Le attrezzature meccaniche e le strutture in acciaio sono assemblate da vari componenti, la maggior parte dei quali sono collegati in modo fisso tramite elementi di fissaggio filettati. Il guasto degli elementi di fissaggio filettati porta direttamente al malfunzionamento dell'apparecchiatura. Nei casi più gravi, potrebbe causare l'arresto dell'apparecchiatura, il collasso strutturale e persino incidenti con lesioni personali.

Considerata l’elevata frequenza e i gravi rischi di cedimento degli elementi di fissaggio, i tecnici devono analizzare sistematicamente i fattori che inducono e formulare misure mirate di rettifica e prevenzione per eliminare radicalmente i cedimenti di fissaggio.

I guasti agli elementi di fissaggio si dividono principalmente in due categorie. La prima categoria è la rottura dei bulloni, che provoca la separazione istantanea delle strutture collegate e solitamente provoca gravi guasti alle apparecchiature e incidenti alla sicurezza. La seconda categoria comprende l'allentamento delle coppie di fili e lo slittamento del filobulloni o dadi, che produce un piccolo spostamento relativo tra le parti collegate e porta al malfunzionamento parziale dell'apparecchiatura e ad una ridotta precisione operativa.

Il cedimento degli elementi di fissaggio è un processo progressivo. Un lieve allentamento senza un trattamento tempestivo continuerà a deteriorarsi e alla fine causerà la completa separazione di bulloni e dadi, innescando gravi incidenti di sicurezza. Nelle applicazioni pratiche, la maggior parte del personale fraintende che la frattura del bullone è causata esclusivamente da difetti del materiale e dall'allentamento del dado dovuto alla scarsa qualità, ignorando problemi fondamentali come una progettazione strutturale irragionevole e processi di assemblaggio non-standard. Questo articolo analizza sistematicamente le cause dei vari cedimenti per frattura dei bulloni dal punto di vista della progettazione e dell'assemblaggio.

1 Frattura da taglio

La frattura per taglio dei bulloni si verifica soprattutto nelle connessioni filettate sotto puro precarico. La superficie di frattura per taglio si trova all'interfaccia congiunta di due parti collegate, presentando una piccola area di taglio liscia e brillante. Le cause specifiche del guasto sono riepilogate come segue.

1.1 Cause di progettazione

(1) Un coefficiente di attrito insufficiente sull'interfaccia del giunto o specifiche dei bulloni selezionati in modo errato portano a un precarico inadeguato. Quando la forza di attrito sulla superficie del giunto è inferiore al carico di lavoro trasversale, espresso dalla formula fF′＜F (dove f è il coefficiente di attrito dell'interfaccia, F′ è il precarico del bullone e F è il carico di lavoro trasversale), si verifica uno scorrimento relativo tra i componenti collegati. Il gambo del bullone è soggetto alla forza di estrusione e di taglio esercitata dalla parete del foro. Una volta che lo sforzo di taglio supera la resistenza al taglio del materiale del bullone, si verifica la frattura di taglio. I componenti in movimento sottoposti a carichi d'urto sono più suscettibili a tali guasti. Nella progettazione strutturale, le parti di riduzione del carico-e le spalle di posizionamento possono essere adottate per sopportare i carichi trasversali, in modo che i bulloni eseguano solo la connessione a trazione senza sopportare la forza di taglio.

(2) Gli elementi di fissaggio senza strutture anti-allentamento vengono applicati in condizioni di lavoro vibranti. Le vibrazioni a lungo-termine delle apparecchiature allentano la coppia di filetti e attenuano il precarico dei bulloni, determinando un attrito dell'interfaccia insufficiente e un ulteriore slittamento dei componenti e frattura per taglio dei bulloni. Per le strutture che lavorano in ambienti soggetti a vibrazioni, dovrebbero essere adottati speciali dispositivi di fissaggio anti-allentamento come i dadi Spiralock e i dadi di bloccaggio a coppia prevalente per prevenire guasti da allentamento.

1.2 Cause di assemblaggio

Una coppia di serraggio del gruppo insufficiente porta a un precarico del bullone inferiore allo standard e ad un attrito dell'interfaccia inadeguato. I carichi esterni causano lo slittamento relativo dei componenti e alla fine provocano la frattura per taglio del bullone. La coppia di serraggio dei bulloni è un indicatore di processo critico nella progettazione di strutture in acciaio e nell'assemblaggio di motori e richiede un controllo rigoroso. Tuttavia, viene spesso trascurato in altri settori a causa della mancanza di una gestione della coppia standardizzata. Nei casi pratici di guasto, la maggior parte dei difetti di allentamento e frattura del filetto sono causati da una coppia di montaggio inappropriata.

