Mechanische apparatuur en staalconstructies worden samengesteld uit verschillende componenten, waarvan de meeste vast zijn verbonden door bevestigingsmiddelen met schroefdraad. Het falen van bevestigingsmiddelen met schroefdraad leidt direct tot defecten aan de apparatuur. In ernstige gevallen kan dit leiden tot het stilleggen van apparatuur, het instorten van structuren en zelfs tot ongelukken met persoonlijk letsel.

Gezien de hoge frequentie en de ernstige gevaren van het falen van bevestigingsmiddelen, moeten technici systematisch de veroorzakende factoren analyseren en gerichte herstel- en preventiemaatregelen formuleren om bevestigingsfouten fundamenteel te elimineren.

Storingen in bevestigingsmiddelen zijn hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën. De eerste categorie is het falen van boutbreuken, wat een onmiddellijke scheiding van verbonden constructies veroorzaakt en meestal resulteert in ernstige apparatuurfouten en veiligheidsongevallen. De tweede categorie omvat het losraken van het draadpaar en het afglijden van de draadbouten of moeren, wat een kleine relatieve verplaatsing tussen aangesloten onderdelen veroorzaakt en leidt tot gedeeltelijke defecten aan de apparatuur en een verminderde werkingsnauwkeurigheid.

Het falen van bevestigingsmiddelen is een progressief proces. Kleine loslatingen zonder tijdige behandeling zullen blijven verslechteren en uiteindelijk een volledige scheiding van bouten en moeren veroorzaken, wat tot grote veiligheidsongevallen kan leiden. Bij praktische toepassingen begrijpt het meeste personeel niet dat het breken van bouten uitsluitend wordt veroorzaakt door materiaaldefecten en dat de moer losraakt door een slechte kwaliteit van de moer, terwijl kernproblemen zoals een onredelijk constructief ontwerp en niet-niet-standaard montageprocessen worden genegeerd. Dit artikel analyseert systematisch de oorzaken van verschillende boutbreukfouten vanuit het perspectief van ontwerp en montage.

1 Afschuifbreuk

Boutafschuifbreuk treedt meestal op bij schroefdraadverbindingen onder zuivere voorbelasting. Het afschuifbreukoppervlak bevindt zich op het gewrichtsgrensvlak van twee verbonden delen, waardoor een klein, glad en helder afschuifgebied ontstaat. De specifieke storingsoorzaken worden als volgt samengevat.

1.1 Ontwerpoorzaken

(1) Onvoldoende wrijvingscoëfficiënt op het verbindingsvlak of onjuist geselecteerde boutspecificaties leiden tot onvoldoende voorspanning. Wanneer de wrijvingskracht op het verbindingsoppervlak kleiner is dan de dwarse werkbelasting, uitgedrukt door de formule fF′＜F (waarbij f de grensvlakwrijvingscoëfficiënt is, F′ de boutvoorspanning en F de dwarse werkbelasting), treedt er relatieve slip op tussen verbonden componenten. De boutschacht wordt onderworpen aan extrusie en afschuifkracht vanuit de gatwand. Zodra de schuifspanning de schuifsterkte van het boutmateriaal overschrijdt, vindt er schuifbreuk plaats. Bewegende onderdelen onder stootbelastingen zijn gevoeliger voor dergelijke storingen. Bij constructief ontwerp kunnen lastverminderende onderdelen en positioneringsschouders worden gebruikt om dwarsbelastingen te dragen, zodat bouten alleen een trekverbinding tot stand brengen zonder afschuifkracht te dragen.

(2) Bevestigingsmiddelen zonder anti-losmaakconstructies worden toegepast in trillende werkomstandigheden. Door trillingen van de apparatuur op lange- termijn wordt het draadpaar losgemaakt en wordt de voorspanning van de bout verminderd, wat resulteert in onvoldoende interfacewrijving en verdere slip van de componenten en breuk van de bout. Voor constructies die in trillingsomgevingen werken, moeten speciale anti-losmaakmiddelen zoals Spiralock-moeren en gangbare koppelborgmoeren worden gebruikt om te voorkomen dat het losraken mislukt.

1.2 Montageoorzaken

Een onvoldoende aanhaalmoment van de montage leidt tot ondermaatse boutvoorspanning en onvoldoende interfacewrijving. Externe belastingen veroorzaken relatieve slip van componenten en resulteren uiteindelijk in breuk van de bout. Het aanhaalmoment van de bouten is een kritische procesindicator bij de constructie van staalconstructies en bij de motorassemblage en vereist strikte controle. In andere industrieën wordt dit echter vaak verwaarloosd vanwege het gebrek aan gestandaardiseerd koppelbeheer. In praktische faalgevallen worden de meeste draadloslatingen en breukfouten veroorzaakt door een onjuist montagekoppel.

