Inzicht in de effecten van de wrijvingscoëfficiënt op de stabiliteit van boutverbindingen

Samenvatting:

Boutverbindingen zijn een cruciale bevestigingsmethode om twee of meer onderdelen veilig aan elkaar te bevestigen door klemkracht uit te oefenen. Deze kracht wordt gegenereerd door de spanning in de bout en de resulterende compressie tussen de parallelle oppervlakken.

De wrijvingscoëfficiënten van zowel het lageroppervlak als de schroefdraad spelen een centrale rol bij het bepalen van de grootte en consistentie van de klemkracht. Deze coëfficiënten worden beïnvloed door factoren zoals oppervlakteafwerking, materiaaleigenschappen en smeringsomstandigheden.

Dit artikel richt zich op het assemblageproces van bouten met hoge sterkte die worden gebruikt in de draaikrans van grote kranen. De draaikrans, een cruciaal onderdeel van kraanmachineprocessen, vereist nauwkeurige en betrouwbare boutverbindingen om veilig en efficiënt te kunnen dragen en draaien.

Het onderzoek begint met een uitgebreide analyse van de theoretische relaties tussen belangrijke parameters: installatiemoment, wrijvingscoëfficiënten, koppelcoëfficiënt en de resulterende klemkracht. Deze theoretische basis is essentieel voor het begrijpen van de complexe wisselwerking tussen factoren die van invloed zijn op de prestaties van bouten.

Vervolgens presenteert het onderzoek een vergelijkende test die het aanhaalproces onderzoekt onder twee verschillende smeringsomstandigheden: alleen volledig gesmeerde schroefdraden en volledig gesmeerde schroefdraden en lageroppervlakken. Deze experimentele aanpak toont de significante invloed van smering op de betrouwbaarheid van de installatie van bevestigingsmiddelen en de variabiliteit van torsie en wrijvingscoëfficiënten.

De bevindingen tonen aan dat bij volledige smering zowel de wrijvings- als de koppelcoëfficiënt minder spreiding vertonen. Deze verminderde variabiliteit vertaalt zich in een verbeterde stabiliteit en betrouwbaarheid van boutverbindingen, wat cruciaal is voor het behoud van de structurele integriteit en operationele veiligheid van grote kranen.

Voorwoord

Boutverbindingen zijn een veelgebruikte mechanische verbinding in hijsmachines. Hun betrouwbaarheid is cruciaal voor de algehele prestaties van hijsmachines, vooral voor de sterke boutverbindingen van belangrijke componenten zoals de draaikrans.

Een betrouwbare boutverbinding is essentieel voor de normale werking van het product en een storing in de verbinding kan leiden tot ernstige veiligheidsincidenten.

Het doel van een boutverbinding is ervoor te zorgen dat twee of meer verbonden onderdelen nauw op elkaar aansluiten. Om de bewegingsbelasting te ondersteunen, moet er voldoende klemkracht worden gehandhaafd tussen de verbonden onderdelen om hun betrouwbare verbinding en normale werking te garanderen.

Onvoldoende klemkracht kan leiden tot zijdelings glijden tussen de twee delen, waardoor de bout onder onnodige schuifspanning komt te staan en kan breken.

Daarom wordt het steeds belangrijker om de betrouwbaarheid en stabiliteit van boutverbindingen met hoge sterkte te verbeteren. Onjuiste aanhaalparameters of procesbeheersing kunnen de betrouwbaarheid van de schroefdraadverbinding negatief beïnvloeden en falen veroorzaken.

Vanuit het perspectief van het verminderen van de spreiding van de klemkracht en het optimaliseren van het aanhaalproces, bepaalt dit artikel het installatiekoppel en het aanhaalproces van bouten met hoge sterkte voor de draaikrans van grote hijswerktuigen aan de hand van theoretische analyse en vergelijking van testgegevens.

1. Theoretische analyse

1.1 De koppelcoëfficiënt kan worden bepaald met de volgende formule, die gebaseerd is op de relatie tussen aanhaalmoment en klemkracht.

Waar:

• K - koppelcoëfficiënt;
• T - Aanhaalmoment;
• F - klemkracht;
• D - nominale diameter van de schroefdraad

1.2 Volgens GBT16823.3 moet het aanhaalmoment van bouten voldoen aan

Waar,

• P: Schroefsteek
• μth: Schroefdraadwrijvingscoëfficiënt
• μb: Wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak van de moer of bout
• d2: steekdiameter van de schroefdraad
• dh: binnendiameter van het lageroppervlak in contact
• d0: Buitendiameter van het lageroppervlak.

Bij het installeren van bouten kan het aanhaalmoment T in drie delen worden verdeeld:

Het wrijvingskoppel van het lageroppervlak (Tb) is het koppel dat wordt verbruikt door de wrijving tussen de moer en het vlak van de ring.

