ما هو البرغي عالي القوة؟

يمثل البرغي ذو المقبض الاحتكاكي فائق القوة تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا أدوات التثبيت، حيث يوفر أداءً محسنًا مع تقليل الحجم والوزن. يحافظ هذا التصميم المبتكر للمسمار على قوة تشبيك مكافئة للمسامير التقليدية على الرغم من أبعاده المنخفضة، مما ينتج عنه العديد من المزايا الرئيسية:

1. تقليل الوزن: يساهم حجم البرغي الأصغر بشكل مباشر في تقليل الوزن الإجمالي للمعدات، وهو عامل حاسم في العديد من الصناعات مثل صناعة الطيران والسيارات.
2. زيادة مساحة التركيب: يسمح التصميم المدمج باستخدام أكثر كفاءة للمساحة في التجميعات، مما يتيح للمهندسين تحسين تخطيطات المكونات أو دمج ميزات إضافية.
3. تحسين الأداء: من خلال تقليل الوزن واحتمال السماح بتصميمات أكثر انسيابية، يمكن أن تساهم هذه البراغي في تحسين أداء المعدات، بما في ذلك تحسين كفاءة استهلاك الوقود في المركبات أو زيادة سعة الحمولة في الطائرات.

مسامير قبضة الاحتكاك عالية القوة، والمعروفة أيضًا باسم مسامير HSFG، هي مثبتات متخصصة مصممة للتطبيقات عالية التحميل حيث يكون ثبات الوصلة أمرًا بالغ الأهمية. تعمل هذه البراغي على مبدأ الاحتكاك بدلاً من قوة القص. عند إحكام ربطها بعزم دوران محدد، فإنها تخلق قوة تشبيك تولد احتكاكًا بين الأجزاء المتصلة، مما يؤدي إلى "قفلها" معًا بشكل فعال.

تشمل الخصائص الرئيسية لمسامير HSFG ما يلي:

1. قوة شد فائقة، تتراوح عادةً من 8.8 إلى 10.9 درجة أو أعلى
2. تفاوتات دقيقة في التصنيع لضمان اتساق الأداء
3. غالبًا ما تستخدم مع غسالات مقواة لتوزيع الحمل ومنع تلف السطح
4. تُستخدم عادةً في الهياكل الفولاذية والجسور والتركيبات الميكانيكية عالية الضغط

يعمل المتغير فائق القوة على تعزيز هذه الخصائص بشكل أكبر، مما يدفع حدود ما هو ممكن في تصميم البراغي واستخدامها.

مثبتات مادية من الدرجة 16.8 و19.8

1. ما هو البرغي عالي القوة؟

إن البرغي عالي القوة، والذي يُطلق عليه بشكل أكثر دقة اسم البرغي عالي القوة (HSFG)، هو عبارة عن قفل متخصص مصمم للتطبيقات الإنشائية الحرجة. في حين أن مصطلح "البرغي عالي القوة" شائع الاستخدام في مجال الإنشاءات، إلا أنه من المهم فهم التسمية الكاملة له لتجنب المفاهيم الخاطئة حول وظيفته وخصائصه.

إن السمة المميزة لمسامير HSFG لا تكمن فقط في قوتها المادية، ولكن في قدرتها الهندسية على تطوير قوى تشبيك عالية والحفاظ عليها. صُممت هذه البراغي بحيث يتم تحميلها مسبقًا إلى شد محدد، مما يخلق قبضة احتكاك بين العناصر المتصلة تقاوم قوى القص من خلال الاحتكاك الساكن بدلاً من القص في ساق البرغي.

الاعتقاد الخاطئ 1: درجة المادة التي تزيد عن 8.8 تحدد "مسمارًا عالي القوة"

هذا مفهوم خاطئ شائع. إن الفارق الرئيسي بين البراغي عالية القوة والمسامير القياسية هو طريقة الاستخدام وآلية التحميل، وليس مجرد قوة المادة. تم تصميم مسامير HSFG وتصنيعها خصيصًا من أجل:

1. تحقيق التحميل المسبق المتسق والحفاظ عليه
2. مقاومة الارتخاء تحت الأحمال الديناميكية
3. توفير مقاومة فائقة للإجهاد والتعب
4. توفر مقاومة انزلاق معززة في الوصلات

في المعايير البريطانية والأوروبية، تندرج مسامير HSFG عادةً في الدرجتين 8.8 و10.9 (وفقًا للمعيار BS EN 14399)، بينما في المعايير الأمريكية، تتوافق مع ASTM A325 وA490. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أنه لا تعتبر جميع البراغي من هذه الدرجات مسامير HSFG تلقائيًا. تعتمد التسمية على عملية التصنيع المحددة والمعالجة السطحية والاستخدام المقصود.