La forza di serraggio di una coppia di filetti è generata dalla rotazione di dadi o bulloni ed è correlata positivamente alla coppia di assemblaggio. Per garantire che il precarico soddisfi i requisiti di progettazione, la coppia di assemblaggio deve essere chiaramente specificata nei documenti di processo e implementata rigorosamente durante il funzionamento. La formula per il calcolo della coppia di assemblaggio è la seguente:

M=KPD

Dove: M - Coppia di montaggio (Nm); K - Coefficiente di coppia; P - Precarico progettato (kN); D - Diametro nominale del bullone (mm).

Nella progettazione convenzionale, il precarico del bullone è impostato tra il 60% e l'80% del carico di snervamento del materiale con un fattore di sicurezza superiore a 1,2. Il carico di snervamento di bulloni con specifiche e gradi di resistenza diversi può essere riferito a GB/T 3098.1.

Il coefficiente di coppia è determinato dal coefficiente di attrito delle coppie di filetti e dalla superficie di contatto tra loroelementi di fissaggioe parti collegate. È influenzato dal trattamento superficiale, dalla precisione della resistenza, dalla tolleranza geometrica, dall'accuratezza della filettatura, dalla rugosità della superficie di supporto e dalla rigidità strutturale. Il trattamento superficiale è il fattore dominante. Diversi trattamenti superficiali portano a grandi differenze nel coefficiente di coppia, fino a quasi il doppio. Per coppie di fili con le stesse specifiche e resistenza, il coefficiente di coppia del trattamento di fosfatazione è compreso tra 0,13 e 0,15, mentre quello del trattamento di annerimento varia tra 0,26 e 0,30.

Pertanto, gli elementi di fissaggio con trattamenti di fosfatazione e annerimento producono una differenza di precarico quasi doppia con la stessa coppia di assemblaggio. Il coefficiente di coppia deve essere calibrato tramite esperimenti. I produttori di elementi di fissaggio devono controllare rigorosamente i processi di trattamento superficiale per garantire coefficienti di coppia coerenti di ciascun lotto. Gli utenti non devono modificare arbitrariamente i requisiti di trattamento superficiale, in modo da evitare un precarico insufficiente, un allungamento dei bulloni o una frattura causata dalla fluttuazione del coefficiente di coppia.

2 Frattura da fatica

La frattura per fatica è una delle modalità di cedimento dei bulloni più comuni. La maggior parte dei guasti per fatica hanno origine da difetti di fabbricazione, tra cui raccordi di transizione non uniformi sotto le teste dei bulloni, raggio di raccordo della radice della filettatura insufficiente, graffi superficiali e inclusioni di materiale. Nel frattempo, l'assemblaggio non-standard è anche un importante incentivo per fratture da fatica e potenziali incidenti legati alla sicurezza.

Prendendo come esempio i bulloni delle ruote delle automobili, il design strutturale consente ai bulloni delle ruote di sopportare solo il precarico assiale senza carico radiale diretto. Una coppia di montaggio insufficiente porta ad un precarico inadeguato e ad un attrito insufficiente tra il mozzo della ruota e il semiasse, causando uno slittamento relativo durante il funzionamento del veicolo.

Durante la rotazione della ruota ad alta-velocità, il bullone ruota periodicamente insieme al mozzo. Il gambo del bullone è soggetto a una forza di estrusione alternata da entrambi i lati della parete del foro, con conseguenti carichi radiali ciclici ad alta-frequenza. L'azione del carico ciclico a lungo termine- avvia ed espande le cricche da fatica, portando infine alla frattura per fatica dei bulloni.

Quando la frattura del bullone della ruota si verifica dopo l'uso del veicolo, gli ispettori devono innanzitutto osservare la morfologia della frattura per giudicare preliminarmente il cedimento per fatica prima di condurre ulteriori-analisi approfondite.

3 Frattura da sovraccarico

La frattura da sovraccarico si riferisce alla frattura da trazione quando il carico assiale totale supera il limite consentito del materiale del bullone. Poiché l'area portante effettiva della sezione filettata è inferiore a quella del gambo liscio con una concentrazione di sollecitazioni più elevata, la frattura da sovraccarico si verifica principalmente nella sezione filettata, che può essere preliminarmente identificata dalla morfologia della frattura.

