Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για τη θραύση του μπουλονιούσυνδετήρες. Σε γενικές γραμμές, η ζημιά των μπουλονιών προκαλείται από παράγοντα καταπόνησης, κόπωση, διάβρωση και ευθραυστότητα υδρογόνου.
Κάταγμα μπουλονιού
1. Παράγοντας στρες
Η υπέρβαση της συμβατικής τάσης (υπερένταση) προκαλείται από οποιαδήποτε ή από συνδυασμό διάτμησης, τάσης, κάμψης και συμπίεσης.
Οι περισσότεροι σχεδιαστές εξετάζουν πρώτα τον συνδυασμό εφελκυσμού, δύναμης προφόρτισης και πρόσθετου πρακτικού φορτίου. Η δύναμη προσύσφιξης είναι βασικά εσωτερική και στατική, η οποία συμπιέζει τα εξαρτήματα της άρθρωσης. Τα πρακτικά φορτία είναι εξωτερικές, τυπικά κυκλικές (παλινδρομικές) δυνάμεις που εφαρμόζονται στους συνδετήρες.
Το εφελκυστικό φορτίο προσπαθεί να αντισταθεί στα εξαρτήματα της άρθρωσης από το άνοιγμα. Όταν αυτά τα φορτία υπερβαίνουν το όριο απόδοσης του μπουλονιού, ο κοχλίας αλλάζει από ελαστική παραμόρφωση σε πλαστική παραμόρφωση, με αποτέλεσμα τη μόνιμη παραμόρφωση του μπουλονιού. Επομένως, δεν μπορεί να αποκατασταθεί στην αρχική του κατάσταση όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό φορτίο. Για παρόμοιους λόγους, εάν το εξωτερικό φορτίο στο μπουλόνι υπερβεί την τελική του αντοχή σε εφελκυσμό, το μπουλόνι θα σπάσει.
Το σφίξιμο των μπουλονιών επιτυγχάνεται με περιστροφή με δύναμη προφόρτισης. Κατά την εγκατάσταση, η υπερβολική ροπή οδηγεί σε υπερβολική σύσφιξη και μειώνει την αξονική αντοχή εφελκυσμού των συνδετήρων υποβάλλοντάς τους σε υπερένταση. Με άλλα λόγια, τα μπουλόνια που υπόκεινται σε συνεχή στρέψη έχουν χαμηλότερες τιμές απόδοσης σε σύγκριση με τα μπουλόνια που υπόκεινται άμεσα σε τάση και τάση. Με αυτόν τον τρόπο, το μπουλόνι μπορεί να υποχωρήσει πριν φτάσει στην ελάχιστη αντοχή εφελκυσμού του αντίστοιχου προτύπου. Μια μεγάλη ροπή μπορεί να αυξήσει τη δύναμη προ-σφίξεως του μπουλονιού και αντίστοιχα να μειώσει τη χαλαρότητα του συνδέσμου. Προκειμένου να αυξηθεί η δύναμη ασφάλισης, η δύναμη προσύσφιξης ρυθμίζεται γενικά σε ένα ανώτερο όριο. Με αυτόν τον τρόπο, εκτός εάν η διαφορά μεταξύ της αντοχής διαρροής και της τελικής αντοχής σε εφελκυσμό είναι μικρή, τα μπουλόνια γενικά δεν υποχωρούν λόγω στρέψης.
Το διατμητικό φορτίο ασκεί κατακόρυφη δύναμη στον διαμήκη άξονα τουμπουλόνι. Η διατμητική τάση χωρίζεται σε μονή διατμητική τάση και διπλή διατμητική τάση. Από εμπειρικά δεδομένα, η τελική μονή διατμητική τάση είναι περίπου το 65% της τελικής εφελκυστικής τάσης. Πολλοί σχεδιαστές προτιμούν τα διατμητικά φορτία επειδή χρησιμοποιούν την αντοχή σε εφελκυσμό και διάτμηση των μπουλονιών. Λειτουργούν κυρίως σαν πείροι, σχηματίζοντας σχετικά απλές συνδέσεις για συνδετήρες που υποβάλλονται σε διάτμηση. Το μειονέκτημα είναι ότι οι διατμητικές συνδέσεις έχουν περιορισμένο εύρος εφαρμογών και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν συχνά, καθώς απαιτούν περισσότερα υλικά και χώρο. Γνωρίζουμε ότι η σύνθεση και η ακρίβεια των υλικών παίζουν επίσης καθοριστικό ρόλο. Ωστόσο, τα δεδομένα υλικού που μετατρέπουν την εφελκυστική τάση σε διατμητικό φορτίο συχνά δεν είναι διαθέσιμα.
