Przewodnik inżyniera dotyczący wstępnego obciążenia śruby i siły zacisku

Dokręć śrubę i dzieje się coś nieco sprzecznego z intuicją: rozciąga się. Niezbyt wiele, ale ten mały rozciąganie sprawia, że cała wspólna praca. Śruba zachowuje się jak bardzo sztywna sprężyna, a zablokowane w niej napięcie ściąga mocno zaciśnięte części. To napięcie nazywa się obciążeniem wstępnym i jest największym czynnikiem decydującym o tym, czy połączenie śrubowe utrzymuje się, czy zawodzi. Kompresja, jaką tworzy w zaciskanych częściach, jest siłą zaciskową. Uzyskaj odpowiednie obciążenie wstępne, a staw pozostanie ciasny przez lata. Zrób to źle i naruszyłeś integralność połączeń śrubowych, która stoi za zaskakującą liczbą awarii mechanicznych.

Ten przewodnik omawia, czym właściwie jest obciążenie wstępne i siła zacisku, jak odnoszą się do siebie, co idzie nie tak, gdy są wyłączone i jak utrzymać je pod kontrolą. Inżynierowie Accu cały czas się zastanawiali, więc niezależnie od tego, czy kręcisz krytyczne połączenie, czy po prostu chcesz zrozumieć, co dzieje się pod kluczem, jest tu coś dla Ciebie.

 

Zawartość:

• Co to jest obciążenie wstępne i siła zacisku śruby i jak działają?

• Co się dzieje, gdy źle się pomylisz

• Moment obrotowy i obciążenie wstępne w złączach śrubowych

• Czynniki wpływające na obciążenie wstępne i siłę zacisku

• Metody sterowania obciążeniem wstępnym i siłą zacisku

• Typowe błędy i jak ich unikać

• Kluczowe wnioski

• Często zadawane pytania

Co to jest obciążenie wstępne i siła zacisku śruby i jak działają?

 

Kiedy dokręcasz śrubę, ustawiasz dwie siły działające przeciwko sobie, równe rozmiary, ale przeciwne w kierunku. Pierwszym z nich jest napięcie wstępne, napięcie, które powstaje wewnątrz śruby podczas jej dokręcania. Druga to siła zacisku, ściskanie, które to samo działanie ściska się w złącze.

Wstępne obciążenie pochodzi z rozciągania śruby. Podczas obracania nakrę tki śruba jest mocno pociągnięta i rozciąga się o niewielką ilość, i jak każda rozciągnięta sprę żyna walczy o cofnięcie się do pierwotnej długości. Ten opór, przyciąganie, które wywiera próbując wycofać się, jest obciążeniem wstępnym.

To przyciąganie musi działać przeciwko czemuś. Nakrętka i głowica śruby zatrzymują połączenie między nimi, więc gdy śruba próbuje się skurczyć, ściska zaciśnięte części razem. To ściskanie to siła zacisku.

Wstępne obciążenie i siła zacisku są ze sobą powiązane, ponieważ nie można mieć jednego bez drugiego. Są również zwykle równe pod względem wielkości. Jeśli jest 10 kilonewtonów (kN) obciążenia wstępnego, siła zacisku będzie również wynosić 10 kN.

Co się dzieje, gdy źle się pomylisz

Istnieją dwie główne drogi do awarii, jeśli chodzi o wstępne obciążenie śrub: niedokręcanie i nadmierne dokręcanie. Z samych nazw wynika dość oczywiste, jak możesz dostać się do jednego z tych stanów, ale co się dzieje, gdy źle dotrzesz wstępne obciążenie śruby i jest ona niedokręcona lub nadmiernie dokręcona?

Zacznij od niedokręcania. Zbyt luźna śruba nie może wygenerować siły zacisku, której złącze musi pozostać na miejscu, więc złącze się ślizga. Po ześlizgnięciu ładunek ścinający ląduje bezpośrednio na trzpieniu śruby, zamiast być przenoszony przez tarcie między zaciśniętymi powierzchniami, a ryzyko podniesienia ścinania śruby. Trwałość zmęczeniowa również wymaga dużego uderzenia, ponieważ luźna śruba widzi pełny ruch każdego cyklu obciążenia, a nie łagodne wahania.

To nie koniec. W szczelnych połączeniach zbyt mała siła zacisku oznacza wycieki. I jak powie ci każdy, kto oglądał test Junkera, niedokręcone złącze pod wpływem cyklicznych wibracji z radością rozluźni własną nakrętkę i odwróci się.

