В чем преимущества? Болтовые соединения широко и успешно применяются в различных сферах деятельности. Это объясняется тем, что они являются разъемными, а работы по сборке-разборке очень просты и проводятся достаточно быстро.
На что обратить внимание? При наличии огромных плюсов такое решение имеет и несколько минусов. Среди них металлоемкость и подверженность разного рода деформациям. Впрочем, данная проблема решается с помощью использования фрикционных соединений и производства высокопрочных болтов.
СОДЕРЖАНИЕ
Общая характеристика болтовых соединений
Для скрепления различных элементов и металлоконструкций применяют болтовое соединение. В совмещенные отверстия двух или более деталей устанавливается болт (металлический стержень), который проводится сквозь все отверстия соединяемых элементов. Конструкция болтового соединения включает в себя: соединяемые детали, гайку, шайбу и болт, который выглядит как цилиндр с резьбой на одном конце и головкой на другом.
Размеры болтового соединения различны и зависят от формы, размеров головки и стержня, а также от шага резьбы. По стандарту, каждому диаметру болта соответствует определенная величина головки и несколько вариантов его длины.
Длиной болта L принято считать величину от резьбового конца стержня до опорной поверхности головки. Длина резьбовой части стержня болта Lo стандартизована и устанавливается в зависимости от его диаметра d и длины L. Размеры болта d и L являются определяющими и входят в его условное обозначение. Стандартные болты имеют метрическую резьбу с крупным или мелким шагом. Следует руководствоваться при подборе комплектующих для выполнения болтовых соединений ГОСТ 1759- 70 «Технические требования на болты, винты, шпильки и гайки».
При отсутствии шайб увеличивается сопротивление закручиванию. Так происходит из-за пластической деформации стали. Поэтому под гайку и головку болта помещают шайбы, чтобы уменьшить трение при закручивании. Для снижения сил трения и большей эффективности обжатия на высокопрочных болтах в соединении устанавливают две шайбы. Одну – под гайку, вторую – под головку болта.
Читайте также: «Длина сварочных проводов: требования, нормы, способы увеличения»
Чтобы исключить раскручивание гаек в болтовых соединениях деталей, устанавливают контргайки или пружинные шайбы. Исключением является соединение при помощи высокопрочных болтов и при креплении второстепенных конструкций.
Классы точности болтов
Принято различать болты повышенной (класс А), нормальной (класс В) и грубой (класс С) точности. Они определены допуском на отклонение диаметра болта от заявленного. Болты повышенной точности, имеющие класс А, ставят в отверстия с величиной проектного диаметра, равной диаметру болта. Допустимое отклонение составляет 0,3 мм в большую сторону.
Эти отверстия просверливают в отдельных деталях на меньший диаметр с последующей поэтапной рассверловкой до проектного диаметра в собранных элементах либо при просверливании используют кондукторы-шаблоны. Болт устанавливают при помощи ударов молотком. Когда происходит прикладывание нагрузки к болтовому соединению, одновременно вступают в работу все болты. Поэтому такое соединение, подобно заклепочному, малодеформативно.
На сегодняшний день эти соединения практически не используются из-за высокой цены на болты и сложности их производства. Им на смену пришли фрикционные соединения, выполняемые болтами высокой прочности.
Читайте также: «Сварочный позиционер»
Для отверстий диаметром, который больше на 1-3 мм диаметра стержня болта, используют болты, имеющие класс B. Раньше болты повышенной точности называли «чистыми», а болты нормальной точности – «черными». При несовпадении стенок отверстий смежных соединяемых элементов достигается легкость установки болтов. При работе на сдвиг такое соединение податливо, при приложении внешнего усилия возникают некоторые перемещения из-за разницы в диаметрах отверстия и болта. При применении фрикционных соединений на высокопрочных болтах сдвиги исключаются.
Болты, имеющие класс С, используют в работе по такому же принципу, как болты класса В, то есть устанавливают в отверстия с большим диаметром. Обычно их применяют в нерасчетных соединениях.
Классы прочности болтов
Механические свойства определяют класс прочности для болтовых соединений. ГОСТ 1759.4-87 содержит в себе информацию о механических параметрах и методах испытаний болтов, винтов и шпилек из углеродистых нелегированных или легированных сталей с метрической резьбой. В нем мы можем увидеть, что все крепежные элементы, кроме гаек, разделены на 11 категорий и маркируются двумя цифрами, разделенными точкой, например 3.5, 4.8, 5.7, 5.9, 6.1, 6.3, 8.7, 9.5.
