Szacowanie zjawiska relaksacji naprężeń łączników gwintowych

Szacowanie zjawiska relaksacji 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.

Główne przyczyny relaksacji w połączeniach gwintowych to:

  • 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.

.

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.

.

Rys.1. Wyniki pomiarów i obliczeń (MS Excel).
Rys.2. Wykres wartości indywidualnej z naniesioną wartością średniej arytmetycznej wraz z przedziałem ufności (MiniTab).

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, że większość pomiarów (14 z 15) znajduje się poniżej dolnej granicy tolerancji, co pozwala wnioskować o ponad 90% wyrobów niezgodnych.


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).

.

Powiązane szkolenia:

Inżynier ds. procesu montażu połączeń gwintowych

Połączenia gwintowe – analiza i regulacja procesu dokręcania

Wzorcowanie (kalibracja) ręcznych narzędzi dynamometrycznych zgodnie z normą PN-EN ISO 6789-1,2:2017

.

Zaufali nam

.


    Zapisz się do newsletter'a

    Podając adres e-mail wyrażam zgodę na otrzymywanie informacji zwrotnych.
    Więcej na temat naszej Polityki Prywatności