Napínání otočných šroubů ložiska vs. momentový klíč: Která metoda zajišťuje konzistentní předpětí pro otočné stoly těžebních bagrů?

Proč je pro otočná ložiska důležitá konzistence předpětí šroubů: Problém nerovnoměrného zatížení, který nikdo nevidí, dokud se ložisko nepokazí

Patnáct let navrhuji systémy pohonů otáčení ve společnosti Yining Hydraulic a právě u šroubových spojů otočných ložisek vidím největší rozdíl mezi záměrem specifikace a realizací v praxi.Otočné ložisko na točně 200tunové těžební lopaty je zajištěno 40–60 vysokopevnostními šrouby (obvykle M42–M56, třída 10.9 nebo 12.9) uspořádanými v kruhovém rozteči šroubů o průměru 2–3 metry.Každý šroub musí udržovat specifikované předpětí – obvykle 60–70 % zkušebního zatížení šroubu, což odpovídá 400–600 kN pro šroub M48 třídy 10.9 – aby se zabránilo zvednutí kroužku ložiska z montážní plochy vlivem překlopného momentu, který vzniká při plném zatížení a vysunutí lopaty. Pokud je předpětí nekonzistentní, kroužek ložiska je vystaven nerovnoměrnému kontaktnímu tlaku a kroužek se pod zatížením lokálně deformuje – čímž vzniká stav zvaný „brinelling“, kdy valivá tělesa promáčknou povrch kroužku a zahájí odlupování, které postupuje k úplnému selhání ložiska během 2 000–5 000 provozních hodin.

Problém konzistence předpětí: metody s momentovým klíčem aplikují krouticí moment na hlavu šroubu nebo matici a vztah mezi aplikovaným krouticím momentem a výsledným napětím šroubu závisí na koeficientu tření na dvou rozhraních – kontaktu závitu a kontaktu pod hlavou (nebo pod maticí).Vztah mezi krouticím momentem a napětím: T = K × F × d, kde T je aplikovaný krouticí moment, K je součinitel matice (obvykle 0,15–0,22 pro mazané ocelové závity), F je výsledné napětí šroubu a d je jmenovitý průměr šroubu. Problém je v tom, že K není konstantní hodnota – mění se mezi šrouby v závislosti na povrchové úpravě závitu, stavu mazání, na tom, zda byl šroub dříve utahován (znovu použité závity mají vyšší hodnotu K, protože nerovnosti povrchu byly zploštěny) a na tom, zda jsou v závitech nečistoty.Rozumný odhad pro kolísání K v terénních podmínkách je +/-15-25 %, což se přímo promítá do +/-15-25% kolísání předpětí šroubu při stejném aplikovaném krouticím momentu.Pro šroub vyžadující předpětí 500 kN s K 0,18 při d 48 mm: T = 0,18 × 500 000 × 0,048 = 4 320 Nm. Pokud se K skutečně mění mezi 0,15 a 0,22 po kružnici šroubu, stejný točivý moment 4 320 Nm vytváří předpětí v rozmezí od 410 kN do 600 kN – což je 46% rozdíl mezi nejvolnějšími a nejpevnějšími šrouby. PodleVDI 2230Podle systematických norem pro výpočet šroubových spojů dosahuje utahování řízené momentem rozptylu předpětí +/-25–35 % i za kontrolovaných laboratorních podmínek a polní podmínky tento rozptyl obvykle zvyšují na +/-35–50 %.

Hydraulické napínání šroubů: Jak přímé napínání eliminuje tření

Hydraulické napínání šroubů zcela obchází převod krouticího momentu na napětí tím, že na napínač působí známým hydraulickým tlakem, který přímo táhne za čep šroubu a elasticky jej natahuje.Napínač se skládá z hydraulického válce se závitovým stahovákem, který se našroubuje na prodloužení čepu šroubu (šroub musí mít nad maticí odkrytou délku závitu rovnou alespoň jednomu průměru šroubu, aby napínač uchopil matici), můstku, který se opírá o povrch spoje, a objímky, která umožňuje ruční utažení matice po napnutí šroubu. Postup: napínač se nasadí na šroub, aplikuje se hydraulický tlak na stanovenou hodnotu (vypočítatelnou z efektivní plochy pístu napínače), šroub se elasticky natáhne (prodloužení 0,1–0,3 mm u typických šroubů s otočným ložiskem), matice se prsty utáhne pomocí objímky skrz těleso napínače, hydraulický tlak se uvolní a šroub se pokusí vrátit do své původní délky – matice mu však zabrání a vytvoří ve šroubu stanovené předpětí.

