อุปกรณ์เครื่องกลและโครงสร้างเหล็กประกอบขึ้นจากส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่เชื่อมต่อแบบตายตัวด้วยสกรูเกลียว ความล้มเหลวของตัวยึดเกลียวทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติโดยตรง ในกรณีที่รุนแรง อาจทำให้อุปกรณ์หยุดทำงาน โครงสร้างพังทลาย และแม้กระทั่งอุบัติเหตุการบาดเจ็บส่วนบุคคล

เนื่องจากความถี่ที่สูงและอันตรายร้ายแรงจากความล้มเหลวของตัวยึด ช่างเทคนิคจึงจำเป็นต้องวิเคราะห์ปัจจัยกระตุ้นอย่างเป็นระบบ และกำหนดมาตรการแก้ไขและป้องกันแบบกำหนดเป้าหมายเพื่อกำจัดความล้มเหลวในการยึดโดยพื้นฐาน

ความล้มเหลวของตัวยึดส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท ประเภทแรกคือความล้มเหลวของการแตกหักของโบลต์ ซึ่งทำให้เกิดการแยกโครงสร้างที่เชื่อมต่อกันทันที และมักส่งผลให้อุปกรณ์ทำงานผิดพลาดอย่างรุนแรงและเกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย หมวดที่สอง ได้แก่ การคลายเกลียวคู่และการเลื่อนของเกลียวสลักเกลียวหรือถั่วซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนตัวสัมพันธ์เล็กน้อยระหว่างชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ และทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติบางส่วนและลดความแม่นยำในการทำงาน

ความล้มเหลวของตัวยึดเป็นกระบวนการที่ก้าวหน้า การคลายตัวเล็กน้อยโดยไม่ได้รับการรักษาอย่างทันท่วงทีจะยังคงเสื่อมสภาพต่อไป และในที่สุดจะทำให้โบลต์และน็อตแยกจากกันโดยสิ้นเชิง ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยที่สำคัญ ในการใช้งานจริง บุคลากรส่วนใหญ่เข้าใจผิดว่าการแตกหักของสลักเกลียวมีสาเหตุมาจากข้อบกพร่องของวัสดุและการคลายตัวของน็อตเนื่องจากคุณภาพของน็อตไม่ดี ขณะเดียวกันก็เพิกเฉยต่อปัญหาหลัก เช่น การออกแบบโครงสร้างที่ไม่สมเหตุสมผลและกระบวนการประกอบที่ไม่ได้มาตรฐาน บทความนี้จะวิเคราะห์สาเหตุของความล้มเหลวของการแตกหักของโบลต์ต่างๆ อย่างเป็นระบบจากมุมมองของการออกแบบและการประกอบ

1 การแตกหักด้วยแรงเฉือน

การแตกหักของแรงเฉือนของโบลต์ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในการเชื่อมต่อแบบเกลียวภายใต้พรีโหลดล้วนๆ พื้นผิวการแตกหักด้วยแรงเฉือนอยู่ที่จุดเชื่อมต่อของส่วนที่เชื่อมต่อกัน 2 ชิ้น ทำให้เกิดพื้นที่เฉือนที่เรียบและสว่างขนาดเล็ก สาเหตุความล้มเหลวเฉพาะสรุปได้ดังนี้

