Metody dokręcania elementów złącznych gwintowanych

Jednym z kluczowych wyzwań w montażu śrubowym jest osiągnięcie dokładnego napięcia wstępnego poprzez odpowiednie metody dokręcania. Niewystarczające napięcie wstępne spowodowane niedokładnym procesem dokręcania jest częstą przyczyną awarii połączenia śrubowego. Projektanci muszą znać zasady i cechy charakterystyczne popularnych technik dokręcania śrub. W tym artykule systematycznie przedstawiono sześć podstawowych metod kontroli napięcia wstępnego śrub. Należy zauważyć, że pewien stopień rozproszenia napięcia wstępnego jest nieunikniony niezależnie od przyjętej metody dokręcania, co należy do normalnej charakterystyki procesu.

Sześć głównych metod jest szeroko stosowanych do kontrolowania napięcia wstępnego gwintówelementy złączne:dokręcanie z kontrolą momentu obrotowego, dokręcanie z kontrolą kąta, dokręcanie z kontrolą granicy plastyczności, dokręcanie z rozciąganiem śrub, dokręcanie termiczne i dokręcanie ze wskazaniem naprężenia.

1. Dokręcanie kontrolowane momentem

Dokręcanie kontrolowane momentem obrotowym jest najczęściej stosowaną metodą kontroli napięcia wstępnego w zastosowaniach przemysłowych. Znamionowy moment dokręcania wymagany do montażu śrub można uzyskać ze standardowych tabel momentów obrotowych lub obliczyć na podstawie korelacji pomiędzy momentem dokręcania a napięciem wstępnym śruby.

Podczas dokręcania trzpień śruby przenosi zarówno osiowe naprężenie rozciągające, jak i skręcające naprężenie ścinające. Konwencjonalne tabele odniesienia momentu obrotowego zazwyczaj ignorują naprężenia skręcające i zakładają, że 75% całkowitego naprężenia przyczynia się do efektywnego naprężenia osiowego. W warunkach dużego tarcia naprężenia skręcające znacznie wzrastają. W przypadku nałożenia naprężenia osiowego naprężenie równoważne może przekroczyć granicę plastyczności materiału i doprowadzić do uszkodzenia śruby. Aby uzyskać większą dokładność, proces jest kontrolowany w taki sposób, że łączne naprężenie zastępcze osiąga około 90% granicy plastyczności, zapewniając bezpieczny i niezawodny montaż poprzez równoważenie sprzężenia naprężeń osiowych i skrętnych.

Łączniki samoblokujące z przewagą momentu obrotowego, takie jaknylonowe nakrętki zabezpieczające i mechaniczne nakrętki zabezpieczające są szeroko stosowane w sytuacjach narażonych na wibracje, aby zapobiec poluzowaniu. Elementy złączne znacznie zwiększają naprężenia skręcające w trzpieniu śruby podczas dokręcania i zmieniają skuteczność konwersji momentu obrotowego na napięcie wstępne. Dlatego podczas ustawiania parametrów należy odpowiednio dostosować wartości momentu obrotowego.

Głównym ograniczeniem dokręcania z kontrolą momentu obrotowego jest to, że 85% do 95% przyłożonego momentu obrotowego jest zużywane na pokonanie tarcia gwintu i powierzchni łożyska. Niewielkie zmiany warunków tarcia mogą skutkować znacznymi odchyleniami napięcia wstępnego. Zastosowanie stabilizatorów tarcia na elementach złącznych może zmniejszyć rozproszenie tarcia i poprawić dokładność dokręcania.

Standardowe środki mające na celu poprawę dokładności dokręcania momentem podsumowano w następujący sposób:

1. Unikaj używania zwykłych płaskich podkładek. Względny poślizg pomiędzy podkładkami a powierzchniami stykowymi zmienia efektywny promień tarcia i zniekształca zależność momentu obrotowego od napięcia wstępnego. Jeśli w celu zmniejszenia nacisku powierzchniowego wymagana jest większa powierzchnia łożyska, preferowane są śruby kołnierzowe i nakrętki kołnierzowe.

