Los equipos mecánicos y las estructuras de acero se ensamblan a partir de varios componentes, la mayoría de los cuales están conectados de forma fija mediante sujetadores roscados. La falla de los sujetadores roscados conduce directamente al mal funcionamiento del equipo. En casos severos, puede causar parada del equipo, colapso estructural e incluso accidentes con lesiones personales.

Dada la alta frecuencia y los graves peligros de falla de los sujetadores, los técnicos deben analizar sistemáticamente los factores inductores y formular medidas específicas de rectificación y prevención para eliminar fundamentalmente las fallas de los sujetadores.

Las fallas de los sujetadores se dividen principalmente en dos categorías. La primera categoría es la falla por fractura de pernos, que causa la separación instantánea de las estructuras conectadas y generalmente resulta en fallas graves en los equipos y accidentes de seguridad. La segunda categoría incluye el aflojamiento del par de hilos y el deslizamiento del hilo.pernos o tuercas, lo que produce un pequeño desplazamiento relativo entre las piezas conectadas y provoca un mal funcionamiento parcial del equipo y una precisión de funcionamiento reducida.

La falla del sujetador es un proceso progresivo. Un aflojamiento menor sin un tratamiento oportuno continuará deteriorándose y eventualmente provocará la separación completa de pernos y tuercas, lo que provocará accidentes de seguridad importantes. En aplicaciones prácticas, la mayoría del personal no entiende que la fractura de pernos es causada únicamente por defectos del material y el aflojamiento de las tuercas por mala calidad de las mismas, mientras ignora problemas centrales como un diseño estructural irrazonable y procesos de ensamblaje no-estándar. Este artículo analiza sistemáticamente las causas de diversas fallas por fractura de pernos desde las perspectivas de diseño y ensamblaje.

1 fractura por corte

La fractura por cizallamiento de pernos ocurre principalmente en conexiones roscadas bajo pura precarga. La superficie de fractura por corte se ubica en la interfaz de unión de dos partes conectadas, presentando una pequeña área de corte suave y brillante. Las causas específicas de falla se resumen a continuación.

1.1 Causas de diseño

(1) Un coeficiente de fricción insuficiente en la interfaz de la junta o especificaciones de pernos seleccionadas incorrectamente conducen a una precarga inadecuada. Cuando la fuerza de fricción en la superficie de la unión es menor que la carga de trabajo transversal, expresada por la fórmula fF′

(2) Los sujetadores sin estructuras anti-aflojamiento se aplican en condiciones de trabajo vibratorias. La vibración-del equipo a largo plazo afloja el par de roscas y atenúa la precarga del perno, lo que resulta en una fricción de interfaz insuficiente y un mayor deslizamiento de los componentes y fractura por cizallamiento del perno. Para estructuras que trabajan en entornos de vibración, se deben adoptar sujetadores anti-aflojamiento especiales, como tuercas Spiralock y tuercas de bloqueo de torque predominante, para evitar fallas por aflojamiento.

1.2 Causas de montaje

Un par de apriete insuficiente en el conjunto provoca una precarga del perno deficiente y una fricción inadecuada en la interfaz. Las cargas externas causan un deslizamiento relativo de los componentes y eventualmente resultan en una fractura por cizallamiento del perno. El par de apriete de pernos es un indicador de proceso crítico en la ingeniería de estructuras de acero y el ensamblaje de motores y requiere un control estricto. Sin embargo, a menudo se descuida en otras industrias debido a la falta de una gestión de par estandarizada. En casos prácticos de falla, la mayoría de las fallas de aflojamiento y fractura de roscas son causadas por un torque de ensamblaje inadecuado.

La fuerza de sujeción de un par de roscas se genera mediante la rotación de tuercas o pernos y se correlaciona positivamente con el par de torsión de montaje. Para garantizar que la precarga cumpla con los requisitos de diseño, el torque de ensamblaje debe especificarse claramente en los documentos del proceso e implementarse estrictamente durante la operación. La fórmula de cálculo del par de montaje es la siguiente:

M=KPD

Donde: M - Par de montaje (Nm); K - Coeficiente de par; P - Precarga diseñada (kN); D - Diámetro nominal del perno (mm).