Η δύναμη προσύσφιξης των συνδετήρων επηρεάζει την ακεραιότητα των διατμητικών συνδέσεων. Όσο χαμηλότερη είναι η δύναμη προφόρτισης, τόσο πιο εύκολο είναι για το στρώμα άρθρωσης να ολισθαίνει όταν έρχεται σε επαφή με το μπουλόνι. Η ικανότητα διάτμησης υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των εγκάρσιων επιπέδων (ένα επίπεδο διάτμησης ονομάζεται μονή διάτμηση και δύο επίπεδα διάτμησης ονομάζονται διπλή διάτμηση), που θα πρέπει να είναι οι διατομές των μπουλονιών χωρίς σπείρωμα. Δεν υποστηρίζουμε τη σχεδίαση διάτμησης διαμέσου σπειρωμάτων, καθώς η διατμητική αντοχή των συνδετήρων μπορεί να υπερνικηθεί με συγκέντρωση τάσης όταν αλλάζει η διατομή. Κατά τον προσδιορισμό της διατμητικής αντοχής των συνδετήρων, ορισμένοι σχεδιαστές χρησιμοποιούν την περιοχή εφελκυστικής τάσης, ενώ άλλοι προτιμούν τμήματα μικρής διαμέτρου. Εάν ο κοχλίας στη σύνδεση διάτμησης συστραφεί στην καθορισμένη τιμή (όπως φαίνεται στο σχήμα 2), η επιφάνεια ζευγαρώματος του στρώματος επαφής δεν μπορεί να αρχίσει να ολισθαίνει μέχρι να υπερβεί την εξωτερική αντίσταση τριβής. Η αύξηση της τριβής μεταξύ των επιφανειών ζευγαρώματος μπορεί να βελτιώσει τη συνολική ακεραιότητα της σύνδεσης. Μερικές φορές, λόγω του μεγέθους των εξαρτημάτων και των απαιτήσεων σχεδιασμού, ο αριθμός των μπουλονιών που πρέπει να χρησιμοποιηθούν μπορεί να είναι περιορισμένος.
Εικόνα 2: Ανεξάρτητα από το αν το συνδετικό εξάρτημα είναι μονής ή διπλής κοπής, η επιφάνεια κοπής δεν πρέπει να διέρχεται από το τμήμα με σπείρωμα του συνδετήρα
Εκτός από τα φορτία εφελκυσμού και διάτμησης, η τάση κάμψης είναι ένα άλλο φορτίο που αντιμετωπίζουν οι κοχλίες, που προκαλείται από εξωτερικές δυνάμεις που δεν είναι κάθετες στον διαμήκη άξονα του μπουλονιού και βρίσκονται στις επιφάνειες έδρασης και ζευγαρώματος. Συνολικά, όσο πιο απλή είναι η σύνδεση του συνδετήρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ακεραιότητα και η αξιοπιστία του.
2. Κόπωση
Επί του παρόντος δεν υπάρχει συγκεκριμένη νομοθεσία που να κατευθύνει τους προμηθευτές να αγοράζουν βασικά εξαρτήματα που συμμορφώνονται με τα βιομηχανικά πρότυπα στους σχετικούς κανονισμούς για βιομηχανικούς συνδετήρες, ειδικά χωρίς να αναφέρεται η κύρια αιτία αστοχίας των συνδετήρων - η κόπωση. Η ζημιά από κόπωση εκτιμάται ότι ευθύνεται για το 85% του συνολικού αριθμού αστοχιών συνδετήρων.
Η κόπωση στα μπουλόνια είναι η συνεχής δράση των κυκλικών εφελκυστικών φορτίων, η οποία έχει ως αποτέλεσμαμπουλόνιαυπόκεινται σε σχετικά μικρές δυνάμεις προφόρτισης και εναλλασσόμενα φορτία εργασίας. Κάτω από τέτοιες συνθήκες διπλού φορτίου για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα μπουλόνια θα αστοχούν όταν η ονομαστική τους αντοχή εφελκυσμού είναι μικρότερη από. Η διάρκεια ζωής της κόπωσης καθορίζεται από τον αριθμό και το πλάτος των κύκλων καταπόνησης φόρτισης. Ορισμένοι συμπιεσμένοι σύνδεσμοι, όπως πρέσες, εξοπλισμός σφράγισης και μηχανήματα χύτευσης, μπορεί επίσης να παρουσιάσουν κάταγμα κόπωσης. Πολλαπλές σύνθετες τάσεις δημιουργούνται μεταξύ της ισχύος και της προφόρτισης κατά τη λειτουργία. Σε επαναλαμβανόμενες διατατικές κινήσεις, ο αριθμός και το εύρος των αλλαγών του στρες επηρεάζονται από τον βαθμό κόπωσης και βλάβης.
