Uvolňování závitových spojů: příčiny a kontrolní opatření — OOO Alukom

Hlavní výhodou závitových spojovacích prvků je, že je lze sejmout a znovu použít. Tato jejich vlastnost je však také zdrojem vážných problémů jak strojů, tak stavebních kovových konstrukcí. Tento problém spočívá v neúmyslném a samovolném uvolnění (samovyšroubování) závitového spoje – šroubu, šroubu nebo svorníku.

Mechanismy uvolňování závitových spojů

Šroubový spoj s řízeným tahem

U většiny závitových spojovacích prvků je pevnosti spoje dosaženo vytvořením velkého upínacího zatížení v něm. Toto svěrné zatížení vzniká řízeným utahováním šroubového spoje.

Uvolnění závitového spoje je následnou ztrátou části tohoto upínacího zatížení. K tomu může dojít ze dvou důvodů:

• Rotační uvolnění, často označované jako back-off, nastává, když se spojovací prvek, jako je matice, otáčí vzhledem ke šroubu pod vnějším zatížením, což má za následek snížení upínací síly ve spoji.
• K nerotačnímu uvolnění dochází, když nedochází k relativnímu pohybu mezi vnitřním a vnějším závitem, ale k uvolnění závitového spojení přesto dochází.

Nerotační mechanismus pro uvolnění matic

K nerotačnímu uvolnění závitového spoje může dojít v důsledku deformace samotného závitového spojovacího prvku nebo spoje jako celku. K tomu může dojít v důsledku lokální plastické deformace na dosedacích plochách šroubového nebo šroubového spoje.

Zvětšená kontaktní plocha s nerovnými kontaktními plochami

Když se dva nosné povrchy, jako jsou díly a hlavy šroubů, dostanou do vzájemného kontaktu, jsou nepravidelnosti na obou površích vystaveny značnému namáhání. Protože skutečná kontaktní plocha může být výrazně menší než její zdánlivá plocha, vznikají na těchto nepravidelnostech velmi velká lokální napětí. Velikost těchto napětí je i při velmi mírném zatížení vyšší než mez kluzu materiálů ve šroubovém spoji.

To má za následek, že povrch částečně sedá ihned po dokončení šroubování. Tento jev se nazývá „embedding“. Podíl upínací síly, která se ztratí v důsledku sedání, závisí na:

• tuhost šroubu a samotného spojení,
• počet povrchů, které se účastní spojení,
• drsnost povrchu a úroveň napětí působícího ve spoji.

Při mírném zatížení má počáteční sedání spoje typicky za následek ztrátu upínací síly ve šroubovém spoji o 1 až 5 % během prvních sekund po utažení šroubového spoje. Při následném dynamickém zatížení tohoto spoje vnějšími zatíženími dochází v důsledku tlaků, kterým jsou jeho povrchy vystaveny, k dalšímu sedání spoje.

Uvolnění závitového spoje v důsledku sedání je problematické zejména u spojů, které sestávají z několika tenkostěnných prvků a mají malou celkovou tloušťku spoje.

Teorie uvolňování šroubového spoje

V současné době je uznávanou teorií samovolného uvolňování závitových spojovacích prvků Junkerova teorie (1969). Byl vyvinut na základě výsledků šroubových testů na zkušebním stroji Junker.

Příčný pohyb v šroubovém spoji

Hlavní ustanovení Junckerovy teorie:

• Dobře utažený šroubový spoj se uvolní v důsledku odšroubování matice, pokud dojde k relativnímu pohybu mezi závity šroubu a matice a mezi přilehlými plochami matice a upnutým materiálem.
• Příčné dynamické zatížení vytváří mnohem závažnější podmínky pro samovolné uvolnění než dynamické axiální zatížení.
• Radiální posuvy při axiálním zatížení jsou výrazně menší než ty, které vznikají od příčných zatížení (obrázek 4).
• Nejčastější příčinou uvolnění šroubových spojů nejsou vibrace, jak se často soudí, ale pohyb ve spoji, zejména příčné prokluzování závitů šroubů a dosedacích ploch.
• Je-li na šroub aplikováno dostatečné axiální zatížení, aby se zabránilo bočnímu pohybu ve spoji, nejsou vyžadována žádná zajišťovací zařízení, protože tření bude držet části spoje pohromadě.

V případech, kdy se nelze vyhnout prokluzu ve spoji, například ve spojích pro kompenzaci tepelné roztažnosti, je nutné použít speciální opatření a zařízení pro zajištění závitového spoje, například v případě šroubového spoje zajištění matic.

