Mekanisk utrustning och stålkonstruktioner är sammansatta av olika komponenter, varav de flesta är fast förbundna med gängade fästelement. Fel på gängade fästelement leder direkt till utrustningsfel. I svåra fall kan det orsaka avstängning av utrustning, strukturell kollaps och till och med personskada olyckor.

Med tanke på den höga frekvensen och de allvarliga riskerna med fel på fästelement måste tekniker systematiskt analysera de inducerande faktorerna och formulera riktade korrigerings- och förebyggande åtgärder för att eliminera fästfel i grunden.

Fästelementfel delas huvudsakligen in i två kategorier. Den första kategorin är bultbrott, vilket orsakar omedelbar separation av anslutna strukturer och vanligtvis resulterar i allvarliga utrustningsfel och säkerhetsolyckor. Den andra kategorin inkluderar gängparlossning och gängglidningbultar eller muttrar, vilket ger en liten relativ förskjutning mellan anslutna delar och leder till partiell utrustningsfel och minskad driftnoggrannhet.

Fästelementbrott är en progressiv process. Mindre lossningar utan behandling i tid kommer att fortsätta att försämras och så småningom orsaka fullständig separation av bultar och muttrar, vilket utlöser stora säkerhetsolyckor. I praktiska tillämpningar missförstår de flesta personalen att bultbrott enbart orsakas av materialdefekter och mutterlossning av dålig mutterkvalitet, samtidigt som de ignorerar kärnproblem som orimlig strukturell design och icke-standardiserade monteringsprocesser. Denna artikel analyserar systematiskt orsakerna till olika bultbrottsfel ur design- och monteringsperspektiv.

1 Skjuvbrott

Skruvbrott uppstår oftast i gängade anslutningar under ren förspänning. Skjuvbrottsytan är belägen vid skarvgränsytan mellan två sammankopplade delar och uppvisar ett litet jämnt och ljust skjuvområde. De specifika felorsakerna sammanfattas enligt följande.

1.1 Design orsaker

(1) Otillräcklig friktionskoefficient vid skarvgränssnittet eller felaktigt valda bultspecifikationer leder till otillräcklig förspänning. När friktionskraften vid fogytan är mindre än den tvärgående arbetsbelastningen, uttryckt med formeln fF′＜F (där f är gränssnittsfriktionskoefficienten, F′ är bultens förspänning och F är den tvärgående arbetsbelastningen), uppstår en relativ glidning mellan anslutna komponenter. Bultskaftet utsätts för extrudering och skjuvkraft från hålväggen. När väl skjuvspänningen överstiger bultmaterialets skjuvhållfasthet sker skjuvbrott. Flytta komponenter under stötbelastningar är mer mottagliga för sådana fel. I konstruktionskonstruktion kan lastreducerande delar och positioneringsskuldror anpassas för att bära tvärgående belastningar, så att bultar endast åtar sig dragförbindning utan bärande skjuvkraft.

(2) Fästelement utan anti-lossningsstrukturer appliceras i vibrerande arbetsförhållanden. Långvarig utrustningsvibration lossar gängparet och dämpar bultförspänningen, vilket resulterar i otillräcklig gränssnittsfriktion och ytterligare komponentglidning och bultskjuvbrott. För konstruktioner som arbetar i vibrationsmiljöer bör speciella fästanordningar som inte lossnar såsom Spiralock-muttrar och rådande vridmomentlåsmuttrar användas för att förhindra lossningsfel.

1.2 Orsaker till montering

Otillräckligt monterings åtdragningsmoment leder till undermålig bultförspänning och otillräcklig gränssnittsfriktion. Yttre belastningar orsakar relativ glidning av komponenter och resulterar så småningom i bultbrott. Åtdragningsmoment för bultar är en kritisk processindikator inom stålkonstruktionsteknik och motormontering och kräver strikt kontroll. Det försummas dock ofta i andra branscher på grund av bristen på standardiserad vridmomenthantering. I praktiska felfall orsakas de flesta gänglossning och brottfel av olämpligt monteringsmoment.

