기계 장비와 강철 구조물은 다양한 구성요소로 조립되며, 대부분은 나사형 패스너로 고정적으로 연결됩니다. 나사형 패스너의 고장은 장비 오작동으로 직접 이어집니다. 심한 경우 장비 정지, 구조적 붕괴, 심지어 인명사고까지 발생할 수 있습니다.

패스너 고장의 높은 빈도와 심각한 위험을 고려하여 기술자는 유발 요인을 체계적으로 분석하고 고정 고장을 근본적으로 제거하기 위한 목표 수정 및 예방 조치를 수립해야 합니다.

패스너 고장은 주로 두 가지 범주로 나뉩니다. 첫 번째는 볼트 파단 고장으로, 연결된 구조물이 순간적으로 분리되어 심각한 장비 고장 및 안전사고로 이어지는 경우가 많습니다. 두 번째 범주에는 실쌍 풀림과 실 미끄러짐이 포함됩니다.볼트 또는 너트, 연결된 부품 사이의 상대적 변위가 작아 부분적인 장비 오작동 및 작동 정확도 감소로 이어집니다.

패스너 실패는 점진적인 과정입니다. 적시에 처리하지 않은 경미한 풀림은 계속 악화되어 결국 볼트와 너트가 완전히 분리되어 큰 안전사고로 이어지게 됩니다. 실제 적용에서 대부분의 직원은 불합리한 구조 설계 및 비표준 조립 공정과 같은 핵심 문제를 무시하면서 볼트 파손이 단지 재료 결함과 열악한 너트 품질로 인한 너트 풀림으로 인해 발생한다고 오해하고 있습니다. 본 논문은 다양한 볼트 파단 파손 원인을 설계 및 조립 관점에서 체계적으로 분석한다.

1 전단파괴

볼트 전단 파괴는 대부분 순수 예압을 받는 나사 연결부에서 발생합니다. 전단 파단 표면은 연결된 두 부품의 접합 경계면에 위치하며 작고 부드럽고 밝은 전단 영역을 나타냅니다. 구체적인 실패 원인은 다음과 같이 요약됩니다.

1.1 설계 원인

(1) 조인트 인터페이스의 마찰 계수가 부족하거나 볼트 사양을 잘못 선택하면 예압이 부적절하게 됩니다. 조인트 표면의 마찰력이 공식 fF'

(2) 풀림 방지 구조가 없는 패스너는 -진동 작업 환경에서 사용됩니다. 장기간의-장비 진동은 스레드 쌍을 느슨하게 하고 볼트 예압을 약화시켜 인터페이스 마찰이 부족하고 부품 미끄러짐 및 볼트 전단 파손이 더욱 심해집니다. 진동 환경에서 작동하는 구조물의 경우, 풀림 문제를 방지하기 위해 Spiralock 너트 및 정토크 잠금 너트와 같은 특수 풀림 방지 패스너를 채택해야 합니다.

1.2 조립 원인

불충분한 조립 조임 토크는 표준 이하의 볼트 예압 및 부적절한 인터페이스 마찰로 이어집니다. 외부 하중은 부품의 상대적 미끄러짐을 유발하고 결국 볼트 전단 파손을 초래합니다. 볼트 조임 토크는 강철 구조 엔지니어링 및 엔진 조립에서 중요한 프로세스 지표이며 엄격한 제어가 필요합니다. 그러나 표준화된 토크 관리가 부족하여 다른 산업에서는 종종 무시됩니다. 실제 고장 사례의 경우 대부분의 나사 풀림 및 파손 불량은 부적절한 조립 토크로 인해 발생합니다.

나사산 쌍의 조임력은 너트나 볼트를 회전시켜 생성되며 조립 토크와 정비례합니다. 예압이 설계 요구 사항을 충족하도록 하려면 조립 토크를 프로세스 문서에 명확하게 지정하고 작동 중에 엄격하게 구현해야 합니다. 조립 토크 계산 공식은 다음과 같습니다.

