Relaksacja krótkotrwała śrub: Dlaczego Twoje połączenia tracą napięcie wstępne?
Napięcie wstępne śruby to fundament bezpieczeństwa każdej konstrukcji mechanicznej. Jednak proces dokręcania to dopiero początek – niemal natychmiast po odstawieniu klucza, połączenie zaczyna tracić swoją siłę. Zjawisko to nazywamy relaksacją krótkotrwałą. Dowiedz się, skąd się bierze i jak mu przeciwdziałać.
Czym jest relaksacja krótkotrwała?
Relaksacja krótkotrwała to utrata napięcia w pojedynczych śrubach, występująca niemal natychmiast po ich dokręceniu. Główną przyczyną tego zjawiska jest fakt, że elementy połączenia zostają obciążone powyżej ich lokalnej granicy plastyczności. Materiał zaczyna „płynąć”, aby uciec spod nadmiernego nacisku. Może to dotyczyć miękkiej śruby, uszczelki, a najczęściej – samych wierzchołków gwintów, co objawia się spadkiem siły naciągu.
Osiadanie (Embedment) – wróg numer jeden
Najczęstszą przyczyną relaksacji jest tzw. osiadanie (ang. embedment). Powierzchnie gwintów, podkładek czy elementów łączonych nigdy nie są idealnie płaskie. Pod mikroskopem przypominają krajobraz pełen wzgórz i dolin. Gdy złącze zostaje obciążone po raz pierwszy, kontakt następuje tylko w najwyższych punktach tych nierówności.
Na Rys. 1 przedstawiono jak wysokie punkty na gwincie i innych powierzchniach styku ulegają odkształceniom plastycznym pod wpływem początkowych sił styku. W rezultacie powierzchnie „osiadają” w sobie, aż do uzyskania wystarczającej powierzchni styku, która stabilizuje złącze. Co ciekawe, osiadanie jest znacznie większe w przypadku nowych części niż tych używanych wielokrotnie.
Przyczyny utraty napięcia
Poza naturalną chropowatością, na skalę relaksacji wpływają błędy geometryczne i projektowe:
1. Problemy z gwintem
Jeśli śruba ma zbyt mała średnicę podziałową lub nakrętka zbyt dużą (niewłaściwe pasowanie Rys. 2), powierzchnia styku gwintów jest mniejsza niż planowana. Prowadzi to do gwałtownych odkształceń plastycznych.
Kolejnym czynnikiem jest zbyt krótka długość czynna gwintu. Przyjmuje się, że dla stalowych elementów złącznych powinna ona wynosić co najmniej 0,8 średnicy nominalnej. Jeśli jest mniejsza, powierzchnia styku nie jest w stanie przenieść obciążeń bez nadmiernej relaksacji.
2. Błędy geometrii i miękkie materiały
Relaksację potęgują również:
- Miękkie części: Niewłaściwa obróbka cieplna sprawia, że materiał pełza nawet przy normalnych obciążeniach.
- Zginanie i brak prostopadłości: Jeśli łeb śruby lub nakrętka nie przylegają idealnie prostopadle do powierzchni otworu, obciążona zostaje tylko krawędź styku. Materiał w tym miejscu będzie „płynął”, aż do wyrównania powierzchni.
- Zbyt duże lub zbyt małe otwory: Mały promień pod łbem śruby stykający się z krawędzią zbyt małego otworu może doprowadzić do całkowitej utraty napięcia wstępnego, gdy krawędź ta ulegnie zgnieceniu (Rys. 3.). Z kolei zbyt duże otwory (Rys. 4.) ograniczają powierzchnię podparcia, zwiększając naciski jednostkowe.
3. Połączenia stożkowe
W połączeniach o kształcie stożkowym, relaksacja prostopadła do powierzchni przekłada się na znacznie większą utratę napięcia w kierunku osiowym (Rys. 5.). Zależność tę opisuje wzór:
gdzie: r to wypadkowa relaksacja równoległa do osi elementu złącznego, e to osiadanie prostopadłe do powierzchni stożkowego elementu złącza, sin0 to połowa kąta rozwarcia stożka.
W praktyce oznacza to, że połączenia stożkowe relaksują się znacznie silniej niż płaskie.
