Els equips mecànics i les estructures d'acer s'acoblen a partir de diversos components, la majoria dels quals estan connectats de manera fixa mitjançant elements de fixació roscats. La fallada dels elements de fixació roscats condueix directament al mal funcionament de l'equip. En casos greus, pot provocar l'aturada de l'equip, col·lapse estructural i fins i tot accidents amb lesions personals.

Atesa l'alta freqüència i els greus perills de fallada de fixació, els tècnics han d'analitzar sistemàticament els factors inductors i formular mesures de rectificació i prevenció dirigides per eliminar fonamentalment les fallades de fixació.

Els errors de fixació es divideixen principalment en dues categories. La primera categoria és la fallada de la fractura del cargol, que provoca la separació instantània de les estructures connectades i normalment provoca fallades greus en l'equip i accidents de seguretat. La segona categoria inclou l'afluixament del parell de fils i el lliscament de filscargols o femelles, que produeix un petit desplaçament relatiu entre les peces connectades i provoca un mal funcionament parcial de l'equip i una precisió de funcionament reduïda.

La fallada de fixació és un procés progressiu. Els afluixaments menors sense tractament oportú seguiran deteriorant-se i, finalment, provocaran la separació completa de cargols i femelles, provocant accidents importants de seguretat. En aplicacions pràctiques, la majoria del personal no entén que la fractura del cargol és causada únicament per defectes del material i l'afluixament de la femella per una mala qualitat de la femella, tot ignorant problemes bàsics com ara un disseny estructural poc raonable i processos de muntatge no estàndard. Aquest article analitza sistemàticament les causes de diverses fallades de fractura de cargols des de la perspectiva del disseny i el muntatge.

1 Fractura de cisalla

La fractura de cisalla del cargol es produeix principalment en connexions roscades sota precàrrega pura. La superfície de fractura de cisalla es troba a la interfície conjunta de dues parts connectades, presentant una petita àrea de cisalla llisa i brillant. Les causes específiques de fallada es resumeixen a continuació.

1.1 Causes del disseny

(1) Un coeficient de fricció insuficient a la interfície de l'articulació o especificacions de cargol seleccionades incorrectament condueixen a una precàrrega inadequada. Quan la força de fricció a la superfície de l'articulació és menor que la càrrega de treball transversal, expressada per la fórmula fF′＜F (on f és el coeficient de fricció de la interfície, F′ és la precàrrega del cargol i F és la càrrega de treball transversal), es produeix un lliscament relatiu entre els components connectats. La tija del cargol està sotmesa a la força d'extrusió i cisalla de la paret del forat. Una vegada que l'esforç de cisalla supera la resistència a tall del material del cargol, es produeix una fractura per tall. Els components en moviment sota càrregues d'impacte són més susceptibles a aquesta fallada. En el disseny estructural, les peces que redueixen la càrrega i les espatlles de posicionament es poden adoptar per suportar càrregues transversals, de manera que els cargols només realitzen una connexió de tracció sense suportar la força de tall.

(2) Els elements de fixació sense estructures anti-afluixament s'apliquen en condicions de treball vibratòries. La vibració de l'equip a llarg termini afluixa el parell de fils i atenua la precàrrega del cargol, donant lloc a una fricció insuficient de la interfície i un lliscament addicional dels components i una fractura de cisalla del cargol. Per a estructures que treballen en entorns de vibració, s'han d'adoptar elements de fixació especials anti-afluixament, com ara femelles Spiralock i femelles de bloqueig de parell de torsió predominants, per evitar la fallada de l'afluixament.

1.2 Causes del muntatge

Un parell de torsió insuficient del conjunt condueix a una precàrrega del cargol deficient i una fricció de la interfície inadequada. Les càrregues externes provoquen un lliscament relatiu dels components i, finalment, provoquen una fractura per cisalla del cargol. El parell de torsió dels cargols és un indicador de procés crític en l'enginyeria d'estructures d'acer i el muntatge del motor i requereix un control estricte. Tanmateix, sovint es descuida en altres indústries a causa de la manca d'una gestió estandarditzada del parell. En casos pràctics de fallada, la majoria de les falles d'afluixament de fil i de fractura són causades per un parell de muntatge inadequat.

