Натяжение болтов поворотного подшипника или динамометрический ключ: какой метод обеспечивает постоянное предварительное натяжение для поворотных платформ горнодобывающих экскаваторов?

Почему важна равномерность предварительной затяжки болтов для поворотных подшипников: проблема неравномерной нагрузки, которую никто не замечает до выхода подшипника из строя.

Я работаю в компании Yining Hydraulic уже пятнадцать лет, занимаясь проектированием систем поворотного привода, и именно в болтовых соединениях поворотных подшипников я наблюдаю наибольший разрыв между техническими условиями и реализацией на практике.Поворотный подшипник на поворотной платформе 200-тонного горнодобывающего экскаватора крепится 40-60 высокопрочными болтами (обычно M42-M56, класс 10.9 или 12.9), расположенными по кругу диаметром 2-3 метра.Каждый болт должен поддерживать заданное предварительное натяжение — обычно 60-70% от испытательной нагрузки болта, что соответствует 400-600 кН для болта M48 класса 10.9 — чтобы предотвратить отрыв обоймы подшипника от монтажной поверхности под действием опрокидывающего момента, возникающего при полной нагрузке и выдвижении ковша экскаватора. Если предварительное натяжение непостоянно, обойма подшипника испытывает неравномерное контактное давление, и обойма локально деформируется под нагрузкой, создавая состояние, называемое «бринеллированием», при котором элементы качения вдавливаются в поверхность обоймы, инициируя отслаивание, которое прогрессирует до полного разрушения подшипника в течение 2000-5000 часов работы.

Проблема стабильности предварительной нагрузки: при использовании динамометрического ключа момент затяжки прикладывается к головке болта или гайке, а соотношение между приложенным моментом и результирующим натяжением болта зависит от коэффициента трения в двух точках соприкосновения — резьбовом контакте и контакте с головкой (или гайкой).Зависимость крутящего момента от натяжения: T = K × F × d, где T — приложенный крутящий момент, K — коэффициент затяжки гайки (обычно 0,15–0,22 для смазанной стальной резьбы), F — результирующее натяжение болта, а d — номинальный диаметр болта. Проблема в том, что K не является постоянной величиной — оно варьируется в зависимости от типа резьбы, состояния смазки, того, затягивался ли болт ранее (повторно используемая резьба имеет более высокое значение K, поскольку неровности поверхности были сглажены), а также наличия мусора в резьбе.Разумная оценка вариации K в полевых условиях составляет +/-15-25%, что напрямую соответствует вариации предварительной нагрузки болта +/-15-25% при том же приложенном крутящем моменте.Для болта, требующего предварительной нагрузки 500 кН с коэффициентом K, равным 0,18, при диаметре d = 48 мм: T = 0,18 × 500 000 × 0,048 = 4320 Н·м. Если коэффициент K фактически изменяется от 0,15 до 0,22 по окружности болта, то тот же крутящий момент в 4320 Н·м создает предварительную нагрузку в диапазоне от 410 кН до 600 кН — разброс составляет 46% между наиболее ослабленными и наиболее затянутыми болтами. СогласноVDI 2230В соответствии со стандартами расчета болтовых соединений, затяжка с контролем момента затяжки обеспечивает разброс предварительной нагрузки +/-25-35% даже в контролируемых лабораторных условиях, а в полевых условиях этот показатель обычно увеличивается до +/-35-50%.

Гидравлическое натяжение болтов: как прямое растяжение устраняет фактор трения.

Гидравлическая система натяжения болтов полностью исключает преобразование крутящего момента в натяжение, поскольку к натяжителю прикладывается известное гидравлическое давление, которое непосредственно тянет болтовую шпильку, упруго растягивая ее.Натяжитель состоит из гидравлического цилиндра с резьбовым съемником, который навинчивается на удлинитель болта (для надежного захвата болт должен иметь открытую резьбу над гайкой, равную как минимум одному диаметру болта), перемычки, прижимающейся к поверхности соединения, и торцевого ключа, позволяющего затянуть гайку вручную после растяжения болта. Последовательность действий: натяжитель устанавливается на болт, подается гидравлическое давление до заданного значения (рассчитываемого исходя из эффективной площади поршня натяжителя), болт упруго растягивается (удлинение 0,1-0,3 мм для типичных болтов поворотных подшипников), гайка затягивается вручную с помощью торцевого ключа через корпус натяжителя, гидравлическое давление сбрасывается, и болт пытается вернуться к своей первоначальной длине — но гайка препятствует этому, создавая заданное предварительное натяжение в болте.

