Механизъм за разхлабване на крепежни елементи с резба

Почти всички инженерни продукти с различна сложност използват резба крепежни елементи. В сравнение с повечето други методи за свързване, ключово предимство на крепежните елементи с резба е, че те могат да бъдат разглобени и използвани повторно.

Тази характеристика обикновено е причината резбовите крепежни елементи да се предпочитат пред другите методи на свързване и те често играят решаваща роля за поддържане на структурната цялост на продуктите.

Те обаче са и значителен източник на проблеми в машините и други компоненти. Причината за тези проблеми се крие в механизма им за саморазхлабване. Този механизъм за саморазхлабване отдавна е проблем и през последните 150 години дизайнерите разработват методи за предотвратяване на това явление.

Много често срещани видове заключващи методи за резбови крепежни елементи са изобретени преди повече от 100 години, но едва през последните години са разбрани основните механизми, водещи до саморазхлабване. Има много механизми, които могат да причинят разхлабване на крепежни елементи с резба, които могат да бъдат разделени на ротационно разхлабване и неротационно разхлабване.

Ротационно и неротационно разхлабване

В по-голямата част от приложенията крепежните елементи с резба се затягат и към връзката се прилага предварително натоварване. Разхлабването може да се разбира като последваща загуба на предварително натоварване след завършване на процеса на затягане. Това може да стане по два начина:

Ротационното разхлабване, обикновено наричано саморазхлабване, се отнася до въртенето на крепежния елемент под действието на външни натоварвания.

Неротационното разхлабване се отнася до загуба на предварително натоварване без относително движение между вътрешната и външната резба.

Разхлабване на крепежни елементи, причинено от не-ротационно разхлабване

Разхлабване без въртене може да възникне поради деформация на самия крепеж или свързаните компоненти след монтажа. Това е резултат от частичен пластмасов колапс на тези интерфейси.

Увеличен изглед на контакт с грапава повърхност

Когато две повърхности са в контакт една с друга, всяка повърхност носи натоварването на опорната повърхност. Тъй като действителната контактна площ е много по-малка от повърхностната площ, дори при умерени натоварвания непрекъснато се понасят много високи локални напрежения, които надвишават границата на провлачване на материала.

Това може да доведе до частично срутване на повърхността след приключване на операцията по затягане; това срутване обикновено се нарича вграждане.

Размерът на силата на затягане, загубена поради вграждане, зависи от твърдостта на болта и свързаните компоненти, броя на контактните повърхности, присъстващи във връзката, грапавостта на повърхността и приложеното напрежение на опорната повърхност.

При условия на умерено напрежение на повърхността вграждането обикновено причинява загуба на сила на затягане от приблизително 1% до 5% през първите няколко секунди след затягане на съединението. Когато съединението впоследствие бъде подложено на приложени динамични натоварвания, силата на затягане може допълнително да намалее поради промени в налягането, възникващи върху контактната повърхност на съединението.

Ако напрежението на повърхностния лагер се поддържа под границата на провлачване на натиск на материала на свързания компонент, количеството на загубата на вграждане може да бъде изчислено и компенсирано в конструкцията на връзката.

Теорията на Юнкер за саморазхлабването на закопчалката

През 1969 г. Герхард Юнкер използва резултатите от инженерни тестове, за да подкрепи теорията си защо крепежните елементи с резба се разхлабват автоматично. Основното му откритие е, че щом възникне относително движение между свързващите резби и между опорната повърхност на закопчалката и затягащия материал, предварително натоварената закопчалка ще се разхлаби поради въртене.

Установено е също, че напречните динамични натоварвания причиняват по-сериозно разхлабване, отколкото аксиалните динамични натоварвания. Причината е, че радиалното движение при аксиални натоварвания е значително по-малко от това при напречни натоварвания.

Напречно движение на болтови връзки

Junker показа, че предварително натоварена закопчалка ще се разхлаби сама, когато се появи относително движение между свързващите резби и опорната повърхност на закопчалката. Това се случва, когато напречната сила, действаща върху съединението, е по-голяма от силата на триене, генерирана от предварителното натоварване на болта.

При малки напречни измествания може да възникне относително движение между страните на резбата и контактните повърхности на лагера. След като хлабината на резбата бъде преодоляна, болтът ще бъде подложен на сили на огъване и ако напречното плъзгане продължава, ще се появи плъзгане на опорната повърхност под главата на болта.