Nadmierne dokręcanie przynosi inny zestaw problemów. Niektóre są natychmiastowe i oczywiste: rozebrane gwinty, ścinana śruba lub powierzchnie zaciskowe zmiażdżone i zdeformowane do punktu, w którym staw pęka na miejscu.

Poza tymi natychmiastowymi niepowodzeniami istnieją inne, które są bardziej subtelne lub wymagają więcej czasu, aby się manifestować. Nadmierne dokręcanie może spowodować przyspieszenie rozluźnienia śruby, początkowej reakcji na wstępne obciążenie związane z podstawowymi etap ami pełzania. Krótko mówiąc, trzpień śruby jest rozciągnięty i traci regenerację sprężystości, trwale wydłużając się, co powoduje utratę napięcia wstępnego obciążenia w złączu śrubowym. Nadmierne dokręcenie złącza śrubowego może również spowodować zwijanie gwintu.

Wszystko to bardzo długo mówi, że moment obrotowy jest istotnym elementem obciążenia wstępnego, co absolutnie należy wziąć pod uwagę i zrozumieć, aby uzyskać prawidłowe obciążenie wstępne połączeń śrubowych, dlatego poświęcamy czas, aby to zbadać.

Moment obrotowy i obciążenie wstępne w złączach śrubowych

Kiedy dokręcasz nakrętkę lub śrubę, przykładasz do niej siłę skręcania zwaną momentem obrotowym. Większość osób z doświadczeniem inżynierskim czuje się doskonale z momentem obrotowym, ale mniej doceniane jest to, jak niewiele z nich faktycznie dociera do śruby jako użytecznej pracy.

Około 50% przyłożonego momentu obrotowego jest połykane przez tarcie, w którym nakrętka lub głowica śruby przylega do powierzchni, o którą się obraca. Kolejne 35 do 40% jest tracone z powodu tarcia w nitkach. To pozostawia tylko około 10 do 15% wykonujących prawdziwą pracę: rozciąganie śruby w celu uzyskania wstępnego obciążenia.

Jeśli więc zastosujesz 100 Nm momentu obrotowego za pomocą klucza, tylko o wartości około 10 do 15 Nm rzeczywiście tworzy obciążenie wstępne. Reszta to tylko ciepło z tarcia.

Zależność między momentem obrotowym a obciążeniem wstępnym jest wyjaśniona następującym wzorem obciążenia wstępnego śruby:

T = K × F × d

Jeśli po raz pierwszy widzisz to równanie, oto, co oznaczają różne jego części:

• T to moment obrotowy, który stosujesz

• F to wstępne obciążenie, które otrzymujesz (napięcie śruby, która jest rzeczą, której faktycznie chcesz)

• d to średnica śruby (większa śruba oznacza większy moment obrotowy potrzebny do tego samego obciążenia wstępnego)

• K jest współczynnikiem orzecha, który jest trudny

K to pojedyncza liczba, która łączy wszystkie efekty tarcia. Sucha, niesmarowana stalowa śruba może mieć wartość K około 0,20, ale jeśli dodasz trochę oleju, spadnie do około 0,15. Użyj specjalistycznego smaru, takiego jak dwusiarczek molibdenu, a może on sięgać nawet 0,10.

Oto dlaczego to tak ważne. Jeśli zastosujesz ten sam moment obrotowy do tej samej śruby, ale zmienisz smarowanie, otrzymasz zupełnie inne obciążenie wstępne. Śruba o momentu obrotowego do 50 Nm przy K 0,20 będzie miała mniej więcej połowę obciążenia wstępnego tej samej śruby z momentem obrotowym do 50 Nm przy K 0,10.

Dlatego sam moment obrotowy jest niedoskonałym sposobem kontrolowania wstępnego obciążenia śruby. Nie mierzysz tego, na czym naprawdę Ci zależy (jak bardzo śruba jest rozciągnięta). Mierzysz dane wejściowe (jak mocno skręciłeś) i masz nadzieję, że warunki tarcia są tym, co zakładałeś. Typowa dokładność dokręcania tylko z momentem obrotowym wynosi około 25 do 35%, co oznacza, że rzeczywiste obciążenie wstępne może znajdować się w dowolnym miejscu w dość szerokim pasmie po obu stronach celu.

Działa wystarczająco dobrze w większości codziennych zastosowań, ale dlatego krytyczne połączenia często stosują bardziej precyzyjne metody i dlaczego stosowanie odpowiedniego smaru (lub braku smaru, jeśli specyfikacja momentu obrotowego została ustawiona w warunkach suchych) jest tak ważne. Wymiana smarowania bez regulacji wartości momentu obrotowego jest jednym z najczęstszych sposobów niebezpiecznego nadmiernego lub niedokręcania połączeń śrubowych.

