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地脚螺栓疲劳故障因为什么原因

返回列表 来源: 发布日期: 2019.08.15

原标题:地脚螺栓疲劳故障

人们曾经认为金属疲劳在某种程度上是由于材料的冶金性质发生了变化。不知道什么原因,金属变得更弱,变得疲劳(即疲劳),并在交变载荷时过早地失效。在过去的 200年里,它一直是一个众所周知的问题,并且是许多产品失败的原因,甚至涉及生命。现在,经过大量的研究,我们知道疲劳是由一种材料中的一个或多个裂纹引起的。

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疲劳损伤这一术语常被用来描述由于载荷作用而承受的部件的损伤。

 

这种疲劳损伤现在等同于裂缝长度。 在一些关键应用中,要求使用染料渗透剂或甚至通过X射线周期性地检测螺栓,以确保不存在可检测的裂纹。(裂纹可能出现在微观尺度上,即测量技术的检测阈值。)

 

本文的目的是提供一些例子,说明螺栓的设计和制造如何影响其疲劳性能。螺母的疲劳失效实际上是未知的,因为疲劳裂纹由于张力拉伸应力而传播 - 螺母处于压缩应力下,因此任何预先存在的裂缝都不会传播。

 

裂纹可以从一些现有缺陷开始,如金属中的夹杂,或在高应力点(如缺口)开始,并在每次加载时缓慢增长。在实际检测到裂纹之前,可能需要数百万次加载和卸载(称为加载或应力循环)。随着裂纹长度的增加,剩余的材料被放置在越来越大的应力下,因为承受载荷的面积越来越小。

 

当裂纹实际达到临界长度时,它会一直穿过材料,导致完全失效。

1.  已知螺纹表面质量对疲劳寿命有影响:表面越光滑,疲劳寿命越高。 因此,一般而言,已经滚动的螺纹比已切削的螺纹具有更高的疲劳寿命。


2.  疲劳裂纹通常在螺纹的根部开始,这是由于该区域由于截面的局部变化(所谓的应力集中)而受到高应力。热处理后的螺纹滚压会在螺纹根部产生局部压应力。这些压缩应力有助于防止裂纹萌生并因此改善疲劳寿命。

 

在热处理之前轧制螺纹不会产生相同的益处,因为压缩应力通过热处理操作被消除。热处理后的轧制可以提供显着的改善。带螺纹的螺栓在加热后滚动。

与地线相比,处理可以使疲劳强度加倍。虽然热处理后的轧制可以从设计方面提供显着的改进,但从制造成本的角度来看,这是非常可怕的。螺纹的较高硬度显着增加了辊上的磨损,导致较低的使用寿命。有效地,这导致在热处理之后轧制的螺纹的螺栓生产成本更高。 (在大直径螺纹上,通过在螺纹根部诱导压缩应力来提高疲劳强度的方法是实现的喷丸加工。)

 

3.试验表明,螺母面过于靠近螺纹的螺纹跳动区域可能导致过早失效。 螺纹跳动区域通常形成不良,因此是应力集中的区域。 压力最大的螺纹是螺母中的第一个螺纹; 使该区域紧邻螺纹跳动导致疲劳强度降低。 从螺母面到螺纹跳动的两个或更多螺距的距离消除了这种影响。

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4.通过增加根部半径的大小,应力集中减少,疲劳强度提高。

使用具有比通常更大的根半径的螺纹轮廓(例如用于航空航天应用的MJ螺纹),抗疲劳性是最重要的。 MJ螺纹的最小根半径为0.15 p(其中p为螺距),而标准公制螺纹的最小根半径为0.125 p。 (将半径增加到0.18 p以上 -  MJ profifile的最大值可能会导致干扰螺母螺纹。)

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5. 随着疲劳程度的增大,在相同应力条件下,零件的尺寸效应越大,其疲劳强度越低。这适用于螺栓螺纹,效果如图所示。

6.  疲劳裂纹通常在螺纹根部开始,但也可以在螺栓头部下方开始。 通常在该位置的故障是由于头部半径不足(导致高应力集中)或螺栓安装在倾斜表面上。 小的关节角度(例如两度)会对疲劳强度产生可怕的影响。 这种效果在过去造成了许多服务问题; 将焊接结构螺栓连接在一起时相对常见的问题。

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7.螺母中的载荷分布不均匀,大部分载荷由前十几个螺纹承受。 结果,紧固件中的大多数疲劳失效发生在螺母正下方的螺纹中。

可以在螺母中产生更均匀的载荷分布的任何变化都将改善疲劳强度。
        

8.长期以来,已知使用不对称螺纹轮廓可以改善疲劳寿命,因为它在螺母中提供更均匀的载荷分布。 目前使用的最常见的不对称轮廓是应用于螺母螺纹的Spiralock螺纹,并与标准螺栓螺纹一起使用(可提供带有Spiralock轮廓的螺纹刀片)。 SPS Technologies还具有不对称螺纹轮廓,引用该螺纹轮胎使螺栓疲劳寿命提高20%。


9.关于改善坚果中负荷分布以改善坚果疲劳寿命的主题,一项研究报告了一项改变坚果品种的调查。通过在螺母面附近设置凹槽并使螺母面凹陷,报告了疲劳寿命提高了25%。这种方法已被用于改善非常大的疲劳寿命直径螺栓。提供已经使用的更均匀负载分布的其他方法是:使用由具有与螺栓不同的弹性模量的材料制成的螺母;螺栓和螺母螺纹之间的螺距有差异;并使用锥形螺纹。


10.在绝大多数应用中,确保螺栓抗疲劳的最有效方法是确保螺栓充分紧固。典型关节中的预加载螺栓维持通常只有约5%(或更少)的施加载荷(剩余的95%减少了作用在接头上的夹紧力)。因此,适当拧紧的螺栓可以很好地抵抗疲劳载荷。 (例如,如果没有拧紧,则连杆螺栓会迅速失效。)因为交变载荷较小,交替应力也很小,通常远低于螺栓的耐久极限。疲劳失效,当它们确实发生时,通常是紧固或松动不足的结果,这可能使螺栓暴露于不能承受的弯曲应力。

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