تجهیزات مکانیکی و سازه های فولادی از اجزای مختلفی مونتاژ می شوند که اکثر آنها به طور ثابت توسط بست های رزوه ای به هم متصل می شوند. خرابی بست های رزوه ای مستقیماً منجر به خرابی تجهیزات می شود. در موارد شدید، ممکن است باعث خاموش شدن تجهیزات، ریزش سازه و حتی حوادث آسیب شخصی شود.

با توجه به فرکانس بالا و خطرات جدی خرابی اتصال دهنده ها، تکنسین ها باید به طور سیستماتیک عوامل القا کننده را تجزیه و تحلیل کنند و اقدامات اصلاحی و پیشگیری هدفمند را برای از بین بردن اساسی خرابی اتصالات فرموله کنند.

خرابی بست ها به طور عمده به دو دسته تقسیم می شوند. دسته اول خرابی شکستگی پیچ است که باعث جدا شدن آنی سازه های متصل شده و معمولاً منجر به خطاهای شدید تجهیزات و حوادث ایمنی می شود. دسته دوم شامل شل شدن جفت نخ و لیز خوردن نخ می باشدپیچ یا مهرهکه باعث ایجاد جابجایی نسبی کوچک بین قطعات متصل شده و منجر به نقص جزئی تجهیزات و کاهش دقت عملیات می شود.

خرابی بست یک فرآیند پیشرونده است. شل شدن جزئی بدون درمان به موقع همچنان بدتر می شود و در نهایت باعث جدا شدن کامل پیچ و مهره می شود و باعث بروز حوادث ایمنی بزرگ می شود. در کاربردهای عملی، اکثر پرسنل به اشتباه متوجه می شوند که شکستگی پیچ و مهره صرفاً ناشی از نقص مواد و شل شدن مهره به دلیل کیفیت ضعیف مهره است، در حالی که مشکلات اصلی مانند طراحی ساختاری نامعقول و فرآیندهای مونتاژ غیر استاندارد را نادیده می گیرند. این مقاله به طور سیستماتیک علل شکستگی های مختلف پیچ و مهره را از دیدگاه طراحی و مونتاژ تجزیه و تحلیل می کند.

1 شکستگی برشی

شکست برشی پیچ و مهره بیشتر در اتصالات رزوه ای تحت پیش بارگذاری خالص اتفاق می افتد. سطح شکست برشی در فصل مشترک دو قسمت متصل قرار گرفته است که یک ناحیه برشی صاف و روشن کوچک را ارائه می دهد. علل شکست خاص به شرح زیر خلاصه می شود.

1.1 علل طراحی

(1) ضریب اصطکاک ناکافی در رابط اتصال یا مشخصات پیچ انتخاب نادرست منجر به بارگذاری ناکافی می شود. هنگامی که نیروی اصطکاک در سطح اتصال کمتر از بار کاری عرضی باشد که با فرمول fF'＜F بیان می شود (که در آن f ضریب اصطکاک رابط، F' پیش بار پیچ و F به عنوان بار کاری عرضی است)، لغزش نسبی بین اجزای متصل رخ می دهد. ساقه پیچ در معرض اکستروژن و نیروی برشی از دیوار سوراخ قرار می گیرد. هنگامی که تنش برشی از مقاومت برشی مواد پیچ ​​بیشتر شود، شکست برشی رخ می دهد. اجزای متحرک تحت بارهای ضربه ای بیشتر در معرض چنین خرابی هستند. در طراحی سازه، قطعات کاهش‌دهنده بار و شانه‌های تعیین‌کننده را می‌توان برای تحمل بارهای عرضی به کار برد، به طوری که پیچ‌ها فقط اتصال کششی را بدون تحمل نیروی برشی انجام می‌دهند.