Czynniki wpływające na obciążenie wstępne i siłę zacisku

Smarowanie to tylko część historii. Kilka innych czynników wpływa na to, jak duże obciążenie wstępne i siłę zaciskania masz i warto wiedzieć, czym one są.

Tarcie

Tarcie działa więcej niż tylko opierając się nitkom. W rzeczywistości pojawia się w dwóch miejscach: w samych gwintach i na powierzchni łożyska, gdzie nakrętka lub głowica śruby obraca się o powierzchnię połączenia. Oba usuwają moment obrotowy, który w przeciwnym razie stałby się obciążeniem wstępnym.

Stan tych powierzchni wpływa na obciążenie wstępne i siłę zacisku. Skorodowany gwint lub śruba generuje dodatkowe tarcie. Podobnie jak łącznik, który został ponownie wykorzystany, ponieważ dokręcanie deformuje powierzchnie styku na poziomie mikroskopowym. Nawet powłoki i powłoki zmieniają zachowanie złącza.

Podkładka między łącznikiem a powierzchnią połączenia dodaje kolejny interfejs cierny. Skorodowana podkładka generuje większe tarcie niż nowa o gładkich, równych powierzchniach. Podobnie podkładka z tworzywa sztucznego będzie miała inny współczynnik tarcia niż metalowa i będzie inaczej oddziaływać z powierzchnią połączenia.

Jeśli używana jest dominująca nakrętka blokująca moment obrotowy, część momentu obrotowego przyłożonego do połączenia śrubowego w celu jego zamocowania zostanie wykorzystana do odkształcenia gwintu. To normalne, tak działają nakrętki zabezpieczające, ale warto pamiętać, że wpłynie to na moment obrotowy potrzebny do zamocowania jednego z tych elementów złącznych, a jego część nie wpłynie na wstępne obciążenie ani siłę zacisku.

Właściwości materiału i klasa śruby

Pomijając tarcie, same materiały kształtują, ile wstępnego obciążenia śruby i siły mocowania śruby może zająć połączenie.

Materiał śruby ustawia sufit dla tego, ile obciążenia wstępnego można bezpiecznie wygenerować. Każda śruba ma obciążenie odporne, które jest maksymalnym napięciem, jakie może wytrzymać bez trwałej deformacji. Wyjdź poza nią, a śruba trwale się rozciąga, tracąc sprężynową sprężystą sprężystość. Gdy tak się stanie, nie może już prawidłowo utrzymywać wstępnego ładowania.

Standardowy cel dla większości połączeń ogólnego przeznaczenia wynosi około 75% obciążenia odpornego śruby. W bardziej kontrolowanych środowiskach, gdzie tarcie jest dobrze scharakteryzowane, a metody dokręcania są bardziej precyzyjne, inżynierowie mogą podnieść poziom do 90%. Wyjście wyżej nie pozostawia prawie żadnego marginesu bezpieczeństwa, zanim śruba się ustąpi.

Śruby stalowe są klasyfikowane według wytrzymałości. Liczby, które widzisz wytłoczone na głowicach śrub (8.8, 10.9, 12.9), mówią, ile obciążenia może wytrzymać śruba. Pierwsza cyfra to nominalna wytrzymałość na rozciąganie śruby w setkach megapaskali (MPa), więc 8,8 ma wartość około 800 MPa, 10,9 przy 1000 MPa i 12,9 przy 1200 MPa. Drugi to stosunek plastyczności do wytrzymałości na rozciąganie, więc 0,8 w 8,8 oznacza, że śruba osiąga swój punkt plastyczności przy około 80% tej wartości rozciągania, czyli około 640 MPa. Im wyższa liczba, tym silniejsza śruba. Śruba 12,9 o tym samym rozmiarze co 8.8 może zająć znacznie większe obciążenie wstępne, zanim wpadnie w kłopoty, co oznacza, że może generować większą siłę zacisku.

Ale silniejszy nie jest automatycznie lepszy. Śruba wyższej jakości ma mniej miejsca na błędy. Jeśli przekroczysz moment obrotowy na 8,8, masz większy margines, zanim coś pójdzie nie tak. Zrób to samo na 12.9, a pracujesz znacznie bliżej granic śruby. Dodatkowa siła opłaca się tylko wtedy, gdy proces dokręcania jest wystarczająco precyzyjny, aby wykorzystać go bez przesadzania.

