Механичното оборудване и стоманените конструкции са сглобени от различни компоненти, повечето от които са неподвижно свързани с резбови крепежни елементи. Повредата на резбовите крепежни елементи директно води до неизправност на оборудването. В тежки случаи това може да доведе до спиране на оборудването, структурен колапс и дори злополуки с телесни повреди.

Като се има предвид високата честота и сериозните опасности от повреда на крепежни елементи, техниците трябва систематично да анализират предизвикващите фактори и да формулират целенасочени коригиращи и превантивни мерки, за да елиминират фундаментално повредите на крепежните елементи.

Повредите на крепежните елементи се разделят основно на две категории. Първата категория е счупване на болта, което причинява мигновено разделяне на свързаните конструкции и обикновено води до сериозни повреди на оборудването и инциденти, свързани с безопасността. Втората категория включва разхлабване на двойка нишки и изплъзване на нишкаболтове или гайки, което създава малко относително изместване между свързаните части и води до частична неизправност на оборудването и намалена точност на работа.

Повредата на крепежните елементи е прогресивен процес. Незначителното разхлабване без навременно лечение ще продължи да се влошава и в крайна сметка ще доведе до пълно отделяне на болтовете и гайките, предизвиквайки сериозни инциденти, свързани с безопасността. В практическите приложения повечето служители разбират погрешно, че счупването на болта е причинено единствено от дефекти на материала и разхлабване на гайката от лошо качество на гайката, като същевременно пренебрегва основните проблеми като неразумния структурен дизайн и нестандартни процеси на сглобяване. Тази статия систематично анализира причините за различни повреди при счупване на болтове от гледна точка на дизайна и монтажа.

1 Фрактура на срязване

Счупването на болта при срязване възниква най-вече в резбови съединения при чисто предварително натоварване. Повърхността на фрактурата на срязване е разположена на съединителната повърхност на две свързани части, представлявайки малка гладка и ярка зона на срязване. Конкретните причини за повреда са обобщени, както следва.

1.1 Проектни причини

(1) Недостатъчният коефициент на триене в интерфейса на съединението или неправилно избраните спецификации на болта водят до неадекватно предварително натоварване. Когато силата на триене върху повърхността на съединението е по-малка от напречното работно натоварване, изразено с формулата fF′＜F (където f е коефициентът на триене на интерфейса, F′ е предварителното натоварване на болта и F е напречното работно натоварване), между свързаните компоненти възниква относително приплъзване. Стеблото на болта е подложено на екструзия и сила на срязване от стената на отвора. След като напрежението на срязване превиши якостта на срязване на материала на болта, настъпва счупване на срязване. Движещите се компоненти под ударни натоварвания са по-податливи на такава повреда. При конструктивен дизайн могат да бъдат приети части за намаляване на натоварването и позициониращи рамена, за да поемат напречни натоварвания, така че болтовете да осъществяват само връзка на опън, без да носят сила на срязване.

(2) Крепежни елементи без противоразхлабващи конструкции се прилагат при вибрационни условия на работа. Дълготрайните вибрации на оборудването разхлабват двойката резби и намаляват предварителното натоварване на болта, което води до недостатъчно триене на интерфейса и допълнително приплъзване на компонента и счупване на болта при срязване. За конструкции, работещи във вибрационна среда, трябва да се използват специални крепежни елементи против разхлабване, като гайки Spiralock и блокиращи гайки с преобладаващ въртящ момент, за да се предотврати неуспех при разхлабване.

1.2 Причини за сглобяване

Недостатъчният момент на затягане на сглобката води до нестандартно предварително натоварване на болта и неадекватно триене на повърхността. Външните натоварвания причиняват относително приплъзване на компонентите и в крайна сметка водят до счупване на болта при срязване. Въртящият момент на затягане на болтовете е критичен индикатор за процеса в инженерството на стоманени конструкции и сглобяването на двигатели и изисква строг контрол. Въпреки това, той често се пренебрегва в други индустрии поради липсата на стандартизирано управление на въртящия момент. При практически случаи на повреда, повечето грешки при разхлабване на резбата и счупване са причинени от неподходящ въртящ момент при сглобяване.

