Тест Юнкера для некоторых видов крепежных изделий таких как шайбы гровер и нордлок.

Всем привет. Данная статья будет посвящена испытаниям крепежных элементов, не требующих дополнительной подготовки поверхности, дополнительных элементов (штифтов, шплинтов, проволоки и т.п.), сохраняющие целостность резьбы и возможность разборки (исключалась сварка, кернение, деформирование и т.п.). Соединения с резьбовым фиксатором типа Loctite 243(262) были исключены по технологическим причинам, в целях недопущения загрязнения испытательной аппаратуры и выхода ее из строя. Испытывались крепежные элементы на тест Юнкера.

Герхард Юнкер в 1969 году провел исследование, и разработал теорию, по которой крепежные элементы самопроизвольно раскручиваются при вибрационной нагрузке. Юнкер показал в своем исследовании, что поперечная динамическая нагрузка влияет на раскручивание гораздо сильнее чем осевая.

Рис. 1 Поперечная нагрузка.

Если рассматривать систему болт гайка то мы имеем силы трения, которые создается затяжкой, но если создать сдвигающее усилие, превышающее силы трения, витки резьбы гайки и болта начинают двигаться относительно друг друга, и если это происходит с повторением-крепеж неминуемо раскрутится.

Юнкер предложил метод оценки раскручивания крепежа, данный метод описан в стандарте DIN 651512002.

Отмечу что существует вибростенд Юнкера, в котором кроме поперечной нагрузки на испытуемые объекты также действует осевая нагрузка, но в данной статье о таком стенде речь не идет.

Схематично установка для испытаний выглядела так:

Рис. 2 Установка для проведения теста Юнкера.

Отмечу что гайки М8 Din 434 каждый раз использовались новые.

Фото реальной установки представлены ниже:

Рис. 3 Установка для проведения теста Юнкера.

Рис. 4 Установка для проведения теста Юнкера.

Рис. 5 Установка для проведения теста Юнкера.

На Рис. 5 можно видеть флажок-индикатор раскручивания красного цвета.

В испытаниях испытывались следующие антивибрационные элементы:

Рис. 6. Объект испытаний 1. Шайба HS8; Schnorr.

Рис. 7. Объект испытаний 2. Шайба VS8-ZC; Schnorr.

Рис. 8 Объект испытаний 3. Шайба S8-ZC; Schnorr.

Рис. 9. Объект испытаний 4. Шайба ripplock №53065STZL8; Bollhoff

Рис. 10. Объект испытаний 5. Гайка ripplock М8 №W193100VZ8; Bollhoff

Рис. 11. Объект испытаний 6. Шайба DIN 6796-8-FSt

Рис. 12. Объект испытаний 7. Шайба DIN 6797-J-8-FSt

Рис. 13. Объект испытаний 8. Nord-Lock steel washers NL8 (стальная шайба М8)

Рис. 14. Объект испытаний 9. Шайба-гровер DIN 127 –B8-FSt-flZn-720h

Первая часть испытаний.

В первой части испытаний каждый испытуемый объект затягивался с осевым усилием 10 кН (таким образом имитировался плохо затянутый крепеж).

В зависимости от наличия объектов испытаний (далее ОИ) для каждого вида испытания проводились 2-4 раза. График состоит из двух частей: в левой части показано изменение осевого усилия затягивания в течение опыта при воздействии актуатора-вызывающего поперечные нагрузки амплитудой 0,5 мм частотой 40 Гц, в правой части изменение осевого усилия при раскручивания ОИ после опыта ключом. По оси абсцисс-время, по оси ординат-усилие в кН.

Рис. 15. ОИ1 Шайбы HS8 Schnor.

Рис. 16. ОИ2. Шайбы VS8-ZC Schnor.

Рис. 17. ОИ3. Шайбы S8-ZC; Schnorr.

Рис. 18. ОИ4. Шайбы ripplock №53065STZL8; Bollhoff.