De klemkracht van een schroefdraadpaar wordt gegenereerd door roterende moeren of bouten en is positief gecorreleerd met het montagekoppel. Om ervoor te zorgen dat de voorbelasting voldoet aan de ontwerpvereisten, moet het montagekoppel duidelijk worden gespecificeerd in de procesdocumenten en tijdens het gebruik strikt worden geïmplementeerd. De formule voor het berekenen van het montagekoppel is als volgt:

M=KPD

Waarbij: M - Montagekoppel (Nm); K - Koppelcoëfficiënt; P - Ontworpen voorspanning (kN); D - Nominale boutdiameter (mm).

Bij conventionele ontwerpen wordt de boutvoorspanning ingesteld binnen 60% tot 80% van de vloeigrens van het materiaal, met een veiligheidsfactor boven 1,2. De vloeigrens van bouten met verschillende specificaties en sterkteklassen kan worden verwezen naar GB/T 3098.1.

De koppelcoëfficiënt wordt bepaald door de wrijvingscoëfficiënt van draadparen en het contactoppervlak daartussenbevestigingsmiddelenen aangesloten onderdelen. Het wordt beïnvloed door oppervlaktebehandeling, sterkteprecisie, geometrische tolerantie, draadnauwkeurigheid, ruwheid van het steunoppervlak en structurele stijfheid. Oppervlaktebehandeling is de dominante factor. Verschillende oppervlaktebehandelingen leiden tot grote verschillen in koppelcoëfficiënt, tot bijna het dubbele. Voor draadparen met dezelfde specificatie en sterkte bedraagt ​​de koppelcoëfficiënt van een fosfateringsbehandeling ongeveer 0,13 tot 0,15, terwijl die van een zwartingsbehandeling varieert van 0,26 tot 0,30.

Daarom produceren bevestigingsmiddelen met fosfaterings- en zwartbehandelingen een bijna dubbel voorspanningsverschil bij hetzelfde montagekoppel. De koppelcoëfficiënt moet door middel van experimenten worden gekalibreerd. Fabrikanten van bevestigingsmiddelen moeten oppervlaktebehandelingsprocessen strikt controleren om consistente koppelcoëfficiënten van elke batch te garanderen. Gebruikers mogen de vereisten voor oppervlaktebehandeling niet willekeurig wijzigen, om onvoldoende voorspanning, uitrekken van de bout of breuk veroorzaakt door fluctuaties in de koppelcoëfficiënt te voorkomen.

2 Vermoeidheidsbreuk

Vermoeidheidsbreuk is een van de meest voorkomende vormen van boutbreuk. De meeste vermoeiingsfouten zijn het gevolg van fabricagefouten, waaronder niet-gladde overgangslijsten onder de boutkoppen, onvoldoende draadwortelradius, krassen op het oppervlak en materiaalinsluitsels. Ondertussen is niet-standaardmontage ook een belangrijke oorzaak van vermoeidheidsbreuken en potentiële veiligheidsongevallen.

Als we bijvoorbeeld wielbouten voor auto's nemen, zorgt het structurele ontwerp ervoor dat wielbouten alleen axiale voorspanning kunnen dragen zonder directe radiale belasting. Onvoldoende montagekoppel leidt tot onvoldoende voorspanning en onvoldoende wrijving tussen de wielnaaf en de halve as, waardoor relatieve slip ontstaat tijdens het rijden van het voertuig.

Tijdens wielrotatie op hoge-snelheid draait de bout periodiek met de naaf mee. De boutschacht wordt onderworpen aan wisselende extrusiekracht vanaf beide zijden van de gatwand, wat resulteert in hoogfrequente cyclische radiale belastingen. Cyclische belastingsactie op de lange- termijn initieert en breidt vermoeiingsscheuren uit, wat uiteindelijk leidt tot boutvermoeidheidsbreuken.

Wanneer wielboutbreuk optreedt na gebruik van het voertuig, moeten inspecteurs eerst de breukmorfologie observeren om een ​​voorlopig oordeel te vellen over het falen van vermoeiing voordat ze verdere, diepgaande analyses uitvoeren.

3 Overbelastingsbreuk

Overbelastingsbreuk verwijst naar trekbreuk wanneer de totale axiale belasting de toegestane limiet van het boutmateriaal overschrijdt. Omdat het effectieve draagoppervlak van het van schroefdraad voorziene gedeelte kleiner is dan dat van de gladde schacht met een zwaardere spanningsconcentratie, treedt breuk door overbelasting meestal op bij het van schroefdraad voorziene gedeelte, wat voorlopig kan worden geïdentificeerd door de breukmorfologie.

