Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Болтовое соединение опорно-поворотного устройства (ОПУ, slewing bearing) — один из наиболее ответственных узлов в составе кранов, экскаваторов, лесозаготовительной техники, ветроэнергетических установок, тоннельных проходческих машин и тяжёлой металлургической оснастки. Болты крепления передают между поворотной платформой и неподвижным основанием все радиальные, осевые и моментные нагрузки, действующие на ОПУ, а ослабление или поломка хотя бы одного из них в работе ведёт к локальной разгрузке остального крепежа, лавинообразному перераспределению нагрузки, перекосу обоймы подшипника и катастрофическому отказу узла.
Минимальный класс прочности крепежа ОПУ, рекомендованный ведущими производителями (Rothe Erde / thyssenkrupp, Liebherr-Components, IMO, Kaydon, Schaeffler, отечественные предприятия), — 10.9 по ISO 898-1 / ГОСТ ISO 898-1-2014. Класс 12.9 применяется в усиленных исполнениях, при повышенных нагрузках и при ограниченном диаметре резьбы. Класс 8.8 в подавляющем большинстве промышленных применений ОПУ как основной крепёж не используется, поскольку не обеспечивает требуемого запаса по предварительному натяжению и сопротивлению циклической нагрузке. В статье разобраны механические свойства классов прочности по ISO 898-1, критерии выбора между 10.9 и 12.9, последствия неверного выбора (люфт, перекос обоймы, фреттинг), требования к моменту затяжки и сопутствующим элементам крепежа.
Болтовое соединение ОПУ работает в условиях одновременного действия нескольких типов нагрузок:
Передача всех этих нагрузок обеспечивается одновременным действием десятков или сотен болтов, расположенных по окружности фланцев. Корректная работа узла гарантируется только при стабильном предварительном натяжении в каждом болте, поддерживаемом на уровне 70–75 % от предела текучести материала в течение всего срока эксплуатации.
Классы прочности болтов нормированы международным стандартом ISO 898-1:2013 и его российской версией ГОСТ ISO 898-1-2014, действующей с 1 января 2017 года в качестве национального стандарта РФ. Обозначение класса прочности — два числа, разделённые точкой: число слева от точки соответствует 1/100 номинального предела прочности при растяжении Rm в МПа; число справа от точки умноженное на левое и умноженное на 10 даёт номинальный предел текучести Rp0,2 в МПа.
В химическом составе стали для класса 8.8 минимальное содержание марганца — 0,6 %; для класса 10.9 — 0,7 %. Для классов 10.9 и 12.9 обязательно наличие легирующих элементов в минимальных количествах: хром не менее 0,30 %, никель не менее 0,30 %, молибден не менее 0,20 %, ванадий не менее 0,10 % (хотя бы одного из перечисленных по ГОСТ ISO 898-1-2014). Минимальное содержание мартенсита в структуре сердцевины — около 90 % в закалённом состоянии перед отпуском.
Пример расчёта предельной нагрузки болта M30.
По таблицам ISO 898-1, расчётная площадь сечения резьбы M30 (крупный шаг): As = 561 мм².
Для класса 10.9 максимально допустимое усилие натяжения при 70 % от предела текучести:
FM = 0,7 × 940 × 561 / 1000 = 369 кН
Для класса 12.9:
FM = 0,7 × 1100 × 561 / 1000 = 432 кН
Переход с класса 10.9 на класс 12.9 даёт прирост допустимой силы натяжения примерно на 17 %, что позволяет либо повысить запас по нагрузке при тех же диаметрах, либо использовать болты меньшего диаметра при сохранении передаваемого усилия.
Использование класса 10.9 как минимального для крепления ОПУ — устоявшаяся практика основных производителей подшипников. В руководстве Liebherr-Components Biberach GmbH «Slewing bearing — Installation, Lubrication, Maintenance» прямо указано: «Unless otherwise agreed, screws with a strength rating of 10.9 are used» — если иное не согласовано, применяются винты класса прочности 10.9. Аналогичная позиция в каталоге thyssenkrupp Rothe Erde Slewing Bearings и каталогах китайских производителей (Shanghai Chenghui и т. п.), которые рекомендуют «Grade 10.9 high-strength bolts as per GB/T 3098.1 (национальный аналог ISO 898-1), and Grade-8.8 and 12.9 bolts for special cases».
Технические причины выбора 10.9 как базового класса:
Конкретный расчётный момент затяжки для класса 10.9 при коэффициенте трения μ ≈ 0,14 (стандартное значение для слегка смазанных резьб с фосфатно-масляным покрытием по ISO 898-1) лежит в диапазоне (для M20 и выше) от сотен до тысяч ньютон-метров.
