1. Ce este eșecul prin oboseală a elementelor de fixare
Ruperea prin oboseală este complet diferită de fractura prin tracțiune statică. Ruptura statică are loc atunci când sarcina unică depășește limita materialului. Defecțiunea prin oboseală apare atunci când șuruburile sunt supuse unor sarcini ciclice repetate pentru o perioadă lungă de timp. Fisurile minuscule inițiază în zonele de concentrare a tensiunilor, continuă să crească, iar șurubul se rupe brusc odată ce secțiunea transversală rămasă nu poate suporta sarcina. Acest tip de defecțiune apare de obicei după ce echipamentul a funcționat pentru o perioadă de timp. Testul de rezistență la tracțiune trece în timpul inspecției de intrare, dar defecțiunile lotului apar după instalare. Este o cauză frecventă a plângerilor din partea supraveghetorilor și clienților finali de peste mări.
2. Scenarii cu risc ridicat și locații ale fracturilor pentru eșec prin oboseală
2.1 Aplicații tipice
Turnuri de turbine eoliene și conexiuni ale palelor, transportoare cu bandă, alimentatoare vibrante, concasoare, ansambluri de pompe și alte echipamente cu vibrații ciclice continue. Îmbinările șuruburilor continuă să suporte sarcini alternative.
2.2 Puncte comune de inițiere a fisurii
Rădăcină de filet (prima rădăcină de filet cuplată lângă piuliță, cea mai comună sursă de fisuri)
Raza filetului între capul șurubului și tijă
Execuția filetului și canelura de relief Rădăcina firului formează o crestătură geometrică, care creează concentrarea tensiunilor. Tensiunea locală aici este mult mai mare decât corpul principal al șurubului sub aceeași sarcină, astfel încât fisurile de oboseală încep cu ușurință.
3. Principala greșeală de achiziție: verificați doar rezistența la tracțiune, înțelegerea greșită a rezistenței la oboseală
Mulți ingineri cumpărători confirmă doar gradul șuruburilor și rezistența la tracțiune și presupun că șuruburile cu rezistență la tracțiune calificată se potrivesc aplicațiilor de vibrații. Aceasta este greșeala critică. Rezistența la tracțiune reflectă capacitatea de încărcare statică. Rezistența la oboseală determină rezistența la sarcinile de vibrații ciclice repetate . Șuruburile cu același grad de întindere pot avea o durată de viață la oboseală foarte diferită, în funcție de procesul de laminare a filetului, raza rădăcinii, tratamentul termic și defectele de suprafață. Chiar și șuruburile de înaltă rezistență de gradul 8.8 și 10.9 vor suferi o fractură rapidă la oboseală sub vibrații continue dacă rădăcina filetului este ascuțită, cu pliuri de rulare sau defecte de decarburare.
3.1 Definiția de bază a rezistenței la oboseală
Rezistența la oboseală (limita de oboseală) este solicitarea maximă pe care o poate suporta un material pentru un număr infinit de cicluri de încărcare alternante fără rupere. Nu toate materialele au o limită clară de oboseală. Oțelul carbon și oțelul aliat au în general o limită de oboseală. Unele oțel inoxidabil și aliaje de înaltă temperatură nu au o limită definită. Industria definește în mod normal rezistența la oboseală condiționată : valoarea tensiunii fără fractură după un număr de cicluri specificat, de obicei 10⁷ cicluri. Aceasta este valoarea pe care o veți găsi pe majoritatea certificatelor de testare a elementelor de fixare. Pe scurt: rezistență la tracțiune = suportă o sarcină statică mare; rezistența la oboseală = suportă mii sau milioane de cicluri de vibrații repetate.
3.2 Cum să citiți datele privind rezistența la oboseală pe MTC și rapoartele de testare
Condiția de încărcare și raportul de efort R Testul de oboseală la tensiune axială este standard pentru elemente de fixare. Raportul tensiunilor R = efort minim / efort maxim. R se modifică în funcție de condițiile de muncă. R=0 înseamnă cicluri de încărcare de la zero la valoarea de vârf; R>0 înseamnă că șurubul rămâne sub tensiune în timp ce sarcina fluctuează. Șuruburile turbinei eoliene sunt adesea testate la R=0,1. Rezistența la oboseală variază brusc sub diferite valori R. Datele testate la R=0 nu pot fi utilizate direct pentru R=0,1 condiții de serviciu.
Număr de cicluri Notație tipică: 500MPa @ 10⁷ cicluri. Înseamnă că șurubul a supraviețuit la 10 milioane de cicluri de sarcină alternante fără rupere sub acest raport de solicitare. Nu garantează o fractură imediată odată ce solicitarea depășește această valoare, dar riscul de defecțiune crește foarte mult. O capcană comună: cumpărătorii se concentrează doar pe numărul MPa și ignoră numărul de cicluri și raportul de stres.
