Połączenia śrubowe a bezpieczeństwo pracy maszyn i

Połączenia śrubowe
a bezpieczeństwo pracy
maszyn i urządzeń
Użytkownicy maszyn i urządzeń często napotykają na problemy związane z luzowaniem się śrub i nakrętek. Powszechnie stosowane metody zabezpieczania śrub przed samoczynnym luzowaniem, opierające
się na tarciu, nie dają gwarancji skutecznego działania w warunkach oddziaływania sił dynamicznych,
drgań lub wibracji oraz nie zapewniają kontroli i utrzymania wysokiej wartości siły zacisku bez narażenia
śruby na uszkodzenie.
W
ymagania w tym zakresie dotyczące maszyn używanych w przemyśle spożywczym są szczególnie wysokie
ze względu na konieczność utrzymania ciągłości pracy
i dotrzymania wymagań technologicznych, a tym samym zapewnienia norm jakościowych produkowanej żywności. Dlatego też
jedną z podstawowych kwestii występujących w projektowaniu
maszyn i urządzeń jest zapewnienie skuteczności i bezpieczeństwa
połączeń śrubowych. Muszą one pewnie łączyć skręcane elementy, zapewniając stałą i wysoką wartość siły ściskającej i charakteryzować się odpornością na rozluźniające efekty drgań i obciążeń
dynamicznych, a jednocześnie muszą być łatwo demontowalne
podczas prac naprawczych lub remontowych.
TECHNOLOGIE I INNOWACJE
Metody zabezpieczania połączeń
śrubowych
Jak wiadomo, śruba obciążona statycznie jest utrzymywana
w miejscu przez siły tarcia występujące pod łbem i na gwincie,
jednak pod wpływem obciążeń dynamicznych, drgań lub wibracji wartość tych sił może stopniowo spadać. Świadomość tego
problemu od zawsze zmuszała projektantów do poszukiwania
metod mających zapobiec ich samoodkręcaniu się. Najczęściej
dążono do wzrostu tarcia na gwincie lub pod nakrętką czy łbem
śruby, ale opracowano też inne rozwiązania, spośród których najbardziej popularne to:
yy śruby, gdzie stosunek długości zacisku do średnicy gwintu jest
jak największy; śruba jest długa i relatywnie cienka, a wiec i bardziej elastyczna, musi obracać się dłużej zanim zostanie utracone
napięcie wstępne; koszt zakupu długich śrub jest dość wysoki;
48
Casebook Przemysł spożywczy 2013 / sierpień 2013
| Rysunek 1
| Rysunek 2
podkładki sprężyste, których działanie blokujące jest mocno
wątpliwe, gdyż w większości zwiększają one jedynie w niewielkim stopniu działanie sprężyste śrub (np. do 10% potencjału
śruby kl. 8.8);
yy podkładki radełkowane, które zwiększają tarcie na powierzchniach kontaktu i mają efektywne działanie blokujące w połączeniach obciążonych statycznie;
yy nakrętki koronowe, podkładki odginane, łączenie drutem, co niestety jest związane ze skomplikowanym montażem i demontażem, a jednocześnie nie zapewnia kontroli i utrzymania stabilnej wartości siły zacisku, ponieważ zawleczki, drut czy same
podkładki są z reguły wykonane z miękkiej stali podatnej na odkształcenia, a nawet uszkodzenia, zwłaszcza pod wpływem obciążeń dynamicznych.
yy nakrętki z wkładką nylonową lub zdeformowanym gwintem,
gdzie wykorzystane jest wysokie tarcie na gwincie co sprawia,
yy
Siła zacisku a jakość połączenia śrubowego
Kolejnym problemem, z jakim musi zmierzyć się projektant połączenia śrubowego, jest określenie wartości siły, z jaką mają być
ściskane łączone elementy, co jest najistotniejszym parametrem
decydującym o jakości połączenia śrubowego. Jej wyliczenie musi
uwzględniać warunki, w jakich funkcjonuje dane połączenie oraz
liczne parametry, jak m.in.: rodzaj gwintu, charakterystyka materiałów i powłok elementów łączonych i łączących, warunki tarcia
dla gwintu i łba śruby/nakrętki, bez których dokładne wyznaczenie momentu skręcającego będzie niewiarygodne.
Zapewnienie kontrolowanej wartości siły zacisku w połączeniach śrubowych jest niezwykle istotne, a wręcz niezbędne. Aby
to osiągnąć należy zminimalizować tarcie na powierzchni gwintu
śruby np. przez smarowanie, co zapewni minimalne odchylenia
w otrzymywanych wartościach siły zacisku przy dokręcaniu śruby takim samym momentem skręcającym.