1.1 สาเหตุการออกแบบ

(1) ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีไม่เพียงพอที่ส่วนต่อประสานหรือข้อมูลจำเพาะของโบลต์ที่เลือกไม่ถูกต้อง ส่งผลให้พรีโหลดไม่เพียงพอ เมื่อแรงเสียดทานที่พื้นผิวรอยต่อน้อยกว่าภาระการทำงานตามขวาง แสดงโดยสูตร fF′＜F (โดยที่ f คือสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของส่วนต่อประสาน F′ คือพรีโหลดของสลักเกลียว และ F คือภาระการทำงานตามขวาง) การลื่นสัมพัทธ์จะเกิดขึ้นระหว่างส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ ก้านโบลต์ต้องผ่านการอัดขึ้นรูปและแรงเฉือนจากผนังรู เมื่อความเค้นเฉือนเกินกำลังรับแรงเฉือนของวัสดุสลักเกลียว จะเกิดการแตกหักของแรงเฉือน การเคลื่อนย้ายส่วนประกอบภายใต้แรงกระแทกจะเสี่ยงต่อความล้มเหลวดังกล่าวมากกว่า ในการออกแบบโครงสร้าง สามารถใช้ชิ้นส่วนลดโหลดและไหล่ตำแหน่งเพื่อรับน้ำหนักตามขวางได้ ดังนั้นโบลต์จะทำเฉพาะการเชื่อมต่อแรงดึงโดยไม่มีแรงเฉือนของแบริ่ง

(2) มีการใช้ตัวยึดที่ไม่มีโครงสร้างป้องกันการคลายตัวในสภาพการทำงานที่มีการสั่นสะเทือน การสั่นสะเทือนของอุปกรณ์ในระยะยาวจะทำให้คู่เกลียวคลายตัวและลดค่าพรีโหลดของโบลต์ ส่งผลให้เกิดการเสียดสีส่วนต่อประสานที่ไม่เพียงพอ และทำให้ส่วนประกอบลื่นไถลและแรงเฉือนของโบลต์แตกหักมากขึ้น สำหรับโครงสร้างที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือน ควรใช้ตัวยึดป้องกันการคลายแบบพิเศษ เช่น น็อตเกลียวล็อคและน็อตล็อคแรงบิดทั่วไป เพื่อป้องกันความล้มเหลวในการคลาย

1.2 สาเหตุการชุมนุม

แรงบิดในการขันแน่นในการประกอบไม่เพียงพอส่งผลให้พรีโหลดโบลต์ต่ำกว่ามาตรฐาน และความเสียดทานของอินเทอร์เฟซไม่เพียงพอ โหลดภายนอกทำให้ส่วนประกอบลื่นไถลและส่งผลให้เกิดการแตกหักของแรงเฉือนของโบลต์ในที่สุด แรงบิดในการขันโบลต์เป็นตัวบ่งชี้กระบวนการที่สำคัญในงานวิศวกรรมโครงสร้างเหล็กและการประกอบเครื่องยนต์ และต้องมีการควบคุมที่เข้มงวด อย่างไรก็ตาม ในอุตสาหกรรมอื่นๆ มักถูกละเลยเนื่องจากขาดการจัดการแรงบิดที่ได้มาตรฐาน ในกรณีที่เกิดความล้มเหลวในทางปฏิบัติ ข้อผิดพลาดในการคลายเกลียวและการแตกหักส่วนใหญ่เกิดจากแรงบิดในการประกอบที่ไม่เหมาะสม

แรงจับยึดของคู่เกลียวเกิดจากการหมุนน็อตหรือโบลต์ และมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับแรงบิดในการประกอบ เพื่อให้แน่ใจว่าพรีโหลดตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ แรงบิดในการประกอบจะต้องระบุไว้อย่างชัดเจนในเอกสารกระบวนการ และนำไปใช้อย่างเคร่งครัดระหว่างการทำงาน สูตรคำนวณแรงบิดของการประกอบมีดังนี้:

M=KPD

โดยที่: M - แรงบิดของการประกอบ (Nm); K - สัมประสิทธิ์แรงบิด; P - พรีโหลดที่ออกแบบมา (kN); D - เส้นผ่านศูนย์กลางของสลักเกลียวที่กำหนด (มม.)

