ความล้มเหลวของความล้าของโบลต์: ความแข็งแรงของความล้าสำหรับการใช้งานการสั่นสะเทือน

1. ความล้มเหลวของ Fastener Fatigue คืออะไร

ความล้มเหลวจากความล้าแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการแตกหักของแรงดึงคงที่ การแตกหักแบบสถิตเกิดขึ้นเมื่อการรับน้ำหนักครั้งเดียวเกินขีดจำกัดของวัสดุ ความล้มเหลวของความเมื่อยล้าเกิดขึ้นเมื่อโบลต์ต้องรับภาระแบบวนซ้ำหลายครั้งเป็นเวลานาน รอยแตกขนาดเล็กเริ่มต้นที่บริเวณที่มีความเข้มข้นของความเครียด และขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และสลักเกลียวก็แตกหักทันทีเมื่อพื้นที่หน้าตัดที่เหลือไม่สามารถรองรับน้ำหนักได้ ความล้มเหลวประเภทนี้มักจะปรากฏขึ้นหลังจากที่อุปกรณ์ทำงานมาระยะหนึ่งแล้ว การทดสอบความต้านทานแรงดึงจะผ่านไปในระหว่างการตรวจสอบที่เข้ามา แต่เกิดความล้มเหลวเป็นชุดหลังการติดตั้ง เป็นสาเหตุของการร้องเรียนจากหัวหน้างานในต่างประเทศและลูกค้าปลายทางบ่อยครั้ง

2. สถานการณ์ที่มีความเสี่ยงสูงและสถานที่แตกหักสำหรับความล้มเหลวจากความเหนื่อยล้า

2.1 การใช้งานทั่วไป

หอคอยกังหันลมและการเชื่อมต่อใบพัด สายพานลำเลียง เครื่องป้อนแบบสั่น เครื่องบด ชุดประกอบปั๊ม และอุปกรณ์อื่นๆ ที่มีการสั่นสะเทือนแบบวนอย่างต่อเนื่อง ข้อต่อโบลต์ช่วยรับน้ำหนักสลับกัน

2.2 คะแนนเริ่มต้นการแคร็กทั่วไป

1. รูทของเกลียว (รูทของเกลียวที่เกี่ยวตัวแรกถัดจากน็อต ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรอยแตกที่พบบ่อยที่สุด)

2. รัศมีเนื้อระหว่างหัวสลักเกลียวและก้าน

3. การเบี่ยงเบนหนีศูนย์ของด้ายและร่องคลาย รากของด้ายจะสร้างรอยบากทางเรขาคณิต ซึ่งสร้างความเข้มข้นของความเค้น ความเครียดเฉพาะบริเวณนี้สูงกว่าตัวโบลต์หลักมากภายใต้น้ำหนักที่เท่ากัน ดังนั้นรอยแตกเมื่อยล้าจึงเริ่มต้นได้ง่าย

3. ข้อผิดพลาดในการซื้ออันดับต้นๆ: ตรวจสอบเฉพาะความต้านแรงดึง ความเข้าใจผิดเกี่ยวกับความล้า

วิศวกรจัดซื้อจำนวนมากยืนยันเพียงเกรดของสลักเกลียวและความต้านทานแรงดึง และถือว่าสลักเกลียวที่มีคุณสมบัติต้านทานแรงดึงที่เหมาะสมกับการสั่นสะเทือน นี่คือข้อผิดพลาดร้ายแรง ความต้านแรงดึงสะท้อนถึงความสามารถในการรับน้ำหนักคงที่ ความแข็งแรงของความเมื่อยล้าเป็นตัวกำหนดความต้านทานต่อแรงสั่นสะเทือนแบบวนซ้ำ ๆ โบลต์ที่มีเกรดแรงดึงเท่ากันอาจมีอายุการใช้งานความล้าที่แตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับกระบวนการรีดเกลียว รัศมีของรูต การอบชุบด้วยความร้อน และข้อบกพร่องที่พื้นผิว แม้แต่โบลต์ที่มีความแข็งแรงสูงเกรด 8.8 และ 10.9 ก็อาจประสบกับการแตกหักจากการล้าอย่างรวดเร็วภายใต้การสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง หากโคนเกลียวมีความคม มีรอยพับกลิ้งหรือข้อบกพร่องการแยกชิ้นส่วน

