Монтажные соединения на высокопрочных болтах с контролируемым напряжением

Болтовые соединения при соответствующей предварительной затяжке болтов способны за счет сил трения, возникающих между плоскостями сдвига, передать определенное усилие, F:

где F — сила трения, кН; f — коэффициент трения; P — усилие затяжки болта, кН; n — число болтов в соединении.
Несущая способность соединения зависит от количества плоскостей сдвига, коэффициента трения, напряжения болтов и их числа. Для того чтобы болты можно было натянуть сильнее, их изготовляют из специальных сталей и подвергают соответствующей термической обработке. Прочность таких болтов при работе на растяжение заметно увеличивается. Эти болты называют высокопрочными.
Марки сталей, идущих на изготовление высокопрочных болтов, гаек к ним и шайб, а также основные характеристик их свойств указаны в табл. 7.6 и 7.7.
Геометрическая форма высокопрочных болтов и гаек соответствует болтам и гайкам нормальной точности с увеличением на одну ступень размера под ключ и высоты гайки и головки болта. Аналогично увеличены размеры шайб.
Для обозначения высокопрочных болтов на их головку наносят выпуклую отличительную маркировку: клеймо предприятия-изготовителя; временное сопротивление болта в МПа, деленное на 10; знак климатического исполнения «ХЛ»; условное обозначение номера плавки.
Существуют два вида соединений на высокопрочных болтах: сдвигоустойчивые и с несущими болтами.
В сдвигоустойчивых соединениях не происходит взаимного смещения соединяемых элементов, сдвигающие усилия воспринимаются только силами трения, а сами сильно натянутые болты непосредственного участия в передаче усилий не принимают. Цилиндрическая поверхность болта даже не касается внутренней поверхности отверстий в элементах узла. В этом главное отличие от соединений с болтами нормальной и повышенной точности.
В соединениях на несущих высокопрочных болтах наряду с силами трения в передаче усилий участвуют и сами болты, которые после некоторой сдвижки элементов узла вступают в работу подобно обычным болтам. Несущая способность в этом случае лимитируется не срезом болта (из-за его высоких механических свойств), а смятием элементов соединения в отверстиях. При большой толщине элементов в пакете несущая способность одного болта в таких соединениях может оказаться в 1,5—2 раза выше по сравнению с болтом сдвигоустойчивого соединения. Расчет таких соединений производится в соответствии со специальной нормативной документацией.

В сдвигоустойчивых соединениях расчетное усилие, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле

где Rbh — расчетное сопротивление, МПа; Abh — площадь сечения болта, мм2; μ — коэффициент трения (табл. 7.8); γh — коэффициент надежности (табл. 7.8); γb — коэффициент условий работы соединения, зависящий от числа болтов, необходимых для восприятия расчетного усилия.

Число n высокопрочных болтов в сдвигоустойчивом соединении, необходимых для восприятия действующего продольного усилия N, определяется по формуле

где γc — коэффициент условий работы при расчете на прочность.
Натяжение высокопрочного болта производится на усилие P:

где Rbun — наименьшее временное сопротивление разрыву (см. табл. 7.6).
Способ обработки поверхностей трения в элементах соединений и разность номинальных диаметров отверстий и болтов указываются в рабочих чертежах (КМ и КМД). В монтажных условиях обычно применяют газопламенную очистку поверхностей, обработку стальными щетками или соединения без специальной обработки. Остальные способы (см. табл. 7.8) применяются в заводских и стационарных условиях — в закрытых помещениях с положительной температурой. Наиболее прогрессивна следующая технология изготовления и монтажа.
В процессе изготовления на заводе после окончания сварочных работ конструкции в специальных камерах полностью подвергаются очистке (дробеструйной, дробеметной или пескоструйной). Места стыков и сопряжений на высокопрочных болтах консервируются путем наклейки специальных защитных пленок на поверхности трения. В специальных камерах конструкции качественно прокрашиваются и после этого отправляются на монтаж.
На монтаже при сборке в проектном положении или при укрупнении снимается защитная пленка и без всякой обработки поверхности производится постановка и натяжение высокопрочных болтов.
Количество болтов при этой технологии минимально, так как коэффициент трения после дробеструйной обработки почти в 1,5 раза выше, чем при газопламенной. За рубежом подобная технология хорошо освоена и дает положительные результаты.
Для пескоструйной очистки используют установку, в которой сжатый воздух от компрессора поступает через масловодяной фильтр в эжектор, установленный в нижнем конусе бака с сухим песком определенной фракции. Воздух с частицами песка проходит по рукавам и, вырываясь из керамического наконечника, с большой силой ударяет по обрабатываемой (очищаемой) поверхности, удаляя ржавчину, окалину и грязь. Этот способ используется редко из-за большой запыленности воздуха на месте производства работ, что требует применения специальных защитных средств, включая респираторы.
Огневую очистку производят специальными многопламенными ацетиленовыми горелками. Ацетилен, сгорая в кислородной среде, образует пламя с температурой 1600—1800°С, которое производит быстрый поверхностный нагрев деталей, вызывающий отслоение окалины и ржавчины. Грязь и жирные пятна выжигаются пламенем, что увеличивает коэффициент трения поверхностей. Обычно используют горелки ГАО-60 или ГАО-1-55 с шириной пламени 100—150 мм (рис. 7.5). Обработанные огневым способом поверхности подвергают очистке стальными ручными щетками и чистой ветошью. После этого приступают к сборке соединения.