Zaciśnięte materiały mają równie duże znaczenie. Jeśli ściskane ze sobą części są bardziej miękkie niż śruba (obudowy aluminiowe, elementy z tworzyw sztucznych, cienka blacha), siła zacisku może uszkodzić lub trwale odkształcić powierzchnie połączenia, zanim śruba osiągnie docelowe obciążenie wstępne.

W takich przypadkach wytrzymałość na ściskanie złącza staje się czynnikiem ograniczającym, a nie wytrzymałością śruby na rozciąganie. Podkładki pomagają rozprowadzić tę siłę zacisku na szerszym obszarze i chronią bardziej miękkie powierzchnie, pamiętaj jednak, że jeśli ich użyjesz, wpłyną one na tarcie generowane podczas mocowania.

Sztywność stawów

Sztywność połączenia odnosi się do sposobu, w jaki śruba i zaciśnięte części dzielą wszelkie obciążenia zewnętrzne, które są nakładane po montażu.

Pomyśl o śrubie jako o stosunkowo elastycznej sprężynie, a zaciśniętych częściach jako o wiele sztywniejszej sprężynie. W typowym złączu stalowym zaciśnięty materiał może być od 3 do 5 razy sztywniejszy niż śruba. Kiedy zewnętrzne obciążenie rozciągające uderza w złącze (coś próbuje je rozciągnąć), obciążenie to jest dzielone między dwie sprężyny.

Ponieważ zaciśnięte części są sztywniejsze, pochłaniają większość obciążenia zewnętrznego, uwalniając niewielką część ich ściskania. Śruba odbiera tylko niewielkie dodatkowe napięcie na szczycie obciążenia wstępnego. Jest to niezwykle korzystne dla życia zmęczeniowego, ponieważ śruba widzi tylko niewielkie wahania obciążenia w każdym cyklu, a nie pełną wielkość siły zewnętrznej.

Dlatego też wstępne obciążenie jest tak krytyczne. Jeśli siła zacisku jest niewystarczająca, a złącze oddziela się, śruba nagle widzi bezpośrednio całe obciążenie zewnętrzne. Wahania stresu gwałtownie skaczą, a niepowodzenie zmęczenia następuje szybko.

Konstrukcja może mieć wpływ na sztywność stawu. Dłuższa śruba o większej długości uchwytu jest bardziej elastyczna, co brzmi źle, ale w rzeczywistości oznacza, że jest bardziej tolerancyjna na obciążenia zewnętrzne i rozluźnienie, ponieważ zmiana obciążenia wstępnego o określoną ilość wymaga większego rozciągania. Zastosowanie odpowiedniej podkładki lub zwiększenie powierzchni głowicy śruby pomaga siła zacisku rozprzestrzeniać się przez szerszy stożek materiału, skutecznie usztywniając złącze. Oba efekty poprawiają stosunek na korzyść stawu.

Osadzenie i relaks

Świeżo dokręcona śruba straci część obciążenia wstępnego w ciągu kilku minut i godzin po montażu, nawet bez obciążenia zewnętrznego.

Na poziomie mikroskopowym stykające się powierzchnie (boki gwintu, powierzchnie łożysk, interfejsy między zaciśniętymi częściami) nigdy nie są idealnie gładkie. Po pierwszym dokręceniu śruby wysokie punkty na tych powierzchniach ściskają się i spłaszczają pod wpływem siły zacisku. Gdy osiadają, całkowita długość uchwytu skraca się o niewielką ilość. Ponieważ śruba została rozciągnięta na określoną długość, każde skrócenie stosu oznacza, że śruba lekko się rozluźnia i obciążenie wstępne spada. Typowa strata wynosi około 5 do 10% początkowego obciążenia wstępnego.

Uszczelki pogarszają sytuację. Materiały uszczelek są zaprojektowane tak, aby odkształcać się w celu utworzenia uszczelnienia, dzięki czemu ściskają się i pełzają znacznie bardziej niż interfejsy metalowo-metalowe. Złącza uszczelnione prawie zawsze wymagają ponownego momentu obrotowego po wstępnym osadzeniu.

Efekty temperatury

Każdy materiał rozszerza się po podgrzaniu i kurczy się po schłodzeniu, ale różne materiały robią to w różnym tempie. Wchodzi to w grę, gdy śruba i zaciśnięte części są wykonane z różnych materiałów.