3.1 คำจำกัดความพื้นฐานของความแข็งแกร่งของความเมื่อยล้า

ความแข็งแรงของความล้า (ขีดจำกัดของความล้า) คือความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนต่อรอบการโหลดสลับกันไม่จำกัดจำนวนโดยไม่มีการแตกหัก วัสดุบางชนิดไม่ได้มีขีดจำกัดความล้าที่ชัดเจน โดยทั่วไปเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมจะมีขีดจำกัดความล้า สแตนเลสและโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงบางชนิดไม่มีขีดจำกัดที่แน่นอน โดยปกติอุตสาหกรรมจะกำหนด ความแข็งแกร่งของความเหนื่อยล้าแบบมีเงื่อนไข : ค่าความเครียดที่ไม่มีการแตกหักหลังจากจำนวนรอบที่ระบุ โดยทั่วไปคือ 10รอบ นี่คือค่าที่คุณจะพบในใบรับรองการทดสอบตัวยึดส่วนใหญ่ กล่าวโดยย่อ: ความต้านทานแรงดึง = ทนทานต่อโหลดคงที่ขนาดใหญ่หนึ่งครั้ง; ความเมื่อยล้า = ทนต่อแรงสั่นสะเทือนซ้ำๆ นับพันหรือล้านรอบ

3.2 วิธีอ่านข้อมูลความล้าบน MTC และรายงานผลการทดสอบ

1. สภาพการโหลดและอัตราส่วนความเค้น R การทดสอบความล้าของแรงตึงตามแนวแกนเป็นมาตรฐานสำหรับตัวยึด อัตราส่วนความเครียด R = ความเครียดขั้นต่ำ / ความเครียดสูงสุด R เปลี่ยนแปลงตามสภาพการทำงาน R=0 หมายถึงรอบการโหลดจากศูนย์ถึงค่าสูงสุด R>0 หมายความว่าโบลต์อยู่ภายใต้ความตึงในขณะที่โหลดมีความผันผวน สลักเกลียวกังหันลมมักได้รับการทดสอบที่ R=0.1 ความแข็งแรงของความเหนื่อยล้าจะแตกต่างกันอย่างมากภายใต้ค่า R ที่ต่างกัน ข้อมูลที่ทดสอบที่ R=0 ไม่สามารถใช้โดยตรงสำหรับเงื่อนไขการบริการ R=0.1

2. จำนวนรอบ สัญกรณ์ ทั่วไป: 500MPa @ 107 รอบ หมายความว่าโบลต์สามารถทนต่อรอบโหลดสลับกันได้ 10 ล้านรอบโดยไม่เกิดการแตกหักภายใต้อัตราส่วนความเค้นนี้ ไม่รับประกันการแตกหักทันทีเมื่อความเครียดเกินค่านี้ แต่ความเสี่ยงต่อความล้มเหลวจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ข้อผิดพลาดทั่วไป: ผู้ซื้อมุ่งเน้นไปที่ตัวเลข MPa เท่านั้น และไม่สนใจจำนวนรอบและอัตราส่วนความเครียด

3. ประเภทของชิ้นงานทดสอบ

• ชิ้นงานทดสอบแท่งเรียบ: แสดงเฉพาะคุณสมบัติความล้าของวัสดุเท่านั้น ค่านี้ไม่สามารถใช้เป็นค่าความล้าของโบลท์สำเร็จรูปได้

• การทดสอบตัวยึดเสร็จสิ้น: ทดสอบกับสลักเกลียวทั้งตัวที่มีเกลียวและฟิลเลหัว นี่เป็นข้อมูลที่ถูกต้องที่ผู้ตรวจสอบและหัวหน้างานยอมรับ รูปทรงของเกลียวและข้อบกพร่องในการผลิตจะลดประสิทธิภาพความล้าลงอย่างมาก ข้อมูลแถบวัสดุอาจดูดี ในขณะที่สลักเกลียวที่เสร็จแล้วล้มเหลวก่อนกำหนด

4. เกณฑ์การยอมรับ มาตรฐานต่างๆ รวมถึง ISO, ASTM, EN และ EN 14399 สำหรับสลักเกลียวโครงสร้างกำหนดข้อกำหนดความล้าที่ชัดเจน ข้อมูลจำเพาะส่วนใหญ่กำหนดให้มีชิ้นงานทดสอบหลายชิ้นต่อชุด ไม่มีการแตกหักก่อนเวลาอันควร และควบคุมตำแหน่งการแตกหักได้

3.3 ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความแข็งแรงของความเมื่อยล้า

• การผลิตด้าย: ด้ายรีดมีประสิทธิภาพดีกว่าด้ายตัด เกลียวแบบม้วนทำให้เกิดแรงกดตกค้างที่เป็นประโยชน์ที่ราก

• รัศมีรากของเธรด: รัศมีที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดความเข้มข้นของความเครียดและช่วยเพิ่มความแข็งแรงของความเมื่อยล้า รากที่แหลมคมทำให้ความเมื่อยล้าลดลงอย่างมาก

• การรักษาความร้อน: โครงสร้างจุลภาคที่มีอารมณ์สม่ำเสมอ การแยกคาร์บอนออกจากพื้นผิวจะช่วยลดความเมื่อยล้าลงอย่างมาก

• สภาพพื้นผิว: รอยขีดข่วน รอบ หลุมกัดกร่อน และการเปราะของไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก

