Serraggio dei bulloni del cuscinetto di rotazione o chiave dinamometrica: quale metodo garantisce un precarico costante per le piattaforme girevoli delle pale da miniera?

Perché la costanza del precarico dei bulloni è importante per i cuscinetti di rotazione: il problema del carico non uniforme che nessuno vede fino al cedimento del cuscinetto.

Da quindici anni progetto sistemi di rotazione presso Yining Hydraulic e, a mio avviso, le giunzioni bullonate dei cuscinetti di rotazione rappresentano il punto in cui riscontro la maggiore discrepanza tra le specifiche di progetto e la realizzazione sul campo.Il cuscinetto di rotazione della piattaforma girevole di una pala da miniera da 200 tonnellate è fissato da 40-60 bulloni ad alta resistenza (tipicamente M42-M56, Classe 10.9 o 12.9) disposti secondo uno schema circolare di 2-3 metri di diametro.Ogni bullone deve mantenere un precarico specificato, in genere pari al 60-70% del carico di prova del bullone, corrispondente a 400-600 kN per un bullone M48 Classe 10.9, per impedire che la pista di rotolamento si sollevi dalla superficie di montaggio sotto il momento ribaltante generato quando la benna è completamente carica ed estesa. Se il precarico non è costante, la pista di rotolamento subisce una pressione di contatto non uniforme e si deforma localmente sotto carico, creando un fenomeno chiamato "brinellatura" in cui gli elementi volventi incidono la superficie della pista, innescando la scheggiatura che progredisce fino al cedimento completo del cuscinetto entro 2.000-5.000 ore di funzionamento.

Il problema della coerenza del precarico: i metodi con chiave dinamometrica applicano una coppia alla testa del bullone o al dado, e la relazione tra la coppia applicata e la tensione risultante del bullone dipende dal coefficiente di attrito in due interfacce: il contatto della filettatura e il contatto sotto la testa (o sotto il dado).La relazione coppia-tensione è data da: T = K × F × d, dove T è la coppia applicata, K è il fattore di serraggio (tipicamente 0,15-0,22 per filettature in acciaio lubrificate), F è la tensione risultante del bullone e d è il diametro nominale del bullone. Il problema è che K non è una costante: varia tra i bulloni a seconda della finitura superficiale della filettatura, delle condizioni di lubrificazione, del fatto che il bullone sia stato precedentemente serrato (le filettature riutilizzate hanno un valore di K più elevato perché le asperità superficiali sono state appiattite) e della presenza di detriti nelle filettature.Una stima ragionevole per la variazione di K nelle condizioni sul campo è di +/-15-25%, che si traduce direttamente in una variazione di +/-15-25% nel precarico del bullone per la stessa coppia applicata.Per un bullone che richiede un precarico di 500 kN con un K di 0,18 a d di 48 mm: T = 0,18 × 500.000 × 0,048 = 4.320 Nm. Se K varia effettivamente tra 0,15 e 0,22 lungo il cerchio del bullone, la stessa coppia di 4.320 Nm produce precarichi che vanno da 410 kN a 600 kN, ovvero una differenza del 46% tra i bulloni più lenti e quelli più stretti. SecondoVDI 2230Secondo gli standard sistematici di calcolo dei giunti bullonati, il serraggio controllato della coppia consente di ottenere una dispersione del precarico di +/-25-35% anche in condizioni di laboratorio controllate, mentre in condizioni di campo questo valore aumenta tipicamente a +/-35-50%.

Tensionamento idraulico dei bulloni: come lo stiramento diretto elimina la variabile dell'attrito

Il tensionamento idraulico dei bulloni elimina completamente la conversione da coppia a tensione applicando una pressione idraulica nota a un tenditore che tira direttamente il prigioniero del bullone, allungandolo elasticamente.Il tenditore è costituito da un cilindro idraulico con un estrattore filettato che si avvita sull'estensione del perno del bullone (il bullone deve avere una lunghezza di filettatura esposta sopra il dado pari ad almeno un diametro del bullone affinché il tenditore possa fare presa), un ponte che preme contro la superficie di giunzione e una bussola che consente di serrare il dado a mano dopo che il bullone è stato allungato. La sequenza operativa è la seguente: il tenditore viene installato sul bullone, viene applicata una pressione idraulica al valore specificato (calcolabile in base all'area effettiva del pistone del tenditore), il bullone si allunga elasticamente (0,1-0,3 mm di allungamento per i bulloni tipici dei cuscinetti di rotazione), il dado viene serrato a mano utilizzando la bussola attraverso il corpo del tenditore, la pressione idraulica viene rilasciata e il bullone tenta di tornare alla sua lunghezza originale, ma il dado lo impedisce, creando il precarico specificato nel bullone.