Weź wspólny scenariusz: stalowa śruba mocująca aluminiową obudowę. Jeśli zespół nagrzewa się podczas pracy, aluminium rozszerza się bardziej niż stalowa śruba. Ponieważ śruba jest ograniczona przez nakrętkę, dodatkowa ekspansja aluminium skutecznie rozciąga śrubę dalej, dzięki czemu zwiększa się obciążenie wstępne i siła zacisku. Jeśli wzrost temperatury jest wystarczająco duży, śruba może się ulegać, więc gdy zespół ostygnie, śruba będzie poluzowana, ponieważ jest teraz trwale rozciągnięta.

Odwrotnie dzieje się przy chłodzeniu. Aluminium kurczy się bardziej, efektywna długość uchwytu kurczy się, więc obciążenie wstępne spada. W skrajnych przypadkach lub po cyklu termicznym złącze może w rezultacie prawie w ogóle nie mieć siły zacisku.

Metody sterowania obciążeniem wstępnym i siłą zacisku

Teraz, gdy wiemy, czym jest obciążenie wstępne i siła zacisku, co się stanie, jeśli je zrozumiesz, i jakie czynniki mogą na nie wpływać, nadszedł czas, aby przyjrzeć się, jak je kontrolujesz. Istnieje kilka różnych sposobów zarządzania nimi i zapewnienia prawidłowego działania, więc poświęć chwilę i zastanów się, który z nich może być najlepszy dla Twojej aplikacji i przepływu pracy:

Należy pamiętać, że wartości dokładności są zakresami orientacyjnymi opartymi na szeroko publikowanych odniesieniach inżynierskich. Rzeczywista dokładność zależy od warunków specyficznych dla zastosowania, w tym kontroli tarcia, umiejętności operatora, kalibracji sprzętu i konstrukcji połączeń.

Typowe błędy i jak ich unikać

Teoria już jest na miejscu. Inżynierowie wiedzą, czym jest obciążenie wstępne i siła zacisku, co na nie wpływa i jak nimi sterować. Jednak połączenia śrubowe wciąż zawodzą cały czas i częściej sprowadza się to do kilku prostych, możliwych do uniknięcia błędów, a nie do niczego skomplikowanego. Oto siedem, które najczęściej łapią ludzi, i jak ich unikać.

1: Ponowne wykorzystanie specyfikacji momentu obrotowego z innym środkiem smarnym lub powłoką

Jest to prawdopodobnie jedyny najczęstszy sposób, w jaki stawy stają się niebezpiecznie nadmiernie lub niedostatecznie obciążone i dzieje się tak, ponieważ wydaje się, że nic się nie zmieniło. Śruba jest taka sama, klucz jest taki sam, a wartość momentu obrotowego jest taka sama. Ale jeśli oryginalna specyfikacja została ustawiona dla suchej śruby i nałożysz smar do gwintów, znacznie spadłeś współczynnik nakrętki. Oznacza to, że znacznie więcej momentu obrotowego zamienia się w obciążenie wstępne niż przewidywane specyfikacje, dzięki czemu możesz łatwo popchnąć śrubę poza obciążenie odporne i uzyskać wydajność lub usunąć gwinty z wtykanego otworu.

Wyjście w drugą stronę jest równie ryzykowne. Jeśli specyfikacja zakłada nasmarowane gwinty i zainstalujesz na sucho, znacznie nie osiągniesz docelowego obciążenia wstępnego i uzyskasz złącze, które nie ma wystarczającej siły zacisku, aby utrzymać szczelność pod obciążeniami eksploatacyjnymi.

Poprawka jest prosta: zawsze sprawdzaj, czy używana wartość momentu obrotowego była przeznaczona do określonych warunków tarcia, które masz. Jeśli smar, powłoka lub poszycie uległy zmianie, wartość momentu obrotowego musi się wraz z nim zmieniać.

2: Jednoprzejściowe dokręcanie połączeń wielośrubowych

Po dokręceniu pierwszej śruby w złączu kołnierzowym lub płycie pokrywającej ściąga ona powierzchnie złącza razem w bezpośrednim sąsiedztwie. Ale kołnierz nie jest idealnie sztywny, więc lekko się wygina. Po przejściu dalej i dokręceniu drugiej śruby kołnierz ponownie zniekształca się, a część siły zacisku z pierwszej śruby jest częściowo zwolniona.

Zanim obejdziesz każdą śrubę, te, które najpierw dokręciłeś, znajdują się znacznie poniżej docelowego obciążenia wstępnego, co powoduje nierównomierną siłę zacisku w przegubie. Powoduje to miejscowe przeciążenie, nierównomierne ściskanie uszczelek i potencjalne wycieki.