Переход на класс 12.9 как штатный крепёж ОПУ обоснован в ограниченных случаях:
Класс 12.9 имеет несколько технологических ограничений, которые нужно учитывать при проектировании:
Класс 8.8 имеет предел текучести Rp0,2 = 640–660 Н/мм² — это на 30 % ниже класса 10.9. При попытке создать в болте 8.8 такое же абсолютное предварительное натяжение, как в болте 10.9 такого же диаметра, болт 8.8 будет работать в области, близкой к пределу текучести, без необходимого запаса. На практике это означает:
В каталогах ведущих производителей (thyssenkrupp Rothe Erde, Liebherr) класс 8.8 в типовых рекомендациях для основного крепления ОПУ не приводится. В технической документации Rothe Erde и Chenghui класс 8.8 упомянут в общих таблицах «допустимых классов прочности», но с оговоркой «for special cases» — для специальных случаев, обычно подразумевающих лёгкие применения с пониженными нагрузками или вспомогательные функции (например, крепление защитных кожухов, ограждений, элементов вторичного оборудования).
Использование болтов класса 8.8 как основного крепежа ОПУ в нормально нагруженном кране, экскаваторе, манипуляторе или ветроэнергетической установке приводит к:
Момент затяжки MA, обеспечивающий заданное предварительное натяжение болта FM, вычисляется по формуле, приведённой в технической документации Rothe Erde, Schaeffler, Liebherr и большинства учебников по машиностроению:
MA = FM × (0,16 × P + 0,58 × d2 × μG + 0,5 × DK × μK)
где:
В технической документации Liebherr и Rothe Erde принимается μG = μK = 0,14 как базовое значение для расчёта. При фактически различающемся коэффициенте трения (сухая резьба, обильно смазанная, оцинкованная и т. п.) реальные значения момента могут отклоняться от табличных на 20–30 %.
В каталогах производителей даются справочные таблицы зависимости момента затяжки от типоразмера резьбы и класса прочности при коэффициенте трения μ ≈ 0,14. Ниже приведены ориентировочные значения для типовых диаметров (по таблицам Rothe Erde и Schaeffler, для крупного шага по ISO 261).
Болт ОПУ работает в комплекте с гайкой и шайбой; класс прочности гайки и характеристики шайбы должны соответствовать болту. По ГОСТ ISO 898-2-2013 (Гайки. Часть 2. Гайки с установленными классами прочности с крупным и мелким шагом резьбы) гайки имеют собственное обозначение класса (одно число): 8, 9, 10, 12.
Принципиальное правило: гайка должна быть не ниже класса прочности болта по числовой части обозначения. Класс 12 у гайки соответствует классу 12.9 у болта; класс 10 — классу 10.9; класс 8 — классу 8.8. Использование гайки более низкого класса приведёт к её разрушению или к срыву резьбы раньше, чем разорвётся болт, что снимает гарантированное усилие натяжения с соединения.
Шайба под высокопрочный болт обязательна — это плоская закалённая шайба HV300 (для 10.9) или HV400 (для 12.9) с твёрдостью, соответствующей прочности болта. Использование стандартной мягкой шайбы (HV200 или ниже) приводит к её пластическому смятию при затяжке, потере высоты пакета шайб и существенному снижению предварительного натяжения после нескольких циклов нагрузки.
При монтаже ОПУ применяется ступенчатая затяжка с контролем момента или непосредственным контролем удлинения болтов.
Стандартная последовательность:
Для болтов крупных размеров (M30 и выше) применяется метод прямого гидравлического натяжения с использованием болтовых гидравлических натяжителей. Цилиндр натяжителя надевается на выступающую из гайки часть болта, шток зацепляется за резьбу, в цилиндре создаётся гидравлическое давление, растягивающее болт. После достижения расчётного натяжения гайка свободно (без момента) подкручивается до контакта с шайбой, давление сбрасывается. Этот метод не зависит от коэффициента трения резьбы и обеспечивает существенно более точное и повторяемое натяжение, чем механическая затяжка.
В высокоответственных применениях (ветроэнергетика, тяжёлые портальные краны, шахтные подъёмные машины) контроль предварительного натяжения выполняется по непосредственному измерению удлинения болта с помощью ультразвукового болтомера. Расчётное удлинение определяется по упругой характеристике болта:
L = FM × δ
где L — упругое удлинение болта, мм; FM — предварительное натяжение, Н; δ — упругая податливость болта (коэффициент), мм/Н, зависящий от длины и материала.
