Механическое оборудование и металлоконструкции собираются из различных компонентов, большинство из которых жестко соединены резьбовыми соединениями. Выход из строя резьбовых соединений напрямую приводит к неисправности оборудования. В тяжелых случаях это может привести к остановке оборудования, обрушению конструкции и даже несчастным случаям с травмами.

Учитывая высокую частоту и серьезную опасность выхода из строя крепежа, техническим специалистам необходимо систематически анализировать вызывающие факторы и разрабатывать целевые меры по устранению и предотвращению с целью фундаментального устранения неисправностей крепежа.

Неисправности крепежа в основном делятся на две категории. Первая категория — разрушение болтов, которое вызывает мгновенное разделение соединяемых конструкций и обычно приводит к серьезным неисправностям оборудования и несчастным случаям. Ко второй категории относятся ослабление резьбовой пары и соскальзывание резьбы.болты или гайки, что приводит к незначительному относительному смещению между соединяемыми деталями и приводит к частичной неисправности оборудования и снижению точности работы.

Выход из строя крепежа — прогрессирующий процесс. Небольшое ослабление без своевременного лечения будет продолжать ухудшаться и в конечном итоге приведет к полному расшатыванию болтов и гаек, что приведет к серьезным авариям, связанным с безопасностью. В практическом применении большинство персонала неправильно понимают, что разрушение болта вызвано исключительно дефектами материала и ослаблением гайки из-за плохого качества гайки, игнорируя при этом основные проблемы, такие как необоснованная конструкция конструкции и нестандартные процессы сборки. В данной статье систематически анализируются причины различных поломок болтов с точки зрения проектирования и сборки.

1 сдвиговый перелом

Разрушение болтов при сдвиге чаще всего происходит в резьбовых соединениях под действием чистой предварительной нагрузки. Поверхность сдвигового излома расположена на стыке двух соединенных частей и представляет собой небольшую гладкую и яркую область сдвига. Конкретные причины сбоев суммированы следующим образом.

1.1 Причины проектирования

(1) Недостаточный коэффициент трения на стыке соединения или неправильно выбранные характеристики болта приводят к недостаточному предварительному натягу. Когда сила трения на поверхности соединения меньше поперечной рабочей нагрузки, выражаемой формулой fF'＜F (где f - коэффициент трения на границе раздела, F' - предварительная нагрузка болта, а F - поперечная рабочая нагрузка), между соединяемыми компонентами возникает относительное проскальзывание. Хвостовик болта подвергается выдавливанию и сдвигу от стенки отверстия. Как только напряжение сдвига превышает прочность на сдвиг материала болта, происходит разрушение сдвига. Движущиеся компоненты, находящиеся под ударными нагрузками, более подвержены такому отказу. При проектировании конструкций детали, снижающие нагрузку, и позиционирующие заплечики могут быть адаптированы для восприятия поперечных нагрузок, так что болты обеспечивают только растягивающее соединение, не неся срезывающей силы.

(2) Крепежи без противоразрыхляющих конструкций применяются в условиях вибрации. Длительная вибрация оборудования ослабляет пару резьб и ослабляет предварительную нагрузку болта, что приводит к недостаточному трению на границе раздела и дальнейшему проскальзыванию компонентов и разрушению болта при сдвиге. Для конструкций, работающих в условиях вибрации, следует использовать специальные крепежные детали, предотвращающие ослабление, такие как гайки Spiralock и распространенные динамометрические стопорные гайки, чтобы предотвратить неудачное ослабление.

1.2 Причины сборки

Недостаточный момент затяжки сборки приводит к некачественному предварительному натягу болта и недостаточному трению на стыке. Внешние нагрузки вызывают относительное проскальзывание компонентов и в конечном итоге приводят к разрушению болта при сдвиге. Момент затяжки болтов является критическим показателем процесса при проектировании стальных конструкций и сборке двигателей и требует строгого контроля. Однако в других отраслях им часто пренебрегают из-за отсутствия стандартизированного управления крутящим моментом. На практике в большинстве случаев ослабление резьбы и поломки происходят из-за неправильного момента затяжки при сборке.