До сборки обработанные поверхности надо предохранять от попадания грязи, масла, краски и образования льда. Запрещается применять обработанные детали, пролежавшие более 3 сут, без повторной обработки.
Объем необходимого кислорода и ацетилена, поставляемых в стальных баллонах, можно определять из расчета 1 м3 кислорода и 0,6 м3 ацетилена на 1 м2 обрабатываемой поверхности.
Огневой способ довольно широкое применяется на монтаже.
Очистка поверхностей стальными щетками (вручную, а в некоторых случаях с помощью ручных электрических или пневматических машин, но без полировки поверхности) также достаточно распространена. Коэффициент трения при этом достигает лишь 0,35, поэтому число болтов в таких соединениях соответственно возрастает.
В слабонагруженных соединениях, где число болтов принято конструктивно, и в узлах, где запроектировано незначительное число болтов, предусматривают соединения без специальной обработки, но с обязательной очисткой поверхностей от грязи, влаги, жировых и масляных пятен.
Качество обработки контролируют независимо от назначенного способа очистки, а результаты заносят в журнал работ по постановке высокопрочных болтов.
К выполнению соединений с контролируемым натяжением допускаются рабочие, прошедшие специальное обучение, подтвержденное соответствующим удостоверением.
Сборка производится аналогично сборке соединений на болтах без контролируемого натяжения.
Отверстия в сдвигоустойчивых соединениях не требуют рассверливания или прочистки, так как разность диаметров отверстий и болтов обычно 3—6 мм.
В соединениях с несущими высокопрочными болтами при разности диаметров 1—3 мм требуется прочистка отверстий.
Перепад поверхностей (депланация) стыкуемых деталей от 0,5 до 3 мм должен быть ликвидирован механической обработкой путем образования плавного скоса с уклоном не круче 1:10. При перепаде свыше 3 мм необходимо устанавливать (по согласованию с проектной организацией) прокладки нужной толщины, обработанные тем же способом, что и детали соединения.
В собранном пакете, зафиксированном пробками, допускается чернота, не препятствующая свободной постановке болтов без перекосов, Калибр диаметром на 0,5 мм больше номинального диаметра болта должен пройти во все отверстия каждого соединения.
Применение воды, эмульсий и масла при прочистке отверстий запрещается.
Заданное проектом натяжение болта обеспечивается затяжкой гайки или вращением головки болта до расчетного момента закручивания, или поворотом гайки на определенный угол, или другим способом, гарантирующим получение заданного усилия натяжения.
Под головку высокопрочного болта и высокопрочную гайку следует устанавливать по одной шайбе (по ГОСТ 22355—77). При разнице диаметров не более 4 мм допускается установка одной шайбы только под гайку или головку болта (со стороны того элемента, вращением которого обеспечивается натяжение болта).
Большее количество шайб недопустимо во избежание недостаточного обжатия элементов стыка из-за упругого обжатия пакета шайб.
Непосредственно перед использованием производится расконсервация болтов и гаек, Болты и гайки помещают в решетчатую тару и опускают в кипящую воду, а затем в ванну со смесью 15% минерального масла и 85% неэтилированного бензина. При широком освоении выпуска парафинированных гаек процесс расконсервации значительно упрощается.
Надежная работа соединений на высокопрочных болтах обеспечивается только при условии равномерного и стабильного натяжения всех болтов. Непосредственное определение усилия натяжения болта в условиях монтажной площадки невозможно, поэтому принята методика косвенной оценки этого усилия путем гарантированного обеспечения заданной величины крутящего момента Мкр, который прикладывается при затяжке гайки.
Зависимость между крутящим моментом Мкр, Нм, и натяжением болта P определяется эмпирической формулой

где k — коэффициент закручивания болта; d — номинальный диаметр болта, м; P — усилие натяжения болта, Н.
Коэффициент закручивания зависит от качества болтов, гаек и шайб и учитывает часть крутящего момента, которая затрачивается на преодоление силы трения между гайкой и болтом (в резьбе), шайбой и гайкой и на упругое закручивание стержня болта.
Значение коэффициента закручивания устанавливается экспериментально как средняя величина, полученная по результатам испытания не менее 5 болтов, взятых от каждой партии. Значение коэффициента закручивания обычно колеблется в пределах от 0,12 до 0,18. Его величина и стабильность являются косвенным показателем уровня развития машиностроительной техники в стране.
Усилие натяжения болтов в зависимости от уровня прочности болтов дано в табл. 7.9.

