Urządzenia mechaniczne i konstrukcje stalowe są montowane z różnych elementów, z których większość jest trwale połączona za pomocą gwintowanych elementów złącznych. Awaria gwintowanych elementów złącznych prowadzi bezpośrednio do nieprawidłowego działania sprzętu. W poważnych przypadkach może to spowodować wyłączenie sprzętu, zawalenie się konstrukcji, a nawet wypadki z obrażeniami ciała.

Biorąc pod uwagę wysoką częstotliwość i poważne ryzyko awarii elementów złącznych, technicy muszą systematycznie analizować czynniki wywołujące i formułować ukierunkowane środki zaradcze i zapobiegawcze, aby zasadniczo wyeliminować awarie połączeń.

Awarie elementów złącznych dzieli się głównie na dwie kategorie. Pierwszą kategorią są pęknięcia śrub, które powodują natychmiastowe rozdzielenie połączonych konstrukcji i zwykle skutkują poważnymi awariami sprzętu i wypadkami związanymi z bezpieczeństwem. Druga kategoria obejmuje poluzowanie par gwintów i poślizg niciśruby lub nakrętki, co powoduje niewielkie przemieszczenie względne pomiędzy połączonymi częściami i prowadzi do częściowego nieprawidłowego działania sprzętu i zmniejszenia dokładności działania.

Awaria elementu złącznego jest procesem postępującym. Drobne poluzowania bez odpowiedniego leczenia będą się nadal pogarszać i ostatecznie spowodują całkowite oddzielenie śrub i nakrętek, powodując poważne wypadki związane z bezpieczeństwem. W zastosowaniach praktycznych większość personelu błędnie rozumie, że pękanie śruby jest spowodowane wyłącznie defektami materiałowymi i poluzowaniem nakrętek na skutek złej jakości nakrętek, ignorując jednocześnie podstawowe problemy, takie jak nierozsądny projekt konstrukcyjny i niestandardowe procesy montażu. W artykule systematycznie analizowano przyczyny różnych uszkodzeń śrub z punktu widzenia projektowania i montażu.

1 Złamanie ścinające

Pęknięcie ścinające śruby występuje najczęściej w połączeniach gwintowych pod czystym napięciem wstępnym. Powierzchnia pęknięcia ścinającego znajduje się na styku dwóch połączonych części, tworząc mały, gładki i jasny obszar ścinania. Konkretne przyczyny awarii podsumowano w następujący sposób.

1.1 Przyczyny projektowe

(1) Niewystarczający współczynnik tarcia na styku złącza lub niewłaściwie dobrana specyfikacja śrub prowadzi do niewystarczającego napięcia wstępnego. Gdy siła tarcia na powierzchni złącza jest mniejsza od poprzecznego obciążenia roboczego wyrażonego wzorem fF′＜F (gdzie f jest współczynnikiem tarcia powierzchniowego, F′ jest napięciem wstępnym śruby, a F jest poprzecznym obciążeniem roboczym), pomiędzy łączonymi elementami występuje poślizg względny. Trzon śruby poddawany jest działaniu siły wyciskania i ścinania ze ścianki otworu. Gdy naprężenie ścinające przekroczy wytrzymałość na ścinanie materiału śruby, następuje pękanie ścinające. Poruszające się elementy pod obciążeniem udarowym są bardziej podatne na tego typu awarie. W projektowaniu konstrukcyjnym części redukujące obciążenie i występy pozycjonujące można dostosować do przenoszenia obciążeń poprzecznych, tak że śruby przejmują jedynie połączenie rozciągające bez nośnej siły ścinającej.

(2) Elementy złączne bez konstrukcji zabezpieczającej przed odkręceniem stosowane są w warunkach pracy wibracyjnej. Długotrwałe wibracje sprzętu powodują poluzowanie pary gwintów i zmniejszenie napięcia wstępnego śruby, co skutkuje niewystarczającym tarciem powierzchni styku i dalszym poślizgiem elementu oraz pękaniem śruby przy ścinaniu. W przypadku konstrukcji pracujących w środowiskach wibracyjnych należy zastosować specjalne elementy złączne zapobiegające poluzowaniu, takie jak nakrętki Spiralock i nakrętki zabezpieczające z przeważającym momentem obrotowym, aby zapobiec uszkodzeniom związanym z poluzowaniem.

1.2 Przyczyny montażu

Niewystarczający moment dokręcania zespołu prowadzi do niespełniającego norm napięcia wstępnego śruby i niewystarczającego tarcia powierzchni stykowej. Obciążenia zewnętrzne powodują względny poślizg elementów i ostatecznie prowadzą do pęknięcia śruby przy ścinaniu. Moment dokręcania śrub jest krytycznym wskaźnikiem procesu w inżynierii konstrukcji stalowych i montażu silników i wymaga ścisłej kontroli. Jednakże jest on często zaniedbywany w innych branżach ze względu na brak znormalizowanego zarządzania momentem obrotowym. W praktycznych przypadkach większość usterek związanych z poluzowaniem i pęknięciem gwintu jest spowodowana niewłaściwym momentem montażowym.

