Spôsoby uťahovania závitových spojovacích prvkov

Jednou z kľúčových výziev pri skrutkovej montáži je dosiahnutie presného predpätia pomocou vhodných metód uťahovania. Nedostatočné predpätie spôsobené nepresnými procesmi uťahovania je častou príčinou zlyhania skrutkového spojenia. Dizajnéri musia byť oboznámení s princípmi a charakteristikami bežných techník uťahovania skrutiek. Tento článok systematicky predstavuje šesť základných metód kontroly predpätia skrutiek. Je potrebné poznamenať, že určitý stupeň rozptylu predpätia je nevyhnutný bez ohľadu na použitú metódu uťahovania, ktorá patrí k normálnym procesným charakteristikám.

Na kontrolu predpätia závitov sa široko používa šesť bežných metódspojovacie prvky:uťahovanie riadené krútiacim momentom, uťahovanie riadené uhlom, uťahovanie riadené medzou klzu, uťahovanie natiahnutím skrutiek, tepelné uťahovanie a uťahovanie indikujúce napätie.

1. Uťahovanie riadené krútiacim momentom

Uťahovanie riadené krútiacim momentom je najbežnejšie používaná metóda riadenia predpätia v priemyselných aplikáciách. Menovitý uťahovací moment potrebný na montáž skrutky je možné získať zo štandardných tabuliek momentov alebo vypočítať podľa korelácie medzi uťahovacím momentom a predpätím skrutky.

Počas uťahovania znáša driek skrutky axiálne ťahové napätie aj torzné šmykové napätie. Bežné referenčné tabuľky krútiaceho momentu vo všeobecnosti ignorujú torzné napätie a predpokladajú, že 75 % celkového napätia prispieva k efektívnemu axiálnemu napätiu. V podmienkach vysokého trenia sa torzné napätie výrazne zvyšuje. Pri superponovaní s axiálnym napätím môže ekvivalentné napätie prekročiť medzu klzu materiálu a viesť k porušeniu skrutky. Pre vyššiu presnosť je proces riadený tak, že kombinované ekvivalentné napätie dosiahne približne 90 % medze klzu, čím sa zabezpečí bezpečná a spoľahlivá montáž vyvážením axiálneho a torzného namáhania.

Samosvorné spojovacie prvky s dominantným krútiacim momentom ako naprnylonové poistné matice a mechanické poistné matice sú široko používané v scenároch náchylných na vibrácie, aby sa zabránilo uvoľneniu. Tieto upevňovacie prvky výrazne zvyšujú torzné napätie v drieku skrutky počas uťahovania a menia účinnosť prevodu krútiaceho momentu na predpätie. Preto sa hodnoty krútiaceho momentu musia pri nastavovaní parametrov zodpovedajúcim spôsobom upraviť.

Hlavným obmedzením uťahovania riadeného krútiacim momentom je, že 85 % až 95 % použitého krútiaceho momentu sa spotrebuje na prekonanie trenia závitu a povrchu ložiska. Menšie zmeny v podmienkach trenia môžu viesť k značnej odchýlke predpätia. Použitie stabilizátorov trenia na spojovacie prvky môže znížiť rozptyl trenia a zlepšiť presnosť uťahovania.

Štandardné opatrenia na zlepšenie presnosti uťahovacieho momentu sú zhrnuté takto:

1. Vyhnite sa používaniu obyčajných plochých podložiek. Relatívny sklz medzi podložkami a kontaktnými plochami mení efektívny polomer trenia a deformuje vzťah predpätia krútiaceho momentu. Ak je potrebná väčšia nosná plocha na zníženie povrchového tlaku, uprednostňujú sa prírubové skrutky a prírubové matice.

2. Určte uťahovací moment pomocou skutočnej kalibrácie. Na driek skrutky je možné pripevniť tenzometre pre kalibráciu utiahnutia na mieste v reálnych montážnych podmienkach. Snímače zaťaženia inštalované pod hlavami skrutiek poskytujú pomocné meranie, ale sú menej presné ako tenzometre kvôli zmeneným charakteristikám kontaktu.

3. Keď nie je k dispozícii experimentálna kalibrácia, vypočítajte štandardný uťahovací moment komplexne na základe tolerancie opracovania upevňovacieho prvku, rozmerov ložiska matíc a charakteristík blokovacieho momentu. Profesionálny program na výpočet krútiaceho momentu TORQUE vyvinutý spoločnosťou Bolt Science dokáže realizovať presný výpočet.

4. Špecifikujte hodnoty uťahovacieho momentu na montážnych výkresoch so štandardnou toleranciou ±5 %. Pre kritické spoje použite kalibrované momentové kľúče a vykonajte overenie momentu po montáži.

Rôzne metódy uťahovania vedú k odlišným úrovniam rozptylu predpätia, medzi ktorými čistá kontrola krútiaceho momentu predstavuje relatívne veľkú odchýlku.

2. Utiahnutie riadené uhlom

Uťahovanie riadené uhlom, tiež známe ako metóda otáčania matíc, bolo zavedené krátko po druhej svetovej vojne na ručnú montáž a teraz je kompatibilné so zariadeniami na mechanické uťahovanie. Proces najprv utiahne skrutku na uťahovací moment a potom maticu otočí o vopred stanovený uhol, aby sa skrutka čiastočne plasticky deformovala. Táto metóda účinne znižuje kolísanie predpätia spôsobené toleranciou medze klzu a poskytuje lepšiu konzistenciu predpätia ako čisté uťahovanie momentom.