Применяются два способа натяжения болтов: по крутящему моменту и по углу поворота гайки.
При натяжении болтов, по крутящему моменту после предварительного натяжения гайковертами болтов на меньшее усилие их дотягивают динамометрическими ключами или ключами предельного момента на заданное усилие. Считается, что это усилие в болте достигнуто, когда стрелка индикатора дает показание нужного крутящего момента или когда происходит щелчок в ключе предельного момента (настроенного на заданный крутящий момент).
Натяжение болтов по углу поворота гайки выполняют в два этапа.
Сначала гайки всех болтов заворачивают гайковертом с крутящим моментом 800 Н м. При этом происходит ликвидация неплотностей между элементами соединения и все болты получают единое первоначальное натяжение. Очередность закручивания болтов на этом этапе должна быть такой же, как и при установке всех болтов, т.е. обеспечивать последовательную ликвидацию неплотностей в собираемом стыке или узле. Затем краской или специальным совмещенным кернером на гайки и выступающие концы болтов наносят метки, фиксирующие исходное положение гайки перед вторым этапом. Окончательное проектное натяжение болта осуществляют поворотом гайки на заранее заданный угол, зависящий от толщины и количества деталей в пакете, применяя для этого гайковерт, отрегулированный для болтов М24 на крутящий момент 1600 Нм. Поворот гайки на постоянный для всех болтов соединения угол гарантирует стабильное их натяжение только при условии, если и на первом этапе будет обеспечена единая величина начального натяжения (стяжка пакета),
Оба способа натяжения болтов применяются в практике производства монтажных работ. При наличии хорошего гайковерта с устойчивой тарировкой и постоянного давления сжатого воздуха в сети, обеспечивающих стабильную величину крутящего момента, предпочтение следует отдать способу натяжения по углу поворота гайки, как менее трудоемкому и обеспечивающему большую несущую способность болта.
При монтаже конструкций при меняют динамометрические ключи двух видов: индикаторные и предельного момента. Индикаторные ключи дают возможность определять с помощью индикатора величину прикладываемого крутящего момента. Ключи предельного момента срабатывают (раздается щелчок) при достижении момента заданной величины.

Примером ключа первого типа является ключ КТР-3 (рис. 7.6). На конце рукоятки ключа имеется головка с закрытым зевом. К головке приварена планка с консольным элементом («язык нулевого монтажа»), проходящим вдоль рукоятки ключа с зазором 2—3 мм. При закручивании происходит изгиб ключа, а язык остается неподвижным. На рукоятке ключа на кронштейне жестко установлен индикатор часового типа, защищенный кожухом, измерительный стержень индикатора упирается в неподвижный «язык». Зависимость между крутящим моментом и показаниями индикатора определяется по тарировочному устройству или тарировочному графику.
Для построения такого графика достаточно одеть горизонтально расположенный ключ на шестигранник, имеющий размер гайки, и последовательно навесить к концу рукоятки определенные грузы. Обычно для этого приваривают укороченный болт к одной из смонтированных стоек здания (рис. 7.7,а).

Для большей точности необходимо сделать поправку на момент от собственной массы ключа. Зная плечо а и имея грузы P, записывают показания индикатора, соответствующие замеренным значениям Pa = Мкр, и строят график (рис. 7.7,б).
Удобно иметь ключ (плечо) длиной 1660 мм, а грузы массой 6 кг каждый (первый груз несколько меньше — поправка на момент от собственной массы ключа). Тогда интервал тарирования составит 100 Нм.
Ключ марки KTP-3 массой 12 кг обеспечивает контроль натяжения болтов с крутящим моментом до 950 Нм.
Ключи предельного момента в работе более удобны, так как не требуют постоянного наблюдения за показаниями индикатора.
В комплект ключей входят короткие и удлиненные торцевые головки на разные диаметры гаек, применение которых облегчает работу в труднодоступных местах.
Длинные рукоятки ключей, необходимые для достижения больших крутящих моментов, утяжеляют ключи и создают определенные неудобства при работе. Для устранения этих неудобств при закручивании гаек высокопрочных болтов иногда пользуются ключами-мультипликаторами (рис. 7.8), имеющими механизм редуцирования крутящего момента. В ключах-мультипликаторах длина рукоятки составляет всего 400—500 мм, так как механизм редуцирования уменьшает крутящий момент в 10—20 раз на выходном валу, что позволяет производить его вращение приложением небольшого усилия к рукоятке. При этом, естественно, происходит проигрыш в расстояниях, т.е. рукоятку с трещеточным приспособлением приходится перемещать возвратно-поступательным движением значительно чаще.

