Механічне обладнання та сталеві конструкції зібрані з різних компонентів, більшість з яких нерухомо з’єднані різьбовими кріпленнями. Вихід з ладу різьбових кріплень безпосередньо призводить до несправності обладнання. У важких випадках це може спричинити зупинку обладнання, руйнування конструкції та навіть нещасні випадки з травмами.

Враховуючи високу частоту та серйозну небезпеку виходу з ладу кріпильних елементів, технічні спеціалісти повинні систематично аналізувати фактори, що викликають це, і формулювати цілеспрямовані заходи щодо виправлення та профілактики, щоб повністю усунути поломки кріплень.

Поломки кріплення в основному поділяються на дві категорії. Перша категорія – це руйнування болта, яке викликає миттєве роз’єднання з’єднаних структур і зазвичай призводить до серйозних несправностей обладнання та нещасних випадків. Друга категорія включає ослаблення різьбової пари та зісковзування різьбиболти або гайки, що створює незначне відносне зміщення між з’єднаними частинами і призводить до часткової несправності обладнання та зниження точності роботи.

Вихід з ладу кріплення - прогресуючий процес. Незначне ослаблення без своєчасного лікування продовжуватиме погіршуватись і зрештою призведе до повного роз’єднання болтів і гайок, викликаючи серйозні нещасні випадки. У практичних застосуваннях більшість персоналу неправильно розуміють, що руйнування болта спричинене виключно дефектами матеріалу та ослабленням гайки через низьку якість гайки, ігноруючи при цьому основні проблеми, такі як необґрунтована конструкція конструкції та нестандартні процеси складання. У цьому документі систематично аналізуються причини різних поломок болтів з точки зору проектування та складання.

1 Перелом зсуву

Руйнування болта при зсуві здебільшого відбувається в різьбових з’єднаннях під чистим попереднім натягом. Поверхня руйнування зсуву розташована на стику двох з’єднаних частин, представляючи невелику гладку та яскраву область зсуву. Нижче наведено конкретні причини збою.

1.1 Причини проектування

(1) Недостатній коефіцієнт тертя на з’єднанні або неправильно вибрані специфікації болта призводять до неадекватного попереднього натягу. Коли сила тертя на поверхні з’єднання менша за поперечне робоче навантаження, виражене формулою fF′＜F (де f — коефіцієнт тертя між поверхнею, F’ — попереднє натяг болта, а F — поперечне робоче навантаження), між з’єднаними компонентами виникає відносне ковзання. Хвостовик болта піддається екструзії та зсуву стінки отвору. Як тільки напруга зсуву перевищує міцність на зсув матеріалу болта, відбувається руйнування зсуву. Рухомі компоненти під ударними навантаженнями більш сприйнятливі до такої поломки. У конструкційному проекті деталі, що зменшують навантаження, і позиціонуючі плечі можуть бути адаптовані для сприйняття поперечних навантажень, так що болти виконують лише з’єднання на розтяг без зусилля зсуву підшипника.

(2) Кріпильні вироби без антирозкручувальних структур застосовуються у вібраційних умовах роботи. Довготривала вібрація обладнання послаблює пару різьб і послаблює попереднє натяг болта, що призводить до недостатнього тертя між поверхнею та подальшого ковзання компонентів і руйнування болта при зсуві. Для конструкцій, що працюють у вібраційних середовищах, слід застосувати спеціальні кріпильні елементи, що запобігають ослабленню, такі як гайки Spiralock і стопорні гайки з переважним крутним моментом, щоб запобігти послабленню.

1.2 Причини складання

Недостатній момент затягування складання призводить до нестандартного попереднього натягу болта та недостатнього тертя між поверхнею. Зовнішні навантаження викликають відносне ковзання компонентів і в кінцевому підсумку призводять до руйнування болта при зсуві. Крутний момент затягування болтів є критичним індикатором технологічного процесу при конструюванні сталевих конструкцій і складанні двигунів і вимагає суворого контролю. Однак в інших галузях нею часто нехтують через відсутність стандартизованого управління крутним моментом. У практичних випадках несправності більшість дефектів ослаблення різьби та розривів спричинені неправильним крутним моментом при складанні.