Для типового болта M30 длиной 200 мм из класса 10.9 расчётное удлинение при натяжении 70 % Rp0,2 составляет порядка 0,5 мм.
Для повышения надёжности соединения и предотвращения самоотвинчивания при работе под вибрационной нагрузкой применяются дополнительные меры фиксации.
thyssenkrupp Rothe Erde в технической документации «Slewing Bearings — Bearing installation» прямо рекомендует применение фрикционного композита Loctite-586 для улучшения фрикционного контакта между фланцем ОПУ и сопрягаемой конструкцией. Состав наносится на посадочную поверхность фланца перед сборкой; после полимеризации он образует тонкий полимерный слой, повышающий коэффициент трения между поверхностями и компенсирующий микрошероховатости. Это улучшает фрикционный контакт без увеличения предварительного натяжения болтов.
Альтернативные методы стопорения болтов:
Применение крепежа недостаточного класса прочности (например, 8.8 вместо 10.9 в основном креплении ОПУ) запускает каскад отказов, описанный ниже.
Выбор класса прочности крепежа — лишь один из аспектов корректной установки ОПУ. Полный цикл подбора и монтажа включает корректное определение типа подшипника, расчёт нагрузок, контроль момента затяжки и долгосрочное обслуживание.
В подавляющем большинстве промышленных применений — нет. Основной крепёж ОПУ работает в условиях циклических нагрузок и должен поддерживать высокое предварительное натяжение, что для болтов класса 8.8 потребует увеличения их диаметра или количества, ведущего к утяжелению конструкции. Ведущие производители ОПУ (Rothe Erde, Liebherr) в своих руководствах прямо рекомендуют минимум класс 10.9 для штатного крепежа. Класс 8.8 может применяться только для вспомогательных элементов — крепления защитных кожухов, ограждений, нерасчётных элементов, не воспринимающих основные нагрузки. Если в паспорте конкретного ОПУ или в проектной документации производитель прямо разрешает 8.8 для конкретной модели — следовать этому указанию; в типовых случаях для штатного крепления выбирать 10.9 или 12.9.
Момент затяжки пропорционален предварительному натяжению болта, которое для болта класса 12.9 примерно на 17 % выше, чем для класса 10.9 при том же диаметре (соотношение пределов текучести 1100/940 ≈ 1,17). Соответственно, и момент затяжки для 12.9 примерно на 17 % выше. Например, для резьбы M24 типовой момент затяжки при μ = 0,14 составляет около 1000 Н·м для класса 10.9 и около 1170 Н·м для класса 12.9. Конкретные значения должны быть взяты из паспорта изделия или каталога производителя ОПУ для каждого типоразмера и условий монтажа.
Если момент затяжки оставить от класса 10.9, а болты заменить на 12.9 — соединение будет недонатянуто. Болт класса 12.9 при моменте, рассчитанном для 10.9, получит натяжение примерно 60 % от своего предела текучести (вместо целевых 70 %), что снижает фрикционный прижим фланцев. Под действием рабочих нагрузок возможно микросмещение. Правильный путь при замене класса — пересчитать момент затяжки с учётом нового Rp0,2. С другой стороны, использовать класс 12.9 вместо 10.9 с правильно пересчитанным моментом — не запрещено, и даже улучшает запас по нагрузке, но требует более жёсткого контроля при монтаже (см. ограничения класса 12.9 в разделе 4).
Болты класса 12.9 имеют ряд особенностей, ограничивающих их универсальное применение. Во-первых, более низкая пластичность (относительное удлинение при разрыве A ≥ 8 % против ≥ 9 % у класса 10.9 и ≥ 12 % у класса 8.8) делает их более «хрупкими» при перегрузке. Во-вторых, класс 12.9 значительно более чувствителен к водородному охрупчиванию при гальванических покрытиях, что требует обязательного дегидрирования и ограничивает выбор технологии нанесения защитных покрытий. В-третьих, более жёсткие требования к качеству резьбы — даже небольшие микроповреждения могут стать концентраторами усталостного разрушения. В-четвёртых, на типовых нагрузках ОПУ класс 10.9 уже обеспечивает достаточный запас, и применение 12.9 — лишний инженерный риск. Поэтому 12.9 применяется только когда есть конкретное обоснование: повышенные нагрузки, ограниченный диаметр, особые условия работы.
