패스너 볼트 파손의 일반적인 원인 분석

볼트파손의 원인은 다양합니다.패스너. 일반적으로 볼트 손상은 응력 요인, 피로, 부식 및 수소 취성에 의해 발생합니다.

볼트 파손

1. 스트레스 요인
기존 응력을 초과하는(과응력)은 전단, 인장, 굽힘 및 압축 중 하나 또는 조합으로 인해 발생합니다.
대부분의 설계자는 먼저 인장 하중, 예비 하중, 추가 실제 하중의 조합을 고려합니다. 사전 조임력은 기본적으로 내부적이고 정적인 힘으로 조인트 구성 요소를 압축합니다. 실제 하중은 외부, 일반적으로 패스너에 적용되는 주기적(왕복) 힘입니다.
인장 하중은 조인트 구성요소가 열리는 것을 저항하려고 합니다. 이러한 하중이 볼트의 항복 한계를 초과하면 볼트가 탄성 변형에서 소성 변형으로 바뀌어 볼트가 영구 변형됩니다. 따라서 외부부하를 제거하면 원래의 상태로 복원될 수 없습니다. 비슷한 이유로 볼트의 외부 하중이 최대 인장 강도를 초과하면 볼트가 파손됩니다.
볼트 조임은 예압력으로 비틀어 달성됩니다. 설치 중에 과도한 토크로 인해 패스너가 과도하게 조여지고 과도한 응력을 받아 패스너의 축 방향 인장 강도가 감소합니다. 즉, 연속 비틀림을 받는 볼트는 인장과 인장을 직접 받는 볼트에 비해 항복 값이 낮습니다. 이러한 방식으로 볼트는 해당 표준의 최소 인장 강도에 도달하기 전에 항복할 수 있습니다. 토크가 크면 볼트의 사전 조임력이 증가하고 그에 따라 조인트의 느슨함이 감소할 수 있습니다. 잠금력을 높이기 위해 일반적으로 사전 조임력은 상한으로 설정됩니다. 이러한 방식으로 항복 강도와 최대 인장 강도의 차이가 작지 않으면 볼트는 일반적으로 비틀림으로 인해 항복하지 않습니다.
전단 하중은 수직 축에 수직 힘을 가합니다.볼트. 전단응력은 단일전단응력과 이중전단응력으로 나누어진다. 경험적 데이터에 따르면 극한 단일 전단 응력은 극한 인장 응력의 약 65%입니다. 많은 설계자들은 볼트의 인장 강도와 전단 강도를 활용하기 때문에 전단 하중을 선호합니다. 이는 주로 다웰과 같은 역할을 하며 전단을 받는 패스너에 대해 상대적으로 간단한 연결을 형성합니다. 단점은 전단연결이 적용 범위가 제한되어 있고 더 많은 재료와 공간이 필요하기 때문에 자주 사용할 수 없다는 것입니다. 우리는 재료의 구성과 정확성도 결정적인 역할을 한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 인장 응력을 전단 하중으로 변환하는 재료 데이터를 사용할 수 없는 경우가 많습니다.
패스너의 사전 조임력은 전단 연결의 무결성에 영향을 미칩니다. 예압력이 낮을수록 조인트 층이 볼트와 접촉할 때 미끄러지기 쉽습니다. 전단 하중 용량은 나사산이 없는 볼트의 단면이 되어야 하는 가로 평면(1개의 전단 평면을 단일 전단이라고 하고 두 개의 전단 평면을 이중 전단이라고 함)의 수를 곱하여 계산됩니다. 패스너의 전단 강도는 단면이 변경될 때 응력 집중에 의해 극복될 수 있으므로 나사산을 통한 전단 설계를 옹호하지 않습니다. 패스너의 전단 강도를 결정할 때 일부 설계자는 인장 응력 영역을 사용하는 반면 다른 설계자는 작은 직경 섹션을 선호합니다. 전단 연결의 볼트가 지정된 값(그림 2 참조)으로 비틀리면 접촉층의 결합 표면이 외부 마찰 저항을 초과할 때까지 미끄러지기 시작할 수 없습니다. 결합 표면 간의 마찰을 증가시키면 연결의 전반적인 무결성이 향상될 수 있습니다. 때로는 부품의 크기와 설계 요구 사항으로 인해 사용해야 하는 볼트 수가 제한될 수 있습니다.