Τυπικοί βιομηχανικοί συνδετήρες, όπως οι εξαγωνικές βίδες, επιμηκύνονται συνεχώς και επιστρέφουν στο αρχικό τους σχήμα μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος ελαστικότητας. Εάν υποβληθούν σε καταπόνηση πέρα από το φυσιολογικό και πέρα από το ελαστικό εύρος, θα υποστούν μόνιμη παραμόρφωση μέχρι να σπάσουν τελικά. Η συμπεριφορά της επέκτασης και της επιστροφής σε μια εκτεταμένη κατάσταση ονομάζεται κύκλος. Μια εξαγωνική βίδα υποδοχής μπορεί να αντέξει περίπου 240-10 κύκλους μοιρών την ημέρα (μέγιστος) όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.
Εικόνα 3 Βελτιωμένο διάγραμμα Goodman
Η διακεκομμένη διαγώνιος υποδεικνύει τη μέση τιμή του εναλλασσόμενου φορτίου βίδας με πιθανότητα 90% για 10 εκατομμύρια κύκλους. Η πραγματική διαγώνια γραμμή δείχνει ότι όταν η δύναμη προ-σύσφιξης της βίδας φτάσει τα 100ksi, η μέγιστη απόκλιση μεταξύ του δυναμικού φορτίου και της μέσης τάσης είναι 12ksi.
Οι συνδετήρες τελικά θα ραγίσουν λόγω επαναλαμβανόμενων κύκλων πίεσης από κορυφή σε κορυφή. Η θραύση συμβαίνει συνήθως στο πιο ευάλωτο σημείο του συνδετήρα, το οποίο οι μηχανικοί αναφέρουν ως "περιοχή μέγιστης συγκέντρωσης τάσης". Μόλις εμφανιστούν μικρορωγμές στο σημείο συγκέντρωσης τάσεων και συνεχίσουν να υπόκεινται σε πίεση, οι ρωγμές θα διαδοθούν γρήγορα, προκαλώντας ζημιά κόπωσης στον συνδετήρα. Οι επιχειρήσεις που κατασκευάζουν συνδετήρες για βιομηχανική χρήση διερευνούν συνεχώς νέες διαδικασίες χύτευσης και σχεδιάζουν και αναπτύσσουν νέες μεθόδους κατασκευής που μπορούν να ξεπεράσουν τις προαναφερθείσες μοιραίες αδυναμίες.
Οι πιο συνηθισμένες θέσεις αστοχίας κόπωσης περιλαμβάνουν την άρθρωση (δηλαδή το πρώτο φορτωμένο νήμα), το φιλέτο ρίζας, το νήμα και την απόληξη του νήματος. Λόγω της βελτίωσης της αντοχής στην κόπωση μέσω της ανάπτυξης καλύτερων υλικών και μεθόδων παραγωγής στη μεταποιητική βιομηχανία, τα νήματα έχουν γίνει το πιο αδύναμο σημείο των συνδετήρων και επί του παρόντος το υψηλότερο ποσοστό ζημιών που προκαλούνται σε αστοχία κόπωσης.
Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μεταβλητών τάσεων στο σχεδιασμό και των χαρακτηριστικών απόδοσης των συνδετήρων καθιστά τον καθορισμό προτύπων αντοχής σε κόπωση δύσκολη εργασία. Επί του παρόντος, είναι μια πολύπλοκη διαδικασία για τον προσδιορισμό του αριθμού των "κύκλων έως τη θραύση" και τη μέτρηση της σχετικής αντοχής μιας σειράς συνδετήρων.
3. Διάβρωση
Ένας άλλος λόγος για τη θραύση του μπουλονιού είναι η διάβρωση. Η διάβρωση έχει πολλές μορφές, συμπεριλαμβανομένης της συνηθισμένης διάβρωσης, της χημικής διάβρωσης, της ηλεκτρολυτικής διάβρωσης και της διάβρωσης λόγω τάσης. Η ηλεκτρολυτική διάβρωση αναφέρεται στην έκθεση των συνδετήρων σε διάφορους υγρούς παράγοντες όπως το νερό της βροχής ή η όξινη ομίχλη, που είναι ηλεκτρολύτες που μπορούν να προκαλέσουν χημική διάβρωση των συνδετήρων. Δεύτερον, λόγω των διαφορετικών υλικών των συνδετήρων, τα ηλεκτρολυτικά τους δυναμικά είναι διαφορετικά και η διαφορά δυναμικού μπορεί εύκολα να δημιουργήσει "μικρομπαταρίες". Οι σχεδιαστές θα πρέπει να επιλέγουν υλικά με παρόμοια ηλεκτρολυτικά δυναμικά όσο το δυνατόν περισσότερο με βάση τη συμβατότητα των μετάλλων, εξαλείφοντας παράλληλα τις συνθήκες παραγωγής ηλεκτρολυτών για την αποφυγή ρωγμών που προκαλείται από ηλεκτρολυτική διάβρωση.