Усилие зажима пары резьб создается вращением гаек или болтов и положительно коррелирует с крутящим моментом сборки. Чтобы предварительная нагрузка соответствовала проектным требованиям, момент сборки должен быть четко указан в технологической документации и строго соблюдаться во время эксплуатации. Формула расчета крутящего момента при сборке выглядит следующим образом:

М=КПД

Где: М – момент сборки (Нм); К – коэффициент крутящего момента; Р – расчетный преднатяг (кН); D – Номинальный диаметр болта (мм).

В традиционной конструкции преднатяг болта устанавливается в пределах 60–80 % предела текучести материала с коэффициентом запаса выше 1,2. Предел текучести болтов с различными характеристиками и классами прочности указан в стандарте GB/T 3098.1.

Коэффициент крутящего момента определяется коэффициентом трения пар резьбы и поверхностью контакта между ними.крепежные детали и связанные части. На него влияют обработка поверхности, точность прочности, геометрический допуск, точность резьбы, шероховатость опорной поверхности и жесткость конструкции. Обработка поверхности является доминирующим фактором. Различная обработка поверхности приводит к большим различиям в коэффициенте крутящего момента, почти вдвое. Для пар резьб одинаковой спецификации и прочности коэффициент крутящего момента при фосфатировании составляет около 0,13–0,15, а при чернении – от 0,26 до 0,30.

Таким образом, крепежные детали, обработанные фосфатированием и чернением, создают почти двойную разницу в преднатяге при одном и том же крутящем моменте сборки. Коэффициент крутящего момента необходимо калибровать экспериментально. Производители крепежных изделий должны строго контролировать процессы обработки поверхности, чтобы обеспечить постоянство коэффициентов крутящего момента для каждой партии. Пользователи не должны произвольно изменять требования к обработке поверхности, чтобы избежать недостаточной предварительной нагрузки, растяжения болта или разрушения, вызванного колебаниями коэффициента крутящего момента.

2 усталостный перелом

Усталостный перелом является одним из наиболее распространенных видов разрушения болтов. Большинство усталостных отказов возникает из-за производственных дефектов, в том числе негладких переходных галтелей под головками болтов, недостаточного радиуса галтелей основания резьбы, поверхностных царапин и включений материала. Между тем, нестандартная сборка также является важной причиной усталостных разрушений и потенциальных аварий.

Если взять в качестве примера автомобильные колесные болты, то конструкция конструкции позволяет колесным болтам выдерживать только осевую предварительную нагрузку без прямой радиальной нагрузки. Недостаточный момент сборки приводит к недостаточной предварительной нагрузке и недостаточному трению между ступицей колеса и полуосью, что приводит к относительному проскальзыванию во время работы автомобиля.

При скоростном вращении колеса болт периодически вращается вместе со ступицей. Хвостовик болта подвергается воздействию переменных сил экструзии с обеих сторон стенки отверстия, что приводит к высокочастотным циклическим радиальным нагрузкам. Длительное циклическое воздействие нагрузки инициирует и расширяет усталостные трещины, что в конечном итоге приводит к усталостному разрушению болта.

Если перелом колесного болта происходит после эксплуатации транспортного средства, инспекторы должны сначала изучить морфологию разрушения, чтобы предварительно оценить усталостное разрушение, прежде чем проводить дальнейший углубленный анализ.

3. Перелом от перегрузки

Перелом от перегрузки относится к разрушению при растяжении, когда общая осевая нагрузка превышает допустимый предел материала болта. Поскольку эффективная площадь опоры резьбового участка меньше, чем у гладкого хвостовика с более высокой концентрацией напряжений, разрушение от перегрузки чаще всего происходит на резьбовом участке, что можно предварительно определить по морфологии излома.

Болты класса 8,8 имеют очевидную шейку после перелома от перегрузки; Болты класса 10,9 имеют небольшую шейку; Высокопрочные болты класса 12,9 практически не имеют шейки при нормальных условиях перегрузки.