Tipul probei de testare
Eșantion de bară netedă: prezintă numai proprietatea la oboseală a materialului. Această valoare nu poate fi utilizată ca rezistență la oboseală a șuruburilor finite.
Test de fixare terminat: testare pe șuruburi complete cu filet și filet de cap. Acestea sunt datele valabile acceptate de inspectori și supraveghetori. Geometria filetului și defectele de fabricație vor reduce semnificativ performanța la oboseală. Datele barei de material pot arăta bine, în timp ce șuruburile terminate eșuează devreme.
Criterii de acceptare Standardele, inclusiv ISO, ASTM, EN și EN 14399 pentru șuruburi structurale stabilesc cerințe clare de oboseală. Cele mai multe specificații necesită mai multe specimene per lot, nicio fractură prematură și localizarea controlată a fracturii.
3.3 Factori cheie care afectează rezistența la oboseală
Fabricarea firului: firul rulat depășește firul tăiat. Firele laminate introduc tensiuni reziduale de compresiune benefice la rădăcină
Raza rădăcinii filetului: raza mai mare reduce concentrația de stres și îmbunătățește rezistența la oboseală; rădăcina ascuțită duce la o scădere dramatică a oboselii
Tratament termic: microstructură uniformă temperată; decarburarea la suprafață reduce puternic performanța la oboseală
Starea suprafeței: zgârieturile, zgârieturile, gropile de coroziune și fragilizarea prin hidrogen acționează ca puncte de inițiere a fisurilor
Preîncărcare: preîncărcarea adecvată reduce amplitudinea tensiunii alternative; preîncărcare insuficientă mărește fluctuația sarcinii și accelerează deteriorarea prin oboseală
4. Factori care accelerează eșecul prin oboseală
Preîncărcare insuficientă: Pierderea de preîncărcare provoacă separarea articulațiilor sub vibrații, fluctuație mai mare a sarcinii și creșterea mai rapidă a fisurilor
Nealinierea în timpul asamblării: Tensiunea suplimentară la îndoire amplifică concentrarea tensiunii
Coroziune: gropile de pitting acționează ca origini de fisuri; coroziunea combinată cu vibrația reduce brusc durata de viață la oboseală
Defecte de fabricație a filetului: pliuri de rulare, rază mică a rădăcinii, microfisuri de suprafață
Slăbire: Vibrația duce la pierderea continuă a preîncărcării și la creșterea tensiunii alternative
5. Ghid de selecție și asamblare pentru aplicații cu vibrații
5.1 Selectarea elementelor de fixare
Preferați șuruburile cu filete rulate . Firele laminate au raze mai netede ale rădăcinii și o concentrație mai mică a tensiunilor. Acordați prioritate produselor furnizate cu rapoarte de testare la oboseală a șuruburilor finite . Verificați întotdeauna raportul de tensiuni, numărul de cicluri și tipul probei în loc să verificați doar rezistența la tracțiune. Pentru condiții de vibrații ridicate, potriviți soluțiile adecvate anti-slăbire pentru a reduce pierderea de preîncărcare.
5.2 Controlul asamblarii
Strângeți uniform la cuplul specificat pentru a controla preîncărcarea, pentru a evita strângerea insuficientă sau strângerea excesivă
Asigurați-vă alinierea pentru a preveni solicitarea suplimentară de îndoire pe șuruburi
Programați o inspecție regulată de re-strângere pentru echipamentele care vibrează continuu
Aplicați un strat adecvat în medii corozive pentru a evita fisurile de oboseală induse de sâmburi
6. Întrebări frecvente
Q1: Rezistența la tracțiune este calificată, de ce se rupe șurubul după vibrație? A1: Rezistența la tracțiune evaluează doar sarcina finală statică. Defecțiunea prin oboseală provine din daune cumulate sub sarcini alternative. Rezistența la tracțiune calificată nu garantează suficientă rezistență la oboseală pentru serviciul vibrațiilor.
Î2: Ce puncte ar trebui să verific rezistența la oboseală în rapoartele de testare? A2: Trei elemente de bază: 1. Testat pe șuruburi finite, nu pe bare netede. 2. Raportul de stres R se potrivește cu starea dvs. reală de lucru. 3. Numărul de cicluri corespunzător. Aceeași valoare MPa cu valori diferite R nu este interschimbabilă.
Q3: Care sunt caracteristicile suprafeței de fractură prin oboseală? A3: De obicei, puteți vedea o zonă netedă de propagare a fisurilor și o zonă de rupere finală aspră, care este diferită de suprafața complet aspră a ruperii la tracțiune unică.
Q4: Pot șuruburile standard să înlocuiască direct șuruburile turbinei eoliene? A4: Înlocuirea directă nu este recomandată. Aplicațiile turbinelor eoliene necesită controale mai stricte asupra rădăcinii filetului, tratamentului termic, NDT și performanța la oboseală. Șuruburile generale standard nu au o marjă de oboseală suficientă.
