БОЛТОКОМПЛЕКТ – ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

БОЛТОКОМПЛЕКТ – ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Агеев А.С., к.т.н, Раннимов А.Ю. (ООО НПЦ мостов»)

Двенадцать лет назад этот термин, придуманный в ООО «НПЦ мостов» при разработке серии межгосударственных стандартов ГОСТ 32484.1-2013 – ГОСТ 32484.6-2013, вошел в обращение. Он был новый и внешне очевидно обозначал  объединение высокопрочного болта, гайки и шайб к ним в единое целое. Однако по прошествии длительного времени с момента введения в действие вышеуказанных межгосударственных стандартов ЕАЭС, становится всё более очевидно, что многие Потребители и даже Изготовители не в полной мере понимают техническую суть этого понятия. Возможно, по этой причине многие выказывают своё недовольство в адрес стандартов, хотя причина не введения их в Своды правил лежит в области отнюдь не технических интересов отдельных групп специалистов.

Какое же понятие заключено в термине «болтокомплект», если даже переводчики Росстандарта не смогли в словаре языка оригинала зарубежного стандарта, давшего толчок к созданию серии межгосударственных стандартов,  найти подходящий перевод для слов «bolting assemblies», назвав их «болтовые соединения»?

Для понимания технической сути, как самого термина, так и серии стандартов, посвященных ему, следует вдуматься в основной принцип, в цель и в задачи стандартизации – ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ изделий, изготовленных по одному стандарту, независимо от места происхождения изделий и места их применения.

Действительно, болты, гайки и шайбы должны быть «клонами» друг друга, неразличимые по внешнему виду, соответствующие словесному описанию, приведенному в стандарте. Допустимые различия должны быть столь малы, чтобы не выходить за установленные стандартом допускаемые отклонения или диапазоны установленных значений показателей. В этом случае в рамках одного стандарта в соответствии с принципом взаимозаменяемости болты, изготовленные в пункте «А» должны без ограничений свинчиваться с гайками, изготовленными в пунктах «А», «Б», «В» и тд. А происхождение шайб, вообще, не играет роли.

Зачем же тогда вводить понятие «болтокомплект»?

Болты, гайки и шайбы объединяет в «болтокомплект» технологическая характеристика – коэффициент закручивания («k-factor» в международных стандартах), которая характеризует эффективность преобразования усилия от крутящего момента, прикладываемого при затяжке болтокомплекта наружному диаметру резьбы, в усилие осевого растяжения, возникающего в стержне болта – К_з = М_кр/(Р×d_болта). Величину коэффициента закручивания определяет состояние поверхности трущихся деталей болтокомплекта, а именно,  контактных поверхностей в резьбовом соединении «болт-гайка» и между вращающейся гайкой (или головкой болта при затяжке за головку) и шайбой. На обоих участках трущихся поверхностей возникает равное сопротивление вращению в размере по 45 – 48% от всех потерь при приложении крутящего момента. Величина этого сопротивления зависит от шероховатости поверхностей, твердости трущихся поверхностей, а в резьбовом соединении «болт-гайка» и от сочетания отклонения фактических параметров резьбы от номинальных значений в пределах допускаемых отклонений. Именно идентичность (конечно, с незначительными допускаемыми отклонениями) этих характеристик болтов, гаек и шайб и дает основание объединять их в болтокомплект.

Вторым признаком, по которому болты и гайки объединяют в болтокомплект, является соотношение прочностных характеристик болта и гайки, а также твердость шайб. Начиная с ГОСТ Р 52643-2006, и в ГОСТ 32484.1-2013 в нашей стране, в отличие от европейских норм, заложен принцип большей прочности резьбы гайки в сравнении с прочностью резьбы болта. Это позволяет исключить возможность надрыва резьбы гайки в процессе затяжки на монтаже, которое зачастую невозможно заметить при производстве работ и выборочном контроле усилия затяжки. Результатом этого является недотяжка болта и необеспеченность несущей способности болтоконтакта. Разные Изготовители болтов и гаек могут поддерживать различные диапазоны рассеивания индивидуальных значений прочностных характеристик в пределах нормативного диапазона, которые в паре соответствуют поставленной в стандарте цели. Но сочетание болтов и гаек разных Изготовителей может нести в себе риск несоответствия данному принципу. Например, в результате слишком малой разницы между прочностными характеристиками болта и гайки. Немаловажную роль играет и наличие на резьбе частичного обезуглероживания, которое по ГОСТ 32484.1 подлежит контролю на болте и гайке.

