Analýza bežných príčin zlomenia skrutky spojovacieho prvku

Existujú rôzne príčiny zlomenia skrutkyspojovacie prvky. Vo všeobecnosti je poškodenie skrutiek spôsobené stresovým faktorom, únavou, koróziou a vodíkovým skrehnutím.

Zlomenina skrutky

1. Stresový faktor
Prekročenie konvenčného napätia (prepätia) je spôsobené ktorýmkoľvek z nich alebo kombináciou šmyku, ťahu, ohybu a tlaku.
Väčšina konštruktérov najprv zvažuje kombináciu ťahového zaťaženia, sily predpätia a dodatočného praktického zaťaženia. Sila pred uťahovaním je v podstate vnútorná a statická, čo stláča komponenty spoja. Praktické zaťaženia sú vonkajšie, typicky cyklické (vratné) sily pôsobiace na spojovacie prvky.
Ťahové zaťaženie sa pokúša odolávať otvoreniu komponentov spoja. Keď tieto zaťaženia prekročia medzu klzu skrutky, skrutka sa zmení z elastickej deformácie na plastickú deformáciu, čo má za následok trvalú deformáciu skrutky. Po odstránení vonkajšej záťaže sa teda nedá vrátiť do pôvodného stavu. Z podobných dôvodov, ak vonkajšie zaťaženie skrutky prekročí jej medzu pevnosti v ťahu, skrutka sa zlomí.
Utiahnutie skrutiek sa dosiahne krútením silou predpätia. Počas inštalácie vedie nadmerný krútiaci moment k nadmernému utiahnutiu a znižuje axiálnu pevnosť v ťahu spojovacích prvkov tým, že ich vystavuje nadmernému namáhaniu. Inými slovami, skrutky vystavené nepretržitému krúteniu majú nižšie hodnoty klzu v porovnaní so skrutkami priamo vystavenými ťahu a ťahu. Týmto spôsobom môže skrutka povoliť pred dosiahnutím minimálnej pevnosti v ťahu zodpovedajúcej normy. Veľký krútiaci moment môže zvýšiť silu predbežného utiahnutia skrutky a zodpovedajúcim spôsobom znížiť vôľu spoja. Aby sa zvýšila uzamykacia sila, predbežná uťahovacia sila je vo všeobecnosti nastavená na hornú hranicu. Týmto spôsobom, pokiaľ rozdiel medzi medzou klzu a medzou medzou pevnosti v ťahu nie je malý, skrutky vo všeobecnosti nepovolia v dôsledku krútenia.
Šmykové zaťaženie pôsobí vertikálnou silou na pozdĺžnu osskrutka. Šmykové napätie sa delí na jednoduché šmykové napätie a dvojité šmykové napätie. Z empirických údajov vyplýva, že medzné jednoduché šmykové napätie je približne 65 % medzného ťahového napätia. Mnohí dizajnéri uprednostňujú šmykové zaťaženie, pretože využívajú pevnosť v ťahu a šmyku skrutiek. Pôsobia hlavne ako hmoždinky, tvoria relatívne jednoduché spojenia pre spojovacie prvky vystavené strihu. Nevýhodou je, že šmykové spoje majú obmedzený rozsah použitia a nemožno ich často používať, pretože vyžadujú viac materiálov a priestoru. Vieme, že rozhodujúcu úlohu zohráva aj zloženie a presnosť materiálov. Materiálové údaje, ktoré premieňajú ťahové napätie na šmykové zaťaženie, sú však často nedostupné.
Sila predbežného utiahnutia spojovacích prvkov ovplyvňuje integritu šmykových spojov. Čím je sila predpätia nižšia, tým ľahšie sa spojovacia vrstva pri kontakte so skrutkou posúva. Únosnosť šmyku sa vypočíta vynásobením počtu priečnych rovín (jedna šmyková rovina sa nazýva jednoduchý strih a dve šmykové roviny sa nazývajú dvojité strihy), čo by mali byť prierezy skrutiek bez závitu. Nepodporujeme navrhovanie šmykových závitov, pretože šmykovú pevnosť spojovacích prvkov možno prekonať koncentráciou napätia pri zmene prierezu. Pri určovaní pevnosti spojovacích prvkov v šmyku niektorí konštruktéri používajú oblasť napätia v ťahu, iní uprednostňujú profily s malým priemerom. Ak je skrutka v šmykovom spojení skrútená na špecifikovanú hodnotu (ako je znázornené na obrázku 2), dosadacia plocha kontaktnej vrstvy sa nemôže začať posúvať, kým neprekročí vonkajší trecí odpor. Zvýšenie trenia medzi lícovanými povrchmi môže zlepšiť celkovú integritu spojenia. Niekedy môže byť počet skrutiek, ktoré je potrebné použiť, obmedzený z dôvodu veľkosti dielov a konštrukčných požiadaviek.

