Strojna oprema in jeklene konstrukcije so sestavljene iz različnih komponent, ki so večinoma fiksno povezane z navojnimi spojkami. Okvara navojnih pritrdilnih elementov neposredno vodi v okvaro opreme. V hudih primerih lahko povzroči zaustavitev opreme, sesutje konstrukcije in celo telesne poškodbe.

Glede na visoko pogostost in resne nevarnosti okvare pritrdilnih elementov morajo tehniki sistematično analizirati inducirajoče dejavnike in oblikovati ciljno usmerjene popravne in preventivne ukrepe za popolno odpravo okvar pritrdilnih elementov.

Okvare pritrdilnih elementov so v glavnem razdeljene v dve kategoriji. Prva kategorija je zlom vijaka, ki povzroči takojšnjo ločitev povezanih struktur in običajno povzroči hude okvare opreme in varnostne nesreče. Druga kategorija vključuje zrahljanje niti in zdrs nitivijaki ali matice, ki povzroči majhen relativni premik med povezanimi deli in povzroči delno okvaro opreme in zmanjšano natančnost delovanja.

Okvara pritrdilnih elementov je progresiven proces. Manjše popuščanje brez pravočasnega zdravljenja se bo še naprej poslabšalo in sčasoma povzročilo popolno ločitev vijakov in matic, kar bo povzročilo večje varnostne nesreče. V praktičnih aplikacijah večina osebja napačno razume, da zlom vijaka povzročijo izključno napake v materialu in zrahljanje matice zaradi slabe kakovosti matice, medtem ko ignorira glavne težave, kot so nerazumna strukturna zasnova in nestandardni postopki sestavljanja. Ta članek sistematično analizira vzroke za različne zlome vijakov z vidika načrtovanja in montaže.

1 Strižni zlom

Strižni lom vijaka se večinoma pojavi pri navojnih povezavah pod čisto prednapetostjo. Strižna lomna površina se nahaja na stičišču dveh povezanih delov in predstavlja majhno gladko in svetlo strižno območje. Posebni vzroki za napake so povzeti, kot sledi.

1.1 Vzroki načrtovanja

(1) Nezadosten koeficient trenja na vmesniku spoja ali nepravilno izbrane specifikacije vijaka povzročijo neustrezno prednapetost. Ko je sila trenja na površini spoja manjša od prečne delovne obremenitve, izražene s formulo fF′＜F (kjer je f koeficient trenja vmesnika, F′ prednapetost vijaka in F prečna delovna obremenitev), pride do relativnega zdrsa med povezanimi komponentami. Steblo sornika je izpostavljeno iztiskanju in strižni sili iz stene luknje. Ko strižna napetost preseže strižno trdnost materiala vijaka, pride do strižnega loma. Premični deli pod udarnimi obremenitvami so bolj dovzetni za takšno okvaro. Pri konstrukcijskem načrtovanju je mogoče prilagoditi dele za zmanjšanje obremenitve in pozicionirna ramena za prenašanje prečnih obremenitev, tako da sorniki opravljajo samo natezno povezavo brez nosilne strižne sile.

(2) Pritrdilni elementi brez struktur proti zrahljanju se uporabljajo v vibracijskih delovnih pogojih. Dolgotrajne vibracije opreme zrahljajo navojni par in zmanjšajo prednapetost vijaka, kar povzroči nezadostno trenje vmesnika in nadaljnji zdrs komponente ter strižni zlom vijaka. Za konstrukcije, ki delujejo v okoljih z vibracijami, je treba uporabiti posebne pritrdilne elemente proti popuščanju, kot so matice Spiralock in protimatice s prevladujočim navorom, da se prepreči neuspeh pri popuščanju.

1.2 Vzroki sestavljanja

Nezadostni zatezni moment sklopa povzroči podstandardno prednapetost vijaka in neustrezno trenje vmesnika. Zunanje obremenitve povzročijo relativni zdrs komponent in sčasoma povzročijo strižni zlom vijaka. Navor zategovanja vijakov je kritičen indikator procesa pri inženiringu jeklenih konstrukcij in sestavljanju motorjev in zahteva strog nadzor. Vendar pa je v drugih panogah zaradi pomanjkanja standardiziranega upravljanja navora pogosto zapostavljen. V praktičnih primerih okvar je večina napak pri zrahljanju niti in zlomu posledica neustreznega navora pri sestavljanju.

