Metody utahování závitových spojovacích prvků

Jedním z klíčových problémů při šroubové montáži je dosažení přesného předpětí pomocí vhodných metod utahování. Častou příčinou selhání šroubového spojení je nedostatečné předpětí způsobené nepřesnými procesy utahování. Návrháři musí být obeznámeni s principy a charakteristikami běžných technik utahování šroubů. Tento článek systematicky představuje šest primárních metod řízení předpětí šroubu. Je třeba poznamenat, že určitý stupeň rozptylu předpětí je nevyhnutelný bez ohledu na použitou metodu utahování, která patří k normálním procesním charakteristikám.

Šest hlavních metod se široce používá k řízení předpětí závitůspojovací materiál:utahování řízené kroutícím momentem, utahování řízené úhlem, utahování řízené mezí průtažnosti, utahování natahováním šroubů, tepelné utahování a utahování indikující napětí.

1. Utahování řízené momentem

Utahování řízené momentem je nejběžněji používanou metodou řízení předpětí v průmyslových aplikacích. Jmenovitý utahovací moment potřebný pro montáž šroubu lze získat ze standardních tabulek momentů nebo vypočítat podle korelace mezi utahovacím momentem a předpětím šroubu.

Při utahování dřík šroubu snáší jak axiální namáhání v tahu, tak i namáhání ve smyku v krutu. Konvenční referenční tabulky krouticího momentu obecně ignorují torzní napětí a předpokládají, že 75 % celkového napětí přispívá k efektivnímu axiálnímu napětí. V podmínkách vysokého tření se výrazně zvyšuje torzní napětí. Při superponování s axiálním napětím může ekvivalentní napětí překročit mez kluzu materiálu a vést k selhání šroubu. Pro vyšší přesnost je proces řízen tak, aby kombinované ekvivalentní napětí dosáhlo přibližně 90 % meze kluzu, což zajišťuje bezpečnou a spolehlivou montáž vyvážením axiálního a torzního namáhání.

Samosvorné spojovací prvky s dominantním kroutícím momentem, jako napřnylonové pojistné matice a mechanické pojistné matice jsou široce používány ve scénářích náchylných k vibracím, aby se zabránilo uvolnění. Tyto upevňovací prvky výrazně zvyšují torzní napětí v dříku šroubu během utahování a mění účinnost převodu krouticího momentu na předpětí. Hodnoty točivého momentu se proto musí při nastavování parametrů odpovídajícím způsobem upravit.

Hlavním omezením utahování řízeného kroutícím momentem je, že 85 % až 95 % aplikovaného krouticího momentu je spotřebováno k překonání tření závitu a povrchu ložiska. Menší změny podmínek tření mohou mít za následek podstatnou odchylku předpětí. Použití stabilizátorů tření na spojovací prvky může snížit rozptyl tření a zlepšit přesnost utahování.

Standardní opatření pro zlepšení přesnosti utahovacího momentu jsou shrnuta následovně:

1. Nepoužívejte obyčejné ploché podložky. Relativní prokluz mezi podložkami a kontaktními plochami mění efektivní poloměr tření a deformuje vztah moment-předpětí. Pokud je pro snížení povrchového tlaku vyžadována větší ložisková plocha, upřednostňují se přírubové šrouby a přírubové matice.

2. Určete utahovací moment skutečnou kalibrací. Na dřík šroubu lze připevnit tenzometry pro kalibraci utažení na místě za reálných montážních podmínek. Siloměry instalované pod hlavami šroubů poskytují pomocné měření, ale jsou méně přesné než tenzometry kvůli změněným kontaktním charakteristikám.

3. Když není k dispozici experimentální kalibrace, vypočítejte standardní utahovací moment komplexně na základě tolerance obrobení spojovacího prvku, rozměrů ložisek matic a charakteristik zajišťovacího momentu. Profesionální program pro výpočet točivého momentu TORQUE vyvinutý společností Bolt Science dokáže realizovat přesné výpočty.

4. Specifikujte hodnoty utahovacího momentu na montážních výkresech se standardní tolerancí ±5 %. Pro kritické spoje použijte kalibrované momentové klíče a proveďte ověření utahovacího momentu po sestavení.

Různé metody utahování vedou k odlišným úrovním rozptylu předpětí, mezi nimiž čisté řízení točivého momentu představuje relativně velkou odchylku.

2. Úhlově řízené utahování

Úhlově řízené utahování, známé také jako metoda otáčení matice, bylo zavedeno krátce po druhé světové válce pro ruční montáž a je nyní kompatibilní se silovým utahovacím zařízením. Proces nejprve utáhne šroub na moment usazení a poté otočí matici o předem stanovený úhel, aby se šroub částečně plasticky deformoval. Tato metoda účinně snižuje kolísání předpětí způsobené tolerancí meze kluzu a poskytuje lepší konzistenci předpětí než čisté utahování momentem.