Bouten van klasse 8.8 vertonen duidelijke insnoering na breuk door overbelasting; Bouten van klasse 10.9 vertonen een lichte insnoering; Bouten met een hoge sterkte van klasse 12.9- hebben in principe geen insnoeringskenmerken onder normale overbelastingsomstandigheden.

Duidelijke insnoering kan ook voorkomen bij bouten van klasse 8.8 tot 12.9 met niet-gekwalificeerde materialen, onvoldoende warmtebehandeling, onvolledige afschrikking of onvoldoende kernhardheid. Daarom worden de beoordelingscriteria voor overbelastingsfracturen als volgt gespecificeerd:

(1) Voor fracturen met vernauwingen moeten monstertests worden uitgevoerd in overeenstemming met GB/T 3098.1. Breuk door overbelasting kan worden bevestigd als de kernhardheid wordt gekwalificeerd.

(2) Metallografische analyse is vereist voorHoogwaardige bouten van klasse 12.9-om overbelastingsbreuk vast te stellen, omdat defecten aan het schroefdraadoppervlak en materiaaldefecten ook breuken in het schroefdraadgedeelte kunnen veroorzaken en niet alleen op het uiterlijk kunnen worden beoordeeld.

Overbelastingsbreuken komen vooral voor in boutverbindingen onder axiale belasting, met drie hoofdoorzaken:

A. Een te hoog montagekoppel zorgt ervoor dat de voorspanning de vloeigrens van het boutmateriaal overschrijdt, wat resulteert in het uitrekken of breken van de bout tijdens de montage.

B. Overmatige voorspanning van de montage dichtbij de vloeigrens van de bout. Tijdens de werking van de apparatuur draagt ​​de bout zowel de resterende voorspanning als de werkbelasting. De superpositie van de twee belastingen die de materiaalsterktelimiet overschrijden, veroorzaakt breuk door overbelasting. Bij constante werkbelasting leidt een hogere montagevoorspanning tot een hogere restvoorspanning en een groter risico op overbelasting.

C. Onjuiste boutselectie met onvoldoende nominale draaddiameter die niet voldoet aan de lagervereisten in het structurele ontwerp.

4 Boutbreuk veroorzaakt door excentrische belasting van de montage

Boutbreuk als gevolg van excentrische belasting is een typisch falen van het montageproces. Op het steunvlak van de bout zijn duidelijke halvemaanvormige--slijtagesporen waar te nemen, waarbij het feitelijke lageroppervlak slechts 1/4 tot 1/3 van het totale steunoppervlak beslaat en er sprake is van een zeer ongelijke spanningsverdeling. De boutschacht nabij de breuk buigt tegengesteld aan de spanningsrichting en vertoont typische excentrische buig- en breukkenmerken.

Excentrische belastinguitval van bouten wordt voornamelijk veroorzaakt door twee factoren:

Ten eerste is het contactsteunoppervlak van verbonden onderdelen hellend of ongelijkmatig, wat resulteert in lokale spanning op debout kopen het vormen van excentrische belasting, wat de belangrijkste oorzaak is van dit faalgeval.

Ten tweede veroorzaakt een overmatige rechtheidsfout of buigvervorming van de boutschacht een inherente excentrische belasting tijdens de montage.

De twee soorten excentrische belastingen verschillen aanzienlijk in spanningspositie en schachtbuigrichting, wat kan worden onderscheiden door spanningssporen op het steunoppervlak en de vervormingsrichting van de bout.

5 Conclusie

Storingen in bevestigingsmiddelen, zoals breuk, slippen en loskomen van de schroefdraad, worden niet altijd veroorzaakt door inherente productkwaliteitsdefecten. Gestandaardiseerde procedures voor het oplossen van problemen moeten worden gevolgd zodra de bevestiging mislukt:

Ten eerste: bewaar defecte monsters volledig en bescherm breukoppervlakken tegen roest, botsingen en secundaire schade om een ​​nauwkeurige analyse van de fouten te garanderen.

Ten tweede: bepaal voorlopig het type breuk en de aanleiding op basis van de breukmorfologie, het uiterlijk van het monster, sporen van oppervlaktespanning en feitelijke werkomstandigheden.

Ten derde: voer professionele fysische en chemische tests uit, inclusief metallografische analyse en hardheidsdetectie. Als de materiaal- en warmtebehandelingsindicatoren aan de nationale normen voldoen, is de storing afkomstig van het structurele ontwerp- of montageproces; anders wordt dit bevestigd als een kwaliteitsfout van het bevestigingsmiddel.

Ten vierde: formuleer gerichte herstel- en preventiemaatregelen op basis van de bevestigde storingsoorzaken, standaardiseer ontwerpspecificaties en optimaliseer assemblageprocessen om herhaling van soortgelijke storingen te voorkomen.