Medzi hlavné nevýhody patrí požiadavka na experimentálnu kalibráciu uťahovacích uhlov (žiadne univerzálne použiteľné parametre) a obmedzená opätovná použiteľnosť. Opakované uťahovanie po plastickej deformácii ľahko spôsobí únavové zlyhanie spojovacích prvkov.

3. Riadené uťahovanie s bodom klzu

Táto technika vyvinutá spoločnosťou SPS a známa aj ako metóda spoločného riadenia poskytuje jednu z najvyšších presností predpätia. Minimalizuje vplyv kolísania koeficientu trenia a dosahuje vysoko konzistentné predpätie skrutiek.

Táto metóda, odvodená z manuálneho posúdenia pocitu utiahnutia, využíva vysoko presný elektronický riadiaci systém na zber údajov krútiaceho momentu a uhla natočenia v reálnom čase. Monitorovaním zmeny sklonu gradientu krútiaceho momentu systém presne identifikuje medzu klzu skrutky a okamžite ukončí uťahovanie, aby sa zabránilo preťaženiu.

Napriek zlepšenej stabilite stále existuje malý rozptyl predpätia v dôsledku trenia závitu. Vyššie trenie závitu zvyšuje torzné napätie a znižuje axiálne predpätie pod rovnakým prahom klzu. Táto metóda presne zisťuje poddajnosť skrutky pri kombinovanom účinku ťahu a krútenia.

Uťahovanie s riadeným bodom klzu sa široko používa pre kritické komponenty, ako naprskrutky hlavy valcov a skrutky ojnice, poskytujúce stabilné vysoké predpätie a umožňujúce optimalizované dimenzovanie skrutiek. Avšak vysoké náklady na špecializované inteligentné uťahovacie nástroje obmedzujú široké použitie. Pri údržbe v teréne nie je možné zaručiť spoľahlivé vysoko presné predpätie bez zodpovedajúceho profesionálneho vybavenia.

4. Utiahnutie natiahnutia skrutiek

Skrutky s veľkým priemerom vyžadujú extrémne vysoký uťahovací moment, čo je pre bežné nástroje náročné. Pre skrutky s priemerom väčším ako 20 mm sa bežne používa hydraulické rozťahovanie, ktoré nahrádza hydraulické momentové kľúče, čím sa predchádza nadmernej reakčnej sile krútiaceho momentu a obmedzený pracovný priestor.

Princíp činnosti: Na matici je nasadený vyhradený hydraulický valec. Závit svorníka alebo svorníka úplne prechádza cez maticu a spája sa s napínacím prípravkom. Hydraulický tlak natiahne skrutku axiálne, aby sa vytvorilo elastické predĺženie. Pri zachovaní napínacieho zaťaženia sa matica ručne otáča a zaisťuje na mieste pomocou objímky a momentovej tyče.

Táto metóda poskytuje extrémne vysokú presnosť predpätia vďaka presnému hydraulickému ovládaniu tlaku. Menšia strata predpätia však nastáva po uvoľnení tlaku v dôsledku elastického odskoku. Hlavným prevádzkovým problémom zostáva demontáž skorodovaných alebo zaseknutých matíc.

5. Tepelné utiahnutie

Tepelné uťahovanie využíva vlastnosti tepelnej rozťažnosti kovu. Skrutka sa zahrieva a predlžuje a matica sa otáča a umiestňuje. Počas chladenia sa skrutka pokúša stiahnuť, ale je pozdĺžne obmedzená upnutými komponentmi, čím sa vytvára stabilné axiálne predpätie.

Bežné spôsoby ohrevu zahŕňajú ohrev priamym plameňom, ohrievacie plášťové cievky a vykurovacie články s odporom uhlíka. Proces je časovo náročný a presné meranie deformácie vyžaduje úplné ochladenie na teplotu okolia, čo vedie k nízkej účinnosti. Zriedkavo sa používa vo všeobecných priemyselných odvetviach a je použiteľný iba pre extrémne veľké skrutky pre veľké zaťaženie.

6. Utiahnutie indikované napätím

Táto metóda využíva špecializované upevňovacie prvky indikujúce zaťaženie, podložky indikujúce zaťaženie alebo techniky detekcie deformácií na nepriame meranie predĺženia skrutiek a predpätia, ktoré pokrývajú rôzne vysoko presné montážne riešenia.

Typické skrutky indikujúce napätie zahŕňajú Rotabolt a HiBolt. Rotabolt sa vyznačuje stredovým vŕtaným otvorom s vnútorným meracím kolíkom a otočnou vôľou. Čap zostáva počas elastického naťahovania nezaťažený; akonáhle je dosiahnuté plné predpätie, vôľa zmizne a rotácia je zablokovaná, čo indikuje správne utiahnutie. HiBolt využíva podobný princíp, v ktorom mierne zmrštenie skrutky upne stredový kolík, aby odrážalo stav napätia.

Záťažové podložky sa široko používajú v stavebných oceľových konštrukciách. Prefabrikované výstupky na povrchu podložky podliehajú plastickej deformácii pri zaťažení. Správne predpätie sa overí meraním zvyškovej medzery pomocou spáromeru. Tento typ podložiek sa zriedka používa pri presnej mechanickej montáži.

Predĺženie skrutky možno priamo merať pomocou mikrometrov alebo presne detegovať pomocou ultrazvukového testovania. Hodnoty predĺženia možno previesť do reálneho časuskrutkapredpätie prostredníctvom kalibrácie alebo výpočtu. Pri ultrazvukovom meraní si hlava skrutky a koncový povrch vyžadujú brúsenie, aby sa zabezpečil optimálny akustický odraz a presnosť testovania.