Het aandraaimoment (Tth) en de klemkracht (F) worden verbruikt door de wrijving tussen de schroefdraad van de bout en de schroefdraad van de moer (body).

Tijdens de installatie van de bevestigingsverbinding gaat het grootste deel van het installatiekoppel verloren door deze twee wrijvingsbronnen.

Daarom zijn de eindwrijvingscoëfficiënt (μb) en de schroefdraadwrijvingscoëfficiënt (μth) de belangrijkste factoren die de klemkracht (F) beïnvloeden.

De klemkracht kan sterk variëren afhankelijk van de wrijvingscoëfficiënten.

De spreiding van de eindwrijvingscoëfficiënt (μb) en de schroefdraadwrijvingscoëfficiënt (μth) bepaalt rechtstreeks de stabiliteit van de klemkracht (F). Zie afbeelding 1.

1.3 De schroefdraadwrijvingscoëfficiënt kan bij benadering worden berekend en bepaald door de relatie tussen het draadkoppel en de klemkracht, met behulp van de volgende formule.

1.4 De wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak kan bij benadering worden berekend en bepaald op basis van de relatie tussen het wrijvingskoppel van het lageroppervlak en de klemkracht, met behulp van de volgende formule.

De koppelcoëfficiënt, de draadwrijvingscoëfficiënt en de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak kunnen worden bepaald door het aanhaalmoment, het draadmoment, het wrijvingsmoment van het lageroppervlak en de klemkracht te meten.

2. Testanalyse

De invloed van de torsiecoëfficiënt, de wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad en de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak op de klemkracht in boutverbindingen onder verschillende omstandigheden is geanalyseerd en bestudeerd door het aanhaalproces van verschillende series bevestigingsbouten voor draaikransen te testen. De gebruikte testapparatuur is een verticale wrijvingscoëfficiënttester vervaardigd door Schatz, Duitsland, en de testmethode volgt de GB/T 16823.3 normen.

Het totale koppel, het draaimoment, het wrijvingskoppel op het lageroppervlak en de klemkracht worden gemeten met een draaimoment/hoeksensor en een klemkrachtsensor. De koppelcoëfficiënt, draadwrijvingscoëfficiënt en eindvlakwrijvingscoëfficiënt kunnen automatisch worden berekend met de formules (1), (3) en (4) op de testapparatuur.

De bouten die geselecteerd zijn voor de draaikransinstallatie van een grote kraan worden getest om de werkelijke montageomstandigheden te simuleren. De testmoeren worden vervangen door echte moeren en de materialen, verwerkingsapparatuur en het assemblageproces komen overeen met de eindproducten.

De specificaties van de bouten zijn:

• Norm: DIN931
• Afmetingen: M48-10.9
• Materiaal: 40HNM
• Afwerking oppervlak: Dacromet

De bijbehorende sluitring is:

• Norm: DIN6919
• Binnendiameter: 49 mm
• Buitendiameter: 82 mm

De vervangende testmoeren zijn gemaakt van huishoudelijk 960-materiaal.

Als smeermiddel wordt een antiaanbakmiddel voor hoge temperaturen op basis van zilver gebruikt.

Er werden twee groepen vergelijkende tests uitgevoerd om de invloed van de smeringstoestand op de wrijvingscoëfficiënt, koppelcoëfficiënt en verbindingsspreiding te vergelijken.

In de ene groep werd gelijkmatig vet aangebracht op het schroefdraadgedeelte van de bout, maar niet op het lageroppervlak van de sluitring. In de andere groep werd zowel op het schroefdraadgedeelte van de bout als op de bovenkant van het lageroppervlak van de sluitring vet aangebracht. Zie tabel 1 voor de testgegevens.

Tabel 1

Figuren 3 en 4 tonen de curven van de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak (μ_b) en de wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad (μ_th) onder twee verschillende smeringsomstandigheden: respectievelijk alleen smering van de schroefdraad en volledige smering.

De resultaten geven aan dat de wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad (μ_th) onder smeeromstandigheden varieert van 0,07 tot 0,09 en relatief stabiel blijft.

Ter vergelijking, de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak (μ_b) onder smering is relatief stabiel, met waarden variërend van 0,08 tot 0,1 voor alle acht groepen monsters. Aan de andere kant, zonder smering, varieert de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak van 0,1 tot 0,14, wat een slechte stabiliteit en een grote spreiding tussen de acht groepen monsters laat zien.

Figuur 5 toont de kromme van de koppelcoëfficiënt (K) onder twee smeringsomstandigheden: alleen draadsmering en volledige smering.

De resultaten tonen aan dat de koppelcoëfficiënt (K) van de acht groepen monsters onder volledige smering varieert van 0,11 tot 0,12, met stabiele waarden en minimale spreiding.

Daarentegen heeft de koppelcoëfficiënt (K) van het met schroefdraad gesmeerde monster een groter bereik, van 0,11 tot 0,15, met een slechte stabiliteit en een grotere spreiding.