Rozwiązaniem jest dokręcanie w wielu przejściach za pomocą wzoru gwiazdy lub krzyża. Wykonaj trzy lub cztery przejścia, stopniowo zwiększając moment obrotowy za każdym razem do około 30%, 60%, 100%, a następnie ostateczne przejście kontrolne. Każde przejście przybliża ogólny rozkład do jednolitego. Trwa to dłużej, ale na każdym złączu z więcej niż czterema śrubami jest to jedyny sposób na uzyskanie stałej siły zacisku w całym zespole.

3: Mylące obciążenie odporne z wytrzymałością plastyczności

Te dwa terminy brzmią podobnie i często są używane luźno, ale nie są to samo. Obciążenie odporne to maksymalna siła rozciągająca, jaką może wytrzymać śruba bez trwałego odkształcenia. Granica plastyczności to punkt, w którym materiał zaczyna się odkształcać plastycznie.

Naprężenie odporne znajduje się poniżej naprężenia plastycznego (dla śruby 8,8, naprężenie odporne wynosi 580 MPa przy wydajności 640 MPa). Jeśli ustawisz docelowe obciążenie wstępne na podstawie procentowej siły plastyczności, a nie obciążenia odpornego, celujesz wyżej niż powinieneś i zjedziesz margines bezpieczeństwa, który odpowiada za rozproszenie tarcia, rozluźnienie i granice dokładności metody dokręcania.

Podczas obliczania docelowego obciążenia wstępnego zawsze odniesienie do obciążenia dowodowego. Jest to liczba, która ma już wbudowany odpowiedni poziom ostrożności.

4: Ponowne użycie śrub z momentem obrotowym

Niektóre śruby są zaprojektowane tak, aby były dokręcane poza granicą sprężystości w kierunku odkształcenia plastycznego. Wyciska to niepewność tarcia, ponieważ gdy śruba się ustąpi, dalszy obrót tworzy bardzo spójny i przewidywalny zacisk. Nazywa się to śrub ami momentu obrotowego, śruby z głowicą cylindrów samochodowych i śruby korbowodu są ich typowymi przykładami w akcji.

Haczyk polega na tym, że śruba jest teraz trwale rozciągnięta. Zmieniło się jego elastyczne zachowanie, stracił część zdolności do utrzymywania obciążenia wstępnego, a odporność na zmęczenie została zmniejszona. Z założenia są to łączniki jednorazowe, więc ich ponowne użycie oznacza, że zaczynasz od nieznanej linii bazowej. Śruba może ulegać niemal natychmiast, może nie generować odpowiedniej siły zacisku, ale w obu przypadkach jej pozostała żywotność zmęczeniowa jest nieprzewidywalna.

5: Poleganie na odczuciu operatora zamiast skalibrowanego oprzyrządowania

Doświadczony monter może zaskakująco zbliżyć się do docelowego momentu obrotowego, dotykając mniejszych elementów złącznych. Problem polega na tym, że „zaskakująco blisko” nadal oznacza pasmo rozproszenia znacznie szersze niż jakikolwiek klucz dynamometryczny i jest całkowicie nieweryfikowalny. Nie ma zapisów, powtarzalności i nie ma możliwości późniejszego audytu połączenia.

W przypadku połączeń krytycznych ryzyko jest oczywiste, ale nawet przy rutynowych pracach montażowych kumulatywny efekt luźnej kontroli wstępnego obciążenia zwiększa się. Skutkuje się niespójną siłą zacisku na maszynie lub konstrukcji, co oznacza, że niektóre połączenia przenoszą większe obciążenie niż powinny, podczas gdy inne nie noszą wystarczająco dużo.

Skalibrowane oprzyrządowanie nie musi oznaczać kosztowności. Podstawowy klucz dynamometryczny typu click'owego, odpowiednio skalibrowany i prawidłowo przechowywany, usuwa domysły. W przypadku pracy o większej objętości lub większej krytyczności elektroniczne klucze dynamometryczne rejestrujące każde zdarzenie dokręcania zapewniają identyfikowalność i dokładność.

6: Ignorowanie relaksu i nie powracanie momentu obrotowego po początkowym osiedleniu

Jak wspomnieliśmy wcześniej, świeżo zaciśnięte połączenie straci od 5 do 10% obciążenia wstępnego, gdy powierzchnie osiadają, powłoki ściskają się i spłaszczają szorstkie powierzchnie. W uszczelnionych stawach strata może być znacznie wyższa.

