Τι καθορίζει την κατανομή της ροπής του μπουλονιού και τον συντελεστή τριβής;

Ως βασικός δείκτης για τον έλεγχο της δύναμης σύσφιξης του μπουλονιού, η πραγματικότητα είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος της ροπής σύσφιξης χάνεται μέσω της τριβής, ενώ μόνο ένα μικρό μέρος μετατρέπεται στην πραγματικότητα σε δύναμη σύσφιξης. Λοιπόν, ποιοι παράγοντες καθορίζουν τελικά την κατανομή της ροπής του μπουλονιού και το μέγεθος του συντελεστή τριβής; Σήμερα, ο συντάκτης από το Jiangsu Jinrui θα μοιραστεί μια εμπειρική μελέτη βασισμένη σε μικροτοπογραφική ανάλυση, η οποία αποκαλύπτει τους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την κατανομή της ροπής του μπουλονιού και τον συντελεστή τριβής, παρέχοντας μια ισχυρή βάση για την επίτευξη υψηλής-αξιοπιστίας στερέωσης.

1. Συντελεστής τριβής και κατανομή ροπής

Όταν σφίγγετε ένα μπουλόνι, η ροπή εισόδου δεν χρησιμοποιείται εξ ολοκλήρου για να τεντώσει το μπουλόνι και να δημιουργήσει δύναμη σύσφιξης. Στην πραγματικότητα, η ροπή κατανέμεται σε τρεις διαδρομές κατανάλωσης:

Τριβή σπειρώματος: Συμβαίνει τριβή στην περιοχή επαφής του σπειρώματος μεταξύ του μπουλονιού και του παξιμαδιού, καταναλώνοντας μεγάλη ποσότητα ροπής.

Τριβή στην επιφάνεια του ρουλεμάν: Υπάρχει επίσης τριβή μεταξύ της κεφαλής του μπουλονιού και της ροδέλας ή της επιφάνειας του συνδεδεμένου εξαρτήματος και η ροπή που καταναλώνεται σε αυτό το τμήμα αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο ποσοστό.

Εφέ γωνίας καλωδίου σπειρώματος (δηλαδή, αποτελεσματικό εξάρτημα προφόρτισης): Μόνο αυτό το τμήμα της ροπής χρησιμοποιείται πραγματικά για να τεντώσει το μπουλόνι και να σχηματίσει έτσι δύναμη σύσφιξης.

Μελέτες έχουν δείξει ότι περίπου το 85% έως 90% της ροπής χρησιμοποιείται για να ξεπεραστεί η τριβή και μόνο περίπου το 10% μετατρέπεται σε δύναμη εφελκυσμού του μπουλονιού.

Αυτό σημαίνει ότι μόλις αλλάξει ο συντελεστής τριβής, η απόδοση μετατροπής της ροπής θα αλλάξει ανάλογα, με αποτέλεσμα πιθανή διαφορά μεγαλύτερη από διπλάσια στη δύναμη σύσφιξης που δημιουργείται υπό την ίδια ροπή. Επομένως, είναι αναξιόπιστο να κλειδώσετε τη δύναμη σύσφιξης μόνο με ροπή.

2. Σχεδιασμός Σχεδίου

Για να διερευνήσει σε βάθος τους βασικούς παράγοντες που καθορίζουν την κατανομή της ροπής του μπουλονιού και τον συντελεστή τριβής, το Tribology Laboratory της École Centrale de Lyon στη Γαλλία σχεδίασε ένα συστηματικό πειραματικό σχήμα. Ο βασικός στόχος αυτού του σχήματος είναι να συνδυάσει τις μηχανικές δοκιμές με την ανάλυση επιφανειακής μικροτοπογραφίας για να δημιουργήσει μια αιτιώδη σχέση μεταξύ της συμπεριφοράς τριβής και της μικροδομής.