La precisione del precarico del tensionamento idraulico è di +/-5-10%, rispetto a +/-25-35% per i metodi con chiave dinamometrica.La precisione deriva dal fatto che la tensione del bullone è controllata dalla pressione idraulica, che viene misurata e regolata con una precisione di +/-1-2% dal manometro o dal trasduttore della pompa di tensionamento. Il modulo elastico del bullone (modulo di Young, 207 GPa per l'acciaio legato) è costante entro +/-2% per i bulloni dello stesso lotto di trattamento termico. L'unica variabile è la lunghezza di serraggio effettiva (la lunghezza del bullone tra il dado e il primo filetto impegnato), che varia di +/-3-5% a seconda della profondità di innesto del filetto e della lunghezza di presa del bullone.L'errore residuo nel precarico tensionato deriva da due fonti:(1) rilassamento del bullone dopo il rilascio della tensione (il giunto si comprime quando il tenditore viene rimosso, riducendo la tensione del bullone del 5-10% - tenuto conto applicando una sovratensione del 5-10% durante il passaggio di tensionamento), e (2) interazione del bullone adiacente (il tensionamento del bullone n. 2 riduce la tensione nel bullone n. 1 del 10-15% perché la tensione del bullone n. 2 comprime ulteriormente il giunto, rilassando il bullone n. 1 - affrontato con 3-4 passaggi di tensionamento). PerASME PCC-1Nelle linee guida per l'assemblaggio di giunti bullonati, il tensionamento idraulico è il metodo preferito per giunti bullonati di grande diametro che richiedono una precisione di precarico di +/-10% o migliore.

Passaggi di tensione: il protocollo dei 3-4 passaggi che nessuno vuole fare ma di cui tutti hanno bisogno

Un singolo passaggio di tensionamento, in cui ogni bullone viene tensionato una volta lungo il cerchio, produce variazioni di precarico del 30-50% perché ogni bullone successivo tensionato comprime il giunto e rilassa i bulloni precedentemente tensionati.Il meccanismo: quando il bullone n. 1 viene serrato a 500 kN, comprime localmente il giunto attorno al bullone n. 1. Quando il bullone n. 2 (adiacente al bullone n. 1) viene serrato, l'ulteriore compressione del giunto nell'area tra i bulloni n. 1 e n. 2 provoca una leggera diminuzione dello spessore del giunto nella zona di serraggio del bullone n. 1, riducendo la tensione del bullone n. 1 di circa il 10-15%. Man mano che il serraggio procede lungo il cerchio, ogni bullone perde progressivamente tensione, e il primo bullone serrato perde la maggior parte della tensione, arrivando in genere al 50-60% della sua tensione iniziale dopo che tutti i bulloni del cerchio sono stati serrati.

La corretta procedura di tensionamento prevede 3-4 passaggi attorno al cerchio dei bulloni, con il primo passaggio al 50-60% della tensione finale per assestare il giunto, e i passaggi successivi al 100% della tensione finale.Passaggio 1: tensionare tutti i bulloni al 60% del precarico finale (ad esempio, 300 kN per una specifica di 500 kN) - questo assesta parzialmente il giunto e riduce l'effetto di rilassamento nei passaggi successivi. Passaggio 2: tensionare tutti i bulloni al 100% del precarico finale (500 kN). Passaggio 3: ritensionare tutti i bulloni al 100% del precarico finale - questo passaggio in genere recupera il 10-15% della tensione nei bulloni della prima metà che si sono rilassati durante il passaggio 2 e l'effetto di rilassamento nel passaggio 3 è ridotto al 3-5% perché il giunto è ora completamente assestato. Passaggio 4 (facoltativo ma consigliato per giunti critici): ritensionare al 100% e verificare che nessun bullone perda più del 5% di tensione tra il tensionamento e la misurazione di verifica (utilizzando un misuratore di allungamento dei bulloni a ultrasuoni, se disponibile).Yining HydraulicLe nostre procedure di installazione dei sistemi di rotazione includono un protocollo di tensionamento obbligatorio in 4 passaggi per tutti i giunti bullonati dei cuscinetti di rotazione sulle attrezzature minerarie, e forniamo la pompa di tensionamento, il tenditore e la documentazione procedurale con ogni consegna di sistema di rotazione.

