Technologia / Poradnik techniczny
Cykliczne obciążenie śrub i zmęczenie kołnierzy
Śruba wstępnie napięta nie musi przejmować całej zmiany zewnętrznej siły rozdzielającej. W połączeniu, którego powierzchnie pozostają w styku, przyrost ten rozdziela się między wydłużenie śruby a spadek siły docisku.
Zmienna składowa siły w śrubie nie jest jej siłą napięcia wstępnego.
Prosty model sprężysty wyraźnie pokazuje to rozróżnienie. Pokazuje również, dlaczego zmiana średniej siły różni się od zmiany amplitudy naprężenia cyklicznego.
01 / Kontakt bez rozwarcia
Zacznij od określenia granicy układu mechanicznego.
Rozważ hipotetyczne współosiowe połączenie obciążone osiowo, z jedną zastępczą sprężyną śruby o sztywności kb i jedną sprężyną elementów ściskanych o sztywności kc.
Rozważ hipotetyczne współosiowe połączenie obciążone osiowo, z jedną zastępczą sprężyną śruby o sztywności kb i jedną sprężyną elementów ściskanych o sztywności kc. Początkowa siła napięcia śruby F0 jest równoważona przez siłę ściskającą w połączeniu. Zewnętrzne obciążenie rozdzielające P jest przyłożone między końcami elementów.
Poniższa zależność zakłada liniowo sprężyste sztywności i utrzymujący się kontakt pod dociskiem. Nie uwzględnia lokalnego zginania kołnierza, efektów wprowadzania obciążenia ani zmian powierzchni kontaktu. statyczny model sztywności połączenia określa ten przyrost; pytanie brzmi, co się dzieje, gdy P zmienia się cyklicznie.
02 / Podział obciążenia
Tylko część przyrostu obciążenia zwiększa siłę rozciągającą śrubę.
Let C = kb/(kb +kc).
Niech C = kb/(kb +kc). Siła w śrubie wynosi Fb = F0 +CP, natomiast pozostała siła docisku wynosi Fc = F0 −(1 −C)P. Zewnętrzna siła rozdzielająca zwiększa siłę rozciągającą w śrubie i jednocześnie zmniejsza siłę ściskającą; nie jest po prostu w całości dodawana do siły w śrubie.
Obie wielkości spełniają zależność Fb −Fc = P. To sprawdzenie równowagi jest przydatne, ponieważ błąd znaku może dać dwa pozornie rozsądne wyrażenia, które nie spełniają warunku równowagi. C jest bezwymiarowym udziałem sztywności dla podanych warunków brzegowych, a nie wytrzymałością zmęczeniową materiału ani uniwersalnym współczynnikiem kołnierza.
03 / Przykład cyklu
Rozróżnij zakres, amplitudę i średnią.
Przyjmij hipotetyczne wartości C = 0.2, F0 = 600 N oraz cykl obciążenia rozdzielającego od 40 do 140 N.
Przyjmij hipotetycznie C = 0.2, F0 = 600 N oraz cykl obciążenia rozdzielającego od 40 do 140 N. Siła w śrubie zmienia się od 608 do 628 N. Jej zakres wynosi 20 N, amplituda 10 N, a wartość średnia 618 N. Zakres siły zewnętrznej wynosi 100 N.
Przy maksymalnym P pozostała siła docisku w modelu wynosi 600 −0.8×140 = 488 N, więc w tym przykładzie założenie o zachowaniu zamkniętego styku pozostaje spełnione. Żadne z tych obciążeń nie jest napięciem wstępnym produktu, wartością dokręcania, granicą obciążenia ani docelową wartością regulacji w terenie.
04 / Lokalizacja naprężeń
Amplituda nominalna nie jest naprężeniem u dna gwintu.
Dla określonego referencyjnego pola przekroju przy rozciąganiu At nominalna amplituda naprężenia osiowego wynosi σa = Fba/At.
Dla określonego pola przekroju odniesienia przy rozciąganiu At nominalna amplituda naprężenia osiowego wynosi σa = Fba/At. W hipotetycznym cyklu przyjęcie przykładowego pola 10 mm² daje 1 MPa. Odpowiadające mu nominalne naprężenie średnie wynosi 61.8 MPa i jest obliczone przy użyciu tego samego pola przekroju.
Lokalne naprężenie u dna gwintu może się różnić ze względu na geometrię i lokalne przenoszenie obciążenia. Opisów naprężeń nominalnych i lokalnych nie wolno mieszać z danymi zmęczeniowymi odnoszącymi się do innego miejsca. A Koncentracja naprężenia opisuje lokalny efekt geometryczny; samo w sobie nie dostarcza krzywej zmęczeniowej.
05 / Wpływ napięcia wstępnego
Wyższa wartość średnia nie oznacza automatycznie mniejszej amplitudy.
W tym samym modelu liniowym, przy zachowaniu zamknięcia złącza i stałej C, zmiana F0 przesuwa średnią wartość siły w śrubie, ale nie zmienia amplitudy tej siły, która pozostaje równa C razy amplituda obciążenia zewnętrznego.