Рис. 19. ОИ5. Гайки М8 №W193100VZ8 Bollhoff.

Рис. 20. ОИ6. Шайбы DIN 6796-8-FSt.

Рис. 21. ОИ7. Шайбы DIN 6797-J-8-FSt.

Рис. 22. ОИ 8. Шайбы Nord-Lock steel washers NL8 (стальные шайбы М8).

На рис. 22 стоит обратить особое внимание, здесь мы видим яркий эффект клина при откручивании гайки.

Рис. 23. ОИ9. Шайбы-гровер DIN 127 –B8-FSt-flZn-720h.

Графики на Рис. 23 также любопытны-остаточное усилие для шайб DIN 127 составляет где-то 0,3 кН. Ни одно соединение открутить от руки не получилось.

Вторая часть испытаний.

Во второй части испытаний каждый испытуемый объект затягивался с осевым усилием 20 кН (таким образом имитировался плотно затянутый крепеж).

Рис. 24. ОИ1. Шайбы HS8; Schnorr.

Рис. 25. ОИ1 после испытаний.

Рис. 26. ОИ2. Шайбы VS8-ZC; Schnorr.

Рис. 27. ОИ3. Шайбы S8-ZC; Schnorr.

Если проанализировать графики Рис. 27 то можно увидеть что после испытаний для двух образцов остается остаточное усилие, причем для одного образца оно достаточно высокое, но при откручивании эффекта клина нет.

Рис. 28. ОИ4. Шайбы ripplock №53065STZL8; Bollhoff.

Если проанализировать графики Рис. 28 то можно увидеть что для одного из образцов из четырех были получены негативные результаты. Эффект клина при раскручивании очень слабо выражен – повышение усилия по показаниям датчика не более 0,2 кН. При этом для откручивания, субъективно (т.к. момент откручивания не фиксировался), нужно приложить большой момент.

Рис. 29. ОИ5. Гайки ripplock М8 №W193100VZ8; Bollhoff.

Если проанализировать графики Рис. 29 то эффект клина при раскручивании очень слабо выражен – повышение усилия по показаниям датчика не более 0,2 кН. При этом для откручивания, субъективно (т.к. момент откручивания не фиксировался), нужно приложить большой момент.

Рис. 30. ОИ6. Шайбы DIN 6796-8-FSt.

Рис. 31. ОИ7. Шайбы DIN 6797-J-8-FSt.

Если проанализировать графики на Рис. 31 то можно увидеть что для одного из образцов остается после испытания высокое остаточное напряжение. Этот образец был твердой шайбой с цинковым покрытием. Последующие два опыта проводились с шайбами из мягкого материала в цинк-ламельном покрытии и показали низкие результаты.

Рис. 32. ОИ7 после испытаний. Слева шайбы из мягкого материала с цинкламельным покрытием, справа из твердого материала-покрытие гальванический цинк.

Рис. 33. ОИ8. Шайбы Nord-Lock steel washers NL8 (стальная шайба М8).

Для шайб на Рис. 33 Имеется ярко выраженный эффект клина при попытке

открутить гайки (около 2 кН).

Рис. 34. ОИ9. Шайбы-гровер DIN 127 –B8-FSt-flZn-720h.

Несмотря на маленькие остаточные усилия для шайб, представленных на Рис. 34 открутить от руки гайки не представлялось возможным.

Третья часть испытаний.

В третьей части испытаний испытывались только ОИ 5(Гайки М8 №W193100VZ8 Bollhoff) и ОИ8(Шайба NL8 flZn Nord-Lock). В третьей части испытаний была использована закаленная подкладная шайба(См. Рис. 2) с твердостью (39 HRC).

Закаленная подкладная шайба применялась без замены одна на три образца с одним переворотом.

Рис. 35. ОИ5. Гайки ripplock М8 №W193100VZ8; Bollhoff.

