Mechanická zařízení a ocelové konstrukce jsou sestaveny z různých komponentů, z nichž většina je pevně spojena závitovými spoji. Selhání závitových spojovacích prvků přímo vede k poruše zařízení. V závažných případech může způsobit odstavení zařízení, kolaps konstrukce a dokonce zranění osob.

Vzhledem k vysoké frekvenci a vážným rizikům selhání upevňovacích prvků musí technici systematicky analyzovat vyvolávající faktory a formulovat cílená nápravná a preventivní opatření k zásadnímu odstranění selhání upevňovacích prvků.

Selhání upevňovacích prvků se dělí především do dvou kategorií. První kategorií je porušení lomu šroubu, které způsobuje okamžité oddělení spojených konstrukcí a obvykle vede k závažným poruchám zařízení a bezpečnostním nehodám. Druhá kategorie zahrnuje povolování páru nití a prokluzování nitíšrouby nebo matice, který vytváří nepatrné relativní posunutí mezi připojenými částmi a vede k částečné poruše zařízení a snížení přesnosti provozu.

Selhání upevňovacích prvků je progresivní proces. Drobné uvolnění bez včasného ošetření se bude nadále zhoršovat a nakonec způsobí úplné oddělení šroubů a matic, což způsobí velké bezpečnostní nehody. V praktických aplikacích většina personálu špatně chápe, že zlomení šroubu je způsobeno výhradně vadou materiálu a uvolnění matice špatnou kvalitou matic, přičemž ignoruje základní problémy, jako je nepřiměřený konstrukční návrh a nestandardní montážní postupy. Tento článek systematicky analyzuje příčiny různých poruch lomu šroubů z hlediska návrhu a montáže.

1 Smyková zlomenina

Smykové lomy šroubů se většinou vyskytují u závitových spojů při čistém předpětí. Smyková lomová plocha se nachází na společném rozhraní dvou spojených částí a představuje malou hladkou a světlou smykovou plochu. Konkrétní příčiny selhání jsou shrnuty následovně.

1.1 Příčiny návrhu

(1) Nedostatečný koeficient tření na rozhraní spoje nebo nevhodně zvolené specifikace šroubu vedou k nedostatečnému předpětí. Když je třecí síla na povrchu spoje menší než příčné pracovní zatížení, vyjádřené vzorcem fF′＜F (kde f je součinitel tření na rozhraní, F′ je předpětí šroubu a F je příčné pracovní zatížení), dochází mezi spojenými součástmi k relativnímu skluzu. Dřík šroubu je vystaven vytlačování a smykové síle od stěny otvoru. Jakmile smykové napětí překročí smykovou pevnost materiálu šroubu, dojde ke smykovému lomu. Pohyblivé součásti pod nárazovým zatížením jsou náchylnější k takovému selhání. V konstrukčním návrhu mohou být díly snižující zatížení{6}}a polohovací ramena přizpůsobeny pro nesení příčných zatížení, takže šrouby provádějí pouze tahové spojení bez nosné smykové síly.

(2) Spojovací prvky bez struktur proti uvolnění se používají ve vibrujících pracovních podmínkách. Dlouhodobé-vibrace zařízení uvolňují pár závitů a zmírňují předpětí šroubu, což má za následek nedostatečné tření na rozhraní a další prokluzování součástí a prasknutí šroubu ve smyku. U konstrukcí pracujících v prostředí s vibracemi by měly být použity speciální upevňovací prvky proti-uvolnění, jako jsou matice Spiralock a matice s převládajícím momentem, aby se zabránilo selhání uvolnění.

1.2 Příčiny montáže

Nedostatečný utahovací moment sestavy vede k nestandardnímu předpětí šroubu a nedostatečnému tření na rozhraní. Vnější zatížení způsobují relativní prokluz součástí a nakonec vedou ke střihu šroubu. Utahovací moment šroubů je kritickým procesním indikátorem při konstrukci ocelových konstrukcí a montáži motoru a vyžaduje přísnou kontrolu. V jiných průmyslových odvětvích je však často opomíjen kvůli chybějícímu standardizovanému řízení točivého momentu. V praktických případech selhání je většina chyb uvolnění závitu a lomu způsobena nevhodným montážním momentem.