Из этого вытекает принципы комплектации болтокомплектов – изготовление резьбового соединения «болт-гайка» одним производителем и стабильность технологического процесса изготовления всех компонентов болтокомплекта, обеспечивающая стабильность прочности и состояния трущихся поверхностей. Только в этом случае будет обеспечена  взаимозаменяемость компонентов «болтокомплекта». Поэтому главной задачей при изготовлении болтов, гаек и шайб, объединяемых в болтокомплект, является обеспечение стабильности технологии изготовления.

Качество продукции при любом производственном процессе подчиняется закону нормального распределения. Поэтому статистические методы контроля качества продукции играют всю большую и большую роль в достижении цели любого предприятия – продвижения собственной продукции на рынке. Следовательно, для компонентов болтокомплектов необходимо осуществлять статистический контроль прочностных и технологических характеристик.

Обеспечение прочности болтокомплекта

Изготовитель может быть недостаточно информирован о величине усилий, на которое производится предварительное натяжение болтокомплекта. В ГОСТ Р 53644 и ГОСТ 32484.1  устанавливают разные значение нижней границы временного сопротивления для болтов. ГОСТ Р 53644, написанный на основании ГОСТ Р 52643, приводит значение 1078 Н/мм², что получено умножением значения прочности из ГОСТ 22353 равного 110 кгс/мм² на 9,8 – переходной коэффициент между единицами «кгс» и «Н».  ГОСТ 32484.1 ссылается на основополагающий стандарт ГОСТ Р ISO 898-1, где минимальное значение прочности принято 1040 Н/мм².  При этом в практике мостостроения (мы говорим об отрасли, в которой мы работаем) для наиболее часто используемых болтов М22 класса прочности 10.9 установлено, что усилие предварительного натяжения равно 220 кН. Поэтому при использовании болтов по ГОСТ Р 53644 проектировщики, не задумываясь, принимают это значение в качестве обязательного. А при использовании болтов по ГОСТ 32484, по не понятной причине, проектировщики рассчитывают усилие натяжения по Европейским нормам проектирование, как 0,7 от величины временного сопротивления. А в Европейских нормах принято рассчитывать от номинального значения для класса прочности 10.9, равного 1000 Н/мм², что дает усилие натяжения 212 кН. Но номинальное значение временного сопротивления это лишь вывеска, определяющая класс прочности. Минимальное же временное сопротивление, ниже которого болты являются не соответствующими стандарту,  для класса прочности 10.9 в ГОСТ Р ISO 898-1 равно 1040  Н/мм². И значение усилия предварительного натяжения, рассчитанное как 0,7 от минимального значения, будет равно 220 кН.

Эта путаница прослеживается и у Изготовителей болтокомплектов, которые стремятся выпускать болты с прочностными характеристиками в диапазоне со средним значением временного сопротивления близком среднему значению диапазона прочности по разным стандартам: 1078 – 1275 Н/мм² или 1040 – 1200 Н/мм². Это вынуждает их менять параметры термической обработки при изготовлении болтов по разным стандартам.

Диапазон рассеивания индивидуальных значений временного сопротивления, который необходимо поддерживать Изготовителю,  связан с диапазоном  рассеивания индивидуальных значений коэффициента закручивания.

Поскольку коэффициент закручивания зависит от многих случайных факторов, то он в соответствии с ГОСТ 27751 и ГОСТ Р 54257 нормируется по среднему значению диапазона с обеспеченностью показателя 0,95, т.е. границы такого диапазон определяются величиной ± два среднеквадратичного отклонения от среднего значения. В международных стандартах АSTM (США), EN (ЕС) и GB (Китай) для высокопрочного крепежа уже много лет нормируется допустимая величина среднеквадратичного отклонения, равная 0,01. Исходя из этого, ширина нормативного диапазона изменения коэффициента закручивания должна быть не более 0,04.

Физический смысл этого диапазона таков. Среднее значение диапазона является расчетным значением для определения величины крутящего момента для затяжки на нормативную величину предварительного натяжения. При этом на нормативное значение будут натянуты лишь те болты, индивидуальное значение коэффициента закручивания которых равно среднему значению диапазона. Болты с индивидуальным значением коэффициента закручивания, равным верхней границе  диапазона, будут не дотянуты до нормативного значения на 11,4%, а болты со значением на нижней границе диапазона будут перетянуты на 11,4%.

