Analiza uobičajenih uzroka loma vijka pričvrsnog elementa

Postoje različiti razlozi za lom vijkaspojnice. Općenito govoreći, oštećenje vijka uzrokovano je faktorom naprezanja, zamorom, korozijom i vodikovom krtošću.

Lom vijka

1. Faktor stresa
Prekoračenje uobičajenog naprezanja (prenaprezanje) uzrokovano je bilo kojim ili kombinacijom smicanja, napetosti, savijanja i kompresije.
Većina dizajnera prvo razmatra kombinaciju vlačnog opterećenja, sile predopterećenja i dodatnog praktičnog opterećenja. Sila prethodnog zatezanja je u osnovi unutarnja i statička, koja sabija komponente spoja. Praktična opterećenja su vanjske, obično cikličke (povratne) sile koje se primjenjuju na spojne elemente.
Vlačno opterećenje pokušava spriječiti otvaranje komponenti spoja. Kada ta opterećenja prijeđu granicu popuštanja vijka, vijak prelazi iz elastične u plastičnu deformaciju, što rezultira trajnom deformacijom vijka. Stoga se ne može vratiti u prvobitno stanje kada se ukloni vanjsko opterećenje. Iz sličnih razloga, ako vanjsko opterećenje vijka premaši njegovu krajnju vlačnu čvrstoću, vijak će puknuti.
Zatezanje vijaka postiže se uvijanjem sa silom predopterećenja. Tijekom ugradnje, prekomjerni zakretni moment dovodi do pretjeranog zatezanja i smanjuje aksijalnu vlačnu čvrstoću spojnih elemenata izlažući ih prenaprezanju. Drugim riječima, vijci podvrgnuti kontinuiranoj torziji imaju niže vrijednosti popuštanja u usporedbi s vijcima koji su izravno podvrgnuti napetosti i napetosti. Na taj način, vijak može popustiti prije nego što postigne minimalnu vlačnu čvrstoću odgovarajućeg standarda. Veliki zakretni moment može povećati silu prethodnog zatezanja vijka i odgovarajuće smanjiti labavost spoja. Kako bi se povećala sila zaključavanja, sila predzatezanja općenito je postavljena na gornju granicu. Na taj način, osim ako je razlika između granice popuštanja i krajnje vlačne čvrstoće mala, vijci općenito neće popustiti zbog torzije.
Posmično opterećenje djeluje okomitom silom na uzdužnu osvijak. Smično naprezanje dijeli se na jednostruko smično naprezanje i dvostruko smično naprezanje. Iz empirijskih podataka, konačno jedno smično naprezanje je približno 65% konačnog vlačnog naprezanja. Mnogi dizajneri preferiraju posmična opterećenja jer koriste vlačnu i posmičnu čvrstoću vijaka. Uglavnom djeluju poput tipli, tvoreći relativno jednostavne veze za spojne elemente izložene smicanju. Nedostatak je što veze na smicanje imaju ograničen raspon primjene i ne mogu se često koristiti jer zahtijevaju više materijala i prostora. Znamo da sastav i točnost materijala također igraju odlučujuću ulogu. Međutim, podaci o materijalu koji vlačno naprezanje pretvaraju u posmično opterećenje često nisu dostupni.
Sila prethodnog zatezanja spojnih elemenata utječe na cjelovitost posmičnih spojeva. Što je niža sila predopterećenja, sloj spoja lakše klizi kada je u kontaktu s vijkom. Posmična nosivost izračunava se množenjem broja poprečnih ravnina (jedna posmična ravnina naziva se jednostrukim posmikom, a dvije posmične ravnine nazivaju se dvostrukim smikom), koje bi trebale biti poprečni presjeci vijaka bez navoja. Ne zagovaramo projektiranje posmičnih navoja, jer se posmična čvrstoća spojnih elemenata može prevladati koncentracijom naprezanja kada se poprečni presjek promijeni. Pri određivanju čvrstoće na smicanje spojnih elemenata, neki projektanti koriste područje vlačnog naprezanja, dok drugi preferiraju dijelove malog promjera. Ako je vijak u posmičnoj vezi uvrnut na navedenu vrijednost (kao što je prikazano na slici 2), spojna površina kontaktnog sloja ne može početi kliziti sve dok ne premaši vanjski otpor trenja. Povećanje trenja između spojenih površina može poboljšati ukupni integritet veze. Ponekad, zbog veličine dijelova i zahtjeva dizajna, broj vijaka koji se moraju koristiti može biti ograničen.