Το πείραμα διεξήχθη σύμφωνα με το πρότυπο ISO 16047 για τη δοκιμή ροπής-δύναμης σύσφιξης. Τα μπουλόνια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν προδιαγραφών M10×60, κατασκευασμένα από χάλυβα 30MnB4, τα οποία είχαν ψυχρή-κεφαλή, έλαση με σπείρωμα-και στη συνέχεια ηλεκτρογαλβανίστηκαν. Οι συγκεκριμένες τιμές της συνολικής ροπής καταγράφηκαν λεπτομερώς, ενώ η ροπή σπειρώματος και η ροπή της επιφάνειας έδρασης διαχωρίστηκαν για να υπολογιστεί με ακρίβεια ο συντελεστής τριβής και να αναλυθεί ο νόμος κατανομής της ροπής. Χρησιμοποιήθηκε{11}}τρισδιάστατη τεχνολογία σάρωσης τοπογραφίας για την εξαγωγή παραμέτρων που σχετίζονται με την τραχύτητα-και οι αλλαγές παραμέτρων πριν και μετά τη σύσφιξη συγκρίθηκαν για να διερευνηθεί η εγγενής συσχέτιση μεταξύ της συμπεριφοράς τριβής και της μικροτοπογραφίας. Αυτός ο σχεδιασμός όχι μόνο λαμβάνει υπόψη τις μηχανικές επιδόσεις, αλλά εμβαθύνει και στο μικροεπίπεδο, αποκαλύπτοντας τους θεμελιώδεις λόγους για τις αλλαγές στην κατανομή της ροπής του μπουλονιού και στον συντελεστή τριβής.

3. Μέθοδος επαλήθευσης δοκιμής

Με βάση το παραπάνω σχήμα, κατασκευάστηκε μια συσκευή δοκιμής σύμφωνα με το πρότυπο ISO 16047, η οποία μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τη ροπή και τη δύναμη σύσφιξης. Η διαδικασία δοκιμής περιλαμβάνει τους ακόλουθους συνδέσμους:

Στερέωση και φόρτωση μπουλονιών: Τοποθετήστε το μπουλόνι σε τυποποιημένο πάγκο δοκιμών, εφαρμόστε μια καθορισμένη ροπή και καταγράψτε-τις τιμές της συνολικής ροπής, της ροπής σπειρώματος, της ροπής της επιφάνειας του ρουλεμάν και της δύναμης σύσφιξης.

Μέτρηση διαχωρισμού τριβής: Διαχωρίστε την τριβή του νήματος από την τριβή της επιφάνειας του ρουλεμάν μέσω της ειδικής δομής της συσκευής και των αισθητήρων για να διασφαλίσετε την ακρίβεια του υπολογισμού του συντελεστή τριβής.

Διάταξη σάρωσης τοπογραφίας: Πριν και μετά από κάθε εργασία σύσφιξης, εκτελέστε-τρισδιάστατη σάρωση στην επιφάνεια έδρασης της κεφαλής του μπουλονιού και στην επιφάνεια του πλυντηρίου για να συλλάβετε τις πληροφορίες χαρακτηριστικών σε επίπεδο micron-.

Εξαγωγή και ανάλυση παραμέτρων: Εξάγετε παραμέτρους που σχετίζονται με την τραχύτητα-και συνδυάστε τις με δεδομένα τριβής για να αναλύσετε την αντίστοιχη σχέση μεταξύ των αλλαγών της τοπογραφίας της επιφάνειας και της συμπεριφοράς τριβής.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη δομή του πάγκου δοκιμής και τις συγκεκριμένες θέσεις των σημείων μέτρησης.

4. Ανάλυση Τοπογραφικών Αποτελεσμάτων

Τα δεδομένα των δοκιμών αποκάλυψαν αρκετά βασικά φαινόμενα που βοηθούν στη βαθιά κατανόηση των θεμελιωδών παραγόντων που καθορίζουν την κατανομή της ροπής και τον συντελεστή τριβής:

4.1 Δυναμικές μεταβολές του συντελεστή τριβής

Κατά τη διαδικασία σύσφιξης, ο συντελεστής τριβής δεν είναι σταθερός αλλά αλλάζει συνεχώς με την κατάσταση επαφής. Γενικά, ο συντελεστής τριβής της επιφάνειας έδρασης είναι περίπου 44% υψηλότερος από τον συντελεστή τριβής του νήματος, υποδεικνύοντας ότι το μεγαλύτερο μέρος της ροπής καταναλώνεται στην επιφάνεια έδρασης και όχι στην επιφάνεια του σπειρώματος.