Чем это значение меньше, тем ниже прочность, и крепежная система не сможет выдержать большие нагрузки. Первая цифра на такой маркировке обозначает предел прочности в Мпа (мегапаскаль), уменьшенный в 100 раз. Вторая цифра обозначает предел текучести, который составляет десятую долю от временного сопротивления. Например, у болта класса 7.9 предел прочности на разрыв составит 700 МПа, а предел текучести — 0,9 х 700 = 630 МПа.
Обратите внимание на маркировку классов прочности:
Давайте разберемся, от чего зависит класс прочности. При производстве болтов используются различные сплавы углеродистых сталей, которые влияют на качество крепежа. Чем меньше углерода в составе, тем металл надежнее и тверже. Также на класс прочности влияет марка стали и методы обработки заготовки. Выпуск болтов происходит в трех вариантах прочности:
- высокой прочности: 40Х, 35Х, 40ХНМА, 20Г2Р, 35ХГСА, 38ХА — в составе низко-, среднеуглеродистая и легированная сталь, включены упрочняющие добавки (маркировка больше 8.8);
- средней — Ст35, из стали, содержащей до 1,4 % углерода (маркировка 6.6-8.8);
- низкой — из Ст10 и 20 (маркировка до 6,6).
Читайте также: «Сварочный стол своими руками»
С помощью класса прочности можно понять характеристики изделия:
- Твердость по Виккерсу – значение, определяющее устойчивость болта к ударам или механическим воздействиям прочего характера со стороны других предметов.
- Временное сопротивление – предельная сила, прикладываемая к изделию для разрушения образца путем изгибания и скручивания, сжатия и растяжения.
- Предел текучести – предельная рабочая нагрузка, после которой болт не сломается, но подвергнется сильной деформации. При выборе изделия надо выбирать болты, превышающие требуемые вам параметры хотя бы вдвое.
Другие важные параметры изделий
Размеры и форма головки
Самой популярной формой головки болта является шестигранник, но исходя из области применения она может быть овальной, квадратной или круглой. Также существуют специальные формы, например рым-болты, имеющие отверстие, в форме вилки, откидные, потайные, полукруг и прочие. Благодаря головкам таких форм легче производить сборку винтового соединения. Также, помимо форм, они могут быть различного размера.
Форма стержня
Стержни болтов также отличаются формой. У них бывает резьбовая нарезка на отдельной части или по всей его длине. Диаметр резьбовой части может быть меньше диаметра гладкой части и т. п. В тяжелонагруженных соединениях используют болты со ступенчатым стержнем. Самыми популярными являются крепежные элементы, имеющие одинаковый размер резьбовой нарезки и остальной части метиза.
Шаг и тип резьбы
Резьба болтового соединения различна. Важными параметрами резьбовой нарезки являются ее размер и профиль. Также она может иметь разный шаг, сторону, существуют и другие разновидности.
Виды болтовых соединений
Болтовые соединения деталей различают по способу передачи усилий. Их принято классифицировать на фрикционные, срезные, а также фрикционно-срезные.
- Фрикционные, или сдвигоустойчивые, соединения представляют собой сдавленные метизами поверхности из однородных, а также разнородных материалов. При контролируемом натяжении они передают внешние сдвигающие усилия за счет сил трения, которые возникают по контактным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Натяжение болта должно быть максимально большим. Оно достигается упрочнением стали, из которой они изготовляются, посредством термической обработки. Усилие натяжения высокопрочного болта контролируют при затяжке болтового соединения с помощью гайки. Для этого используют специальные динамометрические ключи.
- Срезные соединения более деформативны, так как за счет сопротивления болтов срезу и соединяемых элементов смятию передают внешние сдвигающие усилия. Чтобы увеличить силу трения, поверхности фрикционных соединений подвергаются механической, газопламенной или пескоструйной обработке.
- При фланцевых соединениях используются плоские детали (фланцы), имеющие круглую, квадратную или иную форму с отверстиями, предназначенными для болтов или шпилек. Продольная сила в таких соединениях направлена перпендикулярно плоскости соединения.