Slika 2: Bez obzira na to je li spojna komponenta jednostruka ili dvostruka, rezna površina ne smije proći kroz navojni dio spojnice
Uz vlačna i posmična opterećenja, naprezanje na savijanje je još jedno opterećenje koje vijci doživljavaju, uzrokovano vanjskim silama koje nisu okomite na uzdužnu os vijka i nalaze se na ležajnim i spojnim površinama. Općenito, što je spoj pričvršćivača jednostavniji, to je njegov integritet i pouzdanost veći.
2. Umor
Trenutačno ne postoji posebna zakonska regulativa koja upućuje dobavljače na kupnju ključnih komponenti koje su u skladu s industrijskim standardima u relevantnim propisima za industrijske spojne elemente, posebno bez spominjanja glavnog uzroka kvara spajala - zamora. Procjenjuje se da oštećenje uslijed zamora čini 85% ukupnog broja kvarova spojnica.
Zamor vijaka je kontinuirano djelovanje cikličkih vlačnih opterećenja, što rezultiravijcipodvrgavajući se relativno malim silama predopterećenja i izmjeničnim radnim opterećenjima. Pod takvim uvjetima dvostrukog opterećenja dugo vremena, vijci će otkazati kada je njihova nazivna vlačna čvrstoća manja od. Trajnost od zamora određena je brojem i amplitudom ciklusa opterećenja. Neki komprimirani konektori, kao što su preše, oprema za štancanje i strojevi za kalupljenje, također mogu doživjeti lom uslijed zamora. Tijekom rada između snage i predopterećenja stvaraju se više kompozitnih naprezanja. U ponovljenim pokretima istezanja, na broj i amplitudu promjena naprezanja utječe stupanj zamora i oštećenja.
Tipični industrijski spojni elementi, kao što su šesterokutni vijci, stalno se izdužuju i vraćaju u svoj izvorni oblik unutar određenog raspona elastičnosti. Ako su podvrgnuti naprezanju iznad normalnog i izvan raspona elastičnosti, podvrgnut će se trajnoj deformaciji dok se na kraju ne slome. Ponašanje produljenja i vraćanja u produženo stanje naziva se ciklus. Šesterokutni vijak može izdržati približno 240-10 stupnjeva ciklusa dnevno (maksimalno), kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3 Poboljšani Goodmanov dijagram