Uzamykací vlastnosti šroubů

Hlava příruby

Širší hlava šroubu, nazývaná přírubová hlava, poskytuje větší tření mezi hlavou a povrchem součásti nebo konstrukčního prvku. Tím se snižuje plošný tlak na nosné plochy a tím se snižuje sesedání spoje.

Vlnitá hlava

Vroubkování na nosné ploše hlavové příruby slouží jako zajišťovací funkce. Při utahování šroubu se rýhovaná žebra zarývají do povrchu konstrukčního prvku a poskytují zajišťovací efekt. Poškození povrchu dílu, zejména lakovaného, ​​může být v některých případech překážkou použití.

Pokud je u šroubového spoje použit šroub s ozubením, musí být také matice v něm ozubená [3] (obrázek 5). To je nezbytné pro zajištění vysokého tření na všech plochách spoje. U šroubového spojení s rýhovaným šroubem a rýhovanou maticí se podložky nepoužívají.

Zajišťovací vlastnosti matic

V průmyslu se používá několik desítek různých typů pojistných prvků – pojistných matic. Všechny mají společný princip – zaseknout závity matice na závity šroubu. Toho je dosaženo různými metodami: mechanickými nebo chemickými. Mechanické metody zahrnují pojistné matice s deformovanými závity, nylonové a ocelové pojistné vložky. Chemické metody jsou založeny na zvýšení tření mezi závity jejich ucpáním zavedením speciálních chemických sloučenin, například dobře známých sloučenin, jako je Locktite.

Uzamykací vlastnosti podložek

Podložky jsou klasifikovány jako spojovací prvky, protože pomáhají zajistit pevnost a spolehlivost spojů. Nesprávné použití podložek může mít za následek snížení pevnosti spojení nebo zvýšené riziko uvolnění spojení.

Ploché podložky

Při správném výběru mohou ploché podložky pomoci snížit povrchový tlak na měkké materiály a minimalizovat ztrátu pevnosti v tlaku v důsledku průhybu. Dosedací plocha podložky je obvykle větší než dosedací plocha šroubu nebo matice.

Větší průměr kontaktní plochy poskytuje větší třecí odpor. Proto se při utahování šroubového spoje vždy otáčí vzhledem k podložce hlava šroubu. Bude tedy chránit slabší materiál a tím snížit riziko zeslabení spoje při působení vnějších sil.

V závislosti na použité třídě pevnosti šroubu se volí třída pevnosti podložky. Volba nesprávné tvrdosti podložky může vést ke zvýšenému riziku uvolnění spoje nebo pokud je materiál příliš měkký na to, aby podpíral hlavu šroubu bez usazení [2].

Pružinové podložky

Obecně se má za to, že pružné podložky snižují riziko rotačního uvolnění šroubového nebo šroubového spoje. Hlavním účelem této pružné podložky je snížit ztrátu upínací síly, ke které dochází v důsledku sesedání šroubového spoje. Při správném použití této podložky se tedy sníží riziko vyšroubování při dynamickém zatížení.

Tyto podložky jsou však často příliš zesílené, a proto vedou k vyššímu riziku zeslabení spoje v důsledku sedání a/nebo dynamického zatížení [2]. Pružné podložky musí mít pevnost, která je dostatečná, aby vydržela upínací sílu šroubů třídy 5.8, když jsou utaženy na plnou sílu. Při práci s takovými šrouby snižují pružné podložky ztrátu upínací síly a tím snižují riziko uvolnění šroubového spoje vlivem dynamických sil. Kromě toho okraje pružné podložky vytvářejí mechanický záběr s relativně měkkým povrchem, což poskytuje další zajišťovací efekt.

Účinnost pružných podložek je velmi nízká při použití s ​​tepelně zpracovanými spojovacími prvky třídy 8.8 a vyšší. Síla pružiny podložky je v tomto případě příliš malá a hrany podložky se nemohou zaříznout do tvrdého povrchu šroubu nebo matice. Pokud jsou pružné podložky použity s vysoce pevnými spojovacími prvky, ve skutečnosti představují zvýšené riziko pro spolehlivost spojení, protože se mohou při vysokém zatížení rozdělit a zlomit.

Podložky Grover pro příčné vibrace

Testování šroubů na Junkerově stroji:
„šroub s pojistnou podložkou“ a „šroub bez podložky“

Obrázek ukazuje výsledky vibračních testů na stroji Junker šroubových spojů M10 s a bez podložky Grover. Amplituda vibrací byla ±0,5 mm [1].