(2) اتصال دهنده های بدون ساختارهای ضد شل شدن در شرایط کاری ارتعاشی اعمال می شوند. لرزش طولانی مدت تجهیزات جفت رزوه را شل می کند و پیش بار پیچ را کاهش می دهد و در نتیجه اصطکاک رابط کافی و لغزش اجزا و شکستگی برشی پیچ و مهره بیشتر می شود. برای سازه‌هایی که در محیط‌های ارتعاشی کار می‌کنند، باید از بست‌های ضد شل شدن خاص مانند مهره‌های Spiralock و مهره‌های قفل گشتاور غالب استفاده کرد تا از شکست شل شدن جلوگیری شود.

1.2 علل مونتاژ

گشتاور ناکافی سفت کردن مجموعه منجر به پیش بارگیری پیچ و مهره نامرغوب و اصطکاک ناکافی رابط می شود. بارهای خارجی باعث لغزش نسبی قطعات و در نهایت شکستگی برشی پیچ می شود. گشتاور سفت شدن پیچ یک شاخص فرآیند حیاتی در مهندسی سازه فولادی و مونتاژ موتور است و نیاز به کنترل دقیق دارد. با این حال، اغلب در صنایع دیگر به دلیل عدم مدیریت استاندارد گشتاور مورد غفلت قرار می گیرد. در موارد شکست عملی، بیشتر عیوب شل شدن و شکست رزوه ناشی از گشتاور نامناسب مونتاژ است.

نیروی گیره یک جفت رزوه با چرخش مهره ها یا پیچ ها ایجاد می شود و با گشتاور مونتاژ همبستگی مثبت دارد. برای اطمینان از اینکه پیش بارگیری الزامات طراحی را برآورده می کند، گشتاور مونتاژ باید به وضوح در اسناد فرآیند مشخص شده و در طول عملیات به طور دقیق اجرا شود. فرمول محاسبه گشتاور مونتاژ به شرح زیر است:

M=KPD

کجا: M - گشتاور مونتاژ (Nm)؛ K - ضریب گشتاور; P - پیش بار طراحی شده (kN); د - قطر پیچ اسمی (mm).

در طراحی معمولی، پیش بار پیچ در محدوده 60 تا 80 درصد استحکام تسلیم مواد با ضریب ایمنی بالاتر از 1.2 تنظیم می شود. بار تسلیم پیچ ها با مشخصات و درجه های مقاومت متفاوت را می توان به GB/T 3098.1 اشاره کرد.

ضریب گشتاور توسط ضریب اصطکاک جفت رزوه و سطح تماس بیناتصال دهنده ها و قطعات متصل تحت تأثیر عملیات سطح، دقت استحکام، تحمل هندسی، دقت رزوه، زبری سطح پشتیبانی و سفتی سازه قرار می گیرد. درمان سطحی به عنوان عامل غالب عمل می کند. عملیات سطحی مختلف منجر به تفاوت های زیادی در ضریب گشتاور، تا تقریباً دو برابر می شود. برای جفت‌های نخ با مشخصات و استحکام یکسان، ضریب گشتاور عملیات فسفاته کردن حدود 0.13 تا 0.15 است، در حالی که ضریب گشتاور عملیات سیاه‌کردن بین 0.26 تا 0.30 است.

بنابراین، اتصال دهنده هایی با عملیات فسفاته کردن و سیاه شدن، اختلاف پیش بارگذاری تقریباً دو برابری را تحت گشتاور مونتاژ یکسان ایجاد می کنند. ضریب گشتاور باید از طریق آزمایش کالیبره شود. سازندگان اتصال دهنده باید به شدت فرآیندهای تصفیه سطح را کنترل کنند تا از ضرایب گشتاور ثابت هر دسته اطمینان حاصل کنند. كاربران نبايد خودسرانه الزامات درمان سطح را تغيير دهند تا از پيش بار ناكافي، كشش پيچ و يا شكست ناشي از نوسانات ضريب گشتاور جلوگيري شود.