تم تصميم البراغي القياسية، والتي يمكن أن تشمل الدرجات 4.6 و5.6 و8.8 و10.9 و12.9 (كما هو محدد في المواصفة البريطانية BS 3692)، لظروف تحميل مختلفة ولا توفر بالضرورة نفس مستوى التحميل المسبق أو قدرات التماسك الاحتكاكي مثل براغي HSFG.

للتلخيص، يشمل التمييز بين البراغي عالية القوة (HSFG) والمسامير العادية:

1. عمليات تصنيع محددة لضمان اتساق قدرات التحميل المسبق
2. تشطيبات سطحية محكومة لتحقيق معاملات الاحتكاك المطلوبة
3. إجراءات تركيب دقيقة، وغالبًا ما تتضمن أدوات متخصصة للتحكم في الشد
4. اعتبارات التصميم في العناصر المتصلة لاستيعاب قوى التثبيت العالية

الجدول2 تسميات درجات القوة للبراغي والمسامير الفولاذية

2. ما هي قوة البراغي عالية القوة؟

وفقًا للمواصفة GB50017، احسب قوة الشد والقص لمسمار عادي واحد من الفئة B من الدرجة 8.8 ومسمار عالي القوة من الدرجة 8.8.

للإجابة على سؤال حول أين تكمن "قوة" البراغي عالية القوة، من المهم أولاً فهم ظروف عمل التصميم وقوانين التشوه المرن والبلاستيك لكل من البراغي العادية وعالية القوة.

من خلال دراسة الحالة الحدية لفشل التصميم، يمكننا أن نرى أنه في حين أن القيم التصميمية لقوة الشد والقص قد تكون أعلى بالنسبة للمسامير العادية تحت نفس الدرجة، فإن القوة الحقيقية للمسامير عالية القوة تكمن في قدرتها على تحمل الأحمال الأكثر تطرفًا دون أن تفشل.

منحنيات الإجهاد والإجهاد للمسامير العادية والمسامير عالية القوة تحت ظروف العمل

حالة الحد عند فشل التصميم

بالنسبة للعادي توصيل البرغييتعرض البرغي نفسه لتشوه بلاستيكي يتجاوز الحد التصميمي، مما يؤدي إلى قص البرغي. أثناء هذه العملية، يحدث انزلاق نسبي بين ألواح التوصيل قبل أن يبدأ البرغي في تحمل القص. ينتج عن ذلك تشوه مرن بلاستيكي وتحمل قوة القص.

على النقيض من ذلك، بالنسبة لوصلة البرغي عالية القوة، يكون الاحتكاك الساكن بين أسطح الاحتكاك الفعال هو العامل الأولي الذي يتحمل قوة القص.

مع زيادة الحمل، قد تصبح قوة الاحتكاك غير كافية لمقاومة قوة القص، ويتم التغلب على قوة الاحتكاك الساكن. ينتج عن ذلك إزاحة نسبية للصفيحتين الفولاذيتين، وهو ما يعتبر فشلًا في اعتبارات التصميم.

ومع ذلك، حتى عندما يحدث ذلك، لا يزال بإمكان قضيب البرغي استخدام تشوهه المرن والبلاستيكي الخاص به لتحمل القص عندما يلامس صفيحة التوصيل.

الخرافة 2: هل قدرة التحمل العالية هي برغي عالي القوة؟

وفقًا للحسابات الخاصة بالمسمار الواحد، تكون قوة تصميم الشد والقص للمسامير عالية القوة أقل من تلك الخاصة بالمسامير العادية. ومع ذلك، فإن القوة الحقيقية للبراغي عالية القوة تكمن في خصائص تصميمها المشترك.