Obrázok 2: Bez ohľadu na to, či je spojovací komponent jednoduchý alebo dvojitý, rezná plocha by nemala prechádzať cez závitovú časť spojovacieho prvku
Okrem zaťaženia v ťahu a šmyku je namáhanie v ohybe ďalším zaťažením, ktorému sú skrutky vystavené, spôsobené vonkajšími silami, ktoré nie sú kolmé na pozdĺžnu os skrutky a nachádzajú sa na nosných a protiľahlých plochách. Celkovo platí, že čím jednoduchšie je spojenie upevňovacieho prvku, tým väčšia je jeho integrita a spoľahlivosť.
2. Únava
V súčasnosti neexistuje žiadna špecifická legislatíva, ktorá by nasmerovala dodávateľov k nákupu kľúčových komponentov, ktoré sú v súlade s priemyselnými normami v príslušných predpisoch pre priemyselné spojovacie prvky, najmä bez uvedenia hlavnej príčiny zlyhania spojovacieho prvku – únavy. Únavové poškodenie sa odhaduje na 85 % z celkového počtu zlyhaní spojovacích prvkov.
Únava v skrutkách je nepretržité pôsobenie cyklických ťahových zaťažení, ktoré má za následokskrutkysú vystavené relatívne malým silám predpätia a striedavým pracovným zaťaženiam. Pri takýchto podmienkach dvojitého zaťaženia po dlhú dobu skrutky zlyhajú, keď je ich menovitá pevnosť v ťahu menšia ako. Únavová životnosť je určená počtom a amplitúdou zaťažovacích zaťažovacích cyklov. Niektoré lisované konektory, ako sú lisy, lisovacie zariadenia a lisovacie stroje, môžu tiež zaznamenať únavové zlomeniny. Počas prevádzky sa medzi výkonom a predpätím vytvárajú viaceré kompozitné napätia. Pri opakovaných strečových pohyboch je počet a amplitúda stresových zmien ovplyvnená stupňom únavy a poškodenia.
Typické priemyselné upevňovacie prvky, ako sú šesťhranné skrutky, sa neustále predlžujú a vracajú sa do pôvodného tvaru v rámci určitého rozsahu elasticity. Ak sú vystavené namáhaniu mimo normálneho rozsahu a za elastický rozsah, podstúpia trvalú deformáciu, kým sa nakoniec nezlomia. Správanie vysúvania a návratu do rozšíreného stavu sa nazýva cyklus. Skrutka s vnútorným šesťhranom vydrží približne 240-10 stupňové cykly za deň (maximálne), ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3 Vylepšený Goodmanov diagram

