1. Kaj je okvara zaradi utrujenosti pritrdilnih elementov
Odpoved zaradi utrujenosti se popolnoma razlikuje od statičnega nateznega zloma. Statični zlom se zgodi, ko enkratna obremenitev preseže mejo materiala. Odpoved zaradi utrujenosti se pojavi, ko so vijaki dolgo časa izpostavljeni ponavljajočim se cikličnim obremenitvam. Drobne razpoke se začnejo na območjih koncentracije napetosti, rastejo in vijak se nenadoma zlomi, ko preostali presek ne prenese obremenitve. Ta vrsta okvare se običajno pojavi po tem, ko je oprema delovala nekaj časa. Preskus natezne trdnosti je med vhodnim pregledom uspešen, vendar se po namestitvi pojavijo napake serije. Je pogost vzrok pritožb čezmorskih nadzornikov in končnih strank.
2. Scenariji z visokim tveganjem in lokacije zlomov za odpoved zaradi utrujenosti
2.1 Tipične aplikacije
Stolpi vetrnih turbin in priključki lopatic, tračni transporterji, vibracijski podajalniki, drobilniki, sklopi črpalk in druga oprema z neprekinjenimi cikličnimi vibracijami. Vijačni spoji prenašajo izmenično obremenitve.
2.2 Pogoste točke začetka razpok
Koren navoja (prvi vpet koren navoja poleg matice, najpogostejši vir razpoke)
Polmer zaokrožitve med glavo in steblom vijaka
Iztekanje navoja in razbremenilni utor Koren navoja tvori geometrijsko zarezo, ki ustvarja koncentracijo napetosti. Lokalna napetost je tukaj veliko višja od glavnega telesa vijaka pod enako obremenitvijo, zato se zlahka začnejo razpoke zaradi utrujenosti.
3. Najpogostejša napaka pri nakupu: preverite le natezno trdnost, napačno razumevanje utrujenostne trdnosti
Številni nabavni inženirji potrdijo samo razred vijaka in natezno trdnost ter predpostavljajo, da vijaki z ustrezno natezno trdnostjo ustrezajo aplikacijam za vibracije. To je kritična napaka. Natezna trdnost odraža statično nosilnost. Utrujalna trdnost določa odpornost na ponavljajoče se ciklične vibracijske obremenitve . Vijaki z enakim nateznim razredom imajo lahko zelo različno vzdržljivost, odvisno od postopka valjanja navojev, polmera korena, toplotne obdelave in površinskih napak. Celo vijaki z visoko trdnostjo razreda 8.8 in 10.9 se bodo pod stalnimi vibracijami hitro zlomili, če je koren navoja oster, z kotalnimi gubami ali napakami pri razogljičenju.
3.1 Osnovna definicija utrujenostne trdnosti
Utrujalna trdnost (meja utrujenosti) je največja obremenitev, ki jo material lahko prenese v neskončnem številu izmeničnih obremenitvenih ciklov brez zloma. Vsi materiali nimajo jasne meje utrujenosti. Ogljikovo jeklo in legirano jeklo imata na splošno mejo utrujenosti. Nekatera nerjavna jekla in visokotemperaturne zlitine nimajo določene omejitve. Industrija običajno definira pogojno utrujenost : vrednost napetosti brez zloma po določenem številu ciklov, običajno 10⁷ ciklov. To je vrednost, ki jo najdete na večini potrdil o preskusu pritrdilnih elementov. Na kratko: natezna trdnost = prenese eno veliko statično obremenitev; odpornost proti utrujanju = vzdrži na tisoče ali milijone ponavljajočih se ciklov vibracij.
3.2 Kako brati podatke o odpornosti proti utrujenosti na MTC in poročilih o preskusih
Stanje obremenitve in razmerje napetosti R Preskus utrujenosti z osno napetostjo je standard za pritrdilne elemente. Razmerje napetosti R = najmanjša napetost / največja napetost. R se spreminja z delovnimi pogoji. R=0 pomeni cikle obremenitve od nič do najvišje vrednosti; R>0 pomeni, da vijak ostane pod napetostjo, medtem ko obremenitev niha. Vijaki vetrnih turbin se pogosto testirajo pri R=0,1. Utrujalna trdnost se močno spreminja pri različnih vrednostih R. Podatkov, testiranih pri R=0, ni mogoče neposredno uporabiti za delovne pogoje R=0,1.
Število ciklov Tipična oznaka: 500 MPa pri 10⁷ ciklih. To pomeni, da je vijak preživel 10 milijonov izmeničnih ciklov obremenitve brez zloma pri tem razmerju napetosti. Ne zagotavlja takojšnjega zloma, ko napetost preseže to vrednost, vendar se tveganje za okvaro močno poveča. Pogosta past: kupci se osredotočajo le na število MPa in ignorirajo število ciklov in razmerje napetosti.
Vrsta preskusnega vzorca
Vzorec z gladko palico: kaže samo lastnost utrujenosti materiala. Te vrednosti ni mogoče uporabiti kot trdnost končnih vijakov.