2. Określ moment dokręcania poprzez rzeczywistą kalibrację. Tensometry można przymocować do trzpienia śruby w celu kalibracji dokręcania na miejscu w rzeczywistych warunkach montażu. Ogniwa obciążnikowe zainstalowane pod łbami śrub zapewniają pomiar pomocniczy, ale są mniej dokładne niż tensometry ze względu na zmienioną charakterystykę styku.

3. Jeżeli kalibracja eksperymentalna jest niedostępna, należy kompleksowo obliczyć standardowy moment dokręcania w oparciu o tolerancję obróbki elementu złącznego, wymiary łożyska nakrętki i charakterystykę momentu obrotowego blokującego. Profesjonalny program do obliczania momentu obrotowego TORQUE opracowany przez Bolt Science umożliwia wykonanie dokładnych obliczeń.

4. Określ wartości momentu dokręcania na rysunkach montażowych ze standardową tolerancją ±5%. W przypadku połączeń krytycznych użyj skalibrowanych kluczy dynamometrycznych i przeprowadź weryfikację momentu obrotowego po montażu.

Różne metody dokręcania powodują różne poziomy rozproszenia napięcia wstępnego, wśród których czysta kontrola momentu obrotowego charakteryzuje się stosunkowo dużymi odchyleniami.

2. Dokręcanie pod kontrolą kąta

Dokręcanie pod kontrolą kąta, znane również jako metoda obracania nakrętki, wprowadzono wkrótce po II wojnie światowej do montażu ręcznego i obecnie jest kompatybilne ze sprzętem do dokręcania siłowego. W procesie tym najpierw dokręca się śrubę momentem osadzającym, a następnie obraca się nakrętkę o określony kąt, aby doprowadzić śrubę do częściowego odkształcenia plastycznego. Metoda ta skutecznie zmniejsza wahania napięcia wstępnego spowodowane tolerancją granicy plastyczności i zapewnia lepszą spójność napięcia wstępnego niż dokręcanie czystym momentem.

Do głównych wad można zaliczyć konieczność eksperymentalnej kalibracji kątów dokręcania (brak uniwersalnych parametrów mających zastosowanie) oraz ograniczoną możliwość ponownego użycia. Powtarzające się dokręcanie po odkształceniu plastycznym łatwo powoduje uszkodzenie zmęczeniowe elementów złącznych.

3. Dokręcanie z kontrolą granicy plastyczności

Technika ta, opracowana przez SPS i znana również jako metoda wspólnej kontroli, zapewnia jedną z najwyższych dokładności napięcia wstępnego. Minimalizuje wpływ zmian współczynnika tarcia i zapewnia bardzo spójne napięcie wstępne śruby.

Metoda ta, oparta na ręcznej ocenie wyczucia dokręcania, wykorzystuje precyzyjny elektroniczny system sterowania, który zbiera w czasie rzeczywistym dane dotyczące momentu obrotowego i kąta obrotu. Monitorując zmianę nachylenia gradientu momentu obrotowego, system dokładnie identyfikuje granicę plastyczności śruby i natychmiast kończy dokręcanie, aby uniknąć przeciążenia.

Pomimo zwiększonej stabilności, nadal występuje niewielkie rozproszenie napięcia wstępnego z powodu tarcia gwintu. Wyższe tarcie gwintu zwiększa naprężenia skręcające i zmniejsza osiowe napięcie wstępne przy tym samym progu plastyczności. Metoda ta dokładnie wykrywa uginanie się śruby pod wpływem połączonego efektu rozciągania i skręcania.

Dokręcanie z kontrolowaną granicą plastyczności jest szeroko stosowane w przypadku krytycznych komponentów, takich jakśruby głowicy cylindrów i śruby korbowodu, zapewniające stabilne, wysokie napięcie wstępne i umożliwiające zoptymalizowanie rozmiaru śrub. Jednakże wysoki koszt dedykowanych inteligentnych narzędzi do dokręcania ogranicza ich szerokie zastosowanie. Nie można zagwarantować niezawodnego, precyzyjnego napięcia wstępnego podczas konserwacji w terenie bez odpowiedniego profesjonalnego sprzętu.