그림 2: 연결 부품이 단일 절단인지 이중 절단인지에 관계없이 절단 표면이 패스너의 나사산 부분을 통과해서는 안 됩니다.
인장 및 전단 하중 외에도 굽힘 응력은 볼트의 세로 축에 수직이 아니고 베어링 및 결합 표면에 있는 외부 힘으로 인해 볼트가 경험하는 또 다른 하중입니다. 전반적으로 패스너 연결이 단순할수록 무결성과 신뢰성이 높아집니다.
2. 피로
특히 패스너 고장의 주요 원인인 피로를 언급하지 않고 공급업체가 산업용 패스너 관련 규정의 산업 표준을 준수하는 주요 구성 요소를 구매하도록 지시하는 구체적인 법률은 현재 없습니다. 피로 손상은 전체 패스너 파손 건수의 85%를 차지하는 것으로 추정됩니다.
볼트의 피로는 반복적인 인장 하중의 연속적인 작용으로,볼트상대적으로 작은 예압력과 교대 작업 하중을 받습니다. 장기간 이러한 이중 하중 조건에서 정격 인장 강도가 다음보다 작으면 볼트가 파손됩니다. 피로 수명은 하중 응력 주기의 수와 진폭에 따라 결정됩니다. 프레스, 스탬핑 장비 및 성형 기계와 같은 일부 압축 커넥터에도 피로 파괴가 발생할 수 있습니다. 작동 중에 전력과 예압 사이에 여러 복합 응력이 생성됩니다. 반복적인 스트레칭 동작에서 응력 변화의 수와 진폭은 피로와 손상 정도에 따라 영향을 받습니다.
육각 나사와 같은 일반적인 산업용 패스너는 특정 탄성 범위 내에서 지속적으로 늘어나고 원래 모양으로 돌아갑니다. 정상 및 탄성 범위를 넘는 응력을 받으면 결국 파손될 때까지 영구적인 변형이 발생합니다. 확장하고 확장된 상태로 돌아가는 동작을 순환이라고 합니다. 육각형 소켓 나사는 그림 3에 표시된 것처럼 하루에 약 240-10도의 주기(최대)를 견딜 수 있습니다.

