Napinanie śrub łożysk obrotowych czy napinanie kluczem dynamometrycznym: która metoda zapewnia spójne napięcie wstępne obrotowych stołów koparek górniczych?

Dlaczego spójność napięcia wstępnego śrub ma znaczenie w przypadku łożysk obrotowych: problem nierównomiernego obciążenia, którego nikt nie dostrzega, dopóki łożysko nie ulegnie awarii

Od piętnastu lat projektuję w firmie Yining Hydraulic obrotowe układy napędowe i największą przepaść między zamierzeniami technicznymi a realizacją w terenie widzę w połączeniach śrubowych łożysk obrotowych.Łożysko obrotowe na obrotowym stole koparki górniczej o udźwigu 200 ton jest zabezpieczone 40–60 śrubami o wysokiej wytrzymałości (zwykle M42–M56, klasa 10.9 lub 12.9) ułożonymi w okrągły wzór o średnicy 2–3 metrów.Każda śruba musi utrzymywać określone napięcie wstępne – zazwyczaj 60–70% obciążenia próbnego śruby, co odpowiada 400–600 kN dla śruby M48 klasy 10.9 – aby zapobiec uniesieniu bieżni łożyska z powierzchni montażowej pod wpływem momentu wywracającego generowanego przy pełnym obciążeniu i wysunięciu łyżki koparki. Jeśli napięcie wstępne jest nierównomierne, bieżnia łożyska jest poddawana nierównomiernemu naciskowi stykowemu, a bieżnia lokalnie odkształca się pod obciążeniem – tworząc stan zwany „odciskami Brinella”, w którym elementy toczne wgniatają powierzchnię bieżni, inicjując odpryskiwanie, które prowadzi do całkowitej awarii łożyska w ciągu 2000–5000 godzin pracy.

Problem spójności napięcia wstępnego: metody klucza dynamometrycznego polegają na przykładaniu momentu obrotowego do łba śruby lub nakrętki, a związek między przyłożonym momentem obrotowym a wynikającym z tego naprężeniem śruby zależy od współczynnika tarcia na dwóch powierzchniach styku — styku gwintu i styku pod łbem (lub pod nakrętką).Zależność momentu obrotowego od napięcia: T = K × F × d, gdzie T to przyłożony moment obrotowy, K to współczynnik nakrętki (zwykle 0,15–0,22 dla smarowanych gwintów stalowych), F to wynikowe naprężenie śruby, a d to nominalna średnica śruby. Problem polega na tym, że K nie jest stałą – zmienia się w zależności od śruby w zależności od wykończenia powierzchni gwintu, stanu smarowania, tego, czy śruba była wcześniej dokręcana (ponownie używane gwinty mają wyższą wartość K, ponieważ chropowatość powierzchni została spłaszczona) oraz tego, czy w gwintach znajdują się zanieczyszczenia.Rozsądny szacunek zmienności K w warunkach terenowych wynosi +/-15-25%, co bezpośrednio przekłada się na +/-15-25% zmienność napięcia wstępnego śruby przy takim samym przyłożonym momencie obrotowym.Dla śruby wymagającej napięcia wstępnego 500 kN i współczynnika K wynoszącego 0,18 przy d wynoszącym 48 mm: T = 0,18 × 500 000 × 0,048 = 4320 Nm. Jeśli współczynnik K faktycznie zmienia się w zakresie od 0,15 do 0,22 na całym obwodzie śruby, ten sam moment obrotowy 4320 Nm generuje napięcie wstępne w zakresie od 410 kN do 600 kN — co stanowi 46% różnicy między najluźniejszymi i najmocniejszymi śrubami. Zgodnie zVDI 2230systematyczne standardy obliczeń połączeń śrubowych, dokręcanie kontrolowane momentem obrotowym pozwala uzyskać rozrzut napięcia wstępnego na poziomie +/-25-35% nawet w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, a warunki terenowe zwykle zwiększają ten rozrzut do +/-35-50%.

Napinanie śrub hydraulicznych: jak rozciąganie bezpośrednie eliminuje zmienną tarcia

W przypadku napinania śrub hydraulicznych pominięto całkowicie konwersję momentu obrotowego na naprężenie poprzez zastosowanie znanego ciśnienia hydraulicznego na napinaczu, który bezpośrednio pociąga za trzpień śruby, rozciągając go elastycznie.Napinacz składa się z siłownika hydraulicznego z gwintowanym ściągaczem, który nakręca się na przedłużenie trzpienia śruby (śruba musi mieć odsłoniętą długość gwintu ponad nakrętką równą co najmniej jednej średnicy śruby, aby napinacz mógł się zacisnąć), mostka, który opiera się o powierzchnię złącza, oraz nasadki, która umożliwia ręczne dokręcenie nakrętki po naciągnięciu śruby. Kolejność operacji: napinacz jest montowany na śrubie, przykładane jest ciśnienie hydrauliczne do określonej wartości (obliczanej na podstawie efektywnej powierzchni tłoka napinacza), śruba rozciąga się elastycznie (wydłużenie o 0,1-0,3 mm dla typowych śrub łożysk obrotowych), nakrętka jest dokręcana palcami za pomocą nasadki przechodzącej przez korpus napinacza, ciśnienie hydrauliczne zostaje zwolnione, a śruba próbuje powrócić do swojej pierwotnej długości — ale nakrętka temu zapobiega, wytwarzając określone napięcie wstępne w śrubie.