4. Liczba elementów złącza
Zwiększenie liczby powierzchni w złączu może nasilić zjawisko relaksacji, ponieważ pojawia się więcej nierówności (mikrowystępów), które ulegają osiadaniu i wzajemnemu dopasowaniu. Przykładowo, dodanie uszczelek, podkładek zwiększa zjawisko relaksacji. Typowym przykładem jest uszczelka pod głowicę silnika spalinowego (uszczelka wielowarstwowa) gdzie relaksacja wynosi nawet ponad 50%.
5. Dokręcanie wielowrzecionowe
Dokręcanie grupy elementów złącznych pojedynczo zamiast wielowrzecionowo skutkuje większą relaksacją w danej, pojedynczej śrubie niż dokręcanie wszystkich śrub naraz. Pierwsza śruba dokręcana przed pozostałymi jest poddawana wyższym naprężeniem. Po dokręceniu kolejnych śrub, dokręcane poprzednio relaksują.
Jak zminimalizować relaksację? Sprawdzone metody
Istnieje kilka konstrukcyjnych i montażowych sposobów na ograniczenie strat napięcia wstępnego:
1. Zwiększenie długości śruby
Długie, „cienkie” śruby tracą mniejszy procent napięcia niż krótkie i „grube”. Wynika to z faktu, że ta sama wartość osiadania stanowi mniejszy procent całkowitego wydłużenia długiej śruby. Często stosuje się w tym celu tuleje dystansowe (Rys. 6.).
2. Podkładki sprężyste (Belleville)
Działają jak magazyn energii, kompensując niewielkie zmiany długości bez drastycznego spadku siły zacisku (Rys. 6).
3. Czas i prędkość dokręcania
Elementy złączne, które są dokręcane bardzo szybko, nie mają czasu na wzajemne osiadanie (dopasowanie się) podczas procesu dokręcania, przez co po zakończeniu operacji wykazują większą relaksację. Metody takie jak dokręcanie pulsacyjne lub wieloetapowe pozwalają złączu na relaksację jeszcze w trakcie procesu montażu. Zaleca się także stosowanie metod dokręcania z pauzami (dokręcanie z zatrzymaniem).
Czego możemy się spodziewać w praktyce?
Większość relaksacji następuje w ciągu pierwszych kilku sekund lub minut po dokręceniu. Na wykresie (Rys. 7) widać gwałtowny spadek napięcia, który z czasem przechodzi w powolny proces długoterminowy.
Dane eksperymentalne pokazują, że:
- Śruby konstrukcyjne mogą stracić od 2% do 11% napięcia natychmiast po dokręceniu.
- Złącza z uszczelkami mogą wykazać spadek napięcia rzędu 80–100% podczas wstępnych przejść dokręcania (pierwsze 1-2 kroki dokręcania wieloetapowego).
Podsumowanie
Zrozumienie krótkotrwałej relaksacji jest kluczowe dla każdego inżyniera i technika montażu. Osiadanie powierzchni, geometria otworu, a nawet prędkość dokręcania mają bezpośredni wpływ na to, czy nasze połączenie pozostanie bezpieczne. Warto pamiętać, że proces ten jest nieunikniony, ale dzięki zastosowaniu odpowiednich technik możemy skutecznie minimalizować jego negatywne skutki.
Kluczem do sukcesu jest:
- Stosowanie śrub o odpowiednim stosunku długości do średnicy.
- Zapewnienie wysokiej jakości powierzchni styku i prostopadłości otworów.
- Używanie podkładek stożkowych i sprężystych w krytycznych aplikacjach.
- Stosowanie montażu wieloetapowego, dającego czas na osiadanie materiału.
Zrozumienie, że moment dokręcania to nie to samo co ostateczna siła zacisku, to pierwszy krok do budowy niezawodnych maszyn i konstrukcji.
Literatura: John H. Bickford, Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints: Non-Gasketed Joints, Fourth Edition.
Autor: dr inż. Rafał Popiel
Jeżeli artykuł Ci się podobał, to podziel się nim proszę w mediach społecznościowych:
Zaufali nam:
.
Co mówią nasi zadowoleni Klienci:
.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu:
.