ในการออกแบบทั่วไป ค่าพรีโหลดของโบลต์จะถูกตั้งค่าไว้ภายใน 60% ถึง 80% ของความแข็งแรงครากของวัสดุ โดยมีปัจจัยด้านความปลอดภัยสูงกว่า 1.2 น้ำหนักผลผลิตของสลักเกลียวที่มีข้อกำหนดและเกรดความแข็งแรงที่แตกต่างกันสามารถอ้างอิงถึง GB/T 3098.1

ค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดถูกกำหนดโดยค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของคู่เกลียวและพื้นผิวสัมผัสระหว่างรัด และชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกัน โดยได้รับผลกระทบจากการปรับสภาพพื้นผิว ความแม่นยำด้านความแข็งแรง ความทนทานทางเรขาคณิต ความแม่นยำของเกลียว ความหยาบของพื้นผิวรองรับ และความแข็งของโครงสร้าง การรักษาพื้นผิวทำหน้าที่เป็นปัจจัยหลัก การรักษาพื้นผิวที่แตกต่างกันทำให้เกิดค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดที่แตกต่างกันอย่างมาก จนถึงเกือบสองเท่า สำหรับคู่เกลียวที่มีคุณสมบัติและความแข็งแรงเท่ากัน ค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดของการบำบัดด้วยฟอสเฟตจะอยู่ที่ประมาณ 0.13 ถึง 0.15 ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดของการบำบัดการทำให้ดำคล้ำจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.26 ถึง 0.30

ดังนั้นตัวยึดที่มีการบำบัดด้วยฟอสเฟตและการทำให้ดำคล้ำจึงสร้างความแตกต่างพรีโหลดเกือบสองเท่าภายใต้แรงบิดในการประกอบเดียวกัน ค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดต้องได้รับการสอบเทียบโดยการทดลอง ผู้ผลิตตัวยึดจะต้องควบคุมกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวอย่างเคร่งครัดเพื่อให้แน่ใจว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงบิดสม่ำเสมอของแต่ละชุด ผู้ใช้จะต้องไม่เปลี่ยนข้อกำหนดการรักษาพื้นผิวโดยพลการ เพื่อหลีกเลี่ยงพรีโหลดที่ไม่เพียงพอ การยืดสลักเกลียวหรือการแตกหักที่เกิดจากความผันผวนของค่าสัมประสิทธิ์แรงบิด

2 การแตกหักของความเมื่อยล้า

การแตกหักเมื่อยล้าเป็นหนึ่งในโหมดความล้มเหลวของโบลต์ที่พบบ่อยที่สุด ความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าส่วนใหญ่เกิดจากข้อบกพร่องในการผลิต รวมถึงการเปลี่ยนฟิลเลต์ที่ไม่เรียบใต้หัวโบลต์ รัศมีของฟิลเลต์รูตเกลียวไม่เพียงพอ รอยขีดข่วนบนพื้นผิว และการรวมวัสดุเข้าด้วยกัน ในขณะเดียวกัน การประกอบที่ไม่ได้มาตรฐานก็เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดการแตกหักเมื่อยล้าและอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น

ยกตัวอย่างโบลต์ล้อรถยนต์ การออกแบบโครงสร้างช่วยให้โบลต์ล้อรับน้ำหนักพรีโหลดในแนวแกนเท่านั้น โดยไม่ต้องรับภาระในแนวรัศมีโดยตรง แรงบิดในการประกอบไม่เพียงพอส่งผลให้พรีโหลดไม่เพียงพอและแรงเสียดทานระหว่างดุมล้อและเพลาครึ่งไม่เพียงพอ ทำให้เกิดการลื่นไถลสัมพัทธ์ระหว่างการทำงานของยานพาหนะ

ในระหว่างการหมุนล้อด้วยความเร็วสูง สลักเกลียวจะหมุนตามดุมเป็นระยะ ก้านโบลต์ได้รับแรงอัดรีดสลับกันจากทั้งสองด้านของผนังรู ส่งผลให้เกิดโหลดรัศมีแบบไซคลิกความถี่สูง การดำเนินการโหลดแบบวงจรในระยะยาวจะเริ่มต้นและขยายรอยแตกเมื่อยล้า ในที่สุดก็นำไปสู่การแตกหักเมื่อยล้าของโบลต์