Конструктивные требования к болтовым соединениям
Прежде чем выполнить болтовое соединение, необходимо ознакомиться с правилами, которые к ним предъявляются. Полный перечень конструктивных требований к болтовым соединениям указан в сводах СП 70.13330.2012 и СП 16.13330.2017.
- Критериями для выбора болтов выступает характер работы, например на растяжение, срез и т. п., а также расчетная температура.
- В стыках и узлах размещение болтов происходит на минимальном расстоянии относительно друг друга. На больших расстояниях применяют конструктивные соединительные болты.
- Использование болтов должно быть строго по классам точности.
- В работе соединения на срез избегают применения болтов, имеющих разный диаметр.
- Должны быть проработаны меры против самоотвинчивания болтов в болтовых соединениях. Чертеж, например, может содержать информацию о допустимом использовании пружинных шайб и вторых гаек.
- Диаметр отверстий для болтов определяется на основании таблиц из свода правил.
- Гайки и болты без маркировки и класса прочности в работе категорически запрещены.
Читайте также: «Сварка арматуры»
Надежное болтовое соединение должно соответствовать всем конструктивным требованиям. Для этого необходимо следовать правилам на этапе проектирования и строительства. От начала производственных работ до технологического осмотра при эксплуатации все операции с использованием болтовых соединений должны быть строго регламентированы.
Плюсы и минусы решения
Болтовые соединения могут служить несколько десятилетий и являются надежным и быстрым способом скрепления сопрягаемых поверхностей. Использование данного вида крепежа позволяет решить практически любую хозяйственную, технологическую, производственную, а также дизайнерскую задачу. В зависимости от специфики эксплуатации болты могут быть общего назначения и специализированными. Тем не менее болтовое соединение деталей имеет ряд преимуществ и недостатков.
Плюсы болтового соединения
Цена. На формирование стоимости влияет большое количество факторов. Несмотря на это такой способ соединения поверхностей является эффективным и недорогим, и использование болтов полностью окупается.
Практичность. В ходе изготовления метизов они приобретают хорошие характеристики прочности. Болтовые соединения вполне способны конкурировать со сваркой в показателях надежности и срока использования.
Разъемность. Если конструкция время от времени разбирается для внедрения новых составных частей или для осмотра, то возможность раскрутить болтовые соединения очень удобна. За счет этого они пользуются большим спросом.
Ассортимент. На сегодняшний день в продаже имеются крепежи различной сложности, которые имеют отличия в качестве сырья, конструкционных особенностях, наличии защитного слоя.
Минусы болтового соединения
К минусам можно отнести необходимость использования нескольких метизов для крепежа одной конструкции, в связи с чем болтовое соединение получается тяжелым. Это, в свою очередь, влияет на массогабаритные особенности конструкции в целом. К минусам также можно отнести корректность подбора метизов для болтового соединения. Шайба, болт и гайка должны хорошо подходить друг к другу, в противном случае это отразится на сроке эксплуатации конструкции.
Сферы использования болтовых соединений
Болтовые соединения используются во многих сферах: на производствах, стройках, в машиностроении, при сборке автомобилей и изготовлении различных приборов. Например, для крепления навесного оборудования на технике сельскохозяйственного назначения.
Использование болтовых соединений не ограничено и встречается практически везде. При строительстве деревянных домов для скрепления балок применяют болты с шестигранной головкой. За счет высокопрочных метизов обеспечивается долгое и надежное соединение.
Метизы с увеличенными головками нередко применяются в строительстве промышленных объектов и жилых зданий. Также встречаются болтовые соединения при сооружении мостов, туннелей или других объектов. Здесь важно учитывать прочность на разрыв и другие характеристики.
Широко применяются метизы в железнодорожной отрасли. В зависимости от специфики задач используют болты с квадратными или полукруглыми головками, имеющие разную степень прочности. Довольно часто применяется болтовое соединение металлоконструкций в составе железнодорожных ограждений. Чтобы защитить метизы от агрессивного воздействия окружающей среды, их покрывают цинковым сплавом.
Читайте также: «Оборудование для сварочных работ»
В заключение следует отметить, что метизы играют важную роль в сборке современных конструкций. Болтовые соединения на сегодняшний день использованы во всех современных механизмах. Например, в смартфоне порядка 90 болтов, в стиральной машине – 130, в автомобиле – 4000! Они обеспечивают надежное соединение, а для сборки конструкций на болтах не требуется много времени.