Для исключения недотяжки части болтов предусматривают перетяжку всех устанавливаемых болтов на 10%. Это теоретически снижает риск недотяжки отдельных болтов на незначительную величину 1,4%. При этом не учитывают снижение усилия натяжения болтов в первые сутки после затяжки в результате релаксации в них усилий на 2 – 4%. Полагают, что это компенсируется неточностью приложения крутящего момента динамометрическим ключом, и что рабочие всегда стремятся перетянуть болт больше, чем на 10%. Предельная величина допустимой перетяжки 20%. Что же касается болтов с индивидуальным значением коэффициента закручивания на нижней границе диапазона, то они могут быть перетянуты на 21.4 – 31.4%.

Таким образом, в высокопрочных болтах при предварительном натяжении могут возникать рабочие напряжения в диапазоне от 0,7 до 1,0 величины нормативного значения минимального временного сопротивления, предусмотренного стандартом. Следовательно, Изготовитель должен это учитывать и назначать  свой нормативный диапазон значений временного сопротивления болтов и гаек таким образом, чтобы в болтах никогда не были достигнуты напряжения более 0,85 – 0,9 величины предусмотренного стандартом минимального временного сопротивления. При этом верхняя граница диапазона прочностных характеристик ограничена  предельной величиной твердости стержня болтов. Соответственно, и гайки должны быть прочнее болтов. При заводских испытаниях целых болтов на разрыв с применением стандартных гаек разрушение во всех случаях должно происходить по стержню болта, и без среза резьбы болта или гайки.

Столь экстремальные условия работы болтов и гаек показывают ответственность Изготовителя болтокомплекта за соблюдением нормируемого им самим диапазона рассеивания индивидуальных значений временного сопротивления и коэффициента закручивания. Из этого следует сделать важный вывод, что в болтокомплекте резьбовое соединение болта и гайки и их термообработка  должны быть произведены одним Изготовителем.

Нормируемый диапазон коэффициента закручивания

Предельные значения коэффициента закручивания ограничены чисто техническими факторами. Минимально допустимое значение коэффициента закручивания, изначально принятое в 1997 году  равным 0,11, обусловлено тем, что при действии циклических динамических нагрузок на железнодорожных мостах, происходит саморазвинчивание гаек и ослабление натяжение болтов, что приводит к снижению несущей способности болтовых соединений. Максимально допустимое значение коэффициента закручивания 0,20 в отечественной практике определено тем, что при более высоких значениях становится невозможным обеспечить плавное натяжение болта. Высокая сила трения, присущая значениям коэффициента закручивания выше 0,20, создает «закусывание» гайки, которое преодолевается рывками.

 

Указанный диапазон дает широкие возможности для Изготовителя применять смазки и покрытия на болтокомплектах для регулирования и стабилизации коэффициента закручивания. Но независимо от отсутствия или наличия и типа покрытия и смазки ширина нормируемого диапазона для любого выбранного Изготовителем варианта состояния поверхности изделий должна быть ≤ 0,04. И эти нормируемые диапазоны для изделий с разным состоянием поверхности должны быть расположены между предельно допустимыми граничными значениями 0,11 – 0,20. То есть, граничные значения любого множества диапазонов не должны выходит за 0,11 и 0,20.

Границы и среднее значение фактического диапазона рассеивания индивидуальных значений с обеспеченностью 0,95 определяются при статистическом анализе представительного количества результатов заводских приемочных испытаний. В математической статистике оценку доверительного интервала и математического среднего  рекомендуют производить при выборке не менее 100 единиц. Применительно к производству крепежных изделий целесообразно говорить о первичном сборе информации для статистического анализа в течение не менее месяца с последующим ежедекадным – ежемесячным пополнением аналитических данных. По величине среднеквадратичного отклонения и среднего значения, периодически рассчитываемых по мере накопления данных, легко выявить последствия изменения каких-либо параметров технологических операций и принять меры для стабилизации технологического процесса.

Наиболее существенное влияние на рассеивание индивидуальных значений коэффициента закручивания оказывает износ резьбообразующего инструмента для болтов и гаек, что приводит к изменению параметров резьбы, от номинальных значений до предельных максимальных допусков. Это приводит к уплотнению резьбы и повышению коэффициента закручивания. Разное время замены инструмента на многошпиндельных станках и перемешивание изготовленных изделий с разной степенью плотности резьбы приводит к тому, что при приемочных испытаниях на коэффициент закручивания отбирают изделия со случайными параметрами резьбы.