Preparazione dei bulloni: i tre fattori che trasformano una procedura di tensionamento perfetta in un giunto difettoso

Anche con il tensionamento idraulico, tre fattori di preparazione dei bulloni possono ridurre il precarico effettivo al 50-70% del valore specificato, e tutti e tre vengono comunemente trascurati durante l'installazione in cantiere.Fattore uno: lubrificazione della filettatura — la filettatura del bullone e la superficie di appoggio del dado devono essere lubrificate con il lubrificante specificato (in genere pasta di disolfuro di molibdeno, composto antigrippaggio o il lubrificante raccomandato dal produttore del bullone) per ottenere un attrito costante della filettatura durante il serraggio. Filettature asciutte o lubrificate con un lubrificante diverso da quello specificato modificano il coefficiente di attrito e alterano la resistenza allo svitamento del dado, causando il parziale svitamento del dado durante il rilascio della tensione. Fattore due: lunghezza di presa del bullone — il gambo non filettato del bullone tra la testa e la prima filettatura impegnata deve essere almeno 3-4 volte il diametro del bullone affinché quest'ultimo si allunghi elasticamente con la corretta rigidità. Un bullone con una lunghezza di presa inferiore a 2 volte il diametro ha una rigidità molto elevata, il che significa che richiede una maggiore forza di serraggio per lo stesso allungamento ed è più sensibile al rilassamento. Fattore tre: planarità della superficie di giunzione — le superfici di montaggio sotto la testa del bullone e il dado devono essere piane entro 0,1 mm sul diametro di appoggio. Una superficie non piana provoca sollecitazioni di flessione nel bullone, oltre a quelle di trazione, riducendo il precarico effettivo e la durata a fatica del bullone del 30-50%.

Verifica dopo il tensionamento: il precarico del bullone può essere verificato misurando l'allungamento del bullone con un calibro a ultrasuoni (metodo impulso-eco, misurando il tempo di andata e ritorno di un impulso ultrasonico lungo la lunghezza del bullone).La misurazione dell'allungamento prima e dopo la tensione fornisce la deformazione effettiva del bullone, che moltiplicata per l'area della sezione trasversale del bullone e il modulo di Young fornisce il precarico effettivo. Questo è l'unico metodo di misurazione diretto per il precarico del bullone installato: la misurazione della coppia (controllo della coppia di svitamento) non è correlata al precarico una volta che il bullone è stato tensionato perché l'attrito statico (coppia di svitamento) è maggiore dell'attrito dinamico durante il serraggio.Yining Hydraulic, raccomandiamo la verifica dell'allungamento dei bulloni mediante ultrasuoni per i bulloni dei cuscinetti di rotazione delle pale minerarie con diametri del piatto girevole superiori a 2,5 metri, dove un precarico incoerente causa un carico irregolare della pista del cuscinetto che non può essere rilevato fino a quando non inizia il cedimento del cuscinetto. Vedi anche la nostra guida suIntegrazione e montaggio del riduttore di rotazioneper ulteriori indicazioni sui giunti bullonati.

Riferimenti esterni: Calcolo del giunto bullonato VDI 2230 · Giunti bullonati ASME PCC-1 · Classificazione DNV · Sistemi idraulici ISO 4413 · SAE International · Standard AGMA · Regole ABS

Un ultimo avvertimento, frutto di quindici anni di esperienza nella messa in servizio di azionamenti di rotazione: non riutilizzare mai i bulloni dei cuscinetti di rotazione dopo averli rimossi. I bulloni sottoposti al massimo precarico subiscono una deformazione plastica nei primi filetti ingranati e il ritensionamento di un bullone usato produce un precarico imprevedibile, in genere inferiore del 15-25% rispetto a un bullone nuovo a parità di pressione di serraggio, poiché la zona di deformazione plastica ha aumentato la lunghezza di serraggio effettiva.

Per le specifiche dei bulloni dei cuscinetti di rotazione, i consigli sulle attrezzature di tensionamento o la verifica della progettazione di giunti bullonati personalizzati, contatta il nostro team di ingegneri presso Yining Hydraulic: disponiamo delle attrezzature di tensionamento e della documentazione procedurale necessarie per il tuo specifico modello di azionamento di rotazione.