남=KPD

여기서: M - 조립 토크(Nm); K - 토크 계수; P - 설계예압(kN); D - 공칭 볼트 직경(mm).

기존 설계에서는 볼트 예압이 재료 항복강도의 60~80% 범위 내에서 설정되고 안전율은 1.2 이상입니다. 사양과 강도 등급이 다른 볼트의 항복 하중은 GB/T 3098.1을 참조할 수 있습니다.

토크 계수는 스레드 쌍의 마찰 계수와 스레드 쌍 사이의 접촉 표면에 의해 결정됩니다.패스너그리고 연결된 부품. 이는 표면 처리, 강도 정밀도, 기하학적 공차, 나사산 정확도, 지지 표면 거칠기 및 구조적 강성의 영향을 받습니다. 표면 처리가 주요 요소로 작용합니다. 표면 처리에 따라 토크 계수가 거의 두 배까지 크게 달라집니다. 동일한 사양과 강도를 갖는 나사 쌍의 경우 인산염 처리의 토크 계수는 약 0.13~0.15인 반면 흑화 처리의 토크 계수는 0.26~0.30입니다.

따라서 인산염 처리 및 흑화 처리된 패스너는 동일한 조립 토크에서 거의 두 배의 예압 차이를 생성합니다. 토크 계수는 실험을 통해 보정되어야 합니다. 패스너 제조업체는 각 배치의 일관된 토크 계수를 보장하기 위해 표면 처리 공정을 엄격하게 제어해야 합니다. 사용자는 토크 계수 변동으로 인한 불충분한 예압, 볼트 늘어짐 또는 파손을 방지하기 위해 표면 처리 요구 사항을 임의로 변경해서는 안 됩니다.

2 피로골절

피로 파괴는 가장 일반적인 볼트 파손 모드 중 하나입니다. 대부분의 피로 파괴는 볼트 헤드 아래의 매끄럽지 못한 전환 필렛, 불충분한 나사 루트 필렛 반경, 표면 긁힘 및 재료 함유물을 포함한 제조 결함으로 인해 발생합니다. 한편, 비표준 조립도 피로 파괴 및 잠재적인 안전 사고를 유발하는 중요한 원인입니다.

자동차 휠 볼트를 예로 들면, 구조 설계를 통해 휠 볼트는 직접적인 반경방향 하중 없이 축방향 예압만 견딜 수 있습니다. 조립 토크가 부족하면 예압이 부족하고 휠 허브와 하프 샤프트 사이의 마찰이 부족하여 차량 작동 중 상대 미끄러짐이 발생합니다.

고속-휠 회전 중에는 볼트가 허브와 함께 주기적으로 회전합니다. 볼트 생크는 구멍 벽의 양쪽에서 교대로 압출되는 힘을 받아 고주파-주기 방사형 하중이 발생합니다. 장기간-주기적인 하중 작용은 피로 균열을 시작하고 확장시켜 결국 볼트 피로 파손으로 이어집니다.

차량 작동 후 휠 볼트 파손이 발생하면 검사관은 먼저 파손 형태를 관찰하여 피로 파손을 사전에 판단한 후 추가 심층 분석을 수행해야 합니다.-

3 과부하 파손

과부하 파괴는 총 축 하중이 볼트 재질의 허용 한계를 초과하는 경우 인장 파괴를 말합니다. 나사산 부분의 유효 베어링 면적은 응력 집중이 더 심한 매끄러운 생크의 유효 베어링 면적보다 작기 때문에 과부하 파괴는 나사산 부분에서 주로 발생하며 이는 파괴 형태로 미리 식별할 수 있습니다.

등급 8.8 볼트는 과부하 파손 후 명백한 네킹을 보여줍니다. 등급 10.9 볼트에는 약간의 넥킹이 있습니다. 12.9등급 고강도-강도 볼트는 기본적으로 정상적인 과부하 조건에서 넥킹 기능이 없습니다.

부적합한 재료, 부적절한 열처리, 불완전한 담금질 또는 불충분한 코어 경도로 인해 등급 8.8~12.9 볼트에도 명백한 네킹이 나타날 수 있습니다. 따라서 과부하 파괴의 판단기준은 다음과 같다.