Для малой выборки (5 – 10 болтокомплектов) определяют коэффициент вариации, показывающий, на сколько процентов крайние значения результатов испытаний этой выборки отличаются от среднего арифметического значения. Положительным результатом приемочных испытаний на коэффициент закручивания является то, что все результаты находятся внутри нормируемого диапазона, а коэффициент вариации не превышает 0,1. В отличие от среднеквадратичного отклонения, которое является инструментом внутреннего производственного контроля Изготовителя за стабильностью технологии в течение длительного периода, коэффициент вариации является инструментом внутренней экспресс-оценки однородности каждой принимаемой партии, позволяющей оперативно корректировать технологию изготовления почти в те же сутки.

Напомним, что нормируемый диапазон шириной  0,04 обеспечивает гарантированное соответствие 95% изготовленных изделий. Поэтому 5% изделий  могут иметь значения коэффициента закручивания выше или ниже граничных значений. Это учтено при двухступенчатом приемочном контроле, при котором на первой ступени партию бракуют при двух отрицательных результатах из пяти испытаний, а при повторных испытаниях на второй ступени удвоенного количества партию принимают при одном отрицательном результате и бракую при двух отрицательных результатах.

По малой выборке в силу законов математической статистики нельзя определить среднестатистическое значение для диапазона 0,04. Поэтому практика ряда специалистов и строительных организаций, определяющих расчетное значение коэффициента закручивания для каждой партии по результатам испытаний из документа о качестве или по собственным испытаниям пяти образцов, является порочной, поскольку дает недостоверный результат. Выбранные наугад образцы могут с равной степенью вероятности могут оказаться  по своим индивидуальным значениям коэффициента закручивания вблизи одной или другой границе нормируемого Изготовителем диапазона. Из Рисунка 2 видно, что независимо от диапазона разброса индивидуальных значений пяти болтов (ширина заштрихованных прямоугольников), среднее значение показателя по пяти случайно отобранным образцам не будет соответствовать среднему значению генеральной совокупности, полученному при испытании большого количества образцов в течение длительного времени. Среднее арифметическое значение случайной выборки по пяти образцам может значительно отличаться от среднего значения диапазона, что приведет либо к массовой недотяжке болтов, либо к разрушению части болтов при затяжке.

Поэтому интересен вопрос об однородности каждой партии в части близости к среднему значению коэффициента закручивания, определенному для генеральной совокупности. А это зависит от размера партии. В ГОСТ 32484.1 размер партии болтов и гаек может достигать 35000 штук. Помним, что наиболее существенное влияние на коэффициент закручивания оказывает колебания размеров резьбы из-за износа резьбообразующего инструмента. Поэтому можно уверенно сказать, что в партии, где количество изделий больше или соизмеримо с нормативным количеством цикла замены инструмента, мы увидим весь спектр изменения параметров резьбы, что при испытании на коэффициент закручивания изделий из такой партии болтокомплектов мы с большей точностью получим среднее значение нормируемого диапазона. При малом объеме партии, после замены инструмента в каждой последовательно изготовленной партии мы будем наблюдать постепенное увеличение коэффициента закручивания из-за постепенного увеличения плотности резьбы. Каждая партия будет более однородна, но будет иметь разное среднее значение показателя. И возникает желание по пяти испытанным образцам установить расчетное значение коэффициента закручивания для каждой партии в отдельности. Но недопустимость этого из-за нецелесообразности затягивать на стройплощадке каждую новую партию разным крутящим моментом,  была понятна ещё с 70-х годов, с момента начала применения высокопрочного крепежа. Поэтому в нормативных документах по сборке фрикционных соединений на высокопрочных болтах в мостостроении того времени было указано общее для всех заводов-производителей крепежа  расчетное значение показателя для болтов, гаек и шайб без покрытия, равное 0,175. И это значение было получено при статистической обработке результатов испытаний большого количества образцов в сумме на трех заводах, выпускавших в то время высокопрочный крепеж для мостостроения.

Следует подчеркнуть, что среднее значение диапазона, которое в силу требований ГОСТ 27751 и ГОСТ Р 54257 является расчетным значением коэффициента закручивания для расчета крутящего момента затяжки болтокомплекта, может определить только Изготовитель болтокомплекта на основании большой по размеру генеральной совокупности за длительный период времени, и довести это значение до сведения Потребителя.

Поскольку величина нормируемого диапазона рассеивания и расчетное значение  коэффициента закручивания определяется при использовании аппарата математической статистики, который оперирует с единицами изделий, то и размер партии следует нормировать в «штуках» изделий, а не в тоннах.