Problemy użytkowników maszyn
Bardzo często przyczyną uszkodzeń maszyn i urządzeń jest poluzowanie się lub pęknięcie elementów złącznych, do którego może dojść na skutek:
yy spadku wartości sił statycznego tarcia na gwincie i pod łbem
pod wpływem działania obciążeń dynamicznych, zwłaszcza poprzecznych, co może doprowadzić do uszkodzeń zmęczeniowych (np. ścięcia śruby);
yy zbyt małej długość zacisku, przy której każdy ruch śruby może
spowodować poważny spadek napięcia;
yy ponownego użycia tych samych śrub lub śrub z uprzednio naniesionym klejem, co powoduje znaczny wzrost tarcia, co z kolei skutkuje bardzo niską wartością siły zacisku.
Co to jest i jak działa klinowy system
zabezpieczania połączeń śrubowych
Wszystkie powszechnie stosowane metody zabezpieczeń połączeń śrubowych są oparte na tarciu i mimo że dość dobrze działają w warunkach obciążeń statycznych, to jednak nigdy nie dadzą pełnej gwarancji niezawodności, a zatem i bezpieczeństwa
w warunkach obciążeń dynamicznych. Taką gwarancję daje natomiast system klinowy, który dla zabezpieczenia połączeń śrubowych wykorzystuje napięcie śruby zamiast tarcia w oparciu o technikę klinowania, zgodnie z wymaganiami normy DIN 25 201. Jest
to jedyna niezawodna metoda niepozwalająca na odkręcenie się
śruby lub nakrętki i chroniąca przed wysokimi kosztami napraw
oraz ryzykiem utraty zdrowia lub nawet życia użytkowników maszyn i urządzeń.
System tworzy zespół dwóch stalowych pierścieni, z których
każdy ma jedną z powierzchni naciętą w formie klinów, a drugą w formie promieniowo rozłożonych ząbków (rys. 1). Pierścienie są złożone ze sobą powierzchniami klinowymi do wewnątrz
i dodatkowo sklejone dla uzyskania zespołu, tworząc w ten sposób podkładkę, którą zakłada się pod łeb śruby lub pod nakrętkę.
Podczas dokręcania śruby lub nakrętki, ząbkowane nacięcia na zewnętrznych powierzchniach podkładki zwierają się ze współpracującymi powierzchniami elementów łączących i łączonych, tworząc z nimi połączenia kształtowe. Dzięki temu podczas odkręcania
powierzchnie zewnętrzne zespołu nie przemieszczają się po powierzchniach współpracujących gdy jednocześnie górny element
zespołu przesuwa się po powierzchni klinowej elementu dolnego. Ponieważ kąt nachylenia powierzchni klinowych α jest większy od kąta wzniosu linii śrubowej gwintu β (rys. 2), przemieszczanie się obu elementów podkładki po sobie powoduje przyrost
wysokości podkładki, a tym samym przyrost napięcia w gwincie
śruby. Odkręcenie śruby lub nakrętki wymaga zatem pokonania
tego przyrostu, co dla montera nie stanowi problemu, natomiast
dla śruby lub nakrętki dążącej do poluzowania się jest niemożliwe.
Należy jeszcze raz podkreślić, że efekt zabezpieczenia uzyskuje
się tu wyłącznie na zasadzie podtrzymania napięcia wstępnego,
Casebook Przemysł spożywczy 2013 / sierpień 2013
49
TECHNOLOGIE I INNOWACJE
że nakrętka nigdy całkowicie się nie odkręci, ale wzrost tarcia nie
gwarantuje uzyskania i utrzymania wysokiej wartości siły zacisku.
Ze względu na wysokie tarcie montaż jest dość pracochłonny.
