Compreender os efeitos do coeficiente de atrito na estabilidade das ligações aparafusadas

Resumo:

As ligações aparafusadas são um método de fixação crítico que une de forma segura dois ou mais componentes através da aplicação de força de aperto. Esta força é gerada pela tensão no parafuso e pela compressão resultante entre as superfícies de contacto.

Os coeficientes de atrito da superfície de apoio e da rosca desempenham um papel fundamental na determinação da magnitude e consistência da força de aperto. Estes coeficientes são influenciados por factores como o acabamento da superfície, as propriedades do material e as condições de lubrificação.

Este artigo centra-se no processo de montagem de parafusos de alta resistência utilizados no anel giratório de gruas de grande dimensão. A coroa giratória, um componente crucial nas operações da grua, requer ligações de parafusos precisas e fiáveis para garantir capacidades de suporte de carga e de rotação seguras e eficientes.

O estudo começa com uma análise abrangente das relações teóricas entre os parâmetros-chave: binário de instalação, coeficientes de fricção, coeficiente de binário e a força de aperto resultante. Esta base teórica é essencial para compreender a complexa interação dos factores que afectam o desempenho dos parafusos.

Subsequentemente, a investigação apresenta um teste comparativo que examina o processo de aperto sob duas condições de lubrificação distintas: roscas totalmente lubrificadas apenas, e roscas totalmente lubrificadas e superfícies de rolamento. Esta abordagem experimental demonstra o impacto significativo da lubrificação na fiabilidade da instalação do fixador e a variabilidade dos coeficientes de binário e de fricção.

Os resultados revelam que, em condições de lubrificação total, tanto os coeficientes de fricção como os de binário apresentam uma dispersão reduzida. Esta menor variabilidade traduz-se numa maior estabilidade e fiabilidade das ligações aparafusadas, o que é crucial para manter a integridade estrutural e a segurança operacional das grandes gruas.

Prefácio

As ligações por parafusos são um modo de ligação mecânica comummente utilizado nas máquinas de elevação. A sua fiabilidade é crucial para o desempenho global das máquinas de elevação, especialmente para as ligações aparafusadas de alta resistência de componentes-chave como a coroa de orientação.

Um fiável ligação por parafusos é essencial para o funcionamento normal do produto, e uma falha na ligação pode resultar em acidentes de segurança graves.

O objetivo de uma ligação por parafusos é assegurar que duas ou mais peças ligadas estão bem ajustadas. Para suportar a carga de movimento, deve ser mantida uma força de aperto suficiente entre as peças ligadas para garantir a sua ligação fiável e o seu funcionamento normal.

Uma força de aperto insuficiente pode resultar em deslizamento lateral entre as duas partes, o que coloca o parafuso sob tensão de cisalhamento desnecessária e pode levar à fratura do parafuso.

Por conseguinte, melhorar a fiabilidade e a estabilidade das ligações aparafusadas de alta resistência tornou-se cada vez mais importante. Parâmetros de aperto ou controlo de processo inadequados podem ter um impacto negativo na fiabilidade da ligação roscada e causar falhas.

Na perspetiva de reduzir a dispersão da força de aperto e otimizar o processo de aperto, este artigo determina o binário de instalação e o processo de aperto de parafusos de alta resistência para o anel giratório de equipamento de elevação de grandes dimensões através da análise teórica e da comparação de dados de teste.

1. Análise teórica

1.1 O coeficiente de binário pode ser determinado utilizando a seguinte fórmula, que se baseia na relação entre o binário de aperto e a força de aperto.

Onde:

• K - coeficiente de binário;
• T - Binário de aperto;
• F - Força de aperto;
• D - Diâmetro nominal da rosca

1.2 De acordo com a norma GBT16823.3, o binário dos parafusos deve cumprir

Onde,

• P: Passo do parafuso
• μth: Coeficiente de fricção da rosca
• μb: Coeficiente de atrito da superfície de apoio da porca ou do parafuso
• d2: diâmetro do passo da rosca
• dh: Diâmetro interior da superfície de apoio em contacto
• d0: Diâmetro exterior da superfície de apoio.

Na instalação de parafusos, o binário de aperto T pode ser dividido em três partes:

O binário de atrito da superfície de apoio (Tb) é o binário consumido pelo atrito entre a porca e o plano da anilha.

O binário da rosca (Tth) e a força de aperto (F) são consumidos pelo atrito entre a rosca do parafuso e a rosca da porca (corpo).