2 شکستگی خستگی

شکستگی خستگی یکی از رایج ترین حالت های شکست پیچ است. بیشتر خرابی‌های خستگی ناشی از نقص‌های ساخت هستند، از جمله فیله‌های انتقالی ناصاف زیر سر پیچ‌ها، شعاع ناکافی فیله ریشه رزوه، خراش‌های سطحی و آخال‌های مواد. در همین حال، مونتاژ غیر استاندارد نیز یک محرک مهم برای شکستگی خستگی و حوادث ایمنی بالقوه است.

با در نظر گرفتن پیچ‌های چرخ خودرو به عنوان مثال، طراحی ساختاری به پیچ‌های چرخ اجازه می‌دهد فقط پیش بار محوری را بدون بار شعاعی مستقیم تحمل کنند. گشتاور مونتاژ ناکافی منجر به بارگذاری ناکافی و اصطکاک ناکافی بین توپی چرخ و نیم شفت می شود که باعث لغزش نسبی در حین کار خودرو می شود.

در طول چرخش چرخ با سرعت بالا، پیچ به صورت دوره ای با توپی می چرخد. ساقه پیچ در معرض نیروی اکستروژن متناوب از هر دو طرف دیوار سوراخ قرار می گیرد که منجر به بارهای شعاعی چرخه ای با فرکانس بالا می شود. عمل بار چرخه ای طولانی مدت باعث شروع و گسترش ترک های خستگی می شود و در نهایت منجر به شکستگی خستگی پیچ می شود.

هنگامی که شکستگی پیچ چرخ پس از کارکرد وسیله نقلیه رخ می دهد، بازرسان ابتدا باید مورفولوژی شکستگی را مشاهده کنند تا قبل از انجام تجزیه و تحلیل عمیق بیشتر، خرابی خستگی را به طور مقدماتی قضاوت کنند.

3 شکستگی اضافه بار

شکست اضافه بار به شکست کششی اشاره دارد که بار محوری کل از حد مجاز ماده پیچ تجاوز کند. از آنجایی که ناحیه باربری موثر بخش رزوه ای کوچکتر از ساقه صاف با تمرکز تنش شدیدتر است، شکست اضافه بار بیشتر در قسمت رزوه ای رخ می دهد که می توان ابتدا با مورفولوژی شکست شناسایی کرد.

پیچ و مهره های درجه 8.8 بعد از شکستگی اضافه بار، گردنی آشکار را نشان می دهند. پیچ و مهره های درجه 10.9 دارای گردن کمی هستند. پیچ و مهره های با استحکام بالا درجه 12.9 اساساً در شرایط اضافه بار معمولی هیچ ویژگی گردن بندی ندارند.

همچنین ممکن است در پیچ و مهره های درجه 8.8 تا 12.9 با مواد نامرغوب، عملیات حرارتی ناکافی، خاموش شدن ناقص یا سختی هسته ناکافی، گردن بندی آشکار ظاهر شود. بنابراین، معیارهای قضاوت برای شکست اضافه بار به شرح زیر مشخص می شود:

(1) برای شکستگی با گردن، آزمایش نمونه باید مطابق با GB/T 3098.1 انجام شود. اگر سختی هسته واجد شرایط باشد، شکستگی اضافه بار قابل تایید است.

(2) تجزیه و تحلیل متالوگرافی برای مورد نیاز استپیچ و مهره های درجه 12.9 با مقاومت بالابرای تعیین شکست اضافه بار، زیرا عیوب سطح رزوه و عیوب مواد نیز ممکن است باعث شکستگی مقطع رزوه شود و صرفاً از روی ظاهر قابل قضاوت نیست.

شکست اضافه بار عمدتاً در اتصالات پیچ و مهره تحت بارهای محوری رخ می دهد که سه علت اصلی دارد:

الف گشتاور مونتاژ بیش از حد بالا باعث می شود که پیش بارگذاری از استحکام تسلیم مواد پیچ ​​بیشتر شود و در نتیجه پیچ و مهره کشیده شود یا در حین مونتاژ شکسته شود.