Точность предварительной нагрузки при гидравлическом натяжении: +/-5-10%, по сравнению с +/-25-35% при использовании динамометрического ключа.Точность обеспечивается тем, что натяжение болта контролируется гидравлическим давлением, которое измеряется и регулируется с точностью +/-1-2% манометром или преобразователем натяжного насоса. Модуль упругости болта (модуль Юнга, 207 ГПа для легированной стали) остается постоянным в пределах +/-2% для болтов из одной партии термообработки. Единственной переменной является эффективная длина зажима (длина болта между гайкой и первой зацепленной резьбой), которая изменяется на +/-3-5% в зависимости от глубины зацепления резьбы и длины захвата болта.Остаточная погрешность в предварительно натянутом напряжении возникает из двух источников:(1) ослабление болта после снятия натяжения (соединение сжимается при снятии натяжителя, уменьшая натяжение болта на 5-10% — это компенсируется применением избыточного натяжения на 5-10% во время натяжения), и (2) взаимодействие соседних болтов (натяжение болта №2 уменьшает натяжение болта №1 на 10-15%, поскольку натяжение болта №2 дополнительно сжимает соединение, ослабляя болт №1 — это устраняется 3-4 проходами натяжения).ASME PCC-1В соответствии с рекомендациями по сборке болтовых соединений, гидравлическое натяжение является предпочтительным методом для болтовых соединений большого диаметра, требующих точности предварительной нагрузки +/-10% или лучше.

Напряженные передачи: Протокол 3-4 передач, который никто не хочет делать, но который необходим каждому.

Один проход натяжения — когда каждый болт натягивается один раз по окружности — создает колебания предварительной нагрузки на 30-50%, поскольку каждое последующее натяжение болта сжимает соединение и ослабляет ранее натянутые болты.Механизм: когда болт №1 натягивается до 500 кН, он локально сжимает соединение вокруг болта №1. Когда натягивается болт №2 (расположенный рядом с болтом №1), дополнительное сжатие соединения в области между болтами №1 и №2 приводит к незначительному уменьшению толщины соединения в зоне зажима болта №1, что снижает натяжение болта №1 примерно на 10-15%. По мере продвижения натяжения по окружности каждый болт постепенно теряет натяжение, и первый натянутый болт теряет больше всего — обычно это составляет 50-60% от его первоначального натяжения после того, как все болты в окружности будут натянуты.

Правильный протокол натяжения: 3-4 прохода по окружности болтового соединения, при этом первый проход выполняется с 50-60% от конечного натяжения для фиксации соединения, а последующие проходы — со 100% конечного натяжения.Этап 1: затянуть все болты до 60% от конечной предварительной нагрузки (например, 300 кН при спецификации 500 кН) — это частично уплотняет соединение и уменьшает эффект релаксации в последующих этапах. Этап 2: затянуть все болты до 100% конечной предварительной нагрузки (500 кН). Этап 3: повторно затянуть все болты до 100% конечной предварительной нагрузки — этот этап обычно восстанавливает 10-15% натяжения в первой половине болтов, которые ослабли во время этапа 2, а эффект релаксации в этапе 3 уменьшается до 3-5%, поскольку соединение теперь полностью уплотнено. Этап 4 (необязательный, но рекомендуемый для ответственных соединений): повторно затянуть до 100% и убедиться, что ни один болт не теряет более 5% натяжения между натяжением и проверочным измерением (используя ультразвуковой измеритель удлинения болтов, если он имеется).Инин ГидравлическийВ наши процедуры установки поворотных приводов входит обязательный протокол четырехэтапного натяжения для всех болтовых соединений поворотных подшипников на горнодобывающем оборудовании, и мы предоставляем насос для натяжения, натяжное устройство и документацию по процедуре с каждой поставкой поворотного привода.