Výsledky testů ukázaly, že instalace pružné podložky pod hlavu šroubu může způsobit její rychlejší povolení než šroub bez takové podložky [1]. Podobný názor na účinnost pružných podložek v zajišťovacích šroubech a maticích je vyjádřen ve známém NASA upevňovacím manuálu [3].

Jiné pojistné podložky

Poppet

a – hladký,
b – vlnité

Ozubený

a – hladký,
b – vlnité

Aplikace pojistných matic

Tyto matice se obvykle vzájemně zamykají. Stále se diskutuje o tom, která matice by měla být na dně, zda tlustá nebo tenká [3].

Existuje však názor, že tento typ zamykání je příliš nepředvídatelný, než aby byl spolehlivý [3]. Pokud je vnitřní matice utažena více než vnější matice, dojde k jejímu „prosakování“ dříve, než bude vnější matice utažena na své plné zatížení.

Na druhou stranu, pokud je vnější matice utažena více než vnitřní matice, vnitřní matice se odlehčí. V tomto případě začne vnější matice „prosakovat“ dříve, než vnitřní matice dosáhne svého plného zatížení.

To znamená, že je velmi obtížné dosáhnout správného utažení každé z těchto dvou matic. Proto se má za to, [3] že samojistné matice jsou mnohem praktičtější volbou pro zajištění než matice a kontramatice. Avšak například v případech, kdy šroubový spoj nenese axiální zatížení, může být použití pojistné matice zcela oprávněné.

STO NOSTROY 2.10.76-2012 o zajištění závitových spojů

STO NOSTROY 2.10.76-2012 „Šroubové spoje“ [4] používají různé přístupy k uzamykání různých typů spojů. To je obecně v souladu s Junckerovým přístupem.

Tři hlavní typy šroubových spojů

1. Třecí (smykové) spoje
   V těchto spojích jsou smykové síly absorbovány třecími silami působícími na styčné plochy spojovaných prvků v důsledku napínání šroubů návrhovou silou.
2. Smykové spoje
   V těchto spojích jsou smykové síly absorbovány odolností ve smyku šroubů a odolností proti drcení spojovaných prvků.
3. Třecí smykové spoje
   Tato spojení berou v úvahu jak odolnost šroubů proti střihu, tak odolnost spojovaných prvků proti drcení a tření.

Třecí spoje jsou spoje s řízeným tahem na vysokopevnostních šroubech, zatímco smykové a třecí smykové spoje jsou spoje s nekontrolovaným tahem.

Požadavky na uzamykatelné spoje

Pro třecí spojení je každý šroub (vysoká pevnost) instalován ve spojení se dvěma kruhovými podložkami (jedna je umístěna pod hlavou šroubu, druhá pod maticí). Vysokopevnostní šrouby se zvětšenou hlavou pod klíčem, s rozdílem jmenovitých průměrů otvorů a šroubů do 4 mm, lze instalovat s jednou podložkou pod otočný prvek (matici nebo hlavu šroubu). Nepřijímají se žádná další opatření k zajištění matic. Zvláštní pozornost je věnována přípravě kontaktních dosedacích ploch šroubů, matic a podložek pro zajištění vysokých třecích sil na ně.

Ve smykových spojích je přípustné instalovat pod matici dvě ploché podložky. Je přípustné neinstalovat pod hlavu šroubu podložku. Aby se zabránilo uvolnění matic, jsou dodatečně zajištěny instalací speciálních podložek nebo pojistných matic. Konkrétní typy podložek však nejsou specifikovány. U šroubů pracujících v tahu se doporučuje zajistit matice výhradně instalací pojistných matic.

U konstrukcí, které přenášejí statické zatížení, nemusí být matice šroubů utažené na sílu 50–70 % minimální pevnosti šroubu v tahu nutné dodatečně zajišťovat. V tomto případě by závity šroubů neměly dopadat na rovinu řezu.

Tento článek byl poprvé publikován na blogu Yachting Monthly:Gear, který je konečným zdrojem dobrých a užitečných informací pro jachtaře. Díky, YM – pokračujte v dobré práci!

Někteří jachtaři zamykají převodovku nebo hřídel, čímž brání otáčení vrtule, jiní ji nechávají volně točit.

Zastavit vrtuli nebo ji nechat točit?