ب پیش بارگذاری بیش از حد مونتاژ نزدیک به استحکام تسلیم پیچ. در طول عملیات تجهیزات، پیچ هم پیش بار باقیمانده و هم بار کاری را تحمل می کند. برهم نهی دو بار بیش از حد مقاومت ماده باعث شکست اضافه بار می شود. تحت بار کاری ثابت، پیش بار مونتاژ بالاتر منجر به پیش بار باقی مانده بیشتر و خطر اضافه بار بیشتر می شود.

ج انتخاب نامناسب پیچ و مهره با قطر نامی نامی کافی که الزامات بلبرینگ در طراحی سازه را برآورده نمی کند.

4 شکستگی پیچ ناشی از بار خارج از مرکز مونتاژ

شکستگی پیچ در اثر بار خارج از مرکز یک شکست معمولی در فرآیند مونتاژ است. علائم ساییدگی هلالی شکل آشکار را می توان بر روی سطح تکیه گاه پیچ مشاهده کرد، به طوری که ناحیه باربری واقعی تنها 1/4 تا 1/3 از کل ناحیه پشتیبانی و توزیع تنش به شدت ناهموار را تشکیل می دهد. ساقه پیچ در نزدیکی شکستگی بر خلاف جهت تنش خم می شود و ویژگی های خمش و شکست غیرعادی معمولی را نشان می دهد.

خرابی بار خارج از مرکز پیچ و مهره عمدتاً توسط دو عامل ایجاد می شود:

اول، سطح پشتیبانی تماس قطعات متصل شیبدار یا ناهموار است و در نتیجه فشار موضعی بر روی قسمت ایجاد می شودسر پیچو تشکیل بار خارج از مرکز که عامل اصلی این مورد خرابی است.

دوم، خطای صافی بیش از حد یا تغییر شکل خمشی ساقه پیچ باعث ایجاد بار غیرعادی ذاتی در هنگام مونتاژ می شود.

دو نوع بار خارج از مرکز به طور قابل توجهی در موقعیت تنش و جهت خمش ساقه متفاوت هستند، که می تواند از طریق ردهای تنش سطح پشتیبانی و جهت تغییر شکل پیچ قابل تشخیص باشد.

5 نتیجه گیری

خرابی اتصال دهنده ها مانند شکستگی، لیز خوردن نخ و شل شدن همیشه ناشی از نقص ذاتی کیفیت محصول نیست. به محض اینکه خرابی بست رخ دهد، روش های عیب یابی استاندارد باید دنبال شود:

ابتدا، نمونه های شکست خورده را به طور کامل حفظ کنید و سطوح شکستگی را از زنگ زدگی، برخورد و آسیب ثانویه محافظت کنید تا از تجزیه و تحلیل دقیق شکست اطمینان حاصل کنید.

دوم، ابتدا نوع شکست و القاء را بر اساس مورفولوژی شکست، ظاهر نمونه، آثار تنش سطحی و شرایط کاری واقعی تعیین کنید.

سوم، انجام آزمایشات فیزیکی و شیمیایی حرفه ای از جمله آنالیز متالوگرافی و تشخیص سختی. اگر شاخص‌های عملیات حرارتی و مواد مطابق با استانداردهای ملی باشد، خرابی ناشی از طراحی سازه یا فرآیند مونتاژ است. در غیر این صورت، به عنوان نقص کیفیت اتصال دهنده تایید می شود.

چهارم، تدابیر اصلاح و پیشگیری هدفمند را با توجه به دلایل شکست تایید شده، استانداردسازی مشخصات طراحی و بهینه سازی فرآیندهای مونتاژ برای جلوگیری از تکرار خرابی های مشابه، تدوین کنید.