Přesnost předpětí hydraulického napínání: +/-5-10 %, ve srovnání s +/-25-35 % u metod s momentovým klíčem.Přesnost vyplývá ze skutečnosti, že napětí šroubu je řízeno hydraulickým tlakem, který je měřen a regulován s přesností +/-1-2 % pomocí tlakoměru nebo převodníku napínacího čerpadla. Modul pružnosti šroubu (Youngův modul, 207 GPa pro legovanou ocel) je u šroubů ze stejné šarže tepelného zpracování konzistentní v rozmezí +/-2 %. Jedinou proměnnou je efektivní upínací délka (délka šroubu mezi maticí a prvním závitem), která se liší o +/-3-5 % v závislosti na hloubce závitu a délce sevření šroubu.Zbytková chyba v předpětí v napětí pochází ze dvou zdrojů:(1) uvolnění šroubu po uvolnění napětí (spoj se stlačí, když je napínač odstraněn, čímž se sníží napětí šroubu o 5–10 % – což je způsobeno působením 5–10% přepětí během napínacího průchodu) a (2) interakce sousedních šroubů (napínací šroub č. 2 snižuje napětí ve šroubu č. 1 o 10–15 %, protože napětí šroubu č. 2 dále stlačuje spoj, čímž se šroub č. 1 uvolní – což je řešeno 3–4 napínacími průchody).ASME PCC-1V souladu s pokyny pro montáž šroubových spojů je hydraulické napínání preferovanou metodou pro šroubové spoje velkého průměru vyžadující přesnost předpětí +/- 10 % nebo lepší.

Napínací přihrávky: Protokol 3-4 přihrávek, který nikdo nechce dělat, ale každý ho potřebuje

Jediný napínací krok – kde je každý šroub napnut jednou po kružnici – vytváří odchylky předpětí o 30–50 %, protože každé následující napnuté šrouby stlačují spoj a uvolňují dříve napnuté šrouby.Mechanismus: když je šroub č. 1 napnut na 500 kN, stlačí se spoj lokálně kolem šroubu č. 1. Když je šroub č. 2 (sousedící se šroubem č. 1) napnut, dodatečné stlačení spoje v oblasti mezi šrouby č. 1 a č. 2 způsobí mírné snížení tloušťky spoje v upínací zóně šroubu č. 1 – čímž se sníží napětí šroubu č. 1 přibližně o 10–15 %. S postupujícím napínáním po kružnici každý šroub postupně ztrácí napětí a první napnutý šroub ztrácí nejvíce – obvykle končí na 50–60 % svého původního napětí po napnutí všech šroubů v kružnici.

Správný postup napínání: 3–4 průchody po roztečné kružnici šroubů, přičemž první průchod probíhá s 50–60 % konečného napětí pro usazení spoje a další průchody s 100 % konečného napětí.Průchod 1: napněte všechny šrouby na 60 % konečného předpětí (např. 300 kN pro specifikaci 500 kN) – tím se spoj částečně usadí a sníží se účinek relaxace v následujících průchodech. Průchod 2: napněte všechny šrouby na 100 % konečného předpětí (500 kN). Průchod 3: znovu napněte všechny šrouby na 100 % konečného předpětí – tento průchod obvykle obnoví 10–15 % napětí v první polovině šroubů, které se uvolnily během průchodu 2, a účinek relaxace v průchodu 3 se sníží na 3–5 %, protože spoj je nyní plně usazen. Průchod 4 (volitelný, ale doporučený pro kritické spoje): znovu napněte na 100 % a ověřte, že žádný šroub neztratí mezi napnutím a ověřovacím měřením více než 5 % napětí (pomocí ultrazvukového měřidla prodloužení šroubů, pokud je k dispozici). VYining HydraulicNaše postupy instalace otočných pohonů zahrnují povinný protokol čtyřstupňového napínání pro všechny šroubové spoje otočných ložisek na těžebních zařízeních a ke každé dodávce otočného pohonu dodáváme napínací čerpadlo, napínač a dokumentaci k postupu.

