности гаек смазывают минеральным маслом или парафином не позже чем за 8 ч до сборки, смазанные болты и гайки хранят не дольше 10 суток.

Пример расчёта

Машиностроительное соединение. Болт M16 класса 8.8, конструктор задал затяжку до 75 % пробной нагрузки, K = 0,18 по испытаниям партии.

• Усилие: F = 0,75 · 91 000 = 68 250 Н.
• Момент: T = 0,18 · 68 250 · 16 / 1000 = 196,6 Н·м.

Тот же расчёт — в калькуляторе с этими данными.

Высокопрочный болт в металлоконструкции. Болтокомплект HV M20 класса 10.9/10. ГОСТ 32484.4-2013 рассчитывает такие комплекты на натяжение не менее 0,7 · fub · As (разд. 1): 0,7 · 1000 · 245 = 171 500 Н. Пусть в проекте P = 171,5 кН, а K по документу о качестве партии — 0,16.

• Расчётный момент: M = 0,16 · 171 500 · 20 / 1000 = 548,8 Н·м.
• При контроле допустимый момент по п. 4.6.14 СП 70.13330.2012 — от 548,8 до 548,8 · 1,15 = 631,1 Н·м.

Если затянуть этим моментом болты с фактическим K = 0,20, усилие составит 548,8 · 1000 / (0,20 · 20) = 137 200 Н — на 20 % ниже проектного. При K = 0,11 тот же момент перетянет болт: расчётное усилие превысится почти в полтора раза.

Затяжка и контроль высокопрочных болтов по СП 70

Для монтажных соединений с контролируемым натяжением СП 70.13330.2012 задаёт порядок работ в разделе 4.6. Основное для расчёта и контроля:

• Крепёж. Болты без маркировки временного сопротивления, клейма изготовителя и номера плавки не применяют; на каждую партию — сертификат качества (п. 4.6.5).
• Способ натяжения. Моментом закручивания, поворотом гайки на угол или другим способом, гарантирующим нужное усилие. Порядок затяжки — такой, чтобы в пакете не было неплотностей; их проверяют щупом 0,3 мм (п. 4.6.7).
• Ключи. Динамометрические ключи — с паспортом и отметкой о поверке, тарировка не реже раза в смену и после ремонта, запись в журнал (п. 4.6.8).
• По углу поворота для болтов M24 класса 10.9: все болты сначала затягивают до отказа, проверяют пакет щупом, затем поворачивают гайки на 180° ± 30°. Метод применим при пакете до семи деталей толщиной 40–140 мм (п. 4.6.10).
• Шайбы. Под головку и под гайку — по одной высокопрочной шайбе твёрдостью не ниже 35 HRC (п. 4.6.11). Гайки, затянутые до расчётного момента или на угол, дополнительно не стопорят (п. 4.6.12).
• Контроль. В соединении до четырёх болтов проверяют все, больше четырёх — 10 %, но не менее трёх. Фактический момент — не ниже расчётного и не выше его более чем на 15 %, угол — ± 30°. Если хотя бы один болт не прошёл, проверяют удвоенное число болтов (п. 4.6.14).

Как готовят металлоконструкцию к сборке на болтах и что проверяют при контрольной сборке, — в статье «Сборка металлоконструкций».

Типичные ошибки

• Момент из таблицы без K. Любая таблица моментов посчитана при каком-то K. Если в ней не указаны покрытие и смазка, применить её к своему крепежу нельзя.
• Сухой крепёж там, где K определяли со смазкой. Трение растёт, и тот же момент даёт меньшее усилие.
• Один K на все диаметры. По ГОСТ ISO 16047-2015 коэффициент действителен только для одного размера резьбы.
• Непроверенный ключ. Погрешность ключа входит в усилие напрямую; поэтому СП 70 требует тарировку каждую смену.
• Класс прочности перепутан с маркой стали. Класс 8.8 задаёт свойства болта, а не материал — пробную нагрузку берут по классу.

Отверстия под болты и диаметры под нарезание резьбы — в статье «Отверстие под метрическую резьбу»; как обозначить резьбу на чертеже — в статье «Обозначение резьбы на чертеже».