Siła docisku pary gwintów jest generowana przez obracające się nakrętki lub śruby i jest dodatnio skorelowana z momentem montażowym. Aby mieć pewność, że napięcie wstępne spełnia wymagania projektowe, moment obrotowy montażu musi być jasno określony w dokumentach procesowych i ściśle przestrzegany podczas pracy. Wzór na obliczenie momentu obrotowego montażu jest następujący:

M=KPD

Gdzie: M – moment montażowy (Nm); K - współczynnik momentu obrotowego; P - Zaprojektowane napięcie wstępne (kN); D - Nominalna średnica śruby (mm).

W konstrukcji konwencjonalnej napięcie wstępne śruby ustala się w zakresie od 60% do 80% granicy plastyczności materiału przy współczynniku bezpieczeństwa powyżej 1,2. Granicę plastyczności śrub o różnych specyfikacjach i klasach wytrzymałości można odnieść do GB/T 3098.1.

Współczynnik momentu obrotowego jest określony przez współczynnik tarcia par gwintów i powierzchnię styku pomiędzy nimielementy złączne i połączone części. Wpływa na to obróbka powierzchni, precyzja wytrzymałości, tolerancja geometryczna, dokładność gwintu, chropowatość powierzchni nośnej i sztywność konstrukcyjna. Obróbka powierzchniowa jest czynnikiem dominującym. Różne obróbki powierzchni prowadzą do dużych różnic we współczynniku momentu obrotowego, nawet prawie dwukrotnie. W przypadku par gwintów o tej samej specyfikacji i wytrzymałości współczynnik momentu obrotowego w przypadku fosforanowania wynosi około 0,13 do 0,15, podczas gdy w przypadku czernienia wynosi od 0,26 do 0,30.

Dlatego elementy złączne poddane obróbce fosforanowania i czernienia powodują prawie podwójną różnicę napięcia wstępnego przy tym samym momencie montażowym. Współczynnik momentu obrotowego należy skalibrować eksperymentalnie. Producenci elementów złącznych muszą ściśle kontrolować procesy obróbki powierzchni, aby zapewnić stałe współczynniki momentu obrotowego dla każdej partii. Użytkownicy nie powinni samowolnie zmieniać wymagań dotyczących obróbki powierzchni, aby uniknąć niewystarczającego napięcia wstępnego, rozciągnięcia śruby lub pęknięcia spowodowanego wahaniami współczynnika momentu obrotowego.

2 Złamanie zmęczeniowe

Pękanie zmęczeniowe jest jednym z najczęstszych rodzajów uszkodzeń śrub. Większość uszkodzeń zmęczeniowych wynika z wad produkcyjnych, w tym z niegładkich zaokrągleń przejściowych pod łbami śrub, niewystarczającego promienia zaokrąglenia nasady gwintu, zadrapań powierzchniowych i wtrąceń materiałowych. Tymczasem niestandardowy montaż jest również ważną przyczyną pęknięć zmęczeniowych i potencjalnych wypadków związanych z bezpieczeństwem.

Biorąc za przykład śruby do kół samochodowych, konstrukcja konstrukcyjna pozwala śrubom kół przenosić jedynie osiowe napięcie wstępne bez bezpośredniego obciążenia promieniowego. Niewystarczający moment montażowy prowadzi do niewystarczającego napięcia wstępnego i niewystarczającego tarcia pomiędzy piastą koła a półosią, powodując względny poślizg podczas eksploatacji pojazdu.

Podczas szybkiego obrotu koła śruba obraca się okresowo wraz z piastą. Trzpień śruby poddawany jest naprzemiennej sile wyciskania z obu stron ściany otworu, co powoduje cykliczne obciążenia promieniowe o wysokiej częstotliwości. Długotrwałe cykliczne działanie obciążenia inicjuje i rozszerza pęknięcia zmęczeniowe, co ostatecznie prowadzi do pęknięcia zmęczeniowego śruby.

Jeżeli po eksploatacji pojazdu nastąpi pęknięcie śruby koła, inspektorzy najpierw obserwują morfologię pęknięcia, aby wstępnie ocenić uszkodzenie zmęczeniowe, przed przeprowadzeniem dalszej szczegółowej analizy.

3 Złamanie przeciążeniowe

Pęknięcie przeciążeniowe oznacza pęknięcie przy rozciąganiu, gdy całkowite obciążenie osiowe przekracza dopuszczalną granicę materiału śruby. Ponieważ efektywna powierzchnia nośna odcinka gwintowanego jest mniejsza niż powierzchnia chwytu gładkiego przy większej koncentracji naprężeń, pękanie przeciążeniowe występuje najczęściej w odcinku gwintowanym, co można wstępnie zidentyfikować na podstawie morfologii pęknięcia.

Śruby klasy 8.8 wykazują wyraźne przewężenie po pęknięciu przeciążeniowym; Śruby klasy 10.9 mają lekkie przewężenie; Śruby o wysokiej wytrzymałości klasy 12.9 zasadniczo nie wykazują cech przewężeń w normalnych warunkach przeciążenia.