• พรีโหลด: พรีโหลดที่เหมาะสมช่วยลดแอมพลิจูดความเค้นสลับกัน โหลดล่วงหน้าที่ไม่เพียงพอจะเพิ่มความผันผวนของโหลดและเร่งความเสียหายจากความเมื่อยล้า

4. ปัจจัยที่เร่งให้เกิดความล้มเหลวเมื่อยล้า

1. พรีโหลดไม่เพียงพอ: การสูญเสียพรีโหลดทำให้เกิดการแยกตัวของข้อต่อภายใต้การสั่นสะเทือน โหลดมีความผันผวนมากขึ้น และรอยแตกร้าวเติบโตเร็วขึ้น

2. การวางแนวที่ไม่ถูกต้องระหว่างการประกอบ: ความเค้นดัดงอพิเศษจะขยายความเข้มข้นของความเค้น

3. การกัดกร่อน: หลุมบ่อทำหน้าที่เป็นต้นกำเนิดของรอยแตก การกัดกร่อนรวมกับการสั่นสะเทือนช่วยลดอายุความเมื่อยล้าลงอย่างมาก

4. ข้อบกพร่องในการผลิตเกลียว: รอยพับแบบม้วน, รัศมีรูตเล็ก, รอยแตกขนาดเล็กที่พื้นผิว

5. การคลายตัว: การสั่นสะเทือนทำให้เกิดการสูญเสียพรีโหลดอย่างต่อเนื่องและความเครียดสลับกันเพิ่มขึ้น

5. คู่มือการเลือกและการประกอบสำหรับการใช้งานแบบสั่นสะเทือน

5.1 การเลือกสปริง

ชอบสลักเกลียวที่มี ม้วน เกลียว เกลียวที่รีดมีรัศมีรากที่เรียบกว่าและมีความเข้มข้นของความเค้นต่ำกว่า จัดลำดับความสำคัญของผลิตภัณฑ์ที่มาพร้อมกับ รายงานการทดสอบความล้าของโบลต์ที่เสร็จ แล้ว ตรวจสอบอัตราส่วนความเค้น จำนวนรอบ และประเภทของชิ้นงานทดสอบเสมอ แทนที่จะตรวจสอบเฉพาะความต้านทานแรงดึงเท่านั้น สำหรับสภาวะที่มีการสั่นสะเทือนสูง ให้จับคู่สารละลายป้องกันการคลายตัวที่เหมาะสมเพื่อลดการสูญเสียพรีโหลด

5.2 การควบคุมการประกอบ

• ขันให้เท่ากันตามแรงบิดที่ระบุเพื่อควบคุมพรีโหลด หลีกเลี่ยงการขันให้แน่นหรือขันแน่นเกินไป

• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้จัดตำแหน่งเพื่อป้องกันความเครียดจากการดัดงอของสลักเกลียว

• กำหนดเวลาการตรวจสอบการขันให้แน่นอีกครั้งเป็นประจำสำหรับอุปกรณ์ที่มีการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง

• ใช้การเคลือบที่เหมาะสมในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรอยแตกเมื่อยล้าจากรูพรุน

6. คำถามที่พบบ่อย

Q1：มีคุณสมบัติรับแรงดึง ทำไมโบลต์จึงแตกหลังจากการสั่นสะเทือน A1：ความต้านทานแรงดึงจะประเมินเฉพาะโหลดสุดท้ายแบบคงที่เท่านั้น ความล้มเหลวจากความเหนื่อยล้ามาจากความเสียหายสะสมภายใต้โหลดแบบสลับ ความต้านทานแรงดึงที่ผ่านการรับรองไม่รับประกันความต้านทานความล้าที่เพียงพอสำหรับบริการสั่นสะเทือน

คำถามที่ 2：ฉันควรตรวจสอบความเมื่อยล้าในรายงานผลการทดสอบจุดใดบ้าง A2：สามรายการหลัก: 1. ทดสอบกับสลักเกลียวสำเร็จรูป ไม่ใช่แท่งเรียบ 2. อัตราส่วนความเครียด R ตรงกับสภาพการทำงานจริงของคุณ 3. การนับรอบที่สอดคล้องกัน ค่า MPa เดียวกันกับค่า R ต่างกันไม่สามารถใช้แทนกันได้

Q3：คุณสมบัติของพื้นผิวแตกหักเมื่อยล้ามีอะไรบ้าง? A3：You can usually see a smooth crack propagation zone and a rough final rupture zone, which is different from the fully rough surface of one-time tensile break.

คำถามที่ 4：สลักเกลียวมาตรฐานสามารถเปลี่ยนสลักเกลียวกังหันลมได้โดยตรงหรือไม่ A4：ไม่แนะนำให้เปลี่ยนโดยตรง การใช้งานกังหันลมต้องมีการควบคุมที่เข้มงวดมากขึ้นในเรื่องรูทของเกลียว การรักษาความร้อน NDT และความล้า โบลท์ทั่วไปมาตรฐานไม่มีระยะความล้าเพียงพอ