Upínací síla páru závitů je generována rotujícími maticemi nebo šrouby a pozitivně koreluje s montážním momentem. Aby bylo zajištěno, že předpětí splňuje konstrukční požadavky, musí být montážní krouticí moment jasně specifikován v procesních dokumentech a musí být přísně implementován během provozu. Vzorec pro výpočet montážního momentu je následující:

M=KPD

Kde: M - Montážní moment (Nm); K - Koeficient točivého momentu; P - Navrhované předpětí (kN); D - Jmenovitý průměr šroubu (mm).

V konvenčním provedení je předpětí šroubu nastaveno v rozmezí 60 % až 80 % meze kluzu materiálu s bezpečnostním faktorem vyšším než 1,2. Mez kluzu šroubů s různými specifikacemi a pevnostními třídami lze odkázat na GB/T 3098.1.

Součinitel točivého momentu je určen součinitelem tření párů závitů a kontaktním povrchem mezi nimispojovací materiála připojené části. Je ovlivněna povrchovou úpravou, pevnostní přesností, geometrickou tolerancí, přesností závitu, drsností nosné plochy a strukturální tuhostí. Dominantním faktorem je povrchová úprava. Různé povrchové úpravy vedou k velkým rozdílům v součiniteli točivého momentu, až téměř dvojnásobnému. Pro páry závitů se stejnou specifikací a pevností je točivý moment při fosfátování asi 0,13 až 0,15, zatímco u černění se pohybuje od 0,26 do 0,30.

Proto spojovací prvky s fosfátováním a černěním vytvářejí téměř dvojnásobný rozdíl předpětí při stejném montážním momentu. Koeficient točivého momentu musí být kalibrován pomocí experimentů. Výrobci spojovacích prvků musí přísně kontrolovat procesy povrchové úpravy, aby zajistili konzistentní koeficienty točivého momentu každé šarže. Uživatelé nesmějí svévolně měnit požadavky na povrchovou úpravu, aby se vyhnuli nedostatečnému předpětí, natažení šroubu nebo prasknutí způsobenému kolísáním točivého momentu.

2 Únavová zlomenina

Únavové lomy jsou jedním z nejčastějších způsobů selhání šroubu. Většina únavových poruch pochází z výrobních vad, včetně nehladkých přechodových zaoblení pod hlavami šroubů, nedostatečného poloměru zaoblení kořene závitu, povrchových škrábanců a vměstků materiálu. Nestandardní montáž je také důležitým podnětem pro únavové zlomeniny a potenciální bezpečnostní nehody.

Vezmeme-li jako příklad šrouby kol automobilů, konstrukční řešení umožňuje šroubům kol nést pouze axiální předpětí bez přímého radiálního zatížení. Nedostatečný montážní moment vede k nedostatečnému předpětí a nedostatečnému tření mezi nábojem kola a polovičním hřídelem, což způsobuje relativní prokluz během provozu vozidla.

Během vysokorychlostního otáčení kola se šroub pravidelně otáčí s nábojem. Dřík šroubu je vystaven střídavé vytlačovací síle z obou stran stěny otvoru, což má za následek vysokofrekvenční cyklické radiální zatížení. Dlouhodobé-cyklické zatěžování iniciuje a rozšiřuje únavové trhliny, což nakonec vede k únavovému lomu šroubu.

Když po provozu vozidla dojde k prasknutí šroubu kola, inspektoři nejprve pozorují morfologii zlomeniny, aby předběžně posoudili únavové selhání, než provedou další -hloubkovou analýzu.

3 Zlomenina z přetížení

Lom přetížením se týká tahového lomu, když celkové axiální zatížení překročí přípustný limit materiálu šroubu. Protože efektivní dosedací plocha závitového úseku je menší než u hladkého dříku se silnější koncentrací napětí, dochází většinou k lomu přetížením na závitovém úseku, který lze předběžně identifikovat podle morfologie lomu.

Šrouby stupně 8,8 vykazují zjevné hrdlování po lomu z přetížení; Šrouby třídy 10.9 vykazují mírné zúžení; Šrouby s vysokou pevností 12,9-v podstatě nemají za normálních podmínek přetížení žádné hrdlové vlastnosti.