(1) 넥킹이 있는 파손의 경우 GB/T 3098.1에 따라 샘플 테스트를 수행해야 합니다. 코어 경도가 적합하면 과부하 파괴를 확인할 수 있습니다.

(2) 금속조직학적 분석이 요구되는 사항은 다음과 같다.12.9등급 고강도-볼트나사산 표면 결함 및 재료 결함도 나사산 단면 파괴를 유발할 수 있으며 외관만으로 판단할 수 없기 때문에 과부하 파괴를 판단하는 것이 좋습니다.

과부하 파손은 주로 축 하중을 받는 볼트 연결에서 발생하며 세 가지 주요 원인이 있습니다.

에이. 조립 토크가 지나치게 높으면 예압이 볼트 재료의 항복 강도를 초과하여 조립 중에 볼트가 늘어나거나 파손될 수 있습니다.

비. 볼트 항복 강도에 가까운 과도한 조립 예압. 장비 작동 중에 볼트는 잔류 예압과 작동 하중을 모두 받습니다. 재료의 강도 한계를 초과하는 두 하중의 중첩은 과부하 파괴를 유발합니다. 일정한 작업 부하에서 조립 예압이 높을수록 잔류 예압도 높아지고 과부하 위험도 커집니다.

기음. 공칭 스레드 직경이 충분하지 않아 구조 설계의 베어링 요구 사항을 충족하지 못하는 잘못된 볼트 선택.

4 조립편심하중으로 인한 볼트파손

편심 하중으로 인한 볼트 파손은 일반적인 조립 공정 실패입니다. 볼트 지지 표면에서 뚜렷한 초승달 모양의- 모양의 마모 흔적이 관찰될 수 있으며, 실제 베어링 면적은 전체 지지 면적의 1/4~1/3에 불과하고 응력 분포가 심각하게 고르지 않습니다. 파손 근처의 볼트 생크는 응력 방향과 반대 방향으로 구부러져 전형적인 편심 굽힘 및 파손 특성을 나타냅니다.

볼트의 편심 하중 파손은 주로 다음 두 가지 요인에 의해 발생합니다.

첫째, 연결된 부품의 접촉 지지면이 기울어지거나 고르지 않아 국부적인 응력이 발생합니다.볼트 머리그리고 이 파손 사례의 주요 원인인 편심 하중의 형성이 발생합니다.

둘째, 볼트 생크의 과도한 직진도 오차나 굽힘 변형으로 인해 조립 시 고유의 편심 하중이 발생합니다.

두 가지 유형의 편심 하중은 응력 위치와 생크 굽힘 방향이 크게 다르며, 이는 지지 표면 응력 추적과 볼트 변형 방향을 통해 구별할 수 있습니다.

5 결론

파손, 실 미끄러짐, 풀림 등의 패스너 고장이 항상 제품 고유의 품질 결함으로 인해 발생하는 것은 아닙니다. 고정 실패가 발생하면 표준화된 문제 해결 절차를 따라야 합니다.

첫째, 파손된 샘플을 완벽하게 보존하고 파손 표면을 녹, 충돌 및 2차 손상으로부터 보호하여 정확한 파손 분석을 보장합니다.

둘째, 파손 형태, 샘플 외관, 표면 응력 추적 및 실제 작업 조건을 기반으로 파손 유형 및 유발을 미리 결정합니다.

셋째, 금속 조직 분석 및 경도 검출을 포함한 전문적인 물리적, 화학적 테스트를 수행합니다. 재료 및 열처리 지표가 국가 표준을 충족하는 경우 구조 설계 또는 조립 공정에서 결함이 발생합니다. 그렇지 않으면 패스너 품질 불량으로 확인됩니다.

넷째, 확인된 고장 원인에 따라 목표 시정 및 예방 조치를 수립하고 설계 사양을 표준화하며 조립 프로세스를 최적화하여 유사한 고장이 재발하지 않도록 합니다.