Dokładność wstępnego napięcia przy napinaniu hydraulicznym: +/-5-10%, w porównaniu do +/-25-35% w przypadku metod z użyciem klucza dynamometrycznego.Dokładność wynika z faktu, że naprężenie śruby jest kontrolowane za pomocą ciśnienia hydraulicznego, które jest mierzone i regulowane z dokładnością +/-1-2% przez manometr lub przetwornik pompy napinającej. Moduł sprężystości śruby (moduł Younga, 207 GPa dla stali stopowej) jest stały i mieści się w granicach +/-2% dla śrub z tej samej partii poddanej obróbce cieplnej. Jedyną zmienną jest efektywna długość zacisku (długość śruby między nakrętką a pierwszym gwintem), która zmienia się o +/-3-5% w zależności od głębokości gwintu i długości zacisku śruby.Błąd szczątkowy w napięciu wstępnym wynika z dwóch źródeł:(1) rozluźnienie śruby po zwolnieniu naprężenia (połączenie ściska się po usunięciu napinacza, zmniejszając naprężenie śruby o 5-10% — co jest wynikiem zastosowania 5-10% nadmiernego naprężenia podczas napinania) i (2) interakcja sąsiednich śrub (naprężenie śruby nr 2 zmniejsza naprężenie śruby nr 1 o 10-15%, ponieważ naprężenie śruby nr 2 dodatkowo ściska połączenie, rozluźniając śrubę nr 1 — co jest wynikiem 3-4 naprężeń).ASME PCC-1W wytycznych dotyczących montażu połączeń śrubowych napinanie hydrauliczne jest preferowaną metodą w przypadku połączeń śrubowych o dużej średnicy, przy których wymagana jest dokładność napięcia wstępnego wynosząca +/-10% lub większa.

Napinanie podań: protokół 3-4 podań, którego nikt nie chce wykonywać, ale każdy go potrzebuje

Pojedyncze napinanie — gdzie każda śruba jest napinana jeden raz wokół okręgu — powoduje zmiany napięcia wstępnego rzędu 30–50%, ponieważ każda kolejna napinana śruba ściska połączenie i rozluźnia wcześniej naprężone śruby.Mechanizm: gdy śruba nr 1 jest naprężana siłą 500 kN, lokalnie ściska połączenie wokół śruby nr 1. Gdy naprężana jest śruba nr 2 (sąsiadująca ze śrubą nr 1), dodatkowe ściskanie połączenia w obszarze między śrubami nr 1 i nr 2 powoduje nieznaczne zmniejszenie grubości połączenia w strefie zacisku śruby nr 1 — zmniejszając naprężenie śruby nr 1 o około 10-15%. W miarę postępu naprężania wokół okręgu, każda śruba stopniowo traci naprężenie, a pierwsza naprężona śruba traci je najbardziej — zazwyczaj kończąc na 50-60% swojego początkowego naprężenia po naprężeniu wszystkich śrub w okręgu.

Prawidłowy protokół napinania: 3-4 przejścia wokół okręgu śrub, przy czym pierwsze przejście wykonuje się przy 50-60% naprężenia końcowego, aby osadzić połączenie, a kolejne przejścia przy 100% naprężenia końcowego.Przejście 1: napręż wszystkie śruby do 60% końcowego napięcia wstępnego (np. 300 kN dla specyfikacji 500 kN) — to częściowo ustala połączenie i zmniejsza efekt relaksacji w kolejnych przejściach. Przejście 2: napręż wszystkie śruby do 100% końcowego napięcia wstępnego (500 kN). Przejście 3: ponowne naprężenie wszystkich śrub do 100% końcowego napięcia wstępnego — to przejście zazwyczaj przywraca 10-15% naprężenia w pierwszej połowie śrub, które uległy relaksacji podczas przejścia 2, a efekt relaksacji w przejściu 3 jest zmniejszony do 3-5%, ponieważ połączenie jest teraz całkowicie osadzone. Przejście 4 (opcjonalne, ale zalecane dla połączeń krytycznych): ponowne naprężenie do 100% i sprawdzenie, czy żadna śruba nie traci więcej niż 5% naprężenia między naprężeniem a pomiarem weryfikacyjnym (za pomocą ultradźwiękowego miernika wydłużenia śrub, jeśli jest dostępny).Yining HydraulicNasze procedury instalacji napędów obrotowych obejmują obowiązkowy protokół napinania w 4 przejściach dla wszystkich połączeń śrubowych łożysk obrotowych w sprzęcie górniczym. Wraz z każdą dostawą napędu obrotowego dostarczamy pompę napinającą, napinacz i dokumentację procedury.