Oczywiste przewężenie może również pojawić się w śrubach klasy 8.8 do 12.9 z nieodpowiednich materiałów, nieodpowiedniej obróbce cieplnej, niepełnym hartowaniu lub niewystarczającej twardości rdzenia. Dlatego kryteria oceny pęknięcia przeciążeniowego są określone w następujący sposób:

(1) W przypadku złamań z przewężeniem należy przeprowadzić badanie próbki zgodnie z GB/T 3098.1. Pęknięcie przeciążeniowe można potwierdzić, jeśli twardość rdzenia jest kwalifikowana.

(2) Wymagana jest analiza metalograficznaŚruby o wysokiej wytrzymałości klasy 12.9w celu określenia pęknięcia przeciążeniowego, ponieważ wady powierzchni gwintu i wady materiałowe mogą również powodować pękanie odcinka gwintowanego i nie można ich ocenić jedynie na podstawie wyglądu.

Pękanie przeciążeniowe występuje głównie w połączeniach śrubowych pod obciążeniem osiowym i ma trzy główne przyczyny:

A. Zbyt duży moment montażowy powoduje, że napięcie wstępne przekracza granicę plastyczności materiału śruby, co powoduje rozciąganie lub pękanie śruby podczas montażu.

B. Nadmierne napięcie wstępne montażu bliskie granicy plastyczności śruby. Podczas pracy urządzenia śruba przenosi zarówno szczątkowe napięcie wstępne, jak i obciążenie robocze. Nałożenie się dwóch obciążeń przekraczających granicę wytrzymałości materiału powoduje pękanie przeciążeniowe. Przy stałym obciążeniu roboczym wyższe napięcie wstępne zespołu prowadzi do większego napięcia wstępnego i większego ryzyka przeciążenia.

C. Niewłaściwy dobór śrub z niewystarczającą nominalną średnicą gwintu, która nie spełnia wymagań łożyskowych w projekcie konstrukcyjnym.

4 Pęknięcie śruby spowodowane mimośrodowym obciążeniem zespołu

Pęknięcie śruby na skutek mimośrodowego obciążenia jest typowym błędem w procesie montażu. Na powierzchni podparcia śruby można zaobserwować wyraźne ślady zużycia w kształcie półksiężyca, przy czym faktyczna powierzchnia nośna stanowi jedynie 1/4 do 1/3 całkowitej powierzchni podparcia i charakteryzuje się bardzo nierównym rozkładem naprężeń. Trzpień śruby w pobliżu pęknięcia wygina się w kierunku przeciwnym do kierunku naprężenia, wykazując typowe mimośrodowe właściwości zginania i pękania.

Mimośrodowe obciążenie śrub powoduje uszkodzenie głównie dwóch czynników:

Po pierwsze, powierzchnia styku połączonych części jest nachylona lub nierówna, co powoduje lokalne naprężenia na powierzchnigłówka śrubyi powstawanie obciążenia mimośrodowego, co jest główną przyczyną tego przypadku awarii.

Po drugie, nadmierny błąd prostoliniowości lub odkształcenie trzpienia śruby powoduje nieodłączne obciążenie mimośrodowe podczas montażu.

Obydwa rodzaje obciążeń mimośrodowych różnią się znacznie położeniem naprężenia i kierunkiem zginania trzpienia, co można rozróżnić na podstawie śladów naprężeń powierzchni podporowej i kierunku odkształcenia śruby.

5 Wniosek

Awarie elementów złącznych, takie jak pękanie, ślizganie się i poluzowanie gwintu, nie zawsze są spowodowane nieodłącznymi wadami jakościowymi produktu. W przypadku wystąpienia awarii mocowania należy przestrzegać standardowych procedur rozwiązywania problemów:

Po pierwsze, należy całkowicie zabezpieczyć uszkodzone próbki i chronić pęknięte powierzchnie przed rdzą, kolizjami i uszkodzeniami wtórnymi, aby zapewnić dokładną analizę uszkodzeń.

Po drugie, należy wstępnie określić rodzaj i przyczynę uszkodzenia w oparciu o morfologię pęknięcia, wygląd próbki, ślady naprężeń powierzchniowych i rzeczywiste warunki pracy.

Po trzecie, przeprowadź profesjonalne badania fizyczne i chemiczne, w tym analizę metalograficzną i wykrywanie twardości. Jeżeli wskaźniki materiału i obróbki cieplnej spełniają normy krajowe, awaria ma swoje źródło w projekcie konstrukcyjnym lub procesie montażu; w przeciwnym razie zostanie to potwierdzone jako wada jakościowa elementu złącznego.

Po czwarte, należy sformułować ukierunkowane środki naprawcze i zapobiegawcze zgodnie z potwierdzonymi przyczynami awarii, ujednolicić specyfikacje projektowe i zoptymalizować procesy montażu, aby uniknąć ponownego wystąpienia podobnych awarii.