Jeśli początkowy moment obrotowy zostanie przyłożony, a złącze zostanie natychmiast oddane do użytku bez ponownej kontroli, rzeczywista siła zacisku podczas pracy jest niższa niż domniemany moment montażowy. W przypadku wielu połączeń ta strata osiadania mieści się w marginesie projektowym i nie powoduje problemów. Jednak w przypadku połączeń uszczelnionych, połączeń w urządzeniach wibracyjnych lub czegokolwiek, w którym margines siły zacisku jest szczelny, niezbędny jest ponowny moment obrotowy po krótkim okresie osadzania.

Niektóre krytyczne aplikacje określają przedział momentu obrotowego w harmonogramie konserwacji dokładnie z tego powodu. Czas i koszt ponownego przejścia momentu obrotowego są znikome w porównaniu z wyciekiem, poluzowanym złączem lub awarią zmęczeniową.

7: Mieszanie gatunków śrub w tym samym złączu

Jeśli masz sześć śrub w kołnierzu, a pięć to klasy 10.9, ale jedna została zamieniona na 8.8, masz problem. Ta śruba 8,8 jest słabsza, nie może wytrzymać tak dużego obciążenia wstępnego, jak inne. Dokręć całe złącze do specyfikacji 10,9, a jedna śruba jest proszona o zrobienie więcej niż jest zbudowana, co oznacza, że może się ulegać, stracić obciążenie wstępne z czasem lub może ulec całkowitej awarii.

Tak czy inaczej, siła zacisku w przegubie jest teraz nierówna. Pozostałe pięć śrub podnosi luz, co oznacza, że przenoszą więcej ładunku niż zostały zaprojektowane.

Działa też w drugą stronę. Śruba o nadmiernej specyfikacji niekoniecznie zawiedzie, ale wprowadza niespójność, co powoduje nieprzewidywalne zachowanie stawów.

Każda śruba w złączu powinna być tego samego gatunku, tego samego materiału i tej samej powłoki. Tutaj liczy się pozyskiwanie od dostawcy wysokiej jakości. Spójne, prawidłowo oznaczone, certyfikowane elementy złączne oznaczają, że dokładnie wiesz, co znajduje się w każdej pozycji i możesz zaufać, że wszystkie będą zachowywać się tak samo, gdy je dokręcisz.

Kluczowe wnioski

Wstępne obciążenie i siła zacisku w połączeniach śrubowych są ze sobą połączone, co oznacza, że nie można mieć jednego bez drugiego. Obciążenie wstępne jest tym, co trzyma razem złącze śrubowe, a nie moment obrotowy. To powiedziawszy, istnieje wiele różnych czynników, które mogą wpływać na ilość momentu obrotowego potrzebnego do wygenerowania niezbędnego obciążenia wstępnego w złączu śrubowym, takich jak zastosowanie różnych podkładek i materiałów obecnych w łącznikach i samym złączu. Tarcie jest największym czynnikiem wpływającym na obciążenie wstępne, więc zrozumienie tego jest niezbędne, aby upewnić się, że nie dokręcasz złącza lub nadmiernie nie dokręcasz złącza.

Jeśli nadal nie wiesz, czego potrzebujesz, aby prawidłowo przykręcić połączenia, skontaktuj się z zespołem wykwalifikowanych i doświadczonych inżynierów Accu. Mogą doradzić, co należy zrobić, aby zapewnić odpowiednie obciążenie wstępne w połączeniach śrubowych, a także skierować Cię do odpowiednich rodzajów nakrętek i śrub, których potrzebujesz do montażu.

Dalsze czytanie:

• Dostawcy nakrętek i śrub w Wielkiej Brytanii: Jak uzyskać wysokiej jakości mocowania do każdego zastosowania.

• Łączniki ze stali nierdzewnej: Zalecane momenty dokręcania.

• Łączniki i wibracje

Często zadawane pytania:

P: Jaka jest różnica między obciążeniem wstępnym a siłą zacisku?

O: Są tą samą siłą widzianą z dwóch perspektyw.

• Obciążenie wstępne to napięcie osiowe śruby, pociągające głowicę śruby i nakrętkę do siebie.

• Siła zacisku to równe i przeciwne ściskanie działające na części umieszczone między nimi.

Jeśli śruba ma obciążenie wstępne 10 kN, na złącze występuje 10 kN siły zacisku. Inżynierowie zwykle mówią o obciążeniu wstępnym, gdy są zainteresowani śrubą (czy ulegnie, czy zmęczy?) i siła zacisku, gdy dotyczą złącza (czy ślizgnie się, uszczelni lub oddzieli się?).

P: Ile obciążenia wstępnego powinna mieć śruba?