Vpenjalno silo para navojev ustvarijo vrteče se matice ali vijaki in je v pozitivni korelaciji z navorom sklopa. Da bi zagotovili, da prednapetost izpolnjuje konstrukcijske zahteve, mora biti montažni navor jasno določen v procesnih dokumentih in dosledno upoštevan med delovanjem. Formula za izračun navora montaže je naslednja:

M=KPD

Kjer je: M - montažni moment (Nm); K - koeficient navora; P - Projektirana prednapetost (kN); D - Nazivni premer vijaka (mm).

Pri običajni izvedbi je prednapetost vijaka nastavljena med 60 % in 80 % meje tečenja materiala z varnostnim faktorjem nad 1,2. Obremenitev tečenja vijakov z različnimi specifikacijami in stopnjami trdnosti se lahko nanaša na GB/T 3098.1.

Koeficient vrtilnega momenta je določen s koeficientom trenja parov niti in kontaktne površine medpritrdilni elementi in povezane dele. Nanj vplivajo površinska obdelava, natančnost trdnosti, geometrijska toleranca, natančnost navojev, hrapavost podporne površine in strukturna togost. Površinska obdelava služi kot prevladujoči dejavnik. Različne površinske obdelave povzročajo velike razlike v koeficientu navora, do skoraj dvakrat. Za pare navojev z enako specifikacijo in trdnostjo je koeficient navora pri obdelavi s fosfatiranjem približno 0,13 do 0,15, medtem ko je koeficient navora pri obdelavi s črnenjem v razponu od 0,26 do 0,30.

Zato pritrdilni elementi s fosfatiranjem in črnenjem povzročijo skoraj dvojno razliko prednapetosti pri enakem navoru pri sestavljanju. Koeficient navora je treba kalibrirati s poskusi. Proizvajalci pritrdilnih elementov morajo strogo nadzorovati postopke površinske obdelave, da zagotovijo dosledne koeficiente navora vsake serije. Uporabniki ne smejo samovoljno spreminjati zahtev glede površinske obdelave, da bi se izognili nezadostni prednapetosti, raztezanju vijakov ali zlomu zaradi nihanja koeficienta navora.

2 Zlom zaradi utrujenosti

Utrujeni lom je eden najpogostejših načinov odpovedi vijakov. Večina okvar zaradi utrujenosti izvira iz proizvodnih napak, vključno z negladkimi prehodnimi koti pod glavami vijakov, nezadostnim polmerom korena navoja, površinskimi praskami in vključki materiala. Medtem je nestandardna montaža tudi pomembna spodbuda za zlom zaradi utrujenosti in morebitne varnostne nesreče.

Če za primer vzamemo avtomobilske kolesne vijake, strukturna zasnova omogoča, da kolesni vijaki nosijo samo aksialno prednapetost brez neposredne radialne obremenitve. Nezadosten navor pri sestavljanju povzroči neustrezno prednapetost in nezadostno trenje med pestom kolesa in polgredi, kar povzroči relativno zdrsovanje med delovanjem vozila.

Med vrtenjem kolesa pri visoki hitrosti se vijak občasno vrti s pestom. Steblo vijaka je izpostavljeno izmenični sili iztiskanja z obeh strani stene luknje, kar ima za posledico visokofrekvenčne ciklične radialne obremenitve. Dolgotrajno ciklično delovanje obremenitve sproži in razširi utrujenostne razpoke, kar sčasoma povzroči zlom zaradi utrujenosti vijaka.

Kadar po delovanju vozila pride do zloma kolesnega vijaka, morajo inšpektorji najprej opazovati morfologijo zloma, da predhodno ocenijo odpoved zaradi utrujenosti, preden izvedejo nadaljnjo poglobljeno analizo.

3 Preobremenitveni zlom

Zlom zaradi preobremenitve se nanaša na natezni zlom, ko skupna aksialna obremenitev preseže dovoljeno mejo materiala vijaka. Ker je efektivna nosilna površina navojnega odseka manjša kot pri gladkem steblu z močnejšo koncentracijo napetosti, pride do preobremenitvenega loma večinoma na navojnem odseku, kar je mogoče predhodno identificirati z morfologijo loma.

Vijaki stopnje 8.8 kažejo očiten vrat po zlomu zaradi preobremenitve; Vijaki razreda 10.9 imajo rahel vrat; Vijaki z visoko trdnostjo razreda 12.9 v bistvu nimajo nobenih lastnosti vratov v normalnih pogojih preobremenitve.