Сила затиску пари ниток створюється обертанням гайок або болтів і позитивно корелює з крутним моментом при складанні. Щоб гарантувати, що попереднє натяг відповідає проектним вимогам, момент затягування має бути чітко визначений у технологічній документації та суворо дотримуватись під час експлуатації. Формула розрахунку крутного моменту при складанні виглядає наступним чином:

M=KPD

Де: M - монтажний момент (Нм); K - Коефіцієнт крутного моменту; P - Розрахункове попереднє натяг (кН); D - Номінальний діаметр болта (мм).

У звичайній конструкції попереднє натяг болта встановлюється в межах від 60% до 80% межі текучості матеріалу з коефіцієнтом міцності вище 1,2. Навантаження на плинність болтів з різними специфікаціями та класами міцності можна посилатися на GB/T 3098.1.

Коефіцієнт крутного моменту визначається коефіцієнтом тертя пар ниток і контактної поверхні міжкріплення і сполучених частин. На нього впливають обробка поверхні, точність міцності, геометричний допуск, точність різьби, шорсткість опорної поверхні та структурна жорсткість. Домінуючим фактором є обробка поверхні. Різна обробка поверхні призводить до великої різниці в коефіцієнті крутного моменту, майже вдвічі. Для пар різьби з однаковими специфікаціями та міцністю коефіцієнт крутного моменту обробки фосфатуванням становить приблизно 0,13–0,15, тоді як коефіцієнт чорніння – від 0,26 до 0,30.

Таким чином, кріплення з фосфатуванням і чорнінням створюють майже подвійну різницю попереднього натягу за однакового крутного моменту складання. Коефіцієнт крутного моменту необхідно відкалібрувати за допомогою експериментів. Виробники кріпильних виробів повинні суворо контролювати процеси обробки поверхні, щоб забезпечити постійні коефіцієнти крутного моменту кожної партії. Користувачі не повинні довільно змінювати вимоги до обробки поверхні, щоб уникнути недостатнього попереднього натягу, розтягування болта або руйнування, викликаного коливаннями коефіцієнта крутного моменту.

2 Втомний перелом

Втомний руйнування є одним з найпоширеніших видів руйнування болтів. Більшість втомних поломок походять від виробничих дефектів, включаючи негладкі перехідні галочки під головками болтів, недостатній радіус галтельної частини кореня різьби, поверхневі подряпини та включення матеріалу. Тим часом, нестандартне складання також є важливим стимулом для втомного руйнування та потенційних нещасних випадків.

Взявши як приклад автомобільні колісні болти, конструктивна конструкція дозволяє ковзати колісні болти нести лише осьове попереднє навантаження без прямого радіального навантаження. Недостатній крутний момент при монтажі призводить до недостатнього попереднього натягу та недостатнього тертя між маточиною колеса та півосі, викликаючи відносне ковзання під час роботи автомобіля.

Під час високошвидкісного обертання колеса болт періодично обертається разом із маточиною. На хвостовик болта діє змінна сила видавлювання з обох боків стінки отвору, що призводить до високочастотних циклічних радіальних навантажень. Тривала циклічна дія навантаження ініціює та розширює втомні тріщини, що зрештою призводить до втомного руйнування болта.

Якщо руйнування колісного болта відбувається після експлуатації транспортного засобу, інспектори повинні спочатку спостерігати за морфологією руйнування, щоб попередньо оцінити втомну поломку перед проведенням подальшого поглибленого аналізу.

3 Перелом від перевантаження

Злам через перевантаження відноситься до руйнування при розтягуванні, коли загальне осьове навантаження перевищує допустиму межу матеріалу болта. Оскільки ефективна опорна площа різьбової секції менша, ніж у гладкого хвостовика з більшою концентрацією напруги, руйнування від перевантаження в основному відбувається в різьбовій секції, яку можна попередньо визначити за морфологією зламу.