Nakrętki mogą być używane tylko jednokrotnie;
yy nakrętki kołnierzowe lub śruby z łbem kołnierzowym z ponacinaną/radełkowaną powierzchnią dolną w celu zwiększenia
powierzchni kontaktu i tarcia, co zawsze wymaga zastosowania dużego momentu skręcającego i może m.in. doprowadzić
do poważnych uszkodzeń powierzchni elementu łączonego
podczas dokręcania, a zwłaszcza odkręcania. Mimo że śruba/
/nakrętka jest relatywnie dobrze zabezpieczona przed odkręceniem, wysoka wartość tarcia wpływa na znaczne odchylenia
w osiąganych wartościach siły zacisku;
yy kleje, których stosowanie ze względu na konieczność przygotowania powierzchni i czas oczekiwania na związanie jest metodą bardzo pracochłonną. Demontaż jest zwykle mocno utrudniony i również wymaga znacznego nakładu pracy. Powtórne
użycie elementów złącznych związane jest z ich pracochłonnym czyszczeniem; znaczny wzrost tarcia na gwincie wymaga
użycia dużego momentu skręcającego, co nie prowadzi do uzyskania wysokiej siły zacisku, a może skutkować uszkodzeniem
śruby. Ze względu na zmienne wartości tarcia nie jest również
możliwa kontrola wartości siły zacisku.
Projektanci próbowali również osiągnąć wzrost bezpieczeństwa
połączeń śrubowych przez zastąpienie śrub niższej klasy śrubami klasy wyższej. Niestety nie brali pod uwagę faktu, iż obróbka
powierzchniowa śrub wyższych klas w porównaniu ze standardowym cynkowaniem galwanicznym może zmienić warunki tarcia, co jest istotne przy obliczaniu momentu skręcającego. Nawet
przy większej wartości momentu skręcającego uzyskana siła zacisku może być zbyt mała ze względu na większe tarcie. W efekcie nie wzrasta poziom bezpieczeństwa połączenia śrubowego,
a znacznie wzrastają koszty.
a nie dzięki powszechnym składowym sił tarcia. Niezależność
od tarcia pozwala również na smarowanie elementów połączenia śruboweg, co pozwala na uzyskanie wysokiej i kontrolowanej wartości siły zacisku.
Opis przypadku
Jeden z wiodących polskich producentów maszyn spożywczych, olsztyński OBRAM, zabezpieczał połączenia śrubowe występujące w urządzeniach do formowania twarogu
(Cheeseformer) i w transporterach produkcyjnych zawleczkami wykonanymi ze stali kwasoodpornej 304. Problem, jaki pojawił się w okresie eksploatacji tych urządzeń dotyczył
pękania zawleczek, co skutkowało luzowaniem się połączeń śrubowych, a w konsekwencji uszkodzeniami elementów urządzeń i przerwami w produkcji. Elementy pękniętych zawleczek i połączeń śrubowych mogły dostawać się
również do produkowanej żywności. Obie firmy, producent
maszyn i producent twarogów ponosiły w związku z tym
znaczne straty i koniecznym stało się znalezienie rozwiązania tego problemu.
Projektanci zdecydowali się zmienić sposób zabezpieczania śrub i nakrętek. Zamiast rozwiązania opartego na zawleczkach wprowadzono podkładki klinujące HEICO-LOCK
w wykonaniu ze stali kwasoodpornej EN 1.14 404 typu A4
oraz 254 SMO (rys. 3). Eliminując przyczynę problemu uzyskano jednocześnie pełną gwarancję zabezpieczenia połączeń śrubowych przed poluzowaniem i kontrolę siły zacisku.
TECHNOLOGIE I INNOWACJE
Podsumowanie
System podkładek klinujących jest od dawna znany i szeroko stosowany na całym świecie zarówno w budowie oraz
modernizacji maszyn i urządzeń, jak i w utrzymaniu ruchu
w wielu gałęziach przemysłu, również w przemyśle spożywczym. Firma HEICO Poland jako przedstawiciel producenta
podkładek klinujących HEICO-LOCK, niemieckiej firmy HEICO
Befestigungstechnik GmbH, działa na rynku polskim świadcząc
usługi doradztwa technicznego i sprzedaży. Z naszą ofertą docieramy bezpośrednio do producentów maszyn i urządzeń
oraz do użytkowników, służb remontowych i utrzymujących
ruch. Zalety podkładek klinujących prezentowane były również na branżowych i specjalistycznych sympozjach oraz konferencjach, m.in. na:
yy XV Konferencji Naukowo-Technicznej „Budowa i Eksploatacja Maszyn Przemysłu Spożywczego” BEMS 2012 w Kołobrzegu (publikacja naukowa w kwartalniku „Inżynieria Przemysłu Spożywczego” nr 3/4- 2012),
yy V Konferencji Naukowo-Technicznej „Utrzymanie Ruchu
w Przemyśle Spożywczym” 2013 w Bielsku-Białej.
t
www.heico-lock.pl
50
Casebook Przemysł spożywczy 2013 / sierpień 2013
| Rysunek 3