Các thiết bị cơ khí và kết cấu thép được lắp ráp từ nhiều bộ phận khác nhau, hầu hết được kết nối cố định bằng ốc vít có ren. Lỗi của ốc vít ren trực tiếp dẫn đến trục trặc thiết bị. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể khiến thiết bị ngừng hoạt động, sập kết cấu và thậm chí gây thương tích cá nhân.

Do tần suất cao và các mối nguy hiểm nghiêm trọng của lỗi dây buộc, các kỹ thuật viên cần phân tích một cách có hệ thống các yếu tố gây ra và xây dựng các biện pháp khắc phục và phòng ngừa có mục tiêu để loại bỏ các lỗi dây buộc một cách cơ bản.

Lỗi dây buộc chủ yếu được chia thành hai loại. Loại đầu tiên là hư hỏng gãy bu lông, gây ra sự tách rời tức thời của các kết cấu được kết nối và thường dẫn đến lỗi thiết bị nghiêm trọng và tai nạn an toàn. Loại thứ hai bao gồm nới lỏng cặp ren và trượt ren củabu lông hoặc đai ốc, tạo ra sự dịch chuyển tương đối nhỏ giữa các bộ phận được kết nối và dẫn đến trục trặc một phần thiết bị và giảm độ chính xác khi vận hành.

Lỗi dây buộc là một quá trình tiến bộ. Việc nới lỏng nhỏ nếu không được xử lý kịp thời sẽ tiếp tục xấu đi và cuối cùng gây ra sự tách rời hoàn toàn của bu lông và đai ốc, gây ra các tai nạn nghiêm trọng về an toàn. Trong ứng dụng thực tế, hầu hết nhân viên đều hiểu sai rằng gãy bu lông chỉ là do khuyết tật về vật liệu và đai ốc bị lỏng do chất lượng đai ốc kém, đồng thời bỏ qua các vấn đề cốt lõi như thiết kế kết cấu không hợp lý và quy trình lắp ráp không{2}}chuẩn mực. Bài viết này phân tích một cách có hệ thống các nguyên nhân gây ra các lỗi gãy bu lông khác nhau từ góc độ thiết kế và lắp ráp.

1 vết gãy cắt

Vết nứt do cắt bu lông chủ yếu xảy ra ở các mối nối ren chịu tải trước thuần túy. Bề mặt đứt gãy do cắt nằm ở giao diện khớp của hai bộ phận được kết nối, tạo ra một vùng cắt nhỏ mịn và sáng. Các nguyên nhân thất bại cụ thể được tóm tắt như sau.

1.1 Nguyên nhân thiết kế

(1) Hệ số ma sát tại bề mặt tiếp xúc không đủ hoặc lựa chọn thông số kỹ thuật bu lông không đúng dẫn đến tải trước không đủ. Khi lực ma sát tại bề mặt mối nối nhỏ hơn tải trọng làm việc ngang, biểu thị bằng công thức fF′＜F (trong đó f là hệ số ma sát bề mặt, F’ là tải trọng làm việc ngang và F là tải trọng làm việc ngang), xảy ra hiện tượng trượt tương đối giữa các bộ phận được liên kết. Thân bu lông chịu lực đùn và lực cắt từ thành lỗ. Khi ứng suất cắt vượt quá cường độ cắt của vật liệu bu lông thì hiện tượng gãy do cắt sẽ xảy ra. Các bộ phận chuyển động dưới tác động của tải trọng sẽ dễ bị hư hỏng hơn. Trong thiết kế kết cấu, các bộ phận giảm tải-và vai định vị có thể được sử dụng để chịu tải ngang, do đó bu lông chỉ thực hiện liên kết kéo mà không chịu lực cắt.

(2) Các chốt không có cấu trúc chống lỏng-được áp dụng trong điều kiện làm việc có rung. Sự rung động lâu dài của thiết bị làm lỏng cặp ren và làm giảm tải trước của bu-lông, dẫn đến ma sát bề mặt không đủ và khiến các bộ phận tiếp theo bị trượt và gãy do cắt bu-lông. Đối với các kết cấu làm việc trong môi trường rung động, nên sử dụng các ốc vít chống{5}}năng lỏng đặc biệt như đai ốc Spiralock và đai ốc khóa mô-men xoắn phổ biến để ngăn ngừa hỏng hóc khi nới lỏng.

1.2 Nguyên nhân lắp ráp

Mô-men xoắn siết chặt cụm lắp ráp không đủ dẫn đến tải trước bu-lông không đạt tiêu chuẩn và ma sát bề mặt không đủ. Tải trọng bên ngoài gây ra sự trượt tương đối của các bộ phận và cuối cùng dẫn đến gãy do cắt bu lông. Mô-men xoắn siết chặt bu lông là một chỉ số quá trình quan trọng trong kỹ thuật kết cấu thép và lắp ráp động cơ và cần được kiểm soát chặt chẽ. Tuy nhiên, nó thường bị bỏ qua trong các ngành công nghiệp khác do thiếu quản lý mô-men xoắn tiêu chuẩn. Trong các trường hợp hỏng hóc thực tế, hầu hết các lỗi lỏng ren và đứt gãy đều xảy ra do mô-men xoắn lắp ráp không phù hợp.