I bulloni di grado 8.8 mostrano evidenti striature dopo la frattura da sovraccarico; I bulloni di grado 10.9 presentano una leggera strozzatura; I bulloni ad alta resistenza di grado 12.9- sostanzialmente non presentano striature in normali condizioni di sovraccarico.

Possono verificarsi evidenti strizzature anche nei bulloni di grado da 8.8 a 12.9 con materiali non qualificati, trattamento termico inadeguato, tempra incompleta o durezza del nucleo insufficiente. Pertanto i criteri di giudizio per la frattura da sovraccarico sono specificati come segue:

(1) Per le fratture con strizione, le prove sui campioni devono essere eseguite in conformità con GB/T 3098.1. La frattura da sovraccarico può essere confermata se la durezza del nucleo è qualificata.

(2) È richiesta l'analisi metallograficaBulloni ad alta-resistenza di grado 12.9per determinare la frattura da sovraccarico, perché anche i difetti superficiali della filettatura e i difetti del materiale possono causare la frattura della sezione filettata e non possono essere giudicati solo dall'apparenza.

La frattura da sovraccarico si verifica principalmente nelle connessioni bullonate sotto carichi assiali, con tre cause principali:

UN. Una coppia di assemblaggio eccessivamente elevata fa sì che il precarico superi la resistenza allo snervamento del materiale del bullone, con conseguente allungamento o frattura del bullone durante l'assemblaggio.

B. Precarico di assemblaggio eccessivo vicino al carico di snervamento del bullone. Durante il funzionamento dell'attrezzatura, il bullone sopporta sia il precarico residuo che il carico di lavoro. La sovrapposizione dei due carichi eccedenti il ​​limite di resistenza del materiale provoca la frattura da sovraccarico. Con un carico di lavoro costante, un precarico di montaggio più elevato comporta un precarico residuo più elevato e un maggiore rischio di sovraccarico.

C. Selezione impropria del bullone con diametro nominale della filettatura insufficiente che non soddisfa i requisiti dei cuscinetti nella progettazione strutturale.

4 Frattura del bullone causata dal carico eccentrico dell'assemblaggio

La frattura del bullone dovuta al carico eccentrico è un tipico errore del processo di assemblaggio. Sulla superficie di supporto del bullone si possono osservare evidenti segni di usura a forma di mezzaluna-, con l'area di supporto effettiva che rappresenta solo da 1/4 a 1/3 dell'area di supporto totale e una distribuzione delle sollecitazioni molto irregolare. Il gambo del bullone vicino alla frattura si piega nella direzione opposta alla sollecitazione, mostrando tipiche caratteristiche di flessione eccentrica e di frattura.

La rottura del carico eccentrico dei bulloni è causata principalmente da due fattori:

Innanzitutto, la superficie di supporto del contatto delle parti collegate è inclinata o irregolare, con conseguente sollecitazione localetesta del bullonee la formazione di un carico eccentrico, che è la causa principale di questo caso di guasto.

In secondo luogo, un eccessivo errore di rettilineità o una deformazione da flessione del gambo del bullone provocano un carico eccentrico intrinseco durante l'assemblaggio.

I due tipi di carichi eccentrici differiscono significativamente nella posizione della sollecitazione e nella direzione di flessione del gambo, che possono essere distinti attraverso le tracce delle sollecitazioni sulla superficie di supporto e la direzione di deformazione del bullone.

5 Conclusione

I guasti degli elementi di fissaggio, quali frattura, slittamento del filo e allentamento, non sono sempre causati da difetti intrinseci della qualità del prodotto. Le procedure standardizzate di risoluzione dei problemi devono essere seguite una volta che si verifica un guasto del fissaggio:

Innanzitutto, preservare completamente i campioni guasti e proteggere le superfici delle fratture da ruggine, collisioni e danni secondari per garantire un'analisi accurata dei guasti.

In secondo luogo, determinare preliminarmente il tipo di guasto e l'incentivo in base alla morfologia della frattura, all'aspetto del campione, alle tracce di stress superficiale e alle effettive condizioni di lavoro.

In terzo luogo, condurre test fisici e chimici professionali, tra cui l'analisi metallografica e il rilevamento della durezza. Se gli indicatori del materiale e del trattamento termico soddisfano gli standard nazionali, il cedimento ha origine dalla progettazione strutturale o dal processo di assemblaggio; in caso contrario, viene confermato come difetto di qualità del dispositivo di fissaggio.

In quarto luogo, formulare misure mirate di rettifica e prevenzione in base alle cause di guasto confermate, standardizzare le specifiche di progettazione e ottimizzare i processi di assemblaggio per evitare il ripetersi di guasti simili.