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης είναι σχετικά περιορισμένη. Η διάβρωση λόγω καταπόνησης υπάρχει υπό υψηλά φορτία εφελκυσμού και επηρεάζει κυρίως τους συνδετήρες από κραματοποιημένο χάλυβα υψηλής αντοχής. Οι συνδετήρες από κράμα χάλυβα (ειδικά χάλυβας με υψηλή σύνθεση κραμάτων) είναι επιρρεπείς σε ρωγμές υπό πίεση. Στην αρχή, συνήθως σχηματίζονται ρωγμές και κοιλώματα στην επιφάνεια και στη συνέχεια εμφανίζεται περαιτέρω διάβρωση, η οποία ευνοεί τη διάδοση των ρωγμών. Ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής καθορίζεται από την τάση στο μπουλόνι και την αντοχή στη θραύση του υλικού. Όταν το υπόλοιπο υλικό λειτουργεί σε σημείο που δεν μπορεί να αντέξει την εφαρμοζόμενη τάση, συμβαίνει θραύση.
4. Ευθραυστότητα υδρογόνου
Οι συνδετήρες από χάλυβα υψηλής αντοχής (γενικά με σκληρότητα Rockwell C36 ή υψηλότερη) είναι πιο επιρρεπείς σε ευθραυστότητα υδρογόνου. Η ευθραυστότητα του υδρογόνου είναι η κύρια αιτία θραύσης του συνδετήρα. Η ευθραυστότητα του υδρογόνου είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο άτομα υδρογόνου εισέρχονται και διαχέονται σε ολόκληρη τη μήτρα του υλικού. Όταν τα άτομα υδρογόνου εισέρχονται στη μήτρα υλικού, η μήτρα υφίσταται παραμόρφωση πλέγματος, διαταράσσοντας την αρχική κατάσταση ισορροπίας και καθιστώντας εύκολη τη ρωγμή υπό εξωτερικές δυνάμεις. Όταν εφαρμόζεται εξωτερικό φορτίο στοβίδα,Τα άτομα υδρογόνου μεταναστεύουν στη ζώνη υψηλής συγκέντρωσης τάσης, προκαλώντας σημαντική τάση μεταξύ των άκρων των κρυσταλλικών ορίων, η οποία οδηγεί σε θραύση μεταξύ των κρυσταλλικών σωματιδίων του συνδετήρα.
Όταν οι συνδετήρες περιέχουν κρίσιμο υδρογόνο πριν από την εγκατάσταση, συνήθως σπάνε μέσα σε 24 ώρες. Εάν εισέλθει υδρογόνο στον συνδετήρα, είναι αδύνατο να προβλεφθεί πότε θα σπάσει. Επομένως, κατά τη χρήση σχετικών συνδετήρων, οι σχεδιαστές θα πρέπει να προσδιορίζουν την επιλογή προμηθευτών με εξειδικευμένες διαδικασίες και ελάχιστη πιθανή ευθραυστότητα υδρογόνου.
5. Άλλοι παράγοντες
Το κάταγμα σύνδεσης δεν σχετίζεται πάντα άμεσα με το καταστροφικό κάταγμα του συνδετήρα. Πολλοί παράγοντες που σχετίζονται με τους συνδετήρες, όπως η απώλεια προφόρτισης ή η κόπωση των συνδέσεων των συνδετήρων, μπορεί να προκαλέσουν φθορά. Η κεντρική μετατόπιση των συνδετήρων μπορεί να δημιουργήσει θόρυβο και διαρροή κατά τη χρήση, απαιτώντας απρογραμμάτιστη συντήρηση για την αποφυγή θραύσης. Για παράδειγμα, η δόνηση μπορεί να μειώσει την αντίσταση τριβής των νημάτων και οι συνδέσεις των συνδετήρων μπορεί να χαλαρώσουν λόγω της εφαρμογής φορτίων εργασίας μετά την εγκατάσταση. Αυτοί οι παράγοντες, μαζί με τον ερπυσμό των μπουλονιών σε υψηλή θερμοκρασία, μπορεί να οδηγήσουν σε απώλεια της δύναμης προφόρτισης. Μερικές φορές το σπάσιμο της σύνδεσης μπορεί να αποδοθεί στο ότι η οπή που διέρχεται είναι πολύ μεγάλη ή πολύ μικρή, η περιοχή έδρασης είναι πολύ μικρή, το υλικό είναι πολύ μαλακό ή το φορτίο είναι πολύ υψηλό. Οποιαδήποτε από αυτές τις καταστάσεις δεν θα προκαλέσει άμεσο σπάσιμο του μπουλονιού, αλλά θα οδηγήσει σε απώλεια της ακεραιότητας της σύνδεσης ή σε ενδεχόμενο σπάσιμο του μπουλονιού.