เมื่อโบลต์ล้อแตกหักหลังการทำงานของยานพาหนะ ผู้ตรวจสอบจะต้องสังเกตสัณฐานวิทยาการแตกหักก่อน เพื่อประเมินความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าเบื้องต้น ก่อนที่จะทำการวิเคราะห์เชิงลึกเพิ่มเติม

3 การแตกหักเกินพิกัด

การแตกหักเกินพิกัดหมายถึงการแตกหักของแรงดึงเมื่อโหลดตามแนวแกนทั้งหมดเกินขีดจำกัดที่อนุญาตของวัสดุสลักเกลียว เนื่องจากพื้นที่ตลับลูกปืนที่มีประสิทธิภาพของส่วนเกลียวมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ของด้ามเรียบซึ่งมีความเข้มข้นของความเค้นที่รุนแรงกว่า การแตกหักเกินน้ำหนักส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นที่ส่วนเกลียว ซึ่งสามารถระบุได้ในเบื้องต้นด้วยสัณฐานวิทยาของการแตกหัก

โบลต์เกรด 8.8 แสดงให้เห็นคอที่เห็นได้ชัดหลังจากการแตกหักเกินพิกัด สลักเกลียวเกรด 10.9 มีคอเล็กน้อย โดยทั่วไปแล้ว โบลต์ที่มีความแข็งแรงสูงเกรด 12.9 จะไม่มีคุณสมบัติการคอภายใต้สภาวะการโอเวอร์โหลดปกติ

การคอที่ชัดเจนอาจปรากฏในโบลต์เกรด 8.8 ถึง 12.9 ด้วยวัสดุที่ไม่ผ่านการรับรอง การอบชุบด้วยความร้อนไม่เพียงพอ การชุบแข็งที่ไม่สมบูรณ์ หรือความแข็งของแกนกลางไม่เพียงพอ จึงมีการกำหนดเกณฑ์การตัดสินกรณีการแตกหักเกินพิกัดดังนี้

(1) สำหรับการแตกหักที่มีคอ การทดสอบตัวอย่างจะต้องดำเนินการตาม GB/T 3098.1 สามารถยืนยันการแตกหักเกินพิกัดได้หากมีคุณสมบัติความแข็งของแกนกลาง

(2) จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาสลักเกลียวความแข็งแรงสูงเกรด 12.9เพื่อตรวจสอบการแตกหักเกินพิกัด เนื่องจากข้อบกพร่องที่พื้นผิวเกลียวและข้อบกพร่องของวัสดุอาจทำให้เกิดการแตกหักของส่วนเกลียวและไม่สามารถตัดสินได้จากรูปลักษณ์ภายนอกเท่านั้น

การแตกหักเกินพิกัดส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่การเชื่อมต่อโบลต์ภายใต้แรงตามแนวแกน โดยมีสาเหตุหลัก 3 ประการ:

ก. แรงบิดในการประกอบที่สูงเกินไปทำให้พรีโหลดเกินกำลังครากของวัสดุโบลต์ ส่งผลให้โบลต์ยืดหรือแตกหักระหว่างการประกอบ

ข. โหลดล่วงหน้าของชุดประกอบมากเกินไปใกล้กับกำลังครากของโบลต์ ในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ โบลต์จะรับภาระทั้งพรีโหลดที่เหลือและโหลดการทำงาน การซ้อนทับของน้ำหนักทั้งสองเกินขีดจำกัดความแข็งแรงของวัสดุทำให้เกิดการแตกหักของน้ำหนักเกิน ภายใต้ภาระงานคงที่ ค่าพรีโหลดของชุดประกอบที่สูงขึ้น ส่งผลให้ค่าพรีโหลดตกค้างสูงขึ้น และความเสี่ยงในการโอเวอร์โหลดมากขึ้น

ค. การเลือกสลักเกลียวที่ไม่เหมาะสมโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวที่ระบุไม่เพียงพอไม่ตรงตามข้อกำหนดของตลับลูกปืนในการออกแบบโครงสร้าง