Przygotowanie śrub: trzy czynniki, które zmieniają perfekcyjną procedurę napinania w nieudane połączenie

Nawet przy napinaniu hydraulicznym trzy czynniki przygotowania śrub mogą zmniejszyć faktyczne napięcie wstępne do 50–70% określonej wartości, a wszystkie trzy są często pomijane podczas montażu w terenie.Czynnik pierwszy: smarowanie gwintów — gwinty śrub i powierzchnia nośna nakrętki muszą być smarowane określonym smarem (zazwyczaj pastą z dwusiarczkiem molibdenu, środkiem zapobiegającym zapiekaniu się lub smarem zalecanym przez producenta śrub), aby uzyskać stałe tarcie gwintu podczas napinania. Suche gwinty lub gwinty smarowane innym smarem niż określony zmieniają współczynnik tarcia i zmieniają opór nakrętki podczas dokręcania, powodując częściowe odkręcanie nakrętki podczas odkręcania. Czynnik drugi: długość zacisku śruby — niegwintowany trzpień śruby między łbem a pierwszym gwintem musi być co najmniej 3-4 razy większy od średnicy śruby, aby śruba rozciągała się elastycznie z prawidłową sztywnością sprężyny. Śruba o długości zacisku mniejszej niż 2 razy średnica ma bardzo dużą sztywność sprężyny, co oznacza, że ​​wymaga większej siły napinającej dla tego samego wydłużenia i jest bardziej wrażliwa na relaksację. Czynnik trzeci: płaskość powierzchni połączenia — powierzchnie montażowe pod łbem śruby i nakrętką muszą być płaskie w zakresie 0,1 mm od średnicy łożyska. Nierówna powierzchnia powoduje występowanie w śrubie naprężeń zginających, oprócz naprężeń rozciągających, co zmniejsza efektywne napięcie wstępne i trwałość zmęczeniową śruby o 30–50%.

Weryfikacja po naprężeniu: wstępne naprężenie śruby można zweryfikować poprzez pomiar wydłużenia śruby za pomocą ultradźwiękowego miernika momentu dokręcania (metoda impulsu-echa, pomiar czasu przejścia impulsu ultradźwiękowego przez długość śruby).Pomiar wydłużenia przed i po naprężeniu daje rzeczywiste odkształcenie śruby, które pomnożone przez pole przekroju poprzecznego śruby i moduł Younga daje rzeczywiste napięcie wstępne. Jest to jedyna bezpośrednia metoda pomiaru napięcia wstępnego śruby po jej naprężeniu — pomiar momentu obrotowego (sprawdzenie momentu zrywającego) nie koreluje z napięciem wstępnym po naprężeniu śruby, ponieważ tarcie statyczne (moment zrywający) jest wyższe niż tarcie dynamiczne podczas dokręcania.Yining HydraulicZalecamy ultradźwiękową weryfikację wydłużenia śrub w przypadku śrub łożysk obrotowych koparek górniczych o średnicy obrotnicy przekraczającej 2,5 metra, gdzie nierównomierne napięcie wstępne powoduje nierównomierne obciążenie bieżni łożyska, którego nie można wykryć do momentu wystąpienia awarii łożyska. Zobacz również nasz poradnik.integracja i montaż przekładni obrotowejw celu uzyskania dodatkowych wskazówek dotyczących połączeń śrubowych.

Odnośniki zewnętrzne: VDI 2230 Obliczenia połączeń śrubowych · Połączenia śrubowe ASME PCC-1 · Klasyfikacja DNV · ISO 4413 Systemy hydrauliczne · SAE International · Normy AGMA · Zasady ABS

Ostatnie ostrzeżenie z piętnastu lat użytkowania napędów obrotowych: nigdy nie należy ponownie używać śrub łożysk obrotowych po ich usunięciu. Śruby poddane pełnemu napięciu wstępnemu ulegają odkształceniu plastycznemu w pierwszych kilku zwojach gwintu, a ponowne naprężenie używanej śruby powoduje nieprzewidywalne napięcie wstępne – zazwyczaj o 15–25% niższe niż w przypadku nowej śruby przy tym samym ciśnieniu napinania – ponieważ strefa odkształcenia plastycznego zwiększyła efektywną długość zacisku.

Aby uzyskać specyfikacje śrub łożysk obrotowych, zalecenia dotyczące urządzeń napinających lub weryfikację niestandardowych konstrukcji połączeń śrubowych, skontaktuj się z naszym zespołem inżynierów w Yining Hydraulic — dysponujemy urządzeniami napinającymi i dokumentacją proceduralną przygotowaną dla Twojego konkretnego modelu napędu obrotowego.