Tvirtinimo varžtų lūžimo dažnų priežasčių analizė

Varžtų lūžimo priežastys yra įvairiostvirtinimo detalės. Paprastai tariant, varžtų pažeidimus sukelia įtempių faktorius, nuovargis, korozija ir vandenilio trapumas.

Varžto lūžis

1. Streso faktorius
Įprasto įtempio viršijimą (pertempimą) sukelia bet koks šlyties, įtempimo, lenkimo ir suspaudimo veiksnys arba jų derinys.
Dauguma dizainerių pirmiausia svarsto tempimo apkrovos, išankstinės apkrovos jėgos ir papildomos praktinės apkrovos derinį. Išankstinio suveržimo jėga iš esmės yra vidinė ir statinė, kuri suspaudžia jungties komponentus. Praktinės apkrovos yra išorinės, paprastai ciklinės (stūmoklinės) jėgos, veikiančios tvirtinimo detales.
Tempimo apkrova bando atsispirti jungties komponentų atsidarymui. Kai šios apkrovos viršija varžto takumo ribą, varžtas pasikeičia iš elastinės deformacijos į plastinę, todėl varžtas deformuojasi nuolat. Todėl, pašalinus išorinę apkrovą, jo negalima atkurti į pradinę būseną. Dėl panašių priežasčių, jei išorinė varžto apkrova viršija jo ribinį tempimo stiprumą, varžtas sulūžs.
Varžtas priveržiamas sukant su išankstinės apkrovos jėga. Montuojant per didelis sukimo momentas per daug priveržia ir sumažina tvirtinimo detalių ašinį atsparumą tempimui, nes jas patiria per didelis įtempimas. Kitaip tariant, varžtų, kuriems taikomas nuolatinis sukimas, našumas yra mažesnis, palyginti su varžtais, kurie yra tiesiogiai įtempti ir įtempti. Tokiu būdu varžtas gali atsileisti nepasiekęs atitinkamo standarto minimalaus tempimo stiprio. Didelis sukimo momentas gali padidinti išankstinio varžto priveržimo jėgą ir atitinkamai sumažinti jungties laisvumą. Siekiant padidinti fiksavimo jėgą, išankstinio priveržimo jėga paprastai nustatoma ties viršutine riba. Tokiu būdu, nebent skirtumas tarp takumo ir ribinio tempiamojo stiprio yra mažas, varžtai paprastai neatleis dėl sukimo.
Šlyties apkrova veikia vertikalią jėgą išilginei ašiaivaržtas. Šlyties įtempis skirstomas į vienkartinį ir dvigubą šlyties įtempį. Remiantis empiriniais duomenimis, didžiausias vienas šlyties įtempis yra maždaug 65% ribinio tempimo įtempio. Daugelis dizainerių teikia pirmenybę šlyties apkrovoms, nes jie naudoja varžtų tempimo ir šlyties stiprumą. Jie daugiausia veikia kaip kaiščiai, sudarydami gana paprastas šlyties patiriamų tvirtinimo detalių jungtis. Trūkumas yra tas, kad kirpimo jungtys turi ribotą pritaikymo spektrą ir negali būti naudojamos dažnai, nes joms reikia daugiau medžiagų ir vietos. Žinome, kad lemiamą vaidmenį atlieka ir medžiagų sudėtis bei tikslumas. Tačiau medžiagos duomenų, paverčiančių tempimo įtempį šlyties apkrova, dažnai nėra.
Išankstinė tvirtinimo detalių priveržimo jėga turi įtakos šlyties jungčių vientisumui. Kuo mažesnė išankstinės apkrovos jėga, tuo lengviau jungties sluoksnis slys, kai liečiasi su varžtu. Šlyties apkrova apskaičiuojama padauginus skersinių plokštumų skaičių (viena šlyties plokštuma vadinama viengubu, o dvi šlyties plokštumos vadinamos dvigubomis), kurios turėtų būti nesriegiuotų varžtų skerspjūviai. Mes nerekomenduojame projektuoti šlyties per sriegius, nes tvirtinimo detalių šlyties stiprumą galima įveikti koncentruojant įtempius, kai keičiasi skerspjūvis. Kai kurie dizaineriai, nustatydami tvirtinimo detalių šlyties stiprumą, naudoja tempimo įtempių sritį, o kiti teikia pirmenybę mažo skersmens sekcijoms. Jei šlyties jungties varžtas yra susuktas iki nurodytos vertės (kaip parodyta 2 paveiksle), kontaktinio sluoksnio sujungimo paviršius negali pradėti slysti, kol neviršija trinties pasipriešinimo išorėje. Padidinus trintį tarp besijungiančių paviršių, gali pagerėti bendras jungties vientisumas. Kartais dėl dalių dydžio ir konstrukcijos reikalavimų gali būti ribojamas naudojamų varžtų skaičius.