Očitno zarezovanje se lahko pojavi tudi pri vijakih stopnje 8.8 do 12.9 z nekvalificiranimi materiali, neustrezno toplotno obdelavo, nepopolnim kaljenjem ali nezadostno trdoto jedra. Zato so merila za presojo zloma zaradi preobremenitve določena na naslednji način:

(1) Za zlome z vratom se preskušanje vzorcev izvede v skladu z GB/T 3098.1. Zlom zaradi preobremenitve je mogoče potrditi, če je trdota jedra kvalificirana.

(2) Metalografska analiza je potrebna zaVijaki visoke trdnosti razreda 12.9za določitev zloma zaradi preobremenitve, ker lahko površinske napake navoja in materialne napake povzročijo tudi zlom navojnega odseka in jih ni mogoče oceniti zgolj po videzu.

Do loma zaradi preobremenitve pride predvsem v vijačnih povezavah pod aksialnimi obremenitvami s tremi glavnimi vzroki:

a. Previsok navor pri sestavljanju povzroči, da prednapetost preseže mejo tečenja materiala vijaka, kar povzroči raztezanje ali zlom vijaka med sestavljanjem.

b. Prekomerna prednapetost sklopa blizu meje tečenja vijaka. Med delovanjem opreme nosi vijak preostalo prednapetost in delovno obremenitev. Superpozicija obeh obremenitev, ki presegata mejo trdnosti materiala, povzroči zlom zaradi preobremenitve. Pri konstantni delovni obremenitvi večja prednapetost sklopa povzroči višjo preostalo prednapetost in večje tveganje preobremenitve.

c. Neustrezna izbira vijaka z nezadostnim nazivnim premerom navoja ne izpolnjuje zahtev glede ležajev v konstrukcijskem načrtu.

Zlom 4 vijakov zaradi ekscentrične obremenitve sklopa

Zlom vijaka zaradi ekscentrične obremenitve je tipična napaka pri montažnem procesu. Na podporni površini vijaka je mogoče opaziti očitne oznake obrabe v obliki polmeseca, pri čemer dejanska nosilna površina predstavlja le 1/4 do 1/3 celotne podporne površine in močno neenakomerno porazdelitev napetosti. Steblo vijaka v bližini zloma se upogne v nasprotni smeri napetosti, kar kaže tipične ekscentrične lastnosti upogiba in zloma.

Odpoved vijakov zaradi ekscentrične obremenitve povzročata predvsem dva dejavnika:

Prvič, kontaktna podporna površina povezanih delov je nagnjena ali neravna, kar povzroči lokalno napetost naglava vijakain oblikovanje ekscentrične obremenitve, ki je glavni vzrok tega primera okvare.

Drugič, prekomerna napaka ravnosti ali upogibna deformacija stebla vijaka povzroči inherentno ekscentrično obremenitev med montažo.

Obe vrsti ekscentričnih obremenitev se bistveno razlikujeta v položaju napetosti in smeri upogiba stebla, ki ju je mogoče razlikovati po sledi napetosti na nosilni površini in smeri deformacije sornika.

5 Zaključek

Okvare pritrdilnih elementov, kot so zlom, zdrs niti in zrahljanje, niso vedno posledica inherentnih napak v kakovosti izdelka. Ko pride do okvare pritrjevanja, je treba upoštevati standardizirane postopke za odpravljanje težav:

Prvič, popolnoma ohranite pokvarjene vzorce in zaščitite polomljene površine pred rjo, trkom in sekundarno poškodbo, da zagotovite natančno analizo okvare.

Drugič, predhodno določite vrsto okvare in vzrok na podlagi morfologije zloma, videza vzorca, sledi površinske napetosti in dejanskih delovnih pogojev.

Tretjič, opravite profesionalne fizikalne in kemijske teste, vključno z metalografsko analizo in zaznavanjem trdote. Če indikatorji materiala in toplotne obdelave ustrezajo nacionalnim standardom, napaka izvira iz strukturnega načrtovanja ali postopka sestavljanja; v nasprotnem primeru je potrjeno kot napaka v kakovosti pritrdilnega elementa.

Četrtič, oblikovati ciljno usmerjene popravne in preventivne ukrepe v skladu s potrjenimi vzroki okvar, standardizirati konstrukcijske specifikacije in optimizirati postopke sestavljanja, da se izognemo ponovitvi podobnih okvar.