Болти класу 8.8 демонструють очевидне звуження після перелому від перевантаження; Болти класу 10.9 мають невелику шийку; Високоміцні болти класу 12.9 в основному не мають властивостей шийки за нормальних умов перевантаження.

Очевидна шийка може також з’явитися в болтах класу 8.8-12.9 з некваліфікованими матеріалами, недостатньою термічною обробкою, неповним гартом або недостатньою твердістю сердечника. Таким чином, критерії оцінки руйнування через перевантаження визначаються наступним чином:

(1) Для переломів із шийками випробування зразків проводяться відповідно до GB/T 3098.1. Злам через перевантаження можна підтвердити, якщо кваліфіковано твердість серцевини.

(2) Металографічний аналіз необхідний дляВисокоміцні болти класу 12.9щоб визначити руйнування через перевантаження, оскільки дефекти поверхні різьби та дефекти матеріалу також можуть спричинити руйнування різьбової частини, і про це не можна судити лише за зовнішнім виглядом.

Руйнування через навантаження в основному відбувається в болтових з’єднаннях під дією осьових навантажень, з трьох основних причин:

a. Надмірно високий крутний момент складання призводить до того, що попереднє натяг перевищує межу плинності матеріалу болта, що призводить до розтягування або руйнування болта під час складання.

b. Надмірне попереднє натягування, близьке до межі текучості болта. Під час роботи обладнання болт несе як залишкове попереднє, так і робоче навантаження. Суперпозиція двох навантажень, що перевищують межу міцності матеріалу, викликає руйнування через навантаження. За постійного робочого навантаження більш високе попереднє навантаження в зборі призводить до більшого залишкового попереднього навантаження та більшого ризику перевантаження.

в. Неправильний вибір болта з недостатнім номінальним діаметром різьби, що не відповідає вимогам до підшипників у конструктивному проекті.

Злам болта 4, викликаний ексцентричним навантаженням

Розрив болта через ексцентричне навантаження є типовою несправністю процесу складання. На опорній поверхні болта можна спостерігати явні сліди зносу у формі півмісяця, при цьому фактична опорна площа становить лише від 1/4 до 1/3 загальної опорної площі та сильно нерівномірний розподіл напруги. Хвостовик болта поблизу зламу згинається протилежно напрямку напруги, демонструючи типові ексцентричні характеристики вигину та руйнування.

Відмова болтів від ексцентричного навантаження в основному спричинена двома факторами:

По-перше, контактна опорна поверхня з’єднаних частин є нахиленою або нерівною, що призводить до локальної напругиголовка болтаі формування ексцентричного навантаження, яке є основною причиною цього випадку відмови.

По-друге, надмірна помилка прямолінійності або деформація вигину хвостовика болта спричиняє власне ексцентричне навантаження під час складання.

Два типи ексцентричних навантажень суттєво відрізняються за положенням напруги та напрямком вигину хвостовика, які можна розрізнити за слідами напруги опорної поверхні та напрямком деформації болта.

5 Висновок

Несправності кріплення, такі як розрив, зісковзування та ослаблення різьби, не завжди викликані внутрішніми дефектами якості продукту. Стандартизовані процедури усунення несправностей повинні бути дотримані, коли виникає збій кріплення:

По-перше, повністю збережіть несправні зразки та захистіть поверхні зламу від іржі, зіткнення та вторинного пошкодження, щоб забезпечити точний аналіз несправностей.

По-друге, попередньо визначте тип руйнування та причину руйнування на основі морфології руйнування, зовнішнього вигляду зразка, слідів поверхневого напруження та фактичних умов роботи.

По-третє, проводити професійні фізико-хімічні випробування, включаючи металографічний аналіз і визначення твердості. Якщо показники матеріалу та термічної обробки відповідають національним стандартам, несправність походить від структурного проектування або процесу складання; інакше це підтверджується як дефект якості кріплення.

По-четверте, сформулюйте цільові заходи щодо усунення та запобігання відповідно до підтверджених причин несправностей, стандартизуйте специфікації конструкції та оптимізуйте процеси складання, щоб уникнути повторення подібних несправностей.