Lực kẹp của một cặp ren được tạo ra bằng cách quay đai ốc hoặc bu lông và có mối tương quan thuận với mômen lắp ráp. Để đảm bảo tải trước đáp ứng yêu cầu thiết kế, mômen lắp ráp phải được quy định rõ ràng trong hồ sơ quy trình và được thực hiện nghiêm ngặt trong quá trình vận hành. Công thức tính mômen lắp ráp như sau:

M=KPD

Trong đó: M - Mô-men xoắn lắp ráp (Nm); K - Hệ số mô men xoắn; P - Tải trước thiết kế (kN); D - Đường kính bu lông danh nghĩa (mm).

Trong thiết kế thông thường, tải trước bu lông được đặt trong khoảng 60% đến 80% cường độ chảy của vật liệu với hệ số an toàn trên 1,2. Tải trọng chảy của bu lông với các thông số kỹ thuật và cấp cường độ khác nhau có thể được tham khảo theo GB/T 3098.1.

Hệ số mô men xoắn được xác định bởi hệ số ma sát của các cặp ren và bề mặt tiếp xúc giữaốc vítvà các bộ phận được kết nối. Nó bị ảnh hưởng bởi việc xử lý bề mặt, độ chính xác về cường độ, dung sai hình học, độ chính xác của ren, độ nhám bề mặt hỗ trợ và độ cứng kết cấu. Xử lý bề mặt đóng vai trò là yếu tố chi phối. Các phương pháp xử lý bề mặt khác nhau dẫn đến sự khác biệt lớn về hệ số mô-men xoắn, lên tới gần gấp đôi. Đối với các cặp ren có cùng thông số kỹ thuật và độ bền, hệ số mô-men xoắn của xử lý photphat là khoảng 0,13 đến 0,15, trong khi hệ số mô-men xoắn của xử lý đen nằm trong khoảng từ 0,26 đến 0,30.

Do đó, các ốc vít được xử lý bằng photphat và bôi đen tạo ra chênh lệch tải trước gần như gấp đôi trong cùng một mômen lắp ráp. Hệ số mô men xoắn phải được hiệu chỉnh thông qua thực nghiệm. Nhà sản xuất dây buộc phải kiểm soát chặt chẽ quá trình xử lý bề mặt để đảm bảo hệ số mô men xoắn phù hợp cho từng lô. Người dùng không được tự ý thay đổi các yêu cầu xử lý bề mặt để tránh không đủ tải trước, giãn bu lông hoặc gãy do dao động hệ số mô-men xoắn.

2 Gãy xương do mỏi

Gãy do mỏi là một trong những dạng hư hỏng bu lông phổ biến nhất. Hầu hết các hư hỏng do mỏi đều bắt nguồn từ các lỗi sản xuất, bao gồm các philê chuyển tiếp không trơn tru dưới đầu bu lông, bán kính phi lê gốc ren không đủ, vết trầy xước bề mặt và tạp chất vật liệu. Trong khi đó, việc lắp ráp không{2}}theo tiêu chuẩn cũng là nguyên nhân quan trọng dẫn đến gãy xương do mỏi và các tai nạn an toàn tiềm ẩn.

Lấy bu lông bánh xe ô tô làm ví dụ, thiết kế kết cấu cho phép bu lông bánh xe chỉ chịu tải trước dọc trục mà không chịu tải trọng hướng tâm trực tiếp. Mô-men xoắn lắp ráp không đủ dẫn đến tải trước không đủ và ma sát giữa trục bánh xe và nửa trục không đủ, gây trượt tương đối trong quá trình vận hành xe.

Trong quá trình-quay bánh xe tốc độ cao, bu lông sẽ quay định kỳ cùng với trục. Thân bu lông chịu lực đùn xen kẽ từ cả hai phía của thành lỗ, dẫn đến tải trọng xuyên tâm có chu kỳ-tần số cao. Tác động tải trọng theo chu kỳ dài hạn-bắt đầu và mở rộng các vết nứt do mỏi, cuối cùng dẫn đến gãy do mỏi bu lông.

Khi vết nứt bu-lông bánh xe xảy ra sau khi vận hành xe, trước tiên, thanh tra viên phải quan sát hình thái vết nứt để đánh giá sơ bộ tình trạng hỏng do mỏi trước khi tiến hành phân tích chuyên sâu hơn nữa.

3 Gãy xương quá tải

Gãy do quá tải là gãy do kéo khi tổng tải trọng dọc trục vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu bu lông. Do diện tích chịu lực hiệu quả của phần ren nhỏ hơn diện tích của thân trơn với nồng độ ứng suất nghiêm trọng hơn nên gãy quá tải chủ yếu xảy ra ở phần ren, có thể xác định sơ bộ bằng hình thái đứt gãy.

Bu lông cấp 8,8 có hiện tượng thắt cổ rõ ràng sau khi gãy do quá tải; Bu lông loại 10,9 có hiện tượng thắt cổ nhẹ; Bu lông cường độ cao-cấp 12,9 về cơ bản không có tính năng thắt cổ trong điều kiện quá tải thông thường.