عندما يكون المفصل في ظروف العمل العادية، لا يُسمح بأي انزلاق نسبي، مما يعني أن التشوه المرن البلاستيكي يكون في حده الأدنى وتكون صلابة المفصل عالية. وينتج عن ذلك احتياطي أمان عالٍ للمفصل، على الرغم من أن عدد البراغي قد لا ينخفض مقارنة بالتصميم الذي يستخدم براغي عادية.

البراغي عالية الصلابة مناسبة للاستخدام في العوارض الرئيسية وغيرها من المواضع التي تتطلب صلابة عالية للعقد، وهو ما يتماشى مع مبدأ التصميم الزلزالي الأساسي المتمثل في وجود "عقد قوية وأعضاء ضعيفة".

لذلك، فإن قوة البراغي عالية القوة لا تكمن في القيمة التصميمية لقدرتها على التحمل، بل في الصلابة الكبيرة والأداء العالي للسلامة ومقاومة التلف القوية لمفاصلها المصممة.

3. مقارنة بين البراغي عالية القوة والبراغي العادية

نظرًا لاختلاف مبادئ الإجهاد في التصميم، هناك اختلافات كبيرة في الطرق المستخدمة لفحص الإنشاءات للمسامير العادية والمسامير عالية القوة.

متطلبات الفحص للبراغي العادية والبراغي عالية القوة

متطلبات الأداء الميكانيكي للمسامير العادية من نفس الدرجة أعلى قليلاً من تلك الخاصة بالمسامير عالية القوة.

ومع ذلك، فإن البراغي عالية القوة لها متطلبات أعلى لقبول طاقة الصدم مقارنة بالمسامير العادية.

• a. تحديد زوج وصلات البراغي والمسامير والصواميل والغسالات (BS4395) القياسية البريطانية من الدرجة 8.8 عالية القوة;
• b. تحديد زوج وصلات البراغي والمسامير والصواميل والغسالات (BSEN14399) القياسية البريطانية من الدرجة 8.8 عالية القوة;
• c. تحديد زوج توصيل براغي ومسامير وصواميل وغسالات (ASTM A325) من الدرجة القياسية الأمريكية 8.8 عالية القوة;
• d. معيار بريطاني قياسي بريطاني من الدرجة 8.8 تحديد زوج توصيل البراغي العادية والمسامير والصواميل والغسالات (BS3692).

يعد وضع علامات على البراغي العادية والبراغي عالية القوة طريقة أساسية لتحديد البراغي من نفس الدرجة في الموقع. من الضروري أيضًا التمييز بين البراغي عالية القوة وفقًا للمعايير البريطانية والأمريكية، حيث قد يختلف حساب قيم عزم الدوران الخاصة بها.

من حيث التكلفة، فإن البراغي العادية أقل تكلفة تقريبًا 70% من البراغي عالية القوة. وبالنظر إلى مقارنة متطلبات قبولها، يمكن استنتاج أن التكلفة الممتازة للمسامير عالية القوة هي لضمان أداء طاقة الصدمات (المتانة).

4. كيف يمكن تحسين قوة إجهاد البراغي؟

وبغض النظر عن الأحمال المعقدة التي تتحملها، فإن الشكل الأكثر شيوعًا لفشل البراغي عالية القوة هو الفشل الناتج عن التعب.

في وقت مبكر من عام 1980، درس الخبراء 200 حالة من حالات فشل وصلات البراغي ووجدوا أن أكثر من 50% كانت بسبب فشل الكلال.

ولذلك، فمن الأهمية بمكان تحسين مقاومة التعب للبراغي عالية القوة.

إن الكسر الناتج عن الإرهاق من البراغي لها الخصائص التالية:

• الحد الأقصى للإجهاد الذي يسبب الكسر الناتج عن الإرهاق أقل بكثير من حد قوة المادة تحت الإجهاد الساكن، وحتى أقل من حد الخضوع.
• ينتج عن الكسر الناتج عن الإرهاق كسر مفاجئ وهش دون أي تشوه لدن ملحوظ.
• الكسر الناتج عن التعب هو نتيجة تراكم التلف الجزئي مع مرور الوقت.

بالنسبة للبراغي، فإن أشكال الفشل الرئيسية هي التشوه اللدن للجزء الملولب والكسر الناتج عن التعب في البرغي. ومن بين هذه الأشكال، تحدث غالبية الأضرار على النحو التالي:

• 65% في اللولب الأول المتصل بالصامولة
• 20% عند الانتقال بين الخيط والقضيب المصقول
• 15% عند الشريحة بين رأس البرغي والمسمار.