4. Dokręcanie rozciągające śrubę

Śruby o dużej średnicy wymagają wyjątkowo dużego momentu dokręcania, co jest trudne w przypadku konwencjonalnych narzędzi. W przypadku śrub o średnicy powyżej 20 mm powszechnie stosuje się rozciąganie hydrauliczne w celu zastąpienia hydraulicznych kluczy dynamometrycznych, co pozwala uniknąć nadmiernej siły reakcji momentu obrotowego i ograniczonej przestrzeni roboczej.

Zasada działania: Nad nakrętką zamontowany jest dedykowany cylinder hydrauliczny. Gwint śruby lub kołka całkowicie przechodzi przez nakrętkę i łączy się z elementem napinającym. Ciśnienie hydrauliczne rozciąga śrubę osiowo, powodując wydłużenie sprężyste. Utrzymując obciążenie rozciągające, nakrętkę obraca się ręcznie i blokuje na miejscu za pomocą klucza nasadowego i drążka reakcyjnego.

Metoda ta zapewnia niezwykle wysoką dokładność napięcia wstępnego poprzez precyzyjną kontrolę ciśnienia hydraulicznego. Jednakże po zwolnieniu ciśnienia w wyniku sprężystego odbicia następuje niewielka utrata napięcia wstępnego. Demontaż skorodowanych lub zapieczonych nakrętek pozostaje poważnym problemem operacyjnym.

5. Dokręcanie termiczne

Dokręcanie termiczne wykorzystuje właściwości rozszerzalności cieplnej metalu. Śruba jest podgrzewana i wydłużana, a nakrętka jest obracana i pozycjonowana. Podczas chłodzenia śruba próbuje się skurczyć, ale jest ograniczana wzdłużnie przez zaciśnięte elementy, tworząc stabilne osiowe napięcie wstępne.

Typowe metody ogrzewania obejmują bezpośrednie ogrzewanie płomieniem, cewki z płaszczem grzewczym i elementy grzejne oporowe na węgiel. Proces jest czasochłonny, a precyzyjny pomiar odkształcenia wymaga całkowitego schłodzenia do temperatury otoczenia, co skutkuje niską wydajnością. Jest rzadko stosowany w przemyśle ogólnym i ma zastosowanie tylko do bardzo dużych śrub o dużej wytrzymałości.

6. Dokręcanie ze wskazaniem naprężenia

W metodzie tej wykorzystuje się specjalistyczne łączniki wskazujące obciążenie, podkładki wskazujące obciążenie lub techniki wykrywania deformacji w celu pośredniego pomiaru wydłużenia śruby i napięcia wstępnego, co obejmuje różnorodne rozwiązania montażowe o wysokiej precyzji.

Typowe śruby wskazujące naprężenie to Rotabolt i HiBolt. Rotabolt posiada centralny nawiercony otwór z wewnętrznym trzpieniem pomiarowym oraz obrotową konstrukcję prześwitu. Podczas rozciągania elastycznego trzpień pozostaje nieobciążony; po osiągnięciu pełnego napięcia wstępnego luz znika, a obrót zostaje zablokowany, co wskazuje na prawidłowe dokręcenie. HiBolt przyjmuje podobną zasadę, w której niewielki skurcz śruby zaciska centralny sworzeń, odzwierciedlając stan napięcia.

Podkładki wskazujące obciążenie są szeroko stosowane w konstrukcjach stalowych w inżynierii lądowej i wodnej. Prefabrykowane występy na powierzchni podkładki ulegają odkształceniu plastycznemu pod obciążeniem. Prawidłowe napięcie wstępne sprawdza się poprzez pomiar szczeliny resztkowej za pomocą szczelinomierza. Ten typ podkładki jest rzadko stosowany w precyzyjnych montażach mechanicznych.

Wydłużenie śruby można zmierzyć bezpośrednio za pomocą mikrometrów lub precyzyjnie wykryć za pomocą testów ultradźwiękowych. Wartości wydłużenia można przeliczać na dane w czasie rzeczywistymśrubaobciążenie wstępne poprzez kalibrację lub obliczenia. W przypadku pomiaru ultradźwiękowego łeb śruby i powierzchnia końcowa wymagają szlifowania, aby zapewnić optymalne odbicie akustyczne i dokładność testu.