4.2 Σημαντική διασπορά ροπής

Ακόμη και όταν έχει τεθεί ο ίδιος στόχος δύναμης σύσφιξης, η διαφορά στην απαιτούμενη ροπή μπορεί να είναι σχεδόν διπλάσια. Για παράδειγμα, ορισμένα μπουλόνια απαιτούν ροπή 96,7 Nm, ενώ άλλα χρειάζονται μόνο 54,5 Nm. Αυτή η διασπορά των τιμών της ροπής προκαλείται άμεσα από την αστάθεια του συντελεστή τριβής.

4.3 Σημαντική εξέλιξη της Τοπογραφίας Επιφανειών

Τα αποτελέσματα της τρισδιάστατης σάρωσης-δείχνουν ότι οι παράμετροι τραχύτητας της επιφάνειας έδρασης έχουν υποστεί σημαντικές αλλαγές:

Το Sq (μέση τετραγωνική τραχύτητα ρίζας) μειώθηκε από περίπου 5,3 μm σε 1,04 μm και η επιφάνεια έγινε πιο λεία.

Το Ssk (λοξή) έγινε αρνητικό, υποδεικνύοντας μια αλλαγή στην κατανομή των επιφανειακών κορυφών και κοιλάδων, με περισσότερο υλικό συγκεντρωμένο στα χαμηλά σημεία (κοιλάδες) της επιφάνειας και τα χαρακτηριστικά των κοιλωμάτων έγιναν πιο εμφανή.

Η τιμή του Sku (kurtosis) αυξήθηκε, που σημαίνει ότι η φέρουσα ικανότητα της επιφάνειας ενισχύθηκε.

Αυτές οι αλλαγές δείχνουν ότι κατά τη διαδικασία σύσφιξης, η επιφάνεια υφίσταται πλαστική παραμόρφωση, η πραγματική επιφάνεια επαφής αυξάνεται και η συμπεριφορά τριβής αλλάζει ανάλογα. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την τρισδιάστατη-τοπογραφία της επιφάνειας έδρασης της κεφαλής του μπουλονιού πριν και μετά το σφίξιμο: πριν από το σφίξιμο, η επιφάνεια παρουσιάζει μια εμφανή τραχιά δομή κορυφής-κοιλάδας. μετά το σφίξιμο, οι τραχιές κορυφές κόβονται, η επιφάνεια τείνει να είναι επίπεδη και η κατευθυντικότητα είναι πιο εμφανής. Αυτό δείχνει ότι η τριβή όχι μόνο καταναλώνει ενέργεια αλλά επίσης αναδιαμορφώνει τη δομή της επιφάνειας σε μικροεπίπεδο.

Το παρακάτω σχήμα επισημαίνει ξεκάθαρα τα σημάδια τριβής και τις περιοχές πλαστικής παραμόρφωσης στην επιφάνεια του ρουλεμάν μέσω μικροσκοπικής παρατήρησης: υπάρχουν σημαντικές γρατσουνιές σε ορισμένες περιοχές και η κατεύθυνση επέκτασης των γρατσουνιών είναι σύμφωνη με την κατεύθυνση περιστροφής του μπουλονιού, υποδεικνύοντας ότι η τριβή έχει προκαλέσει ροή υλικού και ζημιά στην επιφάνεια.

Το παρακάτω σχήμα παρουσιάζει τα ανομοιόμορφα χαρακτηριστικά της επαφής με την επιφάνεια του ρουλεμάν: η πραγματική επιφάνεια επαφής είναι πολύ μικρότερη από την ονομαστική περιοχή και το φορτίο συγκεντρώνεται σε μερικές μικροπεριοχές, οδηγώντας σε τοπικές καταστάσεις υψηλής- καταπόνησης και πλαστική παραμόρφωση. Αυτή η ανομοιόμορφη επαφή είναι ο βασικός παράγοντας που προκαλεί διακυμάνσεις στον συντελεστή τριβής.