Силата на затягане на двойка резби се генерира от въртящи се гайки или болтове и е в положителна корелация с въртящия момент на монтажа. За да се гарантира, че предварителното натоварване отговаря на проектните изисквания, монтажният въртящ момент трябва да бъде ясно посочен в документите на процеса и стриктно прилаган по време на работа. Формулата за изчисляване на въртящия момент при сглобяване е следната:

M=KPD

Където: M - Монтажен въртящ момент (Nm); K - Коефициент на въртящ момент; P - Проектно предварително натоварване (kN); D - Номинален диаметър на болта (mm).

При конвенционален дизайн, предварителното натоварване на болта е зададено в рамките на 60% до 80% от границата на провлачване на материала с коефициент на безопасност над 1,2. Натоварването на провлачване на болтове с различни спецификации и степени на якост може да се отнесе към GB/T 3098.1.

Коефициентът на въртящия момент се определя от коефициента на триене на двойките нишки и контактната повърхност междукрепежни елементи и свързани части. Той се влияе от обработката на повърхността, прецизността на якостта, геометричния толеранс, точността на резбата, грапавостта на опорната повърхност и структурната твърдост. Повърхностната обработка служи като доминиращ фактор. Различните повърхностни обработки водят до големи разлики в коефициента на въртящ момент, до почти двойно. За двойки резби със същата спецификация и здравина, коефициентът на въртящ момент при фосфатиране е около 0,13 до 0,15, докато този при почерняване варира от 0,26 до 0,30.

Следователно, крепежни елементи с фосфатиране и почерняване произвеждат почти двойна разлика в предварителното натоварване при същия въртящ момент на сглобяване. Коефициентът на въртящия момент трябва да се калибрира чрез експерименти. Производителите на крепежни елементи трябва стриктно да контролират процесите на повърхностна обработка, за да осигурят постоянни коефициенти на въртящ момент на всяка партида. Потребителите не трябва произволно да променят изискванията за повърхностна обработка, за да избегнат недостатъчно предварително натоварване, разтягане на болта или счупване, причинено от колебание на коефициента на въртящия момент.

2 Уморна фрактура

Счупването от умора е един от най-често срещаните видове повреда на болта. Повечето повреди, причинени от умора, произтичат от производствени дефекти, включително неравномерни преходни ъгли под главите на болтовете, недостатъчен радиус на филето на корена на резбата, повърхностни драскотини и материални включвания. Междувременно нестандартното сглобяване също е важен стимул за счупване поради умора и потенциални инциденти, свързани с безопасността.

Вземайки автомобилните болтове за колела като пример, структурният дизайн позволява на болтовете на колелата да носят само аксиално предварително натоварване без директно радиално натоварване. Недостатъчният монтажен въртящ момент води до неадекватно предварително натоварване и недостатъчно триене между главината на колелото и полуоската, причинявайки относително приплъзване по време на работа на превозното средство.

По време на високоскоростно въртене на колелото, болтът се върти периодично с главината. Стеблото на болта е подложено на променлива сила на екструдиране от двете страни на стената на отвора, което води до високочестотни циклични радиални натоварвания. Дългосрочното действие на циклично натоварване инициира и разширява пукнатини от умора, което в крайна сметка води до счупване на болта от умора.

Когато се получи счупване на болта на колелото след експлоатация на превозното средство, инспекторите трябва първо да наблюдават морфологията на счупването, за да преценят предварително повредата от умора, преди да извършат допълнителен задълбочен анализ.

3 Фрактура от претоварване

Счупването при претоварване се отнася до счупване на опън, когато общото аксиално натоварване надвишава допустимата граница на материала на болта. Тъй като ефективната носеща площ на резбованата секция е по-малка от тази на гладкото стебло с по-сериозна концентрация на напрежение, счупване от претоварване възниква най-вече в резбовата секция, което може да бъде предварително идентифицирано чрез морфологията на счупването.