Bodkovaná uhlopriečka označuje priemernú hodnotu striedavého zaťaženia skrutky s 90% pravdepodobnosťou pre 10 miliónov cyklov. Skutočná diagonálna čiara ukazuje, že keď sila pred utiahnutím skrutky dosiahne 100 ksi, maximálna odchýlka medzi dynamickým zaťažením a priemerným napätím je 12 ksi.
Spojovacie prvky nakoniec prasknú v dôsledku opakovaných cyklov namáhania od špičky k špičke. Zlomenie sa zvyčajne vyskytuje v najzraniteľnejšom bode spojovacieho prvku, ktorý inžinieri označujú ako "oblasť maximálnej koncentrácie napätia". Akonáhle sa vyskytnú mikrotrhliny v bode koncentrácie napätia a budú naďalej vystavené namáhaniu, trhliny sa rýchlo rozšíria a spôsobia únavové poškodenie spojovacieho prvku. Podniky vyrábajúce spojovacie materiály na priemyselné použitie neustále skúmajú nové lisovacie procesy a navrhujú a vyvíjajú nové výrobné metódy, ktoré môžu prekonať vyššie uvedené fatálne nedostatky.
Medzi najčastejšie miesta únavového zlyhania patrí spoj (tj prvý zaťažený závit), zaoblenie koreňa, závit a ukončenie závitu. Vďaka zlepšeniu únavovej pevnosti vývojom lepších materiálov a výrobných metód vo výrobnom priemysle sa závity stali najslabším miestom spojovacích prvkov a v súčasnosti najvyšším podielom poškodení spôsobených únavovým porušením.
Vzájomný vzťah medzi premennými napätia v dizajne a výkonnostnými charakteristikami spojovacích prvkov robí stanovenie noriem únavovej pevnosti náročnou úlohou. V súčasnosti je to zložitý proces na určenie počtu „cyklov do prasknutia“ a meranie relatívnej pevnosti série spojovacích prvkov.
3. Korózia
Ďalším dôvodom zlomenia skrutky je korózia. Korózia má mnoho foriem, vrátane bežnej korózie, chemickej korózie, elektrolytickej korózie a korózie pod napätím. Elektrolytická korózia sa vzťahuje na vystavenie spojovacích prvkov rôznym vlhkým látkam, ako je dažďová voda alebo kyslá hmla, čo sú elektrolyty, ktoré môžu spôsobiť chemickú koróziu spojovacích prvkov; Po druhé, v dôsledku rôznych materiálov spojovacích prvkov sú ich elektrolytické potenciály odlišné a potenciálny rozdiel môže ľahko vytvárať "mikrobatérie". Dizajnéri by mali vyberať materiály s podobným elektrolytickým potenciálom čo najviac na základe kompatibility kovov, pričom by sa mali eliminovať podmienky na tvorbu elektrolytu, aby sa predišlo praskaniu spôsobenému elektrolytickou koróziou.
Napäťová korózia je relatívne obmedzená. Napäťová korózia existuje pri vysokom zaťažení v ťahu a postihuje hlavne spojovacie prvky vyrobené z vysoko pevnej legovanej ocele. Spojovacie prvky vyrobené z legovanej ocele (najmä ocele s vysoko legovaným zložením) sú náchylné na praskanie pri namáhaní. Na začiatku sa zvyčajne na povrchu vytvoria trhliny a jamky a potom dochádza k ďalšej korózii, ktorá podporuje šírenie trhlín. Rýchlosť šírenia trhliny je určená napätím na skrutke a lomovou húževnatosťou materiálu. Keď zostávajúci materiál funguje do bodu, kedy nemôže odolať aplikovanému namáhaniu, dochádza k lomu.
4. Vodíkové skrehnutie
Oceľové spojovacie prvky s vysokou pevnosťou (vo všeobecnosti s tvrdosťou Rockwell C36 alebo vyššou) sú náchylnejšie na vodíkové krehnutie. Vodíkové skrehnutie je hlavnou príčinou zlomenia spojovacieho prvku. Vodíkové skrehnutie je jav, pri ktorom atómy vodíka vstupujú a difundujú cez celú matricu materiálu. Keď atómy vodíka vstúpia do matrice materiálu, matrica podstúpi deformáciu mriežky, čím sa naruší pôvodný rovnovážny stav a dá sa ľahko prasknúť pôsobením vonkajších síl. Pri vonkajšom zaťaženískrutka,atómy vodíka migrujú do vysoko koncentrovanej zóny napätia, čo spôsobuje značné napätie medzi okrajmi kryštálových hraníc, čo vedie k prasknutiu medzi kryštálovými časticami spojovacieho prvku.
Keď spojovacie prvky pred inštaláciou obsahujú kritický vodík, zvyčajne sa zlomia do 24 hodín. Ak sa vodík dostane do spojovacieho prvku, nie je možné predpovedať, kedy sa zlomí. Preto pri použití príslušných spojovacích prvkov by dizajnéri mali špecifikovať výber dodávateľov so špecializovanými procesmi a minimálnym potenciálnym vodíkovým krehnutím.
5. Iné faktory
Zlomenie spojenia nie vždy priamo súvisí s katastrofickým zlomom spojovacieho prvku. Mnoho faktorov súvisiacich s upevňovacími prvkami, ako je strata predpätia alebo únava spojov upevňovacích prvkov, môže spôsobiť opotrebovanie; Stredový posun spojovacích prvkov môže počas používania vytvárať hluk a netesnosti, čo si vyžaduje neplánovanú údržbu, aby sa zabránilo zlomeniu. Napríklad vibrácie môžu znížiť trecí odpor závitov a spoje spojovacích prvkov sa môžu uvoľniť v dôsledku pôsobenia pracovného zaťaženia po inštalácii. Tieto faktory spolu s vysokoteplotným dotvarovaním skrutiek môžu viesť k strate sily predpätia. Niekedy možno zlomenie spojenia pripísať príliš veľkému alebo príliš malému otvoru, ktorý prechádza cez otvor, príliš malej úložnej ploche, príliš mäkkému materiálu alebo príliš vysokému zaťaženiu. Žiadna z týchto situácií nespôsobí priame zlomenie skrutky, ale bude mať za následok stratu integrity spojenia alebo prípadné zlomenie skrutky.