Веднъж стартиран, временно няма да има триене по резбите и под главата на болта. Моментът на саморазхлабване, генериран от предварителното натоварване, действащо върху ъгъла на спиралата на резбата, причинява съответно въртене между гайката и болта. При повтарящи се напречни движения този механизъм може да причини пълно разхлабване на закопчалката.

За да проучи причините за разхлабването, Junker разработи машина за тестване, както е показано на фигурата по-долу, която количествено определя ефективността срещу разхлабване на конструкциите на крепежни елементи.

Машина за тестване на крепежни елементи Junker

Сачмените лагери се използват за премахване на ефекта на триене между движещите се и неподвижните плочи. Когато се прилага напречно движение от движещата се плоча, която затяга гайката, динамометричната клетка непрекъснато следи натоварването на болта.

В сравнение с обикновените стандарти за изпитване на вибрации, загубата на предварително натоварване може да бъде измерена по време на теста и може да се начертае графика на предварително натоварване спрямо броя на цикъла.

Принципът на машината Junker е, че напречното изместване, генерирано от гърбицата, кара закопчалката да се колебае, преодолявайки силата на триене на закопчалката, за да доведе до разхлабване.

Екранна снимка на Junker Testing Machine

Крива на разхлабване при изпитване на вибрации Junker

Чрез тестване на Junker може да се сравни ефективността на различни конструкции против разхлабване на крепежни елементи. През последните две десетилетия бяха завършени голям брой проучвания на съществуващи конструкции против разхлабване на крепежни елементи, за да се сравнят техните свойства против разхлабване.

За ефективно сравнение е изключително важно да се използва една и съща амплитуда на вибрациите, тъй като това оказва значително влияние върху резултатите. Фигурата по-долу показва типичен резултат от теста на пружинна шайба.

Тестът показа, че поставянето на винтова пружинна шайба под главата на болта всъщност ускорява разхлабването. Други също са доказали, че използването на такива шайби има подобни резултати като използването на болтове без никакви заключващи устройства.

Много големи производители на оригинално оборудване, запознати с тези констатации, вече не определят такива шайби в своите вътрешни стандарти.

Много заключващи устройства, използвани за резбови крепежни елементи, се основават на предотвратяване на относителното движение между резбите (напр. найлонови контрагайки) или на относителното движение между опорната повърхност и свързаните компоненти (напр. различни видове "заключващи" шайби).

Въпреки това, както Юнкер, така и други последващи изследователи изтъкват значението на предотвратяването на напречното движение на съединението: подходящ дизайн на болтова връзка гарантира, че силата на затягане на болта е достатъчна, за да предотврати напречното движение чрез триенето на свързващите плочи, като по този начин се избягва разхлабването.

По време на фазата на проектиране това може да се постигне чрез избиране на подходящия размер и здравина на крепежния елемент, така че предварителното натоварване да генерира достатъчно триене, за да устои на движението на ставата, причинено от външни натоварвания.

Прецакайте заключението на Джун

Основната причина за разхлабването на резбовата закопчалка е движението на ставата, особено напречното плъзгане наболтови резбии опорни повърхности. Ако може да се получи достатъчно предварително натоварване от болта, за да се предотврати движението на съединението, не е необходимо заключващо устройство, тъй като триенето ще държи частите заедно.

Основният проблем при проектирането на резбови закопчалки е да се гарантира, че предварителното натоварване е достатъчно, за да държи частите здраво заедно, когато са включени промени в условията на триене.

Тази графика показва ефекта от промените на триенето върху предварителното натоварване на болта.

Ключът към предотвратяване на разхлабването е да се осигури достатъчно предварително натоварване на болта

Като цяло съединенията трябва да се проектират въз основа на минималното предварително натоварване, генерирано при максималния коефициент на триене; проектирането с помощта на средната стойност на предварително натоварване ще доведе до разхлабване на много болтове.

В същото време е необходимо също така да се вземе предвид загубата на предварително натоварване, причинена от вграждането. За да се ограничи количеството на вграждане, е необходимо да се осигури максималния диапазон на напрежение, който захванатият материал може да издържи.

В случаите, когато движението на ставата не може да бъде предотвратено, например при наличие на топлинно разширение, трябва да се посочи заключващо устройство с доказана способност.