Да, обязательно. Под болт класса 10.9 применяется закалённая плоская шайба HV300 (твёрдость по Виккерсу 300), под класс 12.9 — HV400. Эти шайбы стандартизованы DIN 6916 и EN 14399-6 (для соединений металлоконструкций). Стандартная мягкая шайба с твёрдостью HV200 или ниже под высокопрочным болтом смятся при затяжке штатным моментом, что приведёт к потере высоты пакета шайб (за вычетом смятия) и существенному снижению предварительного натяжения уже в процессе монтажа. После нескольких циклов нагрузки натяжение упадёт до уровня, при котором фрикционный контакт фланцев не обеспечивается, и узел начнёт «гулять». Применение упругих (пружинных гровер-шайб ГОСТ 6402) под высокопрочным крепёж тяжёлых ОПУ также неприемлемо — пружинная шайба не способна поддерживать требуемое натяжение и быстро теряет свою упругую характеристику.
Несколько прямых и косвенных признаков. Прямые: видимый зазор между шайбой и фланцем под одной или несколькими гайками; возможность подкрутить гайку рукой без ключа; появление щели в стыке фланцев в одной из зон по окружности. Косвенные: появление аномальных шумов при вращении (стук, скрип, постукивание), не связанных с подшипником качения; локальный нагрев фланца ОПУ в одной из зон; повышение момента трения при ручном повороте платформы; вибрация при работе под нагрузкой, отсутствовавшая при первичном пуске; следы фреттинг-изнашивания (тонкая красно-коричневая пыль оксида железа) в районе стыка фланцев; видимые трещины в самих болтах. При обнаружении любого из признаков — немедленная остановка узла, контроль момента затяжки всех болтов, при подтверждении ослабления — анализ причин и при необходимости замена крепежа.
Категорически нет. Смешение классов прочности приводит к различному предварительному натяжению в соседних болтах при одинаковом моменте затяжки, что вызывает неравномерное распределение нагрузки по окружности фланца, локальное «коробление» обоймы ОПУ и ускоренный износ. Все болты крепления одного фланца должны быть одного класса прочности, одного размера, одного производителя, желательно — из одной партии. При плановой замене крепежа всех болтов меняют комплектом, а не выборочно. Аналогичное правило для гаек и шайб — должны быть из одного комплекта.
Это рискованная ситуация. Производители ОПУ обычно дают конкретные значения момента затяжки для каждого типоразмера и класса прочности крепежа в техническом паспорте, эксплуатационной документации или каталоге. Если документация утеряна или не предоставлена, следует обратиться непосредственно к производителю ОПУ с указанием его типоразмера и серийного номера. Применение «расчётных» значений по общим формулам без знания конкретного коэффициента трения, материала прокладки (если есть) и конструктивных особенностей фланцев — неприемлемо. В качестве временной меры (для оценки порядка значений) могут использоваться таблицы Rothe Erde или Schaeffler при коэффициенте трения μ = 0,14, но окончательные значения должны быть подтверждены производителем. Для критичных применений (краны категории A8, ветроэнергетика, шахтные подъёмники) — обязательная экспертиза квалифицированной инжиниринговой организации.
Высокопрочный крепёж основного крепления ОПУ относится к изделиям одноразовой установки. Это связано с накоплением в материале микропластических деформаций при первой затяжке (особенно в зоне резьбы под гайкой), что снижает усталостную выносливость болта. Повторно использованный болт может разрушиться при втором цикле работы при значительно меньшем числе циклов, чем новый. При плановом демонтаже ОПУ для технического обслуживания (замена смазки, ревизия подшипника) рекомендуется заменить весь комплект крепежа на новый, идентичный по обозначению и классу. Это особенно критично для классов 10.9 и 12.9 с повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений. Допустимо повторное использование только в случаях, не связанных с критичной нагрузкой, по предварительному согласованию с производителем ОПУ или квалифицированной инжиниринговой организацией.
Стандартные углеродистые болты классов 8.8, 10.9, 12.9 по ISO 898-1 рассчитаны на рабочий диапазон −50…+150 °C. При работе вблизи верхней границы (выше 100 °C) необходимо учитывать снижение реального предела текучести с ростом температуры — для класса 10.9 предел текучести при 150 °C снижается примерно на 6–8 % относительно номинального при 20 °C. Это означает, что предварительное натяжение, рассчитанное на холодное состояние, при разогреве может оказаться у границы текучести. Решения: применение класса 12.9 с большим запасом по пределу текучести; снижение целевого предварительного натяжения до 60–65 % Rp0,2 вместо стандартных 70 %; периодический контроль и донатяжка после первого нагревного цикла. При температурах выше +150 °C обычные углеродистые болты выходят за поле применения ISO 898-1, и требуется специальный жаропрочный крепёж (легированные стали с улучшенной термостойкостью), не относящийся к классам 10.9 / 12.9.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.