Spännkraften hos ett gängpar genereras av roterande muttrar eller bultar och är positivt korrelerad med monteringsmomentet. För att säkerställa att förspänningen uppfyller designkraven måste monteringsmomentet vara tydligt specificerat i processdokumenten och strikt implementerat under drift. Formeln för beräkning av monteringsmoment är följande:

M=KPD

Var: M - Monteringsmoment (Nm); K - Vridmomentkoefficient; P - Konstruerad förspänning (kN); D - Nominell bultdiameter (mm).

I konventionell design är bultförspänningen inställd inom 60 % till 80 % av materialets sträckgräns med en säkerhetsfaktor över 1,2. Flytbelastningen för bultar med olika specifikationer och hållfasthetsgrader kan refereras till GB/T 3098.1.

Vridmomentkoefficienten bestäms av friktionskoefficienten för gängpar och kontaktytan mellanfästelement och anslutna delar. Den påverkas av ytbehandling, hållfasthetsprecision, geometrisk tolerans, gängnoggrannhet, stödytor och strukturell styvhet. Ytbehandling är den dominerande faktorn. Olika ytbehandlingar leder till stora skillnader i vridmomentkoefficient, upp till nästan det dubbla. För gängpar med samma specifikation och styrka är vridmomentkoefficienten för fosfatbehandling cirka 0,13 till 0,15, medan den för svärtningsbehandling sträcker sig från 0,26 till 0,30.

Därför ger fästelement med fosfaterings- och svärtningsbehandlingar nästan dubbel förspänningsskillnad under samma monteringsmoment. Vridmomentkoefficienten måste kalibreras genom experiment. Tillverkare av fästelement ska strikt kontrollera ytbehandlingsprocesser för att säkerställa konsekventa vridmomentkoefficienter för varje sats. Användare ska inte godtyckligt ändra ytbehandlingskraven för att undvika otillräcklig förspänning, bultsträckning eller brott orsakade av fluktuationer i vridmomentkoefficienten.

2 Trötthetsfraktur

Utmattningsbrott är ett av de vanligaste bultbrottslägena. De flesta utmattningsfel härrör från tillverkningsfel, inklusive ojämna övergångsskivor under bulthuvuden, otillräcklig gängrotsradie, ytrepor och materialinneslutningar. Samtidigt är icke-standardmontering också ett viktigt incitament för utmattningsbrott och potentiella säkerhetsolyckor.

Om man tar bilhjulsbultar som ett exempel, tillåter den strukturella designen hjulbultar att endast bära axiell förspänning utan direkt radiell belastning. Otillräckligt monteringsmoment leder till otillräcklig förspänning och otillräcklig friktion mellan hjulnavet och halvaxeln, vilket orsakar relativ slirning under fordonsdrift.

Under höghastighetshjulsrotation roterar bulten periodiskt med navet. Bultskaftet utsätts för alternerande extruderingskraft från båda sidor av hålväggen, vilket resulterar i högfrekventa cykliska radiella belastningar. Långvarig cyklisk belastning initierar och utökar utmattningssprickor, vilket så småningom leder till bultutmattningsbrott.

När hjulbultsbrott inträffar efter att fordonet har körts, ska inspektörerna först observera brottmorfologin för att preliminärt bedöma utmattningsfel innan de utför ytterligare djupgående analys.

3 Överbelastningsfraktur

Överbelastningsbrott avser dragbrott när den totala axiella belastningen överskrider den tillåtna gränsen för bultmaterialet. Eftersom den effektiva lagerytan för den gängade sektionen är mindre än den för det släta skaftet med svårare spänningskoncentration, uppstår överbelastningsbrott oftast vid den gängade sektionen, vilket preliminärt kan identifieras genom brottmorfologi.