Очевидная шейка может также появиться в болтах класса 8,8–12,9 при использовании неквалифицированных материалов, недостаточной термической обработки, неполной закалки или недостаточной твердости сердечника. Таким образом, критерии оценки перелома от перегрузки определяются следующим образом:

(1) Для трещин с образованием шейки выборочные испытания должны проводиться в соответствии с GB/T 3098.1. Перелом в результате перегрузки может быть подтвержден, если проверена твердость сердечника.

(2) Металлографический анализ необходим дляВысокопрочные болты класса 12,9.для определения разрушения при перегрузке, поскольку дефекты поверхности резьбы и дефекты материала также могут стать причиной разрушения резьбовой части и не могут быть оценены только по внешнему виду.

Перелом в основном происходит в болтовых соединениях под действием осевых нагрузок по трем основным причинам:

а. Чрезмерно высокий крутящий момент при сборке приводит к тому, что предварительная нагрузка превышает предел текучести материала болта, что приводит к растяжению или разрушению болта во время сборки.

б. Чрезмерный преднатяг сборки, близкий к пределу текучести болта. В процессе эксплуатации оборудования болт испытывает как остаточную предварительную, так и рабочую нагрузку. Суперпозиция двух нагрузок, превышающих предел прочности материала, приводит к разрушению от перегрузки. При постоянной рабочей нагрузке более высокий предварительный натяг узла приводит к более высокому остаточному предварительному натягу и большему риску перегрузки.

в. Неправильный выбор болта с недостаточным номинальным диаметром резьбы, не отвечающим требованиям к подшипникам при проектировании конструкции.

4. Разрушение болта, вызванное эксцентричной нагрузкой в ​​сборе

Разрушение болта из-за внецентренной нагрузки является типичным сбоем в процессе сборки. На опорной поверхности болта можно наблюдать явные следы износа в форме полумесяца, при этом фактическая площадь подшипника составляет всего от 1/4 до 1/3 общей площади опоры и наблюдается крайне неравномерное распределение напряжений. Стержень болта вблизи перелома изгибается противоположно направлению напряжения, демонстрируя типичный эксцентричный изгиб и характеристики разрушения.

Разрушение болтов под действием эксцентрической нагрузки в основном вызвано двумя факторами:

Во-первых, контактная опорная поверхность соединяемых деталей наклонена или неровна, что приводит к локальному напряжению наголовка болтаи формирование эксцентричной нагрузки, которая является основной причиной этого случая отказа.

Во-вторых, чрезмерная ошибка прямолинейности или изгибная деформация стержня болта вызывают возникновение эксцентричной нагрузки во время сборки.

Два типа эксцентриковых нагрузок существенно различаются по положению напряжения и направлению изгиба хвостовика, которые можно отличить по следам напряжений на опорной поверхности и направлению деформации болта.

5 Заключение

Неисправности крепежных изделий, такие как переломы, проскальзывание и ослабление резьбы, не всегда вызваны присущими продукту дефектами качества. При возникновении неисправности крепления необходимо следовать стандартным процедурам устранения неполадок:

Во-первых, полностью сохраните вышедшие из строя образцы и защитите поверхности изломов от ржавчины, столкновений и вторичных повреждений, чтобы обеспечить точный анализ отказов.

Во-вторых, предварительно определите тип и причину разрушения на основе морфологии разрушения, внешнего вида образца, следов поверхностного напряжения и реальных условий работы.

В-третьих, проведите профессиональные физические и химические испытания, включая металлографический анализ и определение твердости. Если показатели материала и термической обработки соответствуют национальным стандартам, причиной неисправности является конструктивное проектирование или процесс сборки; в противном случае это подтверждается как дефект качества крепежа.

В-четвертых, сформулируйте целевые меры по устранению и предотвращению в соответствии с подтвержденными причинами отказов, стандартизируйте проектные спецификации и оптимизируйте процессы сборки, чтобы избежать повторения подобных отказов.