Durante a instalação da ligação do fixador, a maior parte do binário de instalação perde-se devido a estas duas fontes de fricção.

Por conseguinte, o coeficiente de atrito da extremidade (μb) e o coeficiente de atrito da rosca (μth) são os principais factores que afectam a força de aperto (F).

A força de aperto pode variar muito em função dos coeficientes de atrito.

A dispersão do coeficiente de atrito da face final (μb) e do coeficiente de atrito da rosca (μth) determina diretamente a estabilidade da força de aperto (F). Ver Figura 1.

1.3 O coeficiente de atrito da rosca pode ser calculado e determinado aproximadamente através da relação entre o binário da rosca e a força de aperto, utilizando a seguinte fórmula.

1.4 O coeficiente de atrito da superfície de apoio pode ser calculado e determinado aproximadamente com base na relação entre o binário de atrito da superfície de apoio e a força de aperto, utilizando a seguinte fórmula.

O coeficiente de binário, o coeficiente de atrito da rosca e o coeficiente de atrito da superfície da chumaceira podem ser determinados através da medição do binário de aperto, do binário da rosca, do binário de atrito da superfície da chumaceira e da força de aperto.

2. Análise dos ensaios

A influência do coeficiente de binário, do coeficiente de fricção da rosca e do coeficiente de fricção da superfície do rolamento na força de aperto em ligações aparafusadas sob diferentes condições foi analisada e estudada através do teste do processo de aperto de diferentes séries de parafusos de montagem de anéis giratórios. O equipamento de ensaio utilizado é um aparelho de ensaio do coeficiente de atrito vertical fabricado pela Schatz, Alemanha, e o método de ensaio segue as normas GB/T 16823.3.

O binário total, o binário da rosca, o binário de fricção da superfície da chumaceira e a força de aperto são medidos utilizando um sensor de binário/ângulo e um sensor de força de aperto. O coeficiente de binário, o coeficiente de atrito da rosca e o coeficiente de atrito da face final podem ser calculados automaticamente utilizando as fórmulas (1), (3) e (4) no equipamento de teste.

Os parafusos seleccionados para a instalação da coroa de orientação de uma grande grua são testados para simular as condições reais de montagem. As porcas de teste são substituídas por porcas reais, e os seus materiais, equipamento de processamento e processo de montagem são consistentes com os produtos finais.

As especificações dos parafusos são:

• Norma: DIN931
• Tamanho: M48-10.9
• Material: 40CrNiMo
• Acabamento da superfície: Dacromet

A anilha correspondente é:

• Norma: DIN6919
• Diâmetro interior: 49 mm
• Diâmetro exterior: 82 mm

As porcas de teste de substituição são feitas de material nacional 960.

Como lubrificante, é utilizado um agente antiaderente de alta temperatura à base de prata.

Foram efectuados dois grupos de ensaios comparativos para comparar a influência do estado de lubrificação no coeficiente de atrito, no coeficiente de binário e na dispersão da ligação.

Num grupo, a massa lubrificante foi aplicada uniformemente na parte roscada do parafuso, mas não na superfície de apoio da anilha. No outro grupo, a massa lubrificante foi aplicada tanto na parte roscada do parafuso como na superfície superior da superfície de apoio da anilha. Ver Quadro 1 para os dados do ensaio.

Quadro 1

As Figuras 3 e 4 apresentam as curvas do coeficiente de atrito da superfície da chumaceira (μ_b) e do coeficiente de atrito da rosca (μ_th) em duas condições de lubrificação diferentes: apenas lubrificação da rosca e lubrificação total, respetivamente.

Os resultados indicam que o coeficiente de atrito da rosca (μ_th) em condições de lubrificação varia entre 0,07 e 0,09 e mantém-se relativamente estável.

Em comparação, o coeficiente de atrito da superfície da chumaceira (μ_b) em condições de lubrificação é relativamente estável, com valores que variam entre 0,08 e 0,1 para os oito grupos de amostras. Por outro lado, sem lubrificação, o coeficiente de atrito da superfície da chumaceira varia entre 0,1 e 0,14, mostrando uma fraca estabilidade e uma grande dispersão entre os oito grupos de amostras.

A Figura 5 apresenta a curva do coeficiente de binário (K) em duas condições de lubrificação: apenas lubrificação da rosca e lubrificação total.

Os resultados revelam que o coeficiente de binário (K) dos oito grupos de amostras em condições de lubrificação total varia entre 0,11 e 0,12, com valores estáveis e dispersão mínima.