Příprava šroubů: Tři faktory, které promění perfektní postup napínání v selhání spoje

I při hydraulickém napínání mohou tři faktory přípravy šroubů snížit skutečné předpětí na 50–70 % stanovené hodnoty a všechny tři jsou během instalace v terénu běžně přehlíženy.Faktor jedna: mazání závitu – závity šroubů a dosedací plocha matice musí být mazány specifikovaným mazivem (obvykle pastou s disulfidem molybdeničitým, směsí proti zadření nebo mazivem doporučeným výrobcem šroubu), aby se dosáhlo konzistentního tření závitu během napínání. Suché závity nebo závity mazané jiným mazivem, než je specifikováno, mění koeficient tření a odpor matice při doběhu, což způsobuje, že se matice během uvolnění napětí částečně povolí. Faktor dva: délka závitu šroubu – nezávitový dřík šroubu mezi hlavou a prvním závitem v závitu musí být alespoň 3–4krát větší než průměr šroubu, aby se šroub elasticky natáhl se správnou tuhostí pružiny. Šroub s délkou závitu menší než 2krát větší než průměr má velmi vysokou tuhost pružiny, což znamená, že pro stejné prodloužení vyžaduje větší napínací sílu a je citlivější na uvolnění. Faktor tři: rovinnost styčné plochy – montážní plochy pod hlavou šroubu a maticí musí být rovné s tolerancí do 0,1 mm nad průměrem ložiska. Nerovný povrch způsobuje ve šroubu kromě tahového napětí také ohybové napětí, což snižuje efektivní předpětí a únavovou životnost šroubu o 30–50 %.

Ověření po napnutí: předpětí šroubu lze ověřit měřením prodloužení šroubu ultrazvukovým měřidlem šroubů (metoda puls-echo, měření doby průchodu ultrazvukového impulsu po délce šroubu).Měření prodloužení před a po napnutí udává skutečné napětí šroubu, které je vynásobeno plochou průřezu šroubu a Youngovým modulem pružnosti a udává skutečné předpětí. Toto je jediná metoda přímého měření předpětí šroubu po napnutí – měření momentu (kontrola momentu odtržení) nekoreluje s předpětím po napnutí šroubu, protože statické tření (moment odtržení) je během utahování vyšší než dynamické tření.Yining HydraulicDoporučujeme ultrazvukové ověření prodloužení šroubů u otočných ložiskových šroubů na těžebních bagrech s průměrem točny přesahujícím 2,5 metru, kde nekonzistentní předpětí způsobuje nerovnoměrné zatížení ložiskové kroužky, které nelze zjistit, dokud nezačne selhávání ložiska. Viz také náš průvodceintegrace a montáž otočné převodovkypro dodatečné vedení šroubových spojů.

Externí reference: Výpočet šroubových spojů dle VDI 2230 · Šroubové spoje dle ASME PCC-1 · Klasifikace DNV · Hydraulické systémy dle normy ISO 4413 · SAE International · Standardy AGMA · Pravidla ABS

Jedno poslední upozornění z patnácti let uvádění otočných pohonů do provozu: nikdy znovu nepoužívejte šrouby otočných ložisek po jejich demontáži. Šrouby vystavené plnému předpětí podléhají plastické deformaci v prvních několika závitech a opětovné napnutí použitého šroubu vede k nepředvídatelnému předpětí – obvykle o 15–25 % nižšímu než u nového šroubu při stejném napínacím tlaku – protože zóna plastické deformace zvětšila efektivní upínací délku.

Pro specifikace šroubů otočných ložisek, doporučení napínacího zařízení nebo ověření návrhu zakázkového šroubového spoje kontaktujte náš technický tým ve společnosti Yining Hydraulic – máme připravenou dokumentaci k napínacímu zařízení a postupu pro váš konkrétní model otočného pohonu.