La força de tancament d'un parell de fils es genera mitjançant la rotació de femelles o cargols i es correlaciona positivament amb el parell de muntatge. Per garantir que la precàrrega compleixi els requisits de disseny, el parell de muntatge s'ha d'especificar clarament als documents del procés i implementar-se estrictament durant el funcionament. La fórmula de càlcul del parell de muntatge és la següent:

M=KPD

On: M - Parell de muntatge (Nm); K - Coeficient de parell; P - Precàrrega dissenyada (kN); D - Diàmetre nominal del cargol (mm).

En el disseny convencional, la precàrrega del cargol s'estableix entre el 60% i el 80% de la resistència a la fluència del material amb un factor de seguretat superior a 1,2. La càrrega de rendiment dels cargols amb diferents especificacions i graus de resistència es pot referir a GB/T 3098.1.

El coeficient de parell està determinat pel coeficient de fricció dels parells de fils i la superfície de contacte entre ellsfixadors i parts connectades. Es veu afectat pel tractament superficial, la precisió de la força, la tolerància geomètrica, la precisió del fil, la rugositat de la superfície de suport i la rigidesa estructural. El tractament de la superfície serveix com a factor dominant. Els diferents tractaments superficials condueixen a grans diferències en el coeficient de parell, fins a gairebé el doble. Per a parells de fil amb la mateixa especificació i força, el coeficient de parell del tractament de fosfatació és d'uns 0,13 a 0,15, mentre que el del tractament d'ennegriment oscil·la entre 0,26 i 0,30.

Per tant, els elements de fixació amb tractaments de fosfatació i ennegriment produeixen gairebé el doble de diferència de precàrrega amb el mateix parell de muntatge. El coeficient de parell s'ha de calibrar mitjançant experiments. Els fabricants de fixació han de controlar estrictament els processos de tractament de superfícies per garantir coeficients de parell coherents de cada lot. Els usuaris no han de canviar arbitràriament els requisits de tractament de superfícies, per evitar la precàrrega insuficient, l'estirament del cargol o la fractura causada per la fluctuació del coeficient de parell.

2 Fractura per fatiga

La fractura per fatiga és un dels modes de fallada dels cargols més comuns. La majoria de fallades per fatiga s'originen per defectes de fabricació, com ara filets de transició poc llis sota els caps dels cargols, radi insuficient del filet d'arrel del fil, rascades superficials i inclusions de material. Mentrestant, el muntatge no estàndard també és un incentiu important per a fractures per fatiga i possibles accidents de seguretat.

Prenent com a exemple els cargols de les rodes de l'automòbil, el disseny estructural permet que els cargols de les rodes només suportin la precàrrega axial sense càrrega radial directa. Un parell de muntatge insuficient provoca una precàrrega inadequada i una fricció insuficient entre el cub de la roda i el mig eix, provocant un lliscament relatiu durant el funcionament del vehicle.

Durant la rotació de la roda d'alta velocitat, el cargol gira periòdicament amb el cub. La tija del cargol està sotmesa a una força d'extrusió alterna des dels dos costats de la paret del forat, donant lloc a càrregues radials cícliques d'alta freqüència. L'acció de càrrega cíclica a llarg termini inicia i expandeix les esquerdes de fatiga, que eventualment condueix a la fractura per fatiga del cargol.

Quan es produeix una fractura del cargol de la roda després de l'operació del vehicle, els inspectors han d'observar primer la morfologia de la fractura per jutjar preliminarment la fallada per fatiga abans de realitzar una anàlisi més detallada.

3 Fractura per sobrecàrrega

La fractura per sobrecàrrega es refereix a la fractura per tracció quan la càrrega axial total supera el límit admissible del material del cargol. Com que l'àrea de suport efectiva de la secció roscada és més petita que la de la tija llisa amb una concentració d'esforç més severa, la fractura per sobrecàrrega es produeix principalment a la secció roscada, que es pot identificar preliminarment per la morfologia de la fractura.

Els cargols de grau 8,8 mostren un coll evident després d'una fractura per sobrecàrrega; Els cargols de grau 10,9 presenten un lleuger coll; Els cargols d'alta resistència de grau 12,9 bàsicament no tenen característiques de coll en condicions de sobrecàrrega normals.