Подготовка болтов: три фактора, превращающие идеальную процедуру натяжения в неисправное соединение.

Даже при гидравлическом натяжении три фактора подготовки болтов могут снизить фактическое предварительное натяжение до 50-70% от заданного значения, и все три фактора часто упускаются из виду при монтаже на месте.Фактор первый: смазка резьбы — резьба болта и опорная поверхность гайки должны быть смазаны указанной смазкой (обычно пастой из дисульфида молибдена, противозадирным составом или рекомендованной производителем болта смазкой) для обеспечения постоянного трения резьбы при натяжении. Сухая резьба или резьба, смазанная смазкой, отличной от указанной, изменяет коэффициент трения и сопротивление спуску гайки, что приводит к частичному разматыванию гайки при снятии натяжения. Фактор второй: длина захвата болта — нерезьбовая часть стержня болта между головкой и первой зацепленной резьбой должна быть не менее чем в 3-4 раза больше диаметра болта, чтобы болт упруго растягивался с правильной жесткостью. Болт с длиной захвата менее чем в 2 раза больше диаметра имеет очень высокую жесткость, что означает, что для того же удлинения требуется большее усилие натяжения, и он более чувствителен к релаксации. Фактор третий: плоскостность поверхности соединения — монтажные поверхности под головкой болта и гайкой должны быть плоскими с точностью до 0,1 мм по диаметру подшипника. Неровная поверхность, помимо растягивающего напряжения, вызывает в болте изгибающее напряжение, что снижает эффективную предварительную нагрузку болта и срок его службы при усталостных нагрузках на 30-50%.

Проверка после затяжки: предварительное натяжение болта можно проверить, измерив его удлинение с помощью ультразвукового болтового калибра (импульсно-эховый метод, измеряющий время прохождения ультразвукового импульса по всей длине болта).Измерение удлинения до и после затяжки позволяет определить фактическую деформацию болта, которая, умноженная на площадь поперечного сечения болта и модуль Юнга, дает фактическое предварительное натяжение. Это единственный прямой метод измерения предварительного натяжения установленного болта — измерение момента затяжки (проверка момента отрыва) не коррелирует с предварительным натяжением после затяжки болта, поскольку статическое трение (момент отрыва) выше, чем динамическое трение во время затяжки.Инин ГидравлическийМы рекомендуем ультразвуковую проверку удлинения болтов поворотных подшипников на экскаваторах с диаметром поворотной платформы более 2,5 метров, где непостоянная предварительная нагрузка вызывает неравномерную нагрузку на дорожки качения подшипника, которую невозможно обнаружить до начала отказа подшипника. См. также наше руководство поинтеграция и монтаж поворотного редукторадля дополнительной направляющей для болтовых соединений.

Внешние ссылки: Расчет болтового соединения VDI 2230 · Болтовые соединения ASME PCC-1 · Классификация DNV · ISO 4413 Гидравлические системы · SAE International · Стандарты AGMA · Правила ABS

И последнее предостережение, основанное на пятнадцатилетнем опыте ввода в эксплуатацию поворотных приводов: никогда не используйте повторно болты поворотных подшипников после их снятия. Болты, подвергнутые полному предварительному затягиванию, деформируются в первых нескольких витках резьбы, и повторное затягивание использованного болта приводит к непредсказуемому предварительному затягиванию — обычно на 15-25% меньшему, чем у нового болта при том же давлении затягивания, — поскольку зона пластической деформации увеличивает эффективную длину зажима.

Для получения технических характеристик болтов поворотного подшипника, рекомендаций по натяжному оборудованию или проверки конструкции болтового соединения на заказ, свяжитесь с нашей инженерной командой в Yining Hydraulic — у нас есть необходимое натяжное оборудование и документация по процедурам для вашей конкретной модели поворотного привода.