Если проанализировать графики на Рис. 35 то начальное осевое усилие в третьем опыте-21,8 кН. Эффект клина на закаленной подкладной шайбы у ОИ5 практически отсутствует (не превышает 0,1 кН).

Рис. 36. ОИ8. Шайбы Nord-Lock steel washers NL8 (стальная шайба М8).

Если проанализировать графики на Рис. 36 то для ОИ8 эффект клина меньше чем в случае когда подкладная шайба незакаленная, но сохраняется ярко выраженное увеличение осевого усилия.

Четвертая часть испытаний.

В четвертой части испытаний испытывались только ОИ 4(Шайба ripplock №53065STZL8; Bollhoff), ОИ 5(Гайки М8 №W193100VZ8 Bollhoff), ОИ8(Шайба NL8 flZn Nord-Lock), ОИ9(Шайбы-гровер DIN 127 –B8-FSt-flZn-720h). Испытания с многократной затяжкой и откручиванием перед испытанием (имитировалась регулировка с многократным затягиванием крепежа).

Рис. 37. ОИ4. Шайбы ripplock №53065STZL8; Bollhoff.

Если проанализировать графики на Рис. 37 то эффект клина сохранился на характерном для ОИ4 маленьком уровне 0,1-0,2 кН.

Рис. 38. ОИ5. Гайки ripplock М8 №W193100VZ8; Bollhoff.

Эффект клина у ОИ5 после многократного закручивания едва заметен(см. Рис. 38).

Рис. 39. ОИ8. Шайбы Nord-Lock steel washers NL8 (стальная шайба М8).

Эффект клина меньше, но ОИ8 сохраняет ярко выраженное увеличение осевого усилия(См. Рис. 39).

Рис. 40. ОИ9. Шайбы-гровер DIN 127 –B8-FSt-flZn-720h.

ОИ9 использовались повторно, т.к. новых образцов не было. Окрутить от руки гайку для ОИ 9 не получилось(См. Рис. 40).

Пятая часть испытаний.

В пятой части испытаний был цикл «затягивание-работа-отручивание-затягивание-работа». Имитирование ремонта в процессе эксплуатации изделия.

В пятой части испытаний испытывались только ОИ 4(Шайба ripplock №53065STZL8; Bollhoff), ОИ 5(Гайки М8 №W193100VZ8 Bollhoff), ОИ8(Шайба NL8 flZn Nord-Lock).

Рис. 41. ОИ4. Шайбы ripplock №53065STZL8; Bollhoff.

Рис. 42. ОИ5. Гайки ripplock М8 №W193100VZ8; Bollhoff.

Если проанализировать графики на Рис. 42 то мы увидим что в одном случае один из объектов ОИ5 раскрутился, а два остальных нет.

Рис. 43 ОИ8. Шайбы Nord-Lock steel washers NL8 (стальная шайба М8).

Испытания проводились в 2015 году, ниже представлены цены на каждый из объектов испытаний:

Рис. 44. Цены.

Выводы и анализ.

В ходе проведения испытаний было обнаружено, что на фиксирующие свойства зачастую могут влиять случайные факторы, такие как затирание шайбы DIN 6796-8-FSt (ОИ6) за резьбовую часть болта. В результате фиксирующие свойства значительно улучшаются. Однако в случае целенаправленной установки шайбы посередине болта, исключающей затирание за резьбовую часть фиксирующие свойства резко ослабевают.

Было установлено, что шайбы в виде тарельчатых пружин имеют крайне низкую антивибрационную устойчивость и в большинстве случаев после затяжки пластически деформируются, практически теряя свои пружинные свойства. Это приводит к отсутствию каких-либо значительных дополнительных усилий в резьбе от этой шайбы и, соответственно, отсутствию сопротивления откручиванию. Поэтому применение таких шайб вряд ли может быть рекомендовано в качестве средства противодействия самопроизвольному откручиванию.