Mezi hlavní nevýhody patří požadavek na experimentální kalibraci utahovacích úhlů (žádné univerzálně použitelné parametry) a omezená znovupoužitelnost. Opakované utahování po plastické deformaci snadno způsobí únavové porušení spojovacích prvků.

3. Řízené utahování s bodem kluzu

Tato technika, vyvinutá společností SPS a známá také jako metoda společného řízení, poskytuje jednu z nejvyšších přesností předpětí. Minimalizuje vliv kolísání koeficientu tření a dosahuje vysoce konzistentního předpětí šroubu.

Tato metoda, odvozená z ručního posouzení pocitu utahování, využívá vysoce přesný elektronický řídicí systém pro sběr dat točivého momentu a úhlu natočení v reálném čase. Monitorováním změny sklonu gradientu krouticího momentu systém přesně identifikuje mez kluzu šroubu a okamžitě ukončí utahování, aby se zabránilo přetížení.

Navzdory zlepšené stabilitě stále existuje menší rozptyl předpětí v důsledku tření závitu. Vyšší tření závitu zvyšuje torzní napětí a snižuje axiální předpětí pod stejnou prahovou hodnotou kluzu. Tato metoda přesně detekuje poddajnost šroubu při kombinovaném účinku tahu a kroucení.

Utahování s řízeným bodem kluzu se široce používá u kritických součástí, jako jsou napřšrouby hlavy válců a šrouby ojnice, poskytující stabilní vysoké předpětí a umožňující optimalizované dimenzování šroubů. Vysoká cena vyhrazených inteligentních utahovacích nástrojů však omezuje široké použití. Spolehlivé vysoce přesné předpětí nelze při údržbě v terénu zaručit bez odpovídajících profesionálních zařízení.

4. Utahování šroubů

Šrouby s velkým průměrem vyžadují extrémně vysoký utahovací moment, což je u běžných nástrojů obtížné. U šroubů s průměrem nad 20 mm se běžně používá hydraulické natahování, které nahrazuje hydraulické momentové klíče, čímž se zabrání nadměrné reakční síle krouticího momentu a omezenému pracovnímu prostoru.

Princip činnosti: Přes matici je nasazen vyhrazený hydraulický válec. Závit šroubu nebo svorníku plně prochází maticí a připojuje se k napínacímu přípravku. Hydraulický tlak natahuje šroub axiálně a vytváří elastické prodloužení. Při zachování natahovacího zatížení se matice ručně otáčí a zajišťuje na místě pomocí objímky a momentové tyče.

Tato metoda poskytuje extrémně vysokou přesnost předpětí prostřednictvím přesné hydraulické regulace tlaku. K menší ztrátě předpětí však dochází po uvolnění tlaku v důsledku elastického odskoku. Hlavním provozním problémem zůstává demontáž zkorodovaných nebo zadřených matic.

5. Tepelné utahování

Tepelné utahování využívá charakteristiky tepelné roztažnosti kovu. Šroub se zahřívá a prodlužuje a matice se otáčí a umísťuje. Během ochlazování se šroub pokouší stáhnout, ale je podélně omezen upnutými součástmi, což vytváří stabilní axiální předpětí.

Běžné způsoby ohřevu zahrnují ohřev přímým plamenem, ohřívací plášťové cívky a uhlíkové odporové topné články. Proces je časově náročný a přesné měření deformace vyžaduje úplné ochlazení na okolní teplotu, což má za následek nízkou účinnost. V obecných průmyslových odvětvích se používá zřídka a je použitelný pouze pro ultra velké šrouby pro velké zatížení.

6. Utahování indikované napětím

Tato metoda využívá specializované spojovací prvky indikující zatížení, podložky indikující zatížení nebo techniky detekce deformace k nepřímému měření prodloužení šroubu a předpětí, což zahrnuje řadu vysoce přesných montážních řešení.

Mezi typické šrouby indikující napětí patří Rotabolt a HiBolt. Rotabolt se vyznačuje středovým vrtaným otvorem s vnitřním měřícím kolíkem a otočnou vůlí. Čep zůstává během elastického natahování nezatížený; jakmile je dosaženo plného předpětí, vůle zmizí a rotace je zablokována, což indikuje správné utažení. HiBolt využívá podobný princip, ve kterém mírné smrštění šroubu sevře centrální čep, aby odráželo stav napětí.

Zátěžové podložky jsou široce používány v ocelových konstrukcích stavebního inženýrství. Prefabrikované výstupky na povrchu podložky podléhají plastické deformaci při zatížení. Správné předpětí se ověří měřením zbytkové mezery spároměrem. Tento typ podložek se zřídka používá v přesné mechanické montáži.

Prodloužení šroubu lze přímo měřit pomocí mikrometrů nebo přesně detekovat pomocí ultrazvukového testování. Hodnoty prodloužení lze převést do reálného časušroubpředpětí prostřednictvím kalibrace nebo výpočtu. Pro ultrazvukové měření vyžaduje hlava šroubu a koncový povrch broušení, aby byl zajištěn optimální akustický odraz a přesnost testování.