Točkasta dijagonala označava prosječnu vrijednost izmjeničnog opterećenja vijka s vjerojatnošću od 90% za 10 milijuna ciklusa. Stvarna dijagonalna linija pokazuje da kada sila predzatezanja vijka dosegne 100ksi, maksimalno odstupanje između dinamičkog opterećenja i prosječnog naprezanja je 12ksi.
Pričvršćivači će na kraju popucati zbog ponovljenih ciklusa naprezanja od vrhunca do vrhunca. Lom se obično događa na najosjetljivijoj točki spojnog elementa, koju inženjeri nazivaju "područje najveće koncentracije naprezanja". Jednom kad se pojave mikropukotine na točki koncentracije naprezanja i nastave biti podvrgnute naprezanju, pukotine će se brzo širiti, uzrokujući oštećenje spojnog elementa uslijed zamora. Poduzeća koja proizvode spojne elemente za industrijsku upotrebu neprestano istražuju nove procese oblikovanja te dizajniraju i razvijaju nove proizvodne metode koje mogu prevladati gore navedene fatalne slabosti.
Najčešća mjesta loma uslijed zamora uključuju spoj (tj. prvi opterećeni navoj), korijenski završetak, navoj i završetak navoja. Zbog poboljšanja zamorne čvrstoće kroz razvoj boljih materijala i proizvodnih metoda u prerađivačkoj industriji, navoji su postali najslabija točka spojnih elemenata i trenutno najveći udio oštećenja kod zamornog sloma.
Međuodnos između varijabli naprezanja u dizajnu i karakteristika izvedbe spojnih elemenata čini postavljanje standarda čvrstoće na zamor teškim zadatkom. Trenutno je složen proces određivanja broja "ciklusa do loma" i mjerenje relativne čvrstoće niza spojnih elemenata.
3. Korozija
Drugi razlog loma vijka je korozija. Korozija ima mnogo oblika, uključujući običnu koroziju, kemijsku koroziju, elektrolitičku koroziju i koroziju na naprezanje. Elektrolitička korozija odnosi se na izlaganje spojnih elemenata različitim vlažnim agensima kao što su kišnica ili kisela magla, koji su elektroliti koji mogu uzrokovati kemijsku koroziju spojnih elemenata; Drugo, zbog različitih materijala spojnica, njihovi elektrolitski potencijali su različiti, a razlika potencijala može lako generirati "mikrobaterije". Dizajneri bi trebali odabrati materijale sa sličnim elektrolitskim potencijalima što je više moguće na temelju kompatibilnosti metala, istovremeno eliminirajući uvjete za stvaranje elektrolita kako bi se spriječilo pucanje uzrokovano elektrolitičkom korozijom.
Naponska korozija je relativno ograničena. Stresna korozija postoji pod velikim vlačnim opterećenjima i uglavnom utječe na spojne elemente izrađene od legiranog čelika visoke čvrstoće. Spojni elementi izrađeni od legiranog čelika (osobito čelika s visokim sastavom legure) skloni su pucanju pod naprezanjem. U početku se na površini obično stvaraju pukotine i jamice, a zatim dolazi do daljnje korozije koja pospješuje širenje pukotina. Brzina širenja pukotine određena je naprezanjem na vijku i lomnom žilavošću materijala. Kada preostali materijal funkcionira do točke kada ne može izdržati primijenjeni stres, dolazi do loma.
4. Vodikova krtost
Čelični spojni elementi visoke čvrstoće (obično s tvrdoćom po Rockwellu od C36 ili višom) skloniji su vodikovoj krtosti. Vodikova krtost je glavni uzrok loma spojnica. Vodikova krtost je pojava u kojoj atomi vodika ulaze i difundiraju kroz cijelu matricu materijala. Kada atomi vodika uđu u matricu materijala, matrica prolazi kroz izobličenje rešetke, narušavajući izvorno stanje ravnoteže i olakšavajući pucanje pod vanjskim silama. Kada se vanjsko opterećenje primijeni navijak,atomi vodika migriraju u zonu visoko koncentriranog naprezanja, uzrokujući značajno naprezanje između rubova granica kristala, što dovodi do loma između kristalnih čestica spojnog elementa.
Kada pričvršćivači prije ugradnje sadrže kritični vodik, obično puknu unutar 24 sata. Ako vodik uđe u spojnicu, nemoguće je predvidjeti kada će puknuti. Stoga, kada koriste relevantne spojne elemente, projektanti bi trebali specificirati odabir dobavljača sa specijaliziranim procesima i minimalnom potencijalnom vodikovom krtošću.
5. Ostali čimbenici
Prijelom veze nije uvijek izravno povezan s katastrofalnim prijelomom spojnice. Mnogi čimbenici vezani uz pričvršćivače, kao što je gubitak predopterećenja ili zamor spojeva pričvršćivača, mogu uzrokovati habanje; Središnji pomak pričvršćivača može stvarati buku i curenje tijekom uporabe, što zahtijeva neplanirano održavanje kako bi se spriječio lom. Na primjer, vibracije mogu smanjiti otpor trenja navoja, a spojevi spojnica mogu se opustiti zbog primjene radnih opterećenja nakon ugradnje. Ovi čimbenici, zajedno s puzanjem vijaka na visokoj temperaturi, mogu dovesti do gubitka sile prednaprezanja. Ponekad se lom spoja može pripisati prevelikoj ili premaloj rupi koja prolazi kroz nju, premalom području ležaja, premekanom materijalu ili prevelikom opterećenju. Nijedna od ovih situacija neće uzrokovati izravni lom vijka, ali će rezultirati gubitkom cjelovitosti veze ili eventualnim lomom vijka.