Končan preskus pritrdilnih elementov: preskus na celotnih vijakih z navoji in navojno glavo. To so veljavni podatki, ki jih sprejemajo inšpektorji in nadzorniki. Geometrija navojev in proizvodne napake bodo znatno zmanjšale učinkovitost utrujenosti. Podatki o palicah materiala so lahko videti dobri, medtem ko dokončani vijaki odpovejo zgodaj.
Merila sprejemljivosti Standardi, vključno z ISO, ASTM, EN in EN 14399 za konstrukcijske vijake, določajo jasne zahteve glede utrujenosti. Večina specifikacij zahteva več vzorcev na serijo, brez prezgodnjega zloma in nadzorovano lokacijo zloma.
3.3 Ključni dejavniki, ki vplivajo na utrujenost
Izdelava navojev: valjani navoj prekaša rezan navoj. Valjani navoji uvajajo koristno tlačno preostalo napetost v korenu
Polmer korena navoja: večji polmer zmanjša koncentracijo napetosti in izboljša odpornost proti utrujanju; ostra korenina vodi do dramatičnega zmanjšanja utrujenosti
Toplotna obdelava: enotna kaljena mikrostruktura; razogljičenje na površini močno zmanjša učinkovitost utrujenosti
Stanje površine: praske, prekrivki, korozijske jamice in vodikova krhkost delujejo kot točke začetka razpok
Prednapetost: pravilna prednapetost zmanjša amplitudo izmenične napetosti; nezadostna prednapetost poveča nihanje obremenitve in pospeši poškodbe zaradi utrujenosti
4. Dejavniki, ki pospešujejo odpoved zaradi utrujenosti
Nezadostna prednapetost: izguba prednapetosti povzroči ločevanje spoja pod vibracijami, večje nihanje obremenitve in hitrejšo rast razpok
Neusklajenost med sestavljanjem: Dodatna upogibna napetost poveča koncentracijo napetosti
Korozija: luknjičaste jamice delujejo kot izvor razpok; korozija v kombinaciji z vibracijami močno zmanjša življenjsko dobo zaradi utrujenosti
Napake pri izdelavi navojev: kotalne gube, majhen radij korena, površinske mikrorazpoke
Rahljanje: Vibracije vodijo do stalne izgube prednapetosti in naraščajoče izmenične napetosti
5. Vodnik za izbiro in montažo za vibracijske aplikacije
5.1 Izbira pritrdilnih elementov
Dajte prednost vijakom z valjanimi navoji . Valjani navoji imajo bolj gladke polmere korenin in manjšo koncentracijo napetosti. Dajte prednost izdelkom, dobavljenim s poročili o preskusu utrujenosti vijakov . Namesto preverjanja samo natezne trdnosti vedno preverite razmerje napetosti, število ciklov in vrsto vzorca. Za pogoje z visokimi vibracijami izberite ustrezne rešitve proti popuščanju, da zmanjšate izgubo prednapetosti.
5.2 Nadzor sestavljanja
Enakomerno zategnite do določenega navora za nadzor prednapetosti, izogibajte se premajhnemu ali premočnemu zategovanju
Zagotovite poravnavo, da preprečite dodatno upogibno obremenitev vijakov
Načrtujte redni pregled ponovnega zategovanja opreme, ki nenehno vibrira
Nanesite ustrezen premaz v korozivnih okoljih, da preprečite razpoke zaradi utrujenosti, ki jih povzročajo luknjice
6. Pogosta vprašanja
V1: Natezna trdnost je kvalificirana, zakaj se vijak zlomi po vibracijah? A1: Natezna trdnost ocenjuje samo statično končno obremenitev. Odpoved zaradi utrujenosti nastane zaradi kumulativne poškodbe pod izmeničnimi obremenitvami. Kvalificirana natezna trdnost ne zagotavlja zadostne odpornosti proti utrujenosti za vibracijsko delovanje.
V2: Katere točke naj preverim glede utrujenosti na poročilih o preskusih? A2: Trije ključni elementi: 1. Preizkušeno na končnih vijakih, ne na gladkih palicah. 2. Razmerje napetosti R ustreza vašim dejanskim delovnim pogojem. 3. Ustrezno število ciklov. Ista vrednost MPa z različnimi vrednostmi R ni zamenljiva.
V3: Kakšne so značilnosti površine zloma zaradi utrujenosti? A3: Običajno lahko vidite gladko območje širjenja razpok in hrapavo končno območje lomljenja, ki se razlikuje od popolnoma hrapave površine enkratnega nateznega zloma.
V4: Ali lahko standardni vijaki neposredno nadomestijo vijake vetrnih turbin? A4: Neposredna zamenjava ni priporočljiva. Aplikacije vetrnih turbin zahtevajo strožji nadzor nad korenom navoja, toplotno obdelavo, NDT in odpornostjo proti utrujenosti. Standardni splošni vijaki nimajo zadostnega roba odpornosti.