Em contraste, o coeficiente de binário (K) da amostra lubrificada por rosca tem um intervalo mais alargado, de 0,11 a 0,15, com fraca estabilidade e uma maior dispersão.

As figuras 6 e 7 mostram as curvas da força de aperto do binário durante a aperto de parafusos em duas condições de lubrificação: apenas lubrificação da rosca e lubrificação total, respetivamente.

Os resultados indicam que, quando é aplicado o mesmo binário de aperto, a força de aperto com lubrificação total é superior à força de aperto apenas com lubrificação da rosca, e a dispersão das curvas dentro do mesmo grupo de amostras é menor.

Os dados dos dois grupos de testes comparativos mostram que a aplicação de lubrificante na superfície da chumaceira reduz significativamente o coeficiente de atrito e o coeficiente de binário em cerca de 15% e melhora a estabilidade. Isto demonstra que a aplicação de lubrificante na superfície da chumaceira é um método eficaz para reduzir o coeficiente de binário e aumentar a estabilidade.

3. Situação do sector

Nas máquinas de construção, os fixadores são normalmente instalados utilizando o método de binário, que é direto, simples e fácil de operar. O binário de instalação é determinado pelo coeficiente de atrito, sendo crucial um valor numérico exato. No entanto, ignorar a dispersão do coeficiente de atrito, conhecido como desvio padrão, pode ter um impacto significativo na fiabilidade da ligação aparafusada.

Atualmente, a norma nacional GB/T 1231-2000 estabelece as normas para os pares de ligação de parafusos de alta resistência em estruturas de aço. O coeficiente de binário (K) é especificado como 0,11-0,15, com um desvio padrão ≤ 0,01.

Muitos utilizadores concentram-se apenas no coeficiente de binário e acreditam que, uma vez determinado, o binário de instalação pode ser estabelecido imediatamente, conduzindo a uma ligação do fixador. No entanto, o desvio padrão é frequentemente ignorado. Se o desvio padrão for superior a 0,01, a força de pré-aperto dos parafusos individuais irá variar durante a instalação. Se o desvio padrão for demasiado grande ou demasiado pequeno, alguns pares de ligações de parafusos podem ser apertados em excesso ou em falta, o que pode representar um risco para a fiabilidade da instalação.

Por outro lado, se o coeficiente de binário for grande e o desvio padrão for inferior a 0,01, a dispersão do par de ligações é mínima e a força em cada par de fixadores é relativamente uniforme. Um coeficiente de binário aumentado durante a instalação pode levar a um valor de binário mais elevado, mas não causará um aperto excessivo ou folga, levando a uma maior fiabilidade e segurança da instalação.

Em conclusão, numa determinada perspetiva, o desvio-padrão é mais importante do que o coeficiente de binário.

4. Conclusão

O coeficiente de atrito da rosca, o coeficiente de atrito da superfície de apoio e o coeficiente de binário são parâmetros técnicos críticos que devem ser compreendidos e dominados aquando da instalação de pares de ligações de parafusos. Atualmente, estes parâmetros são amplamente reconhecidos e considerados pela maioria dos utilizadores durante a instalação.

Um menor coeficiente de atrito leva a um menor coeficiente de binário. Ao determinar o binário de instalação, um menor coeficiente de binário resulta numa maior força de aperto.

Por outro lado, um coeficiente de binário maior leva a uma força de aperto menor. Se o coeficiente de binário for pequeno até um certo ponto, a força de aperto gerada por um determinado binário pode exceder o limite de resistência do parafuso, fazendo com que o parafuso de alta resistência se estique ou até mesmo se fracture devido à fadiga.

Por outro lado, se o coeficiente de binário for demasiado grande, a força de aperto gerada será demasiado pequena e o par de ligações do fixador não funcionará corretamente, provocando folgas.

O estado de lubrificação tem um impacto significativo no coeficiente de atrito da rosca, no coeficiente de atrito da superfície do rolamento e nos valores do coeficiente de binário. Em geral, os pares de ligações de parafusos com superfícies de produto rugosas e marcas de maquinagem visíveis terão valores de coeficiente de binário e de coeficiente de atrito mais elevados.

No entanto, após a lubrificação, estes valores podem diminuir significativamente. Além disso, a lubrificação também afecta a dispersão do coeficiente de atrito da rosca, o coeficiente de atrito da superfície de apoio e o coeficiente de binário. A dispersão destes valores é menor sob lubrificação, assegurando uma maior estabilidade e fiabilidade da ligação aparafusada.