En el diseño convencional, la precarga del perno se establece entre el 60% y el 80% del límite elástico del material con un factor de seguridad superior a 1,2. La carga elástica de pernos con diferentes especificaciones y grados de resistencia se puede consultar en GB/T 3098.1.

El coeficiente de torsión está determinado por el coeficiente de fricción de los pares de hilos y la superficie de contacto entresujetadoresy piezas conectadas. Se ve afectado por el tratamiento de la superficie, la precisión de la resistencia, la tolerancia geométrica, la precisión de la rosca, la rugosidad de la superficie de soporte y la rigidez estructural. El tratamiento de la superficie es el factor dominante. Los diferentes tratamientos de superficie dan lugar a grandes diferencias en el coeficiente de par, hasta casi el doble. Para pares de hilos con las mismas especificaciones y resistencia, el coeficiente de torsión del tratamiento de fosfatado es de aproximadamente 0,13 a 0,15, mientras que el del tratamiento de ennegrecimiento varía de 0,26 a 0,30.

Por lo tanto, los sujetadores con tratamientos de fosfatado y ennegrecimiento producen casi el doble de diferencia de precarga bajo el mismo torque de ensamblaje. El coeficiente de torsión debe calibrarse mediante experimentos. Los fabricantes de sujetadores deberán controlar estrictamente los procesos de tratamiento de superficies para garantizar coeficientes de torsión consistentes en cada lote. Los usuarios no deberán cambiar arbitrariamente los requisitos de tratamiento de la superficie, para evitar una precarga insuficiente, estiramiento del perno o fractura causada por la fluctuación del coeficiente de torsión.

2 fractura por fatiga

La fractura por fatiga es uno de los modos de falla de pernos más comunes. La mayoría de las fallas por fatiga se originan por defectos de fabricación, incluidos filetes de transición no lisos debajo de las cabezas de los pernos, radio de filete de raíz de rosca insuficiente, rayones en la superficie e inclusiones de material. Mientras tanto, el montaje no-estándar también es un incentivo importante para las fracturas por fatiga y posibles accidentes de seguridad.

Tomando como ejemplo los pernos de rueda de automóviles, el diseño estructural permite que los pernos de rueda soporten solo una precarga axial sin una carga radial directa. Un par de montaje insuficiente provoca una precarga inadecuada y una fricción insuficiente entre el cubo de la rueda y el semieje, lo que provoca un deslizamiento relativo durante el funcionamiento del vehículo.

Durante la rotación de la rueda a alta-velocidad, el perno gira periódicamente con el cubo. El vástago del perno está sujeto a una fuerza de extrusión alterna desde ambos lados de la pared del orificio, lo que genera cargas radiales cíclicas de alta-frecuencia. La acción de carga cíclica a largo plazo-inicia y expande las grietas por fatiga, lo que eventualmente conduce a la fractura por fatiga del perno.

Cuando se produce una fractura de pernos de rueda después de la operación del vehículo, los inspectores primero observarán la morfología de la fractura para juzgar preliminarmente la falla por fatiga antes de realizar-análisis más detallados.

3 fractura por sobrecarga

La fractura por sobrecarga se refiere a la fractura por tracción cuando la carga axial total excede el límite permitido del material del perno. Dado que el área de apoyo efectiva de la sección roscada es menor que la del vástago liso con una concentración de tensión más severa, la fractura por sobrecarga ocurre principalmente en la sección roscada, que puede identificarse preliminarmente por la morfología de la fractura.

Los pernos de grado 8.8 muestran un estrechamiento evidente después de una fractura por sobrecarga; Los pernos de grado 10.9 presentan un ligero estrechamiento; Los pernos de alta resistencia grado 12.9 básicamente no tienen características de estrechamiento en condiciones normales de sobrecarga.