Figuren 6 en 7 tonen de krommen van de koppelklemkracht tijdens de bouten aandraaien proces onder twee smeringsomstandigheden: respectievelijk alleen draadsmering en volledige smering.

De resultaten geven aan dat bij hetzelfde aanhaalmoment de klemkracht bij volledige smering groter is dan die bij alleen draadsmering en dat de spreiding van de curven binnen dezelfde groep monsters kleiner is.

De gegevens van de twee groepen vergelijkende tests tonen aan dat het aanbrengen van smeermiddel op het lageroppervlak de wrijvingscoëfficiënt en de torsiecoëfficiënt aanzienlijk vermindert met ongeveer 15% en de stabiliteit verbetert. Dit toont aan dat het aanbrengen van smeermiddel op het lageroppervlak een effectieve methode is om de torsiecoëfficiënt te verlagen en de stabiliteit te verhogen.

3. Status industrie

In bouwmachines worden bevestigingsmiddelen meestal geïnstalleerd met behulp van de koppelmethode, die rechttoe rechtaan, eenvoudig en gemakkelijk te bedienen is. Het installatiekoppel wordt bepaald door de wrijvingscoëfficiënt en een nauwkeurige numerieke waarde is cruciaal. Het negeren van de spreiding van de wrijvingscoëfficiënt, bekend als de standaardafwijking, kan de betrouwbaarheid van de boutverbinding echter aanzienlijk beïnvloeden.

Momenteel stelt de nationale norm GB/T 1231-2000 de normen vast voor hoge sterkte boutverbindingsparen in staalconstructies. De koppelcoëfficiënt (K) wordt gespecificeerd als 0,11-0,15, met een standaardafwijking ≤ 0,01.

Veel gebruikers richten zich alleen op de koppelcoëfficiënt en denken dat als deze eenmaal is bepaald, het installatiekoppel onmiddellijk kan worden vastgesteld, wat leidt tot een verbinding van het bevestigingsmiddel. De standaardafwijking wordt echter vaak over het hoofd gezien. Als de standaardafwijking groter is dan 0,01, varieert de voorspankracht van individuele bouten tijdens de installatie. Als de standaardafwijking te groot of te klein is, kunnen sommige bevestigingsparen te vast of te licht worden aangedraaid, wat een risico kan vormen voor de betrouwbaarheid van de installatie.

Aan de andere kant, als de koppelcoëfficiënt groot is en de standaardafwijking kleiner is dan 0,01, is de spreiding van het verbindingspaar minimaal en is de kracht op elk bevestigingspaar relatief gelijkmatig. Een hogere koppelcoëfficiënt tijdens de installatie kan leiden tot een hogere koppelwaarde, maar zal niet leiden tot te strak of te los aandraaien, wat leidt tot een verbeterde betrouwbaarheid en veiligheid van de installatie.

Concluderend, vanuit een bepaald perspectief is de standaardafwijking belangrijker dan de koppelcoëfficiënt.

4. Conclusie

De wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad, de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak en de koppelcoëfficiënt zijn kritieke technische parameters die moeten worden begrepen en beheerst bij het installeren van verbindingsparen van bevestigingsmiddelen. Op dit moment worden deze parameters door de meeste gebruikers herkend en overwogen tijdens de installatie.

Een kleinere wrijvingscoëfficiënt leidt tot een kleinere koppelcoëfficiënt. Bij het bepalen van het installatiekoppel resulteert een kleinere koppelcoëfficiënt in een grotere klemkracht.

Omgekeerd leidt een grotere torsiecoëfficiënt tot een kleinere klemkracht. Als de aanhaalcoëfficiënt tot op zekere hoogte klein is, kan de klemkracht die door een bepaalde torsie wordt gegenereerd de sterktelimiet van de bout overschrijden, waardoor de bout met hoge sterkte uitrekt of zelfs breekt als gevolg van vermoeiing.

Aan de andere kant, als de koppelcoëfficiënt te groot is, zal de gegenereerde klemkracht te klein zijn en zal het bevestigingspaar niet goed functioneren, wat leidt tot losheid.

De smeringstoestand heeft een aanzienlijke invloed op de waarden van de wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad, de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak en de koppelcoëfficiënt. Over het algemeen hebben verbindingsparen met een ruw productoppervlak en duidelijke bewerkingssporen hogere waarden voor de koppelcoëfficiënt en de wrijvingscoëfficiënt.

Na smering kunnen deze waarden echter aanzienlijk afnemen. Bovendien beïnvloedt smering ook de spreiding van de draadwrijvingscoëfficiënt, de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak en de torsiecoëfficiënt. De spreiding van deze waarden is kleiner bij smering, wat zorgt voor een grotere stabiliteit en betrouwbaarheid van de boutverbinding.