Hiện tượng thắt cổ rõ ràng cũng có thể xuất hiện ở các bu lông Cấp 8,8 đến 12,9 với vật liệu không đủ tiêu chuẩn, xử lý nhiệt không đầy đủ, tôi chưa hoàn toàn hoặc độ cứng lõi không đủ. Vì vậy, tiêu chí đánh giá đứt gãy do quá tải được quy định như sau:

(1) Đối với các vết nứt có cổ, việc thử nghiệm mẫu phải được thực hiện theo GB/T 3098.1. Gãy do quá tải có thể được xác nhận nếu độ cứng của lõi đủ tiêu chuẩn.

(2) Phân tích kim loại là cần thiết choBu lông cường độ cao-cấp 12,9để xác định đứt gãy do quá tải, vì các khuyết tật bề mặt ren và khuyết tật vật liệu cũng có thể gây ra đứt gãy phần ren và không thể đánh giá chỉ bằng vẻ bề ngoài.

Gãy do quá tải chủ yếu xảy ra ở các liên kết bu lông chịu tải trọng dọc trục, với ba nguyên nhân chính:

Một. Mômen lắp ráp quá cao khiến tải trước vượt quá giới hạn chảy của vật liệu bu lông, dẫn đến bu lông bị giãn hoặc gãy trong quá trình lắp ráp.

b. Tải trước lắp ráp quá mức gần với cường độ năng suất của bu lông. Trong quá trình vận hành thiết bị, bu lông chịu cả tải trước dư và tải trọng làm việc. Sự chồng chất của hai tải trọng vượt quá giới hạn cường độ vật liệu sẽ gây ra hiện tượng đứt gãy do quá tải. Dưới tải làm việc không đổi, tải trước lắp ráp cao hơn dẫn đến tải trước dư cao hơn và nguy cơ quá tải lớn hơn.

c. Lựa chọn bu lông không đúng với đường kính ren danh nghĩa không đủ, không đáp ứng được yêu cầu về ổ trục trong thiết kế kết cấu.

4 Gãy bu lông do tải lệch tâm lắp ráp

Gãy bu lông do tải lệch tâm là lỗi điển hình trong quá trình lắp ráp. Có thể quan sát thấy rõ các vết mòn hình lưỡi liềm-trên bề mặt đỡ bu lông, với diện tích chịu lực thực tế chỉ chiếm 1/4 đến 1/3 tổng diện tích đỡ và sự phân bổ ứng suất không đồng đều nghiêm trọng. Thân bu lông gần vết nứt uốn cong ngược với hướng ứng suất, thể hiện đặc điểm uốn lệch tâm và đứt gãy điển hình.

Lỗi tải lệch tâm của bu lông chủ yếu do hai yếu tố gây ra:

Đầu tiên, bề mặt đỡ tiếp xúc của các bộ phận được kết nối nghiêng hoặc không bằng phẳng, dẫn đến ứng suất cục bộ lênđầu bu lôngvà hình thành tải trọng lệch tâm, đây là nguyên nhân chính gây ra sự cố này.

Thứ hai, lỗi độ thẳng quá mức hoặc biến dạng uốn của thân bu lông gây ra tải trọng lệch tâm vốn có trong quá trình lắp ráp.

Hai loại tải trọng lệch tâm này khác nhau đáng kể về vị trí ứng suất và hướng uốn thân, có thể được phân biệt thông qua dấu vết ứng suất bề mặt đỡ và hướng biến dạng của bu lông.

5 Kết luận

Các hư hỏng của dây buộc như gãy, trượt chỉ và lỏng không phải lúc nào cũng do các khiếm khuyết cố hữu về chất lượng sản phẩm gây ra. Phải tuân thủ các quy trình khắc phục sự cố được tiêu chuẩn hóa khi xảy ra lỗi cố định:

Đầu tiên, bảo quản hoàn toàn các mẫu bị hỏng và bảo vệ các bề mặt gãy khỏi rỉ sét, va chạm và hư hỏng thứ cấp để đảm bảo phân tích lỗi chính xác.

Thứ hai, xác định sơ bộ loại hư hỏng và nguyên nhân dựa trên hình thái đứt gãy, hình dạng mẫu, dấu vết ứng suất bề mặt và điều kiện làm việc thực tế.

Thứ ba, tiến hành các bài kiểm tra vật lý và hóa học chuyên nghiệp bao gồm phân tích kim loại và phát hiện độ cứng. Nếu các chỉ số vật liệu và xử lý nhiệt đạt tiêu chuẩn quốc gia thì lỗi bắt nguồn từ thiết kế kết cấu hoặc quá trình lắp ráp; nếu không, nó được xác nhận là khiếm khuyết về chất lượng dây buộc.

Thứ tư, xây dựng các biện pháp khắc phục và phòng ngừa có mục tiêu dựa trên các nguyên nhân hư hỏng đã được xác nhận, chuẩn hóa các thông số kỹ thuật thiết kế và tối ưu hóa quy trình lắp ráp để tránh tái diễn các hư hỏng tương tự.