Relaksacja naprężeń łączników gwintowych
Relaksacja naprężeń w procesie łączenia elementów za pomocą łączników gwintowych jest zjawiskiem niepożądanym. Efektem występowania tego zjawiska jest samoistne odkręcanie się nakrętek i śrub, co prowadzi do uszkodzenia lub nawet zniszczenia produktu.
Relaksacja – główne przyczyny w połączeniach gwintowych:
- Przekroczenie granicy plastyczności łącznika gwintowego (najczęściej śruby) podczas dokręcania, wskutek nieprawidłowego obliczenia momentu dokręcenia [Nm].
- „Osiadanie” elementów połączenia gwintowego wskutek nieregularnych powierzchni elementów przylegających do siebie (np. w wyniku wyższej chropowatości).
- Użycie uszczelek z materiałów o nieregularnej jednorodności w połączeniach, gdzie zastosowana została śruba drążona (śruba, przez którą płyną różne ciecze tj. woda, olej, płyn hamulcowy itp.).
- Drgania i podwyższona temperatura pracy połączenia gwintowego.
- Zastosowania materiałów z metali lekkich lub kompozytów w przypadku połączeń nieprzelotowych (brak nakrętki).
- Niska wartość współczynnika tarcia i występowanie w związku z tym zjawisk makro i mikro poślizgu elementów na powierzchniach ich styku.
- Nieprawidłowo dobranej strategii dokręcania, w szczególności poprzez użycie niewłaściwych narzędzi dokręcających.
- Niedostatecznej liczby kroków dokręcania w przypadku użycia zaawansowanych wkrętarek elektrycznych.
Ilościowe szacowanie relaksacji w połączeniach gwintowych opiera się na obliczeniach z wykorzystaniem wartości siły zaciskowej [N] (ang. clamp load).
Niestety w procesie produkcyjnym w zakładach montujących elementy, bezpośrednie zmierzenie siły zaciskowej [N] jest kosztowne a czasami wręcz niemożliwe, szczególnie wtedy, gdy element montowany składa się nawet z kilkuset łączników gwintowych.
W takim przypadku relaksację oszacować można na podstawie pomiaru momentu kontrolnego na dokręconej śrubie i porównania tych wartości z wartością momentu dokręcenia aplikowanego na narzędziu dokręcającym.
Należy do tej analizy podejść statystycznie z wykorzystaniem np. testu t-Studenta dla wartości oczekiwanej.
.
Relaksacja – przebieg testu:
.
Dla populacji generalnej o rozkładzie normalnym N(m, σ), określić należy hipotezy:
H0: m=m0
H1: m≠m0
Dla danych z próby losowej pomiarów momentów kontrolnych policzyć należy wartość statystyki t-Studenta wg wzoru:
Gdzie:
- Xśr – średnia arytmetyczna z próby pomiarów momentów kontrolnych.
- m0 – wartość oczekiwana, w tym przypadku to wartość momentu dokręcenia aplikowana na narzędziu dokręcającym.
- s – odchylenie standardowe z próby pomiarów momentów kontrolnych.
- n – liczność próby.
Jeżeli hipoteza H0 jest prawdziwa, to statystyka na podstawie powyższego wzoru ma rozkład t-Studenta o liczbie stopni swobody równej n-1.
Korzystając z tego rozkładu dla wartości statystyki t oblicza się wartość prawdopodobieństwa testowego p-value.
Jeżeli:
p-value ≤ α – odrzuca się hipotezę zerową H0 i przyjmuje hipotezę alternatywną H1. W praktyce oznacza to, że średnia z pomiarów momentów kontrolnych różni się istotnie od wartości oczekiwanej, czyli wartości momentu dokręcenia.
p-value > α – stwierdza się brak podstaw do odrzucenia H0.
.
Przykład wykorzystania testu t-Studenta w praktyce:
.
W niniejszym przykładzie analizie podano dokręcanie śruby drążonej będąca nośnikiem cieczy chłodzącej. Śruba dokręcana była z wykorzystaniem ręcznego narzędzia dynamometrycznego typu 2 klasy B.
Do pomiarów momentu kontrolnego wykorzystano ręczne narzędzie dynamometryczne typu 1 klasy C.
Oznaczenie narzędzi wg normy PN-EN ISO 6789-1:2017.
Na Rys.1 przedstawiono wyniki pomiarów i obliczeń, natomiast na Rys.2 graficzną prezentację analizy z wykorzystaniem wykresu wartości indywidualnej.
.
Na podstawie wartości p-value odrzucono H0 i stwierdzono istotną statystycznie różnicę pomiędzy średnią arytmetyczną z wartości pomiarów momentów kontrolnych a wartością momentu dokręcenia.
Spadek wartości średniej z pomiarów momentów kontrolnych o prawie 19% w stosunku do momentu dokręcenia jest sytuacją niebezpieczną z punktu widzenia luzowania się łącznika gwintowego.
Z wykresu odczytać można, iż większość pomiarów (14 z 15) znajduje się poniżej dolnej granicy tolerancji, co pozwala wnioskować o ponad 90% wyrobów niezgodnych.
Relaksacja – podsumowanie
- Szacowanie zjawiska relaksacji łączników gwintowych w zakładach montażowych powinno być standardową analizą przy uruchamianiu nowego projektu lub po istotnych zmianach jakości elementów istniejącego złącza gwintowego.
- Z powodu trudności, dłuższego czasu analizy i wyższego kosztu stosowania mierników tensometrycznych i obliczeń wielkości siły zaciskowej [N], warto to zjawisko szacować, wykorzystując pomiary momentu kontrolnego [Nm] i porównania ich do wartości momentu dokręcenia [Nm].
- W celu kontroli zjawiska relaksacji złącza gwintowego należy również stosować techniki statystycznego sterowania procesem (SPC) np. z wykorzystaniem karty kontrolnej wartości średniej i rozstępu (Xbar-R).
.
Autor: dr inż. Rafał Popiel
Jeżeli artykuł Ci się podobał, to podziel się nim proszę w mediach społecznościowych:
Powiązane szkolenia:
.
Zaufali nam:
.
Co mówią nasi zadowoleni Klienci:
.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu:
.
.