2 pav. Nepriklausomai nuo to, ar jungiamasis komponentas yra viengubas, ar dvigubas, pjovimo paviršius neturėtų praeiti per srieginę tvirtinimo detalės dalį
Be tempimo ir šlyties apkrovų, lenkimo įtempis yra dar viena varžtų apkrova, kurią sukelia išorinės jėgos, kurios nėra statmenos varžto išilginei ašiai ir yra ant guolio ir sujungimo paviršių. Apskritai, kuo paprastesnė tvirtinimo detalė, tuo didesnis jo vientisumas ir patikimumas.
2. Nuovargis
Šiuo metu nėra specialių teisės aktų, įpareigojančių tiekėjus pirkti pagrindinius komponentus, atitinkančius pramonės standartus atitinkamuose pramoninių tvirtinimo detalių reglamentuose, ypač nenurodant pagrindinės tvirtinimo detalių gedimo priežasties – nuovargio. Apskaičiuota, kad nuovargio žala sudaro 85 % visų tvirtinimo detalių gedimų.
Varžtų nuovargis yra nuolatinis ciklinių tempimo apkrovų veikimas, dėl kurio atsirandavaržtaiveikiamas palyginti mažų išankstinės apkrovos jėgų ir kintančių darbo apkrovų. Esant tokioms dvigubos apkrovos sąlygoms ilgą laiką, varžtai suges, kai jų vardinis tempiamasis stipris yra mažesnis nei. Nuovargio tarnavimo laikas nustatomas pagal apkrovos įtempių ciklų skaičių ir amplitudę. Kai kurios suspaustos jungtys, pvz., presai, štampavimo įranga ir liejimo mašinos, taip pat gali lūžti dėl nuovargio. Veikimo metu tarp galios ir išankstinės apkrovos susidaro keli sudėtiniai įtempiai. Atliekant pasikartojančius tempimo judesius, streso pokyčių skaičių ir amplitudę įtakoja nuovargio ir pažeidimo laipsnis.
Tipiškos pramoninės tvirtinimo detalės, tokios kaip šešiabriauniai varžtai, nuolat pailgėja ir tam tikrame elastingumo diapazone grįžta į pradinę formą. Jei patiriamas įtempis, viršijantis įprastą ir už tamprumo diapazono, jie nuolat deformuojasi, kol galiausiai sulaužys. Pratęsimo ir grįžimo į išplėstą būseną elgesys vadinamas ciklu. Šešiakampis lizdas gali atlaikyti maždaug 240-10 laipsnių ciklų per dieną (maksimaliai), kaip parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Patobulinta Goodman diagrama