También pueden aparecer estrías evidentes en pernos de grado 8,8 a 12,9 con materiales no calificados, tratamiento térmico inadecuado, enfriamiento incompleto o dureza del núcleo insuficiente. Por lo tanto, los criterios de valoración para la fractura por sobrecarga se especifican de la siguiente manera:

(1) Para fracturas con estricción, las pruebas de muestra se llevarán a cabo de acuerdo con GB/T 3098.1. La fractura por sobrecarga se puede confirmar si se califica la dureza del núcleo.

(2) Se requiere análisis metalográfico paraPernos de alta resistencia-grado 12,9para determinar la fractura por sobrecarga, porque los defectos de la superficie de la rosca y los defectos del material también pueden causar la fractura de la sección roscada y no pueden juzgarse simplemente por la apariencia.

La fractura por sobrecarga ocurre principalmente en uniones atornilladas bajo cargas axiales, con tres causas principales:

a. Un par de torsión de montaje excesivamente alto hace que la precarga supere el límite elástico del material del perno, lo que provoca que el perno se estire o se rompa durante el montaje.

b. Precarga de ensamblaje excesiva cerca del límite elástico del perno. Durante el funcionamiento del equipo, el perno soporta tanto la precarga residual como la carga de trabajo. La superposición de las dos cargas que exceden el límite de resistencia del material provoca una fractura por sobrecarga. Bajo una carga de trabajo constante, una mayor precarga del conjunto genera una mayor precarga residual y un mayor riesgo de sobrecarga.

do. Selección inadecuada de pernos con diámetro de rosca nominal insuficiente que no cumple con los requisitos de rodamiento en el diseño estructural.

Fractura de 4 pernos causada por carga excéntrica del ensamblaje

La fractura de perno debido a una carga excéntrica es una falla típica del proceso de ensamblaje. Se pueden observar evidentes marcas de desgaste en forma de media luna-en la superficie de soporte del perno, donde el área de soporte real solo representa entre 1/4 y 1/3 del área de soporte total y una distribución de tensión muy desigual. El vástago del perno cerca de la fractura se dobla en dirección opuesta a la dirección de la tensión, mostrando características típicas de flexión y fractura excéntricas.

La falla de los pernos por carga excéntrica se debe principalmente a dos factores:

En primer lugar, la superficie de soporte de contacto de las piezas conectadas está inclinada o es desigual, lo que genera tensión local en la superficie.cabeza de pernoy formando una carga excéntrica, que es la causa principal de este caso de falla.

En segundo lugar, el error excesivo de rectitud o la deformación por flexión del vástago del perno provocan una carga excéntrica inherente durante el montaje.

Los dos tipos de cargas excéntricas difieren significativamente en la posición de la tensión y la dirección de flexión del vástago, que se pueden distinguir a través de las huellas de la tensión de la superficie de soporte y la dirección de deformación del perno.

5 Conclusión

Las fallas de los sujetadores, como fracturas, deslizamientos y aflojamientos de roscas, no siempre son causadas por defectos inherentes a la calidad del producto. Se deben seguir procedimientos estandarizados de solución de problemas una vez que se produzca una falla en la fijación:

En primer lugar, preserve completamente las muestras fallidas y proteja las superficies de fractura contra la oxidación, las colisiones y los daños secundarios para garantizar un análisis de fallas preciso.

En segundo lugar, determine preliminarmente el tipo de falla y el incentivo en función de la morfología de la fractura, la apariencia de la muestra, los rastros de tensión superficial y las condiciones de trabajo reales.

En tercer lugar, realice pruebas físicas y químicas profesionales, incluidos análisis metalográficos y detección de dureza. Si los indicadores de materiales y tratamientos térmicos cumplen con los estándares nacionales, la falla se origina en el diseño estructural o en el proceso de ensamblaje; de lo contrario, se confirma como defecto de calidad del sujetador.

Cuarto, formular medidas específicas de rectificación y prevención de acuerdo con las causas de falla confirmadas, estandarizar las especificaciones de diseño y optimizar los procesos de ensamblaje para evitar la recurrencia de fallas similares.