4 การแตกหักของโบลต์ที่เกิดจากการโหลดประหลาดของชุดประกอบ

การแตกหักของโบลต์เนื่องจากโหลดเยื้องศูนย์ถือเป็นความล้มเหลวของกระบวนการประกอบโดยทั่วไป รอยสึกหรอรูปจันทร์เสี้ยวที่เห็นได้ชัดเจนสามารถสังเกตได้บนพื้นผิวตัวรองรับโบลต์ โดยพื้นที่ตลับลูกปืนจริงคิดเป็นเพียง 1/4 ถึง 1/3 ของพื้นที่รองรับทั้งหมด และมีการกระจายความเค้นที่ไม่สม่ำเสมออย่างรุนแรง ก้านโบลต์ใกล้กับจุดแตกหักจะโค้งงอตรงข้ามกับทิศทางความเค้น ซึ่งแสดงลักษณะการโค้งงอและการแตกหักแบบปกติ

ความล้มเหลวในการรับน้ำหนักที่ผิดปกติของโบลต์มีสาเหตุหลักมาจากสองปัจจัย:

ขั้นแรก พื้นผิวรองรับการสัมผัสของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อจะเอียงหรือไม่เรียบ ส่งผลให้เกิดความเครียดเฉพาะที่หัวสายฟ้าและสร้างภาระประหลาดซึ่งเป็นสาเหตุหลักของกรณีความล้มเหลวนี้

ประการที่สอง ข้อผิดพลาดเกี่ยวกับความตรงที่มากเกินไปหรือการบิดงอของก้านโบลต์ทำให้เกิดภาระเยื้องศูนย์ระหว่างการประกอบ

โหลดเยื้องศูนย์ทั้งสองประเภทแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในตำแหน่งความเค้นและทิศทางการโค้งงอของก้าน ซึ่งสามารถแยกแยะได้ผ่านร่องรอยความเค้นที่พื้นผิวรองรับและทิศทางการเสียรูปของสลักเกลียว

5 บทสรุป

ความล้มเหลวของตัวยึด เช่น การแตกหัก ด้ายหลุด และการคลายตัวไม่ได้เกิดจากข้อบกพร่องด้านคุณภาพโดยธรรมชาติของผลิตภัณฑ์เสมอไป ขั้นตอนการแก้ไขปัญหาที่ได้มาตรฐานจะต้องปฏิบัติตามเมื่อการยึดล้มเหลวเกิดขึ้น:

ขั้นแรก รักษาตัวอย่างที่ล้มเหลวให้สมบูรณ์ และป้องกันพื้นผิวแตกหักจากสนิม การชน และความเสียหายทุติยภูมิ เพื่อให้แน่ใจว่าการวิเคราะห์ความล้มเหลวแม่นยำ

ประการที่สอง กำหนดประเภทความล้มเหลวและการชักจูงเบื้องต้นโดยพิจารณาจากสัณฐานวิทยาของการแตกหัก ลักษณะตัวอย่าง ร่องรอยความเค้นที่พื้นผิว และสภาพการทำงานจริง

ประการที่สาม ทำการทดสอบทางกายภาพและเคมีอย่างมืออาชีพ รวมถึงการวิเคราะห์ทางโลหะวิทยาและการตรวจจับความแข็ง หากตัวบ่งชี้วัสดุและการบำบัดความร้อนเป็นไปตามมาตรฐานแห่งชาติ ความล้มเหลวนั้นเกิดจากการออกแบบโครงสร้างหรือกระบวนการประกอบ มิฉะนั้นจะได้รับการยืนยันว่าเป็นข้อบกพร่องด้านคุณภาพตัวยึด

ประการที่สี่ กำหนดมาตรการแก้ไขและป้องกันแบบกำหนดเป้าหมายตามสาเหตุของความล้มเหลวที่ได้รับการยืนยัน สร้างข้อกำหนดการออกแบบที่เป็นมาตรฐาน และเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการประกอบเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดซ้ำของความล้มเหลวที่คล้ายกัน