Grad 8.8 bultar visar tydlig halsning efter överbelastningsbrott; Grad 10.9 bultar uppvisar lätt halsning; Grad 12.9 höghållfasta bultar har i princip inga inskärningsegenskaper under normala överbelastningsförhållanden.

Uppenbar halsning kan också förekomma i bultar av grad 8,8 till 12,9 med okvalificerade material, otillräcklig värmebehandling, ofullständig härdning eller otillräcklig kärnhårdhet. Därför specificeras bedömningskriterierna för överbelastningsbrott enligt följande:

(1) För frakturer med halsning ska provtagning utföras i enlighet med GB/T 3098.1. Överbelastningsbrott kan bekräftas om kärnhårdheten är kvalificerad.

(2) Metallografisk analys krävs förGrad 12,9 höghållfasta bultarför att fastställa överbelastningsbrott, eftersom gängytedefekter och materialdefekter också kan orsaka brott på gängade sektioner och inte kan bedömas enbart efter utseende.

Överbelastningsbrott uppstår främst i bultförband under axiell belastning, med tre primära orsaker:

a. Alltför högt monteringsmoment gör att förspänningen överskrider bultmaterialets sträckgräns, vilket resulterar i bultsträckning eller brott under montering.

b. Överdriven monteringsförspänning nära bultens sträckgräns. Under utrustningens drift bär bulten både kvarvarande förspänning och arbetsbelastning. Överlagringen av de två lasterna som överskrider materialhållfasthetsgränsen orsakar överbelastningsbrott. Vid konstant arbetsbelastning leder högre monteringsförspänning till högre restförspänning och större överbelastningsrisk.

c. Felaktigt bultval med otillräcklig nominell gängdiameter som inte uppfyller lagerkraven i strukturell design.

4 Bultbrott orsakad av monteringsexcentrisk belastning

Bultbrott på grund av excentrisk belastning är ett typiskt monteringsprocessfel. Uppenbara halvmåneformade slitagemärken kan observeras på bultens stödyta, där den faktiska lagerytan endast står för 1/4 till 1/3 av den totala stödytan och kraftigt ojämn spänningsfördelning. Bultskaftet nära brottet böjer sig motsatt spänningsriktningen, vilket visar typiska excentriska böj- och brottegenskaper.

Excentriskt belastningsfel hos bultar orsakas huvudsakligen av två faktorer:

För det första är kontaktstödytan på anslutna delar lutande eller ojämn, vilket resulterar i lokal påfrestning påbulthuvudoch bildande av excentrisk belastning, vilket är huvudorsaken till detta felfall.

För det andra orsakar överdrivet rakhetsfel eller böjdeformation av bultskaftet inbyggd excentrisk belastning under monteringen.

De två typerna av excentriska laster skiljer sig avsevärt i spänningsläge och skaftböjningsriktning, vilket kan särskiljas genom spänningsspår på stödytan och bults deformationsriktning.

5 Slutsats

Fästelementsfel som brott, gängglidning och lossning orsakas inte alltid av inneboende produktkvalitetsdefekter. Standardiserade felsökningsprocedurer ska följas när ett fastsättningsfel inträffar:

Först, bevara misslyckade prover helt och skydda brottytor från rost, kollision och sekundära skador för att säkerställa korrekt felanalys.

För det andra, bestäm preliminärt feltypen och induceringen baserat på brottmorfologi, provets utseende, ytspänningsspår och faktiska arbetsförhållanden.

För det tredje, utför professionella fysiska och kemiska tester inklusive metallografisk analys och hårdhetsdetektering. Om material- och värmebehandlingsindikatorer uppfyller nationella standarder, härrör felet från strukturell design eller monteringsprocess; annars bekräftas det som kvalitetsdefekt på fästelementet.

För det fjärde, formulera riktade åtgärdande och förebyggande åtgärder enligt de bekräftade felorsakerna, standardisera designspecifikationer och optimera monteringsprocesser för att undvika att liknande fel upprepas.