Болтовете от клас 8.8 показват очевидно изрязване след счупване от претоварване; Болтовете от степен 10.9 имат леко изрязване; Високоякостните болтове от степен 12.9 по същество нямат характеристики на шия при нормални условия на претоварване.

Очевидна шийка може също да се появи при болтове от клас 8.8 до 12.9 с неквалифицирани материали, неадекватна термична обработка, непълно закаляване или недостатъчна твърдост на сърцевината. Следователно критериите за преценка за счупване от претоварване са определени, както следва:

(1) За счупвания с шийка, изпитването на проби трябва да се извърши в съответствие с GB/T 3098.1. Счупването от претоварване може да бъде потвърдено, ако твърдостта на сърцевината е квалифицирана.

(2) Изисква се металографски анализ заВисокоякостни болтове клас 12.9за определяне на счупване от претоварване, тъй като дефектите на повърхността на резбата и материалните дефекти също могат да причинят счупване на резбова част и не могат да бъдат оценени само по външния вид.

Счупване от претоварване възниква главно в болтови връзки при аксиални натоварвания, с три основни причини:

а. Прекалено високият въртящ момент при сглобяване кара предварителното натоварване да надвиши границата на провлачване на материала на болта, което води до разтягане или счупване на болта по време на сглобяването.

b. Прекомерно предварително натоварване на сглобката близо до границата на провлачване на болта. По време на работа на оборудването болтът понася както остатъчното предварително натоварване, така и работното натоварване. Суперпозицията на двете натоварвания, надвишаващи границата на якост на материала, причинява счупване при претоварване. При постоянно работно натоварване по-високото предварително натоварване на монтажа води до по-високо остатъчно предварително натоварване и по-голям риск от претоварване.

c. Неправилен избор на болт с недостатъчен номинален диаметър на резбата, който не отговаря на изискванията за лагеруване в структурния дизайн.

Счупване на 4 болта, причинено от ексцентрично натоварване на монтажа

Счупването на болта поради ексцентрично натоварване е типична повреда в процеса на сглобяване. Могат да се наблюдават очевидни следи от износване във формата на полумесец върху опорната повърхност на болта, като действителната опорна площ представлява само 1/4 до 1/3 от общата опорна площ и силно неравномерно разпределение на напрежението. Стеблото на болта близо до счупването се огъва обратно на посоката на напрежението, показвайки типични ексцентрични характеристики на огъване и счупване.

Повредата на болтовете при ексцентричен товар се дължи главно на два фактора:

Първо, контактната опорна повърхност на свързаните части е наклонена или неравна, което води до локално напрежение върхуглава на болтаи формиране на ексцентрично натоварване, което е основната причина за този случай на повреда.

Второ, прекомерната грешка в изправеността или деформацията на огъване на стеблото на болта причинява присъщо ексцентрично натоварване по време на монтажа.

Двата вида ексцентрични натоварвания се различават значително по позицията на напрежението и посоката на огъване на стеблото, които могат да бъдат разграничени чрез следите от напрежение на опорната повърхност и посоката на деформация на болта.

5 Заключение

Повредите на крепежните елементи, като счупване, изплъзване и разхлабване на конеца, не винаги са причинени от присъщи дефекти в качеството на продукта. Трябва да се следват стандартизирани процедури за отстраняване на неизправности, когато възникне повреда в закрепването:

Първо, запазете напълно повредените проби и предпазете счупените повърхности от ръжда, сблъсък и вторични повреди, за да осигурите точен анализ на повредата.

Второ, предварително определете вида на повредата и причината въз основа на морфологията на счупването, външния вид на пробата, следите от повърхностно напрежение и действителните работни условия.

Трето, провеждайте професионални физически и химични тестове, включително металографски анализ и откриване на твърдост. Ако показателите за материал и топлинна обработка отговарят на националните стандарти, повредата произтича от структурния дизайн или процеса на сглобяване; в противен случай се потвърждава като дефект в качеството на закопчалката.

Четвърто, формулирайте целенасочени коригиращи и превантивни мерки според потвърдените причини за повреда, стандартизирайте спецификациите на дизайна и оптимизирайте процесите на сглобяване, за да избегнете повторение на подобни повреди.