1. تحسين التصميم لتقليل تركيز الإجهاد

تحكم بدقة في الحجم النهائي للبراغي للتخلص من تركيز الإجهاد:

a. استخدام شرائح انتقالية كبيرة

b. أخدود تفريغ القطع

c. قطع القطع السفلي في نهاية الخيط

d. يمكن أيضًا أن يؤدي تحسين زاوية ميل رأس البرغي إلى تقليل تركيز الضغط بشكل فعال

e. استخدام الخيط المقوى

تتمثل الاختلافات الأساسية بين الخيط المقوى والخيط العادي في القطر الصغير (d1) للخيط الخارجي ونصف قطر الشريحة الانتقالية الجذرية (R).

تتضمن السمات الرئيسية للسن اللولبة المقواة قطرًا ثانويًا أكبر (d1) مقارنةً بالسن اللولبي العادي، وزيادة نصف قطر الشريحة الانتقالية الجذرية (R)، وانخفاض تركيز الضغط في البرغي.

توجد متطلبات محددة لنصف قطر الشريحة الانتقالية الجذرية (R) في الخيط المقوى، حيث R+ = 0.18042P و rmin = 0.15011P، حيث P هي درجة الانحدار. في المقابل، لا توجد مثل هذه المتطلبات في الخيط العادي، الذي يمكن أن يكون له مقطع مستقيم.

2. تحسين عملية التصنيع

تحسين التحكم في المعالجة الحرارية و معالجة السطح يمكن للعمليات أثناء تصنيع البراغي أن تعزز بشكل فعال مقاومة البراغي للإجهاد.

a. المعالجة الحرارية

تخضع البراغي للمعالجة الحرارية متبوعة بالدرفلة لإنتاج إجهاد انضغاطي كبير متبقٍ، مما يبطئ من تكوّن الشقوق ونموها ويعزز من قوة الإجهاد. من المهم منع إزالة الكربنة أثناء المعالجة الحرارية ومقارنة قوة إجهاد البراغي مع إزالة الكربنة السطحية وبدونها.

يؤدي وجود نزع الكربنة إلى أكسدة الكربون في الطبقة، مما يؤدي إلى تقليل الأسمنتيت في البنية المعدنية وانخفاض القوة والصلابة مقارنة بالهياكل العادية. وعادةً ما تنخفض قوة إجهاد البراغي بمقدار 19.8% في ظروف إزالة الكربنة السطحية.

b. الفوسفات

تعمل المعالجة الفوسفاتية لأسطح البراغي على منع الصدأ وضمان ثبات الاحتكاك أثناء التجميع. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها أيضًا تقليل التآكل.

في عملية دحرجة الخيط، فإن تقليل الاحتكاك بين عجلة دحرجة الخيط و سن اللولب اللولبي يمكن أن يؤثر بشكل إيجابي على توزيع الضغط على لولبة البرغي بعد التدوير ويقلل من خشونة سطح اللولبة.

3. اضبط التحميل المسبق المناسب

يتم حمل الشد في وصلة البرغي العادية بشكل أساسي بواسطة أول ثلاثة خيوط مجهدة. عندما يكون التحميل المسبق الأولي كبيرًا، يحدث تشوه بلاستيكي محليًا عند جذور بعض الخيوط، مما يؤدي إلى الإجهاد المتبقي عند تلك الجذور. يعزز هذا الإجهاد الضاغط المتبقي من قوة إجهاد الخيوط.

علاوة على ذلك، يعمل التشوه البلاستيكي للخيوط على تحسين توزيع الإجهاد وتقليل ضغط التلامس، مما يعزز أيضًا من قوة إجهاد الخيوط. كلما كان التحميل المسبق أكبر، كلما كانت وصلة البرغي أفضل في مقاومة الانفصال واسترخاء التحميل المسبق. وينتج عن ذلك قوة إجهاد فعالة أعلى للوصلة وصلة مثبتة بمسامير.

وبالتالي، فإن زيادة قوة الشد المسبق في وصلة البرغي يحسن من قدرتها على تحمل فشل الكلال تحت الأحمال الخارجية الدورية ويقلل من خطر فشل الكلال الناتج عن الاهتزاز وقوى الصدمات أو الحمل الزائد المحدود.