Tato debata probíhá již od doby, kdy byly poprvé instalovány vrtule na plachetnicích, a každý námořník má samozřejmě svou vlastní teorii a názor na věc. Inženýr Brunel s největší pravděpodobností o tomto tématu přemýšlel, když navrhoval Velkou Británii (první loď se šroubovým pohonem na světě, spuštěná v letech 1843 – 60sever ) a zcela jistě se námořníci v přístavních barech po celém světě opakovaně potýkali s jednoduchou otázkou: který z těchto dvou režimů způsobuje nejmenší ztrátu rychlosti při plavbě?

Tato nekonečná debata má dvě strany. „Ustalovači“ říkají, že pokud se vrtule otáčí, pak je toto otáčení způsobeno nějakou silou a tato síla vytváří odpor, který zpomaluje jachtu. „Vertuny“ reagují, že tažení pevné třílisté vrtule vodou vytváří odpor a zpomaluje jachtu. Ve skutečnosti jsou tvrzení obou stran pravdivá, ale která poloha šroubu – pevná nebo otočná – klade menší odpor? YM provedla sadu měření, která se pokusila na tuto otázku odpovědět.

Když je vrtule zablokována, voda narážející na listy vrtule je odkloněna do strany a vytváří odpor. Pokud se vrtule otáčí, voda bude také odkláněna od lopatek do strany, ale pod menším úhlem – proto bude vytvořená brzdná síla menší.

Abyste si to snadněji představili, představte si, že se pokoušíte proběhnout otočnými dveřmi, jakmile vás jedny z dveří míjejí. Pokud narazíte do dveří, které se otáčejí ve směru jízdy, otřes z nárazu bude malý – pokud však dveře stojí a neotáčejí se, pak rozbitý nos od nárazu bude bolet ještě dlouho.

*Na lodi jsme použili elektromotor a provedli jsme naše testy v uzavřených vodách, abychom co nejvíce eliminovali vliv vnějších podmínek na test*

Rozteč šroubu: Co to je a proč na tom záleží

Velikost odporu proti proudění přitékající vody rotujícího šneku závisí na stoupání šneku. Stoupání vrtule je určeno úhlem lopatek a vypočítává se jako vzdálenost, kterou vrtule urazí za jednu úplnou otáčku bez prokluzu.

*Hlavními parametry šroubu jsou jeho stoupání (jak daleko se šroub posune za jednu otáčku) a jeho průměr*

Při motorizaci vrtule s menším stoupáním produkují více točivého momentu, takže získávají otáčky rychleji, ale horní hranice otáček u takových vrtulí bude nižší: motor nebude plně zatížen a odpor proti proudění vody z takových vrtulí při plavbě bude vyšší. Vrtule s vyšším stoupáním zrychlí jachtu na vyšší rychlost. Jsou pomalejší při nabírání rychlosti, ale nakonec zrychlují rychleji. Motor může být přetížený, ale vrtule bude klást menší odpor proti proudu vody.

Stejně jako u většiny ostatních problémů na jachtě je konečný výběr vrtule kompromisem založeným na prioritách souvisejících s tím, jak je jachta používána, otáčkami motoru a převodovými poměry. Typicky bude mít vrtule na typické cestovní jachtě sklon v rozmezí 10 až 14 palců, v tomto případě bude odpor toku vody otáčející se vrtulí menší než u pevné vrtule.

výsledky

Naše testovací nastavení na lodi fungovalo tak, jak jsme doufali, a poskytlo výsledky, které byly v dobré shodě s teorií, jak se rychlost zvyšovala. Použití elektromotoru nám umožnilo získat údaje pro přesné hodnoty tahu, které lze aplikovat na ekvivalentní rychlosti větru tahu plachty. Rychlost trupu jachty použité pro testování nás omezovala na maximální rychlost 5 uzlů, ale ve skutečném světě bude dopad odporu vrtule největší při těchto relativně nízkých rychlostech.

Grafy, na kterých jsme shrnuli získané výsledky, ukazují se zjevnou jistotou: Pokud je to možné, měli byste nechat třílistou vrtuli na vaší jachtě volně se otáčet.. Odolnost proti proudění vody zastavené vrtule byla téměř třikrát větší než u rotující vrtule, což mělo za následek ztrátu rychlosti téměř půl uzlu při rychlosti 4 uzly. Extrapolováno, to je téměř 0.75 uzlu při 6 uzlech – což znamená, že při 16hodinovém přejezdu, když necháte vrtuli volně se točit, dostanete se do cíle téměř o dvě hodiny dříve. Sklopná vrtule nebo vrtule s pohyblivými listy (vratná vrtule) zvýší tyto otáčky o dalších 10 %, což rovněž nelze považovat za nepodstatné.