També pot aparèixer un coll evident en els cargols de grau 8,8 a 12,9 amb materials no qualificats, tractament tèrmic inadequat, trempada incompleta o duresa del nucli insuficient. Per tant, els criteris de judici per a la fractura per sobrecàrrega s'especifiquen de la següent manera:

(1) Per a fractures amb coll, les proves de mostres s'han de dur a terme d'acord amb GB/T 3098.1. La fractura per sobrecàrrega es pot confirmar si la duresa del nucli està qualificada.

(2) Es requereix una anàlisi metal·logràficaPerns d'alta resistència de grau 12.9per determinar la fractura per sobrecàrrega, perquè els defectes de la superfície del fil i els defectes del material també poden causar fractures de la secció roscada i no es poden jutjar només per l'aparença.

La fractura per sobrecàrrega es produeix principalment en connexions de cargols sota càrregues axials, amb tres causes principals:

a. Un parell de muntatge excessivament elevat fa que la precàrrega superi la resistència a la fluència del material del cargol, provocant un estirament o una fractura del cargol durant el muntatge.

b. Precàrrega de muntatge excessiva propera a la força elàstica del cargol. Durant el funcionament de l'equip, el cargol suporta tant la precàrrega residual com la càrrega de treball. La superposició de les dues càrregues que superen el límit de resistència del material provoca una fractura per sobrecàrrega. Sota una càrrega de treball constant, una precàrrega més alta del muntatge comporta una precàrrega residual més alta i un risc de sobrecàrrega més gran.

c. Selecció incorrecta del cargol amb un diàmetre nominal de rosca insuficient que no compleix els requisits dels coixinets en el disseny estructural.

4 Fractura del cargol causada per la càrrega excèntrica del muntatge

La fractura del cargol a causa de la càrrega excèntrica és una fallada típica del procés de muntatge. Es poden observar marques de desgast òbvies en forma de mitja lluna a la superfície de suport del cargol, amb l'àrea de suport real només representa 1/4 a 1/3 de l'àrea de suport total i una distribució de tensions molt desigual. La tija del cargol a prop de la fractura es doblega oposada a la direcció de l'esforç, mostrant les característiques típiques de flexió excèntrica i fractura.

La fallada de càrrega excèntrica dels cargols és causada principalment per dos factors:

En primer lloc, la superfície de suport de contacte de les peces connectades està inclinada o desigual, cosa que provoca una tensió local a lacap de cargoli la formació de càrrega excèntrica, que és la principal causa d'aquest cas de fallada.

En segon lloc, un error de rectitud excessiu o una deformació de flexió de la tija del cargol provoca una càrrega excèntrica inherent durant el muntatge.

Els dos tipus de càrregues excèntriques difereixen significativament en la posició de tensió i la direcció de flexió de la tija, que es poden distingir a través de traces d'esforç de superfície de suport i direcció de deformació del cargol.

5 Conclusió

Els errors de fixació, com ara fractures, lliscaments de fil i afluixament, no sempre són causats per defectes inherents a la qualitat del producte. S'han de seguir procediments estandarditzats de resolució de problemes un cop es produeixi una fallada de subjecció:

En primer lloc, conserveu completament les mostres fallides i protegiu les superfícies de fractura de l'òxid, la col·lisió i els danys secundaris per garantir una anàlisi precisa de les fallades.

En segon lloc, determineu preliminarment el tipus de fallada i l'induïment en funció de la morfologia de la fractura, l'aspecte de la mostra, les traces d'estrès superficial i les condicions reals de treball.

En tercer lloc, realitzeu proves físiques i químiques professionals, inclosa l'anàlisi metal·logràfica i la detecció de duresa. Si els indicadors de material i tractament tèrmic compleixen els estàndards nacionals, la fallada prové del procés de disseny o muntatge estructural; en cas contrari, es confirma com a defecte de qualitat de la fixació.

En quart lloc, formular mesures de rectificació i prevenció dirigides segons les causes de fallada confirmades, estandarditzar les especificacions de disseny i optimitzar els processos de muntatge per evitar la repetició de fallades similars.