그림 3 개선된 Goodman 다이어그램

점선 대각선은 1,000만 주기 동안 90% 확률로 교번 나사 하중의 평균값을 나타냅니다. 실제 대각선은 나사 사전 조임력이 100ksi에 도달할 때 동적 하중과 평균 응력 사이의 최대 편차가 12ksi임을 보여줍니다.
패스너는 최고점에서 최고점까지 반복되는 응력 주기로 인해 결국 균열이 발생합니다. 파손은 일반적으로 패스너의 가장 취약한 지점에서 발생하며 엔지니어는 이를 "최대 응력 집중 영역"이라고 합니다. 응력집중점에서 미세균열이 발생하고 계속해서 응력을 받게 되면 균열이 빠르게 전파되어 패스너에 피로 손상을 초래합니다. 산업용 패스너를 제조하는 기업은 끊임없이 새로운 성형 공정을 탐구하고 앞서 언급한 치명적인 약점을 극복할 수 있는 새로운 제조 방법을 설계 및 개발하고 있습니다.
피로 파괴가 발생하는 가장 일반적인 위치에는 조인트(즉, 첫 번째 하중을 받는 스레드), 루트 필렛, 스레드 및 스레드 종료가 포함됩니다. 제조업의 더 나은 재료와 생산 방법의 개발을 통한 피로 강도의 향상으로 인해 나사산은 패스너의 가장 약한 부분이 되었으며 현재 피로 파괴의 원인이 되는 손상 비율이 가장 높습니다.
설계상의 응력 변수와 패스너의 성능 특성 사이의 상호 관계로 인해 피로 강도 표준을 설정하는 것이 어려운 작업이 되었습니다. 현재 "파단 주기" 수를 결정하고 일련의 패스너의 상대적 강도를 측정하는 것은 복잡한 프로세스입니다.
3. 부식
볼트 파손의 또 다른 이유는 부식입니다. 부식에는 일반 부식, 화학적 부식, 전해 부식, 응력 부식 등 다양한 형태가 있습니다. 전해 부식은 패스너의 화학적 부식을 일으킬 수 있는 전해질인 빗물이나 산성 미스트와 같은 다양한 습한 물질에 패스너가 노출되는 것을 의미합니다. 둘째, 패스너의 재료가 다르기 때문에 전해질 전위가 다르며 전위차로 인해 "마이크로 배터리"가 쉽게 생성될 수 있습니다. 설계자는 금속의 호환성을 바탕으로 최대한 비슷한 전해전위를 갖는 재료를 선택해야 하며, 전해부식으로 인한 균열을 방지하기 위해 전해액 생성 조건을 없애야 한다.
응력 부식은 상대적으로 제한됩니다. 응력 부식은 높은 인장 하중 하에서 발생하며 주로 고강도 합금강으로 만들어진 패스너에 영향을 미칩니다. 합금강(특히 합금 조성이 높은 강철)으로 만들어진 패스너는 응력을 받으면 균열이 발생하기 쉽습니다. 처음에는 일반적으로 표면에 균열과 피트가 형성되고 이후에는 추가 부식이 발생하여 균열 전파가 촉진됩니다. 균열 전파 속도는 볼트의 응력과 재료의 파괴 ​​인성에 의해 결정됩니다. 남은 재료가 가해진 응력을 견딜 수 없을 정도로 기능하면 파손이 발생합니다.
4. 수소 취성
고강도 강철 패스너(일반적으로 로크웰 경도 C36 이상)는 수소 취성에 더 취약합니다. 수소 취성은 패스너 파손의 주요 원인입니다. 수소 취성은 수소 원자가 전체 재료 매트릭스에 들어가 확산되는 현상입니다. 수소 원자가 재료 매트릭스에 들어가면 매트릭스가 격자 왜곡을 겪게 되어 원래의 평형 상태를 방해하고 외부 힘에 의해 쉽게 균열됩니다. 외부하중이 가해질 때나사,수소 원자는 고농축 응력 영역으로 이동하여 결정 경계 가장자리 사이에 상당한 응력을 발생시켜 패스너의 결정 입자 사이에 균열이 발생합니다.
패스너에 설치 전에 중요한 수소가 포함되어 있으면 일반적으로 24시간 이내에 파손됩니다. 패스너에 수소가 들어가면 언제 파손될지 예측할 수 없습니다. 따라서 관련 패스너를 사용할 때 설계자는 특수 프로세스를 갖추고 잠재적인 수소 취성을 최소화하는 공급업체를 선택해야 합니다.
5. 기타 요인
연결 파손이 항상 치명적인 패스너 파손과 직접적인 관련이 있는 것은 아닙니다. 예압 손실이나 패스너 연결의 피로 등 패스너와 관련된 많은 요인으로 인해 마모가 발생할 수 있습니다. 패스너의 중앙 오프셋은 사용 중에 소음과 누출을 일으킬 수 있으므로 파손을 방지하기 위해 계획되지 않은 유지 관리가 필요합니다. 예를 들어, 진동은 나사산의 마찰 저항을 감소시킬 수 있으며, 설치 후 작업 부하 적용으로 인해 패스너 연결이 느슨해질 수 있습니다. 볼트의 고온 크리프와 함께 이러한 요인으로 인해 예압력이 손실될 수 있습니다. 때때로 연결의 파손은 통과하는 구멍이 너무 크거나 작거나, 베어링 영역이 너무 작거나, 재료가 너무 부드럽거나, 하중이 너무 높기 때문에 발생할 수 있습니다. 이러한 상황에서는 직접적인 볼트 파손이 발생하지 않지만 연결 무결성이 손실되거나 궁극적으로 볼트 파손이 발생합니다.