Zjevné zúžení se může také objevit u šroubů třídy 8,8 až 12,9 s nekvalifikovanými materiály, nedostatečným tepelným zpracováním, neúplným kalením nebo nedostatečnou tvrdostí jádra. Kritéria posuzování lomu z přetížení jsou proto specifikována takto:

(1) U lomů s hrdlem musí být zkoušení vzorků provedeno v souladu s GB/T 3098.1. Lom přetížením lze potvrdit, pokud je tvrdost jádra kvalifikována.

(2) Je vyžadována metalografická analýzaVysokopevnostní šrouby třídy 12,9-k určení lomu přetížením, protože vady povrchu závitu a vady materiálu mohou také způsobit lom závitového úseku a nelze je posuzovat pouze podle vzhledu.

K lomu při přetížení dochází hlavně u šroubových spojů při axiálním zatížení, se třemi hlavními příčinami:

A. Příliš vysoký montážní moment způsobuje, že předpětí překročí mez kluzu materiálu šroubu, což má za následek natažení šroubu nebo jeho zlomení během montáže.

b. Nadměrné předpětí sestavy blízko meze kluzu šroubu. Během provozu zařízení šroub nese zbytkové předpětí i provozní zatížení. Superpozice dvou zatížení přesahující mez pevnosti materiálu způsobí lom přetížením. Při konstantním pracovním zatížení vede vyšší předpětí sestavy k vyššímu zbytkovému předpětí a většímu riziku přetížení.

C. Nesprávný výběr šroubu s nedostatečným jmenovitým průměrem závitu, který nesplňuje požadavky na uložení v konstrukčním návrhu.

4 Zlomení šroubu způsobené excentrickým zatížením sestavy

Zlomení šroubu v důsledku excentrického zatížení je typickou poruchou montážního procesu. Na povrchu podpěry šroubu lze pozorovat zřetelné stopy opotřebení ve tvaru půlměsíce{1}}, přičemž skutečná oblast uložení představuje pouze 1/4 až 1/3 celkové plochy podpěry a značně nerovnoměrné rozložení napětí. Dřík šroubu v blízkosti lomu se ohýbá proti směru napětí a vykazuje typické excentrické ohybové a lomové charakteristiky.

Selhání šroubů excentrickým zatížením je způsobeno hlavně dvěma faktory:

Za prvé, kontaktní nosná plocha spojovaných částí je nakloněná nebo nerovná, což vede k místnímu namáháníhlava šroubua tvořící excentrické zatížení, které je hlavní příčinou tohoto případu poruchy.

Za druhé, nadměrná chyba přímosti nebo ohybová deformace dříku šroubu způsobuje vlastní excentrické zatížení během montáže.

Dva typy excentrických zatížení se výrazně liší polohou napětí a směrem ohybu dříku, což lze rozlišit pomocí stop napětí na podpěrné ploše a směru deformace šroubu.

5 Závěr

Selhání upevňovacích prvků, jako je prasknutí, prokluzování závitu a uvolnění, nejsou vždy způsobeny vlastními vadami kvality produktu. Jakmile dojde k selhání upevnění, je třeba dodržet standardizované postupy odstraňování problémů:

Nejprve zcela zakonzervujte poškozené vzorky a chraňte lomové povrchy před rzí, kolizí a sekundárním poškozením, abyste zajistili přesnou analýzu poruch.

Za druhé, předběžně určete typ poruchy a příčinu na základě morfologie lomu, vzhledu vzorku, stop povrchového napětí a skutečných pracovních podmínek.

Za třetí proveďte profesionální fyzikální a chemické testy včetně metalografické analýzy a detekce tvrdosti. Pokud indikátory materiálu a tepelného zpracování splňují národní normy, porucha pochází z konstrukčního návrhu nebo procesu montáže; v opačném případě je to potvrzeno jako vada kvality spojovacího materiálu.

Za čtvrté, formulujte cílená nápravná a preventivní opatření podle potvrzených příčin poruch, standardizujte konstrukční specifikace a optimalizujte montážní procesy, aby se předešlo opakování podobných poruch.