Odp.: Standardowy cel dla większości połączeń ogólnego przeznaczenia wynosi około 75% obciążenia odpornego śruby. W bardziej kontrolowanych środowiskach, gdzie tarcie jest dobrze scharakteryzowane, a metody dokręcania są precyzyjne, inżynierowie mogą nacisnąć do 90%. Wyjście wyżej nie pozostawia prawie żadnego marginesu rozpraszania tarcia, rozluźnienia lub dokładności dokręcania, zanim śruba się ustąpi.

Cel nigdy nie powinien przekraczać obciążenia odpornego, a zaciśnięte materiały muszą być w stanie wytrzymać powstałą siłę zacisku bez deformacji.

P: Dlaczego śruba poluzuje się nawet po dokręceniu do prawidłowego momentu obrotowego?

Odp.: Najczęstszą przyczyną są wibracje poprzeczne. Nawet małe ruchy boczne mogą pokonać tarcie gwintu i umożliwić stopniowe obracanie się nakrętki w kierunku poluzowania, mechanizm znany jako efekt Junkera. Inne przyczyny to rozluźnienie osadzenia (osiadanie powierzchni, które zmniejsza obciążenie wstępne o 5 do 10% krótko po montażu), niewystarczające początkowe obciążenie wstępne, które powoduje, że złącze jest podatne na poślizg, cykl termiczny, który zmienia siłę zacisku i pełzanie uszczelki w szczelnych połączeniach.

W wielu przypadkach problem nie polega na tym, że moment obrotowy był zły, ale to, że wynikające z tego obciążenie wstępne nie było wystarczająco wysokie, aby ściany złącza były zablokowane razem w warunkach serwisowych.

P: Czy smarowanie śruby zwiększa obciążenie wstępne?

Odp.: Tak, dla tego samego zastosowanego momentu obrotowego. Smarowanie zmniejsza współczynnik nakrętki (K), co oznacza, że mniejszy moment obrotowy jest tracony w wyniku tarcia, a więcej przekształca się w użyteczne obciążenie wstępne. Sucha stalowa śruba o wartości K 0,20 wytworzy mniej więcej połowę obciążenia wstępnego tej samej śruby nasmarowanej do K 0,10, przy tym samym ustawieniu momentu obrotowego.

Dlatego dopasowanie smaru do specyfikacji momentu obrotowego ma kluczowe znaczenie. Jeśli wartość momentu obrotowego została wyprowadzona dla suchych warunków i nałożenie smaru bez regulacji momentu obrotowego w dół, istnieje ryzyko przeciążenia śruby po jej obciążeniu zabezpieczającym.

P: Czy możesz bezpośrednio zmierzyć obciążenie wstępne śruby?

O: Tak, chociaż nie wszystkie metody są równie praktyczne. Najbardziej bezpośrednim podejściem jest pomiar fizycznego wydłużenia śruby za pomocą mikrometru przed i po dokręceniu, ponieważ rozciąganie jest wprost proporcjonalne do obciążenia wstępnego. Systemy ultradźwiękowe osiągają to samo, mierząc impuls dźwiękowy w dół trzpienia śruby, z dokładnością w zakresie od 1 do 5%. Podkładki wskazujące obciążenie (DTI) zapewniają potwierdzenie, że osiągnięto minimalne obciążenie wstępne, a śruby wskazujące obciążenie z wizualnym sprzężeniem zwrotnym (zmiana koloru lub kołki spłukujące) zapewniają szybką weryfikację.

Sam moment obrotowy nie mierzy bezpośrednio obciążenia wstępnego. Mierzy siłę wejściową i opiera się na założeniach dotyczących tarcia, aby oszacować moc wyjściową.

P: Co oznacza moment obrotowy do wydajności?

Odp.: Moment-to-Wydajność (TTY) jest metodą dokręcania, w której śruba jest celowo przekroczona granica sprężystości w celu odkształcenia plastycznego. Śruba jest najpierw przymocowana do określonego momentu obrotowego, a następnie obracana o kolejny kąt, który wypycha ją poza wydajność.

Gdy materiał się uzyska, dalszy obrót zapewnia bardzo spójne i przewidywalne obciążenie wstępne niezależnie od tarcia, dlatego metoda ta jest stosowana w zastosowaniach o wysokiej wydajności, takich jak samochodowe głowice cylindrów i zespoły korbowodów. Kompromis polega na tym, że śruba została trwale rozciągnięta i nie można jej ponownie użyć. Śruby TTY są z założenia łącznikami jednorazowego użytku.