W ramach tego samego liniowego modelu połączenia pozostającego w stanie zamkniętym i przy stałym C zmiana F0 przesuwa średnią siłę w śrubie, ale nie zmienia amplitudy tej siły, która pozostaje równa C razy amplituda obciążenia zewnętrznego. Ten wynik matematyczny oddziela napięcie wstępne od przyrostu zmiennego.
Zmiany wpływające na utrzymanie styku lub sztywność mogą zmienić ten wniosek. Wymagają one innego modelu fizycznego, zamiast stosowania tego samego wzoru poza warunkami jego obowiązywania. Stwierdzenie to wyjaśnia zatem wyidealizowane porównanie i nie stanowi zalecenia zwiększania ani zmniejszania rzeczywistej siły napięcia wstępnego śruby.
06 / Granice oceny zmęczeniowej
Kontakt oraz zachowanie materiałów rodzą dodatkowe pytania.
Jeśli docisk zostanie utracony, prawo przyrostów obowiązujące przy zamkniętym styku nie opisuje już połączenia w całym cyklu.
Jeśli zaniknie docisk, prawo przyrostowe dla zamkniętego styku nie opisuje już połączenia przez cały cykl. Zginanie, efekt podważania i nierównomierne obciążenie grupy śrub mogą również zmienić to, która śruba przenosi zmienną siłę. Dodatnia średnia siła zacisku nie dowodzi, że lokalny styk występuje wszędzie.
Nawet prawidłowo obliczony cykl naprężeń wymaga odpowiedniego opisu zmęczenia, z uwzględnieniem wszelkich uzasadnionych uwzględnienie naprężenia średniego. Ten przykład nie dostarcza informacji o rzeczywistej geometrii kołnierza, materiale śrub, lokalnych naprężeniach ani historii obciążeń. Żadnemu połączeniu MARSTON nie przypisuje się trwałości ani wytrzymałości zmęczeniowej.
Powiązane poradniki techniczne: Korekcja naprężenia średniego przy zmęczeniu turbin wiatrowych · Mechanika odrywania i ścinania połączeń klejowych · Kryteria zniszczenia łopat kompozytowych — wyjaśnienie.
Informacje ogólne: NASA Reference Publication 1228 — Podręcznik projektowania połączeń złącznych, omówienie obciążeń cyklicznych. Źródła wyjaśniają koncepcje branżowe; są odrębne od właściwych dokumentów produktów i projektów MARSTON.
Kluczowe pojęcia i warunki.
Odczytuj każdą wielkość wraz z odniesieniem, jednostkami i podanymi warunkami. Ogólna zależność nie ustala wartości właściwej modelowi.
| Pojęcie / wielkość | Znaczenie / zależność | Warunki / ograniczenia |
|---|---|---|
| Udział sztywności | C = kb/(kb +kc) | Określona granica modelu przy zamkniętym złączu i pracy sprężystej |
| Przyrost siły w śrubie | CP | Tylko część obciążenia rozdzielającego |
| Redukcja docisku | (1 −C)P | Styk musi pozostawać pod obciążeniem ściskającym |
| Amplituda siły | (Fb,max −Fb,min)/2 | Nie początkowa siła napięcia śruby |
| Amplituda naprężenia nominalnego | Fba/At | Pole przekroju musi odpowiadać miejscu wyznaczania naprężenia |
Pytania techniczne.
Czy śruba jest narażona na pełny zakres zmian siły zewnętrznej?
Nie w podanym modelu sprężystym połączenia pozostającego w stanie zamkniętym. Przyrost siły w śrubie wynosi CP.
Czy amplituda naprężenia jest tym samym co naprężenie od napięcia wstępnego?
Nie. Amplituda jest połową zakresu cyklu; napięcie wstępne wpływa na poziom siły i jej wartość średnią.
Czy większe napięcie wstępne zawsze zmniejsza naprężenia zmienne?
Nie. Przy stałym udziale sztywności i zachowanym styku zmienia wartość średnią bez zmiany amplitudy.
Czy zależność dla zamkniętego złącza można stosować po rozwarciu złącza?
Nie. Granica fizyczna uległa zmianie i wymaga nowej definicji.
Czy nominalne naprężenie rozciągające jest równe naprężeniu u dna gwintu?
Niekoniecznie. Lokalna geometria i przenoszenie obciążeń mogą powodować inny rozkład naprężeń.
Czy przykład liczbowy określa specyfikację dokręcania?
Nie. Wszystkie siły i pola powierzchni w tym przykładzie są hipotetyczne i służą wyłącznie zilustrowaniu wielkości związanych z cyklem.
Zapytanie techniczne
Omów zagadnienie techniczne.
Śruba napięta wstępnie nie musi przenosić pełnej zmiany zewnętrznej siły rozdzielającej. Przekaż model i właściwe informacje eksploatacyjne lub projektowe do omówienia kwestii inżynierskich.