Taškinė įstrižainė rodo vidutinę kintamos varžto apkrovos vertę su 90 % tikimybe 10 milijonų ciklų. Faktinė įstrižainė rodo, kad kai varžto išankstinio priveržimo jėga pasiekia 100 ksi, didžiausias nuokrypis tarp dinaminės apkrovos ir vidutinio įtempio yra 12 ksi.
Tvirtinimo detalės ilgainiui įtrūks dėl pasikartojančių įtempių ciklų nuo piko iki maksimumo. Lūžis dažniausiai įvyksta labiausiai pažeidžiamoje tvirtinimo detalės vietoje, kurią inžinieriai vadina „didžiausios įtampos koncentracijos sritimi“. Kai įtempių koncentracijos taške atsiranda mikroįtrūkimų ir toliau veikiamas įtempių, įtrūkimai greitai išplis, sukeldami tvirtinimo detalių nuovargio pažeidimus. Įmonės, gaminančios tvirtinimo detales pramoniniam naudojimui, nuolat tiria naujus liejimo procesus ir kuria bei kuria naujus gamybos metodus, kurie gali įveikti minėtus lemtingus trūkumus.
Dažniausios nuovargio gedimo vietos yra jungtis (ty pirmasis įkeltas sriegis), šaknies filė, sriegis ir sriegio galas. Dėl geresnio atsparumo nuovargiui tobulinant gamybos pramonėje geresnes medžiagas ir gamybos metodus, siūlai tapo silpniausia tvirtinimo detalių vieta ir šiuo metu didžiausia nuovargio gedimo sukeliamų pažeidimų dalis.
Dėl konstrukcijos įtempių kintamųjų ir tvirtinimo detalių eksploatacinių charakteristikų sąsajos nuovargio stiprumo standartų nustatymas yra sudėtinga užduotis. Šiuo metu tai yra sudėtingas procesas, skirtas nustatyti „ciklų iki lūžio“ skaičių ir išmatuoti santykinį tvirtinimo detalių stiprumą.
3. Korozija
Kita varžto lūžimo priežastis yra korozija. Korozija yra įvairių formų, įskaitant įprastą koroziją, cheminę koroziją, elektrolitinę koroziją ir įtempių koroziją. Elektrolitinė korozija reiškia tvirtinimo detalių poveikį įvairiems drėgniems veiksniams, pvz., lietaus vandeniui arba rūgščiai rūkui, kurie yra elektrolitai, galintys sukelti tvirtinimo detalių cheminę koroziją; Antra, dėl skirtingų tvirtinimo detalių medžiagų skiriasi jų elektrolitiniai potencialai, o potencialų skirtumas gali nesunkiai generuoti „mikrobaterijas“. Projektuotojai turėtų rinktis medžiagas, turinčias panašų elektrolitinį potencialą, kiek įmanoma remdamiesi metalų suderinamumu, kartu pašalindami sąlygas elektrolitų susidarymui, kad būtų išvengta įtrūkimų, kuriuos sukelia elektrolitinė korozija.
Įtempimo korozija yra gana ribota. Įtempimo korozija egzistuoja esant didelėms tempimo apkrovoms ir daugiausia paveikia tvirtinimo detales, pagamintas iš didelio stiprumo legiruotojo plieno. Tvirtinimo detalės, pagamintos iš legiruotojo plieno (ypač iš aukštos legiruotojo sudėties plieno), yra linkusios įtrūkti veikiant įtempiams. Pradžioje dažniausiai paviršiuje susidaro įtrūkimai ir duobės, o vėliau atsiranda tolesnė korozija, kuri skatina įtrūkimų plitimą. Įtrūkimų plitimo greitį lemia varžto įtempimas ir medžiagos atsparumas lūžiams. Kai likusi medžiaga funkcionuoja tiek, kad negali atlaikyti taikomo įtempio, įvyksta lūžis.
4. Vandenilio trapumas
Didelio stiprumo plieninės tvirtinimo detalės (paprastai kurių Rokvelo kietumas yra C36 arba didesnis) yra labiau linkusios į vandenilio trapumą. Vandenilio trapumas yra pagrindinė tvirtinimo detalių lūžimo priežastis. Vandenilio trapumas yra reiškinys, kai vandenilio atomai patenka ir pasklinda visoje medžiagos matricoje. Kai vandenilio atomai patenka į medžiagos matricą, matrica patiria gardelės iškraipymą, sutrikdo pradinę pusiausvyros būseną ir dėl to ji lengvai įtrūksta veikiant išorinėms jėgoms. Kai išorinė apkrova veikiavaržtas,vandenilio atomai migruoja į labai koncentruotą įtempių zoną, sukeldami didelį įtempimą tarp kristalų ribų kraštų, dėl kurių lūžta tarp tvirtinimo elemento kristalų dalelių.
Kai tvirtinimo detalėse prieš montavimą yra kritinio vandenilio, jos paprastai suyra per 24 valandas. Jei vandenilis patenka į tvirtinimo detalę, neįmanoma nuspėti, kada jis suges. Todėl projektuotojai, naudodami atitinkamas tvirtinimo detales, turėtų nurodyti tiekėjų pasirinkimą su specializuotais procesais ir minimaliu galimu vandenilio trapumu.
5. Kiti veiksniai
Jungties lūžis ne visada yra tiesiogiai susijęs su katastrofišku tvirtinimo elemento lūžiu. Daugelis su tvirtinimo detalėmis susijusių veiksnių, pvz., išankstinės apkrovos praradimas arba tvirtinimo detalių jungčių nuovargis, gali sukelti nusidėvėjimą; Tvirtinimo detalių centro poslinkis naudojimo metu gali sukelti triukšmą ir nuotėkį, todėl norint išvengti lūžimo reikia atlikti neplanuotą priežiūrą. Pavyzdžiui, vibracija gali sumažinti sriegių atsparumą trinčiai, o tvirtinimo detalių jungtys gali atsipalaiduoti dėl darbo apkrovų po montavimo. Šie veiksniai kartu su varžtų šliaužimu aukštoje temperatūroje gali lemti išankstinės apkrovos jėgos praradimą. Kartais jungties plyšimas gali būti siejamas su per didelėmis arba per mažomis angomis, per mažu guolio plotu, per minkšta medžiaga arba per didele apkrova. Bet kuri iš šių situacijų nesukels tiesioginio varžto lūžimo, bet sukels jungties vientisumą arba galiausiai nutrūks varžtas.