Pevná třílistá vrtule produkuje téměř stejný odpor jako lžíce o průměru 10 palců!

Závěr: „Nechte to točit“

Výsledky našich testů ukazují, že třílistá vrtule při otáčení vytváří výrazně menší odpor proudění vody než vrtule pevná.

Mnoho výrobců lodních převodovek má svá vlastní omezení ohledně toho, zda má být vrtule uzamčena nebo se nechá otáčet. Téměř všechny moderní hydraulické převodovky lze ponechat v neutrálu, což umožňuje volné otáčení vrtule, ale v minulosti se u některých hydraulických převodovek vytvářel tlak mazacího oleje pouze při otáčení hnacího hřídele motoru, a pokud jste nechali převodovku v neutrálu, což umožnilo volné otáčení vrtule v protijedoucím proudu, mohlo by to vést k nedostatku oleje v převodovce.

Na druhou stranu mnoho výrobců mechanických převodovek varuje, abyste je při plavbě nenechávali zařazené, protože zátěž od zablokované vrtule může poškodit vnitřní části převodovky, a dokonce i začít protáčet hnací hřídel motoru, takže je bezpečnější nechat vrtuli na volnoběh. V každém případě vždy – vždy! – Před konečným rozhodnutím, zda zastavit vrtuli nebo ji nechat volně točit, zkontrolujte manuál převodovky.

Různé šrouby a tvary těla

Žádné překvapení: grafy jasně ukazují, že existují pádné důvody pro instalaci skládací vrtule na vaši loď, ať už má plachetnici nebo tradiční převodovku s hřídelí. Na jachtě s dlouhým kýlem, která je vybavena tenkou dvoulistou vrtulí umístěnou mezi mrtvým dřívím a listem kormidla, si můžete udělat značku na hřídeli vrtule, která vám ukáže, kdy jsou listy vrtule svislé, což je poloha, kde bude odpor vrtule minimální. V případě jachty s kýlem ploutve bude výhoda instalace dvoulisté vrtule ve svislé poloze zanedbatelná.

Odpor třílisté vrtule na plachetnici bude téměř identický s pozorováními získanými v našich testech, protože noha přívěsného motoru použitá pro testy je více podobná noze plachetnice než typické hřídeli vrtule.

Jak probíhaly testy

Vrtuli jsme namontovali na přívěsnou motorovou nohu, která měla podvodní profil podobný typickému saildrive.

Naším cílem bylo změřit odpor na třílisté vrtuli 12×12 (průměr 12 palců a stoupání 12 palců), nejprve v pevné poloze a poté rotující různými rychlostmi.

Použili jsme pružinovou váhu k měření odporu vrtule a závaží na kormidle pro vyvážení hmotnosti nohy motoru a vrtule.

Poté jsme pro srovnání změřili odpor skládací vrtule dodané společností Darglow a v posledním experimentu jsme za člunem zatáhli kbelík, abychom porovnali jeho odpor s odporem vrtule.

Měřili jsme proud a napětí odebrané elektromotorem, abychom určili odpor a ztrátu rychlosti při zvýšení tahu.

Abychom změřili odpor lodního šroubu na vodě, namontovali jsme lodní šroub na nohu přívěsného motoru namontovaného na příčce 14stopého člunu poháněného elektromotorem. Měřili jsme proud spotřebovaný motorem a napětí na kontaktech, abychom určili ztrátu rychlosti v důsledku odporu vrtule vůči průtoku vody při daném tahu – při testech jsme použili elektrický tah, v podmínkách na moři bude místo toho fungovat vítr.

V praxi bude velikost odporu rotující vrtule vyšší než teoretická úroveň, protože k překonání tření v převodovce bude zapotřebí určitá síla. I v neutrálu budou rotující části převodovky udělovat celému systému určitý odpor, ale to má mnohem menší vliv na rychlost jachty než pevná vrtule. V našich testech jsme jako standardní převodovku použili převodovku lodního motoru, takže celkově můžeme říci, že testovací podmínky docela dobře reprodukovaly skutečnou situaci.

( Překlad článku (c) 2015 F. Druzhinin, přetisk v jakékoli formě bez povolení je zakázán)

POZNÁMKY NA CESTY

Přechod Azory-Cherbourg, 2008