Комплектация болтокомплектов

Комплектация партии болтокомплектов производится из партий болтов, гаек и шайб, прошедших полную проверку качества и признанных пригодными как для продажи раздельно, так и в составе болтокомплектов. Поскольку общей для болтокомплекта является только технологическая характеристика – коэффициент закручивания,  то болты, гайки и шайбы являются самостоятельными изделиями, имеющими самостоятельные номера партий, прошедших по отдельности весь комплекс испытаний. Следовательно, на партии болтов, гаек и шайб должны быть оформлены отдельные документы о качестве, ссылки на которые должны быть указаны в документе о качестве партии болтокомплектов.

Болт является основным несущим элементом болтокомплекта. Партия болтокомплекта формируется на основе одной партии болтов.

По поводу формирования болтокомплектов гайками и шайбами имеется несколько точек зрения. Различия имеются в вопросе допустимости кооперации различных Изготовителей при изготовлении гаек. Исходя из того, что резьбовое соединение болтокомплекта и его термообработка должны производиться одним Исполнителем, мы  допускаем  закупку Изготовителем болтокомплекта заготовок гаек до образования резьбы и термообработки у стороннего Изготовителя. Сторонники другой точки зрения настаивают на том, чтобы и заготовка гаек производилась Изготовителем болтокомплекта. Это требование ставит Изготовителей в жесткие условия конкуренции, исключающие взаимопомощь. Более того, это требование легко обойти, закупая заготовку гаек с нанесенной на ней маркировкой своей маркировкой. Существует и встречное возражение о том, что с нужной маркировкой можно закупать и готовую гайку с резьбой. Но такая гайка нарушает принцип «изготовления резьбового соединения  одним Изготовителем» и её уже следует признать готовым изделием заготовка гайки без резьбы это лишь полуфабрикат. Такой спор не имеет разрешения, если Изготовители не будут соблюдать принципы добросовестной конкуренции. Интересно отметить то, что в вопросе допустимости закупок у стороннего Изготовителя шайб с нужной маркировкой для комплектации болтокомплектов ни у кого нет возражений.

Здесь можно лишь обратить внимание на то, что в  промышленном производстве технически сложных и ответственных изделий многие предприятия прибегают к внутригосударственной и даже международной кооперации. И это решается на основе тщательной и всесторонней проверки Поставщика и признания его продукции соответствующей требованиям. При этом предприятие, пользующееся услугами стороннего Изготовителя, осуществляет приемочный контроль, как закупаемой продукции или полуфабрикатов, так и своей продукции, в которой есть вклад стороннего предприятия. Ответственность, возлагаемая на Изготовителя болтокомплекта, вынуждает его проявлять должную осмотрительность.

 Интересный вопрос и о выборе гаек и шайб для комплектации партии болтокомплектов. Как уже было сказано, партии гаек и шайб каждая в отдельности проходят приемочный контроль и, признанные соответствующими стандарту, являются взаимозаменяемыми с любыми партиями такого же типоразмера. По прочностным и технологическим характеристикам они также признаны соответствующим нормируемым диапазонам рассеивания индивидуальных значений. Поэтому в международных нормах  выбор партии гаек и шайб для партии болтов осуществляется «по документам», т.е. выбираются любые партии гаек и шайб со склада.

Этим подтверждается тезис о том, что при стабильной технологии изготовления, контролируемой физическими и статистическими методами, вся продукция одного типоразмера, прошедшая приемочный контроль в установленном порядке, ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМАЯ.

Признание (и подтверждение) этого позволяет Изготовителю исключить операцию упаковки болтов, гаек и шайб в одну тару, что приводит к удорожанию продукции. Достаточно на одной паллете отгрузить тару с комплектующими партиями болтов, гаек и шайб в сопровождении единого документа о качестве на каждую паллету. Выбор способа  отгрузки является решением Изготовителя и Потребителя. И в этом их не следует ограничивать.

Введение понятия «болтокомплект» в практику отечественного строительства во многом меняет  подход к изготовлению и применению высокопрочного крепежа. К сожалению, в Своды правил на проектирование металлических конструкций общестроительного и транспортного назначения до настоящего времени не внесены ссылки на ГОСТ 32484.1-2013 – ГОСТ 32484.6-2013, на единственные отечественные стандарты, определяющие понятие «болтокомплект». Поэтому эти стандарты до настоящего времени не прочитаны и не осмыслены большей частью специалистов отрасли, в своей работе ориентирующихся на устаревшие  нормативные документы.