Для восприятия реактивного момента ключ-мультипликатор упирается имеющимся в нем упором в элементы соединения или в соседние гайки узла. Технические характеристики ключей-мультипликаторов повышенной точности с регулируемым моментом закручивания приведены в табл. 7.5.
Значения коэффициента закручивания колеблются в довольно широких пределах (k = 0,1,..0,2) и зависят от точности изготовления болтов, гаек, шайб и состояния их поверхности. Значение коэффициента закручивания указывается в сертификате каждой партии болтов.
Масса одной партии болтов (изготовленных из стали одной плавки и термически обработанных по одному режиму) не должна превышать 1000 кг, а гаек и шайб — 500 кг.
Коэффициент закручивания можно определить или проверить в условиях монтажной площадки с помощью специального устройства для тарировки болтов — УТБ-40 (рис. 7.9). УТБ-40 показывает на своем индикаторе усилие растяжения в испытуемом болте (до 40 т). Гайки при этом затягивают оттарированным динамометрическим ключем.

Определив, какой крутящий момент (показания индикатора на ключе) необходим для натяжения болта на заданное усилие (показание индикатора УТБ-40), легко можно вычислить коэффициент закручивания испытуемого болта по формуле: k = Mrh/Pd, где d — номинальный диаметр болта в соответствующих единицах.
Среднее (по результатам испытания не менее 5 болтов из партии) значение вычисленного таким образом коэффициента закручивания к принимается для болтов всей партии.
Если площадка оборудована УТБ-40, можно для каждой партии болтов непосредственно определять необходимый крутящий момент путем фиксации на динамометрическом ключе показания индикатора при достижении в испытуемом болте заданного усилия, величина которого показывается на шкале устройства тарировки болтов (УТБ-40).
Ключи предельного момента настраиваются по УТБ-40 на срабатывание (щелчок) при достижении в болте заданного усилия.
Для ускорения установки и затяжки высокопрочных болтов применяют пневматические или электрические гайковерты (табл. 7. 10 и 7.4).

С массовым выпуском электрических гайковертов со счетчиками ударов или с регулируемым и фиксируемым предельным моментом процесс натяжения болтов значительно упростится. Если эти гайковерты будут работать с гарантированной точностью и пройдут аттестацию и регистрацию, как средства измерения, отпадет необходимость последующего контроля крутящего момента. Надо будет следить только за правильной установкой предельного момента и за соответствием его моменту закручивания болтов данной партии болтов.
Работа соединений на высокопрочных болтах требует гарантированного усилия натяжения болтов, поэтому необходим тщательный контроль, который осуществляют тарированным динамометрическим ключем с фиксацией показания индикатора ключа в момент начала поворота гайки.
Выборочной проверке подлежат 25% болтов в соединении. Если болтов в соединении не более 5 — контролируются все болты. Отклонения фактического крутящего момента от расчетного не должны превышать 20%.
При использовании высокопрочных болтов во фланцевых соединениях точность их натяжения должна быть в пределах +10%, поэтому такие болты преднапрягают только способом по крутящему моменту. Отклонение фактического крутящего момента в таких болтах не должно превышать -20; +20%.
При обнаружении во время контроля хотя бы одного болта, натяжение которого не отвечает указанным требованиям, контролю подвергаются все 100% болтов в данном соединении. Натяжение каждого недотянутого или перетянутого болта доводится до требуемой величины. Результаты проверки регистрируют в журнале по постановке высокопрочных болтов.
Гайки затянутых высокопрочных болтов сами не раскручиваются, поэтому никак не предохраняются от самоотвинчивания.
После проведения контроля производится шпаклевка по контуру всех соединений и покраска головок болтов, а при необходимости прокрашиваются и другие элементы соединения.
При работе с динамометрическими ключами установку болтов обычно производит звено из 3 человек — двое закручивают гайки и работают ключем, третий вставляет болты в отверстия и удерживает обычным ключем (нужного размера) головку болта от его проворачивания в первоначальный момент.
При производстве работ по установке и натяжению высокопрочных болтов на земле сменная выработка на 1 монтажника доходит до 100 болтов, при установке и натяжении болтов в проектном положении с подмостей — до 50 болтов.