Было установлено, что соединения, собранные с применением шайбы-гровера по DIN 127(ОИ9) даже при условии отсутствия остаточного осевого усилия не позволяют открутить гайку от руки. При закручивании гровера до момента соприкосновения витком плоскости было установлено, что осевое усилие, создаваемое гровером на резьбу М8 за счет пружинных свойств составляет 0,3-0,4 кН. Осевое усилие, которое по цинковому покрытию болта можно создать «от руки» не превышает 0,3 кН. Таким образом, отсутствие возможности открутить соединение с гровером «от руки» после испытаний (зачастую составляло 0,1 кН), с наибольшей вероятностью, вызвано зацеплением острой кромки гровера за опорные поверхности. Это подтверждается наличием характерных следов (царапин, рисок) на этих поверхностях, а также относительно низкими результатами гроверов с притупленными кромками. Следует отметить весьма стабильные качества гровера в процессе испытаний – весьма резкое падение начального усилия и сохранение небольшого осевого усилия до конца испытаний.

Значительно лучше гровера противостоят откручиванию шайбы с острыми кромками по DIN 6797-J(ОИ7). Однако в ходе испытания было установлено, что антивибрационные свойства этих шайб в значительной степени зависят от механических свойств материала. В случае применения твердых материалов зубья шайбы глубоко впиваются в поверхности сопрягаемых материалов и сохраняют высокий осевой натяг. В случае применения мягких материалов, зубья шайбы сминаются и практически не предотвращают откручивание элементов. Поэтому применение таких шайб рекомендуется при условии контроля твердости шайб, с целью предотвращения установки шайб не надлежащего качества и надежного противодействия откручиванию.

Наибольшую антивибрационную стойкость и остаточные осевые усилия показали элементы, принцип действия которых основан на эффекте клина. Эти стопорные элементы при попытке откручивания создают в соединении клин, превышающий угол резьбы, поэтому для откручивания необходимо создать пластическую деформацию в соединении. В нашем тесте это были шайбы и гайки ripplock компании Bollhoff(ОИ5) и шайбы Nord-lock(ОИ8). При этом стоит отметить, что шайбы Nord-lock показали высокую стабильность результатов, в то время как шайбы и гайки Bollhoff во время испытаний периодически имели низкие результаты. Выяснить причину такой нестабильности в рамках исследования не удалось. Однако применение элементов Bollhoff может быть рекомендовано в качестве альтернативы дорогостоящим элементам Nord-lock, особенно в случаях если соединение имеет несколько резьбовых элементов.

Также в ходе исследования было выяснено, что на стойкость к самопроизвольному откручиванию значительно влияет усилие затяжки и твердость контактных поверхностей. Поэтому общей рекомендацией для всех применяемых способов стопорения применение высоких моментов затяжки и создание возможно максимальных осевых усилий. Также по возможности стоит применять более мягкие материалы, что позволяет увеличить эффект противодействия откручиванию. Соединения с твердыми контактными поверхностями будут иметь минимальный эффект, поэтому предотвращение самоотвинчивания на таких поверхностях требует дополнительного внимания. В связи с тем, что результаты, которые можно признать положительными, получены только у элементов, работающих на силе трения и на эффекте клина, то следует исключить использование с этими элементами шайб (DIN 125, ISO 7089, ГОСТ 11371 и аналогов), т.к. их применение устраняет эффект стопорения.

Отмечу также что данные выводы (как и исследование в целом) имеют субъективный характер, и не стоит безоговорочно принимать их как руководство к действию, в каждом конкретном случае необходимо руководствоваться спецификой работы (авиация, ЖД транспорт, производство электрических аппаратов высокой мощности и так далее), необходимо учитывать вибрации, срок службы, условия эксплуатации, сейсмическую активность, агрессивность среды и многое другое. Предлагаю относится к данному исследованию скорее как к поводу для собственных исследований и размышлений.