Połączenia śrubowe pod presją: jak zabezpieczyć je przed drganiami i samoluzowaniem
źródło: Adobe Stock – NordrodenSamoczynne luzowanie połączeń śrubowych pod wpływem drgań i obciążeń dynamicznych to jedna z najczęstszych, a zarazem najbardziej niedocenianych przyczyn awarii i przestojów maszyn. Rynek oferuje dziś kilka odmiennych podejść do tego problemu, które przedstawiamy w tym artykule.
Zgodnie z klasyczną teorią mechaniki połączeń śrubowych do samoczynnego luzowania dochodzi wtedy, gdy jednocześnie występują dwa zjawiska: cykliczne obciążenia poprzeczne oraz względny poślizg na powierzchniach gwintu i stykach elementów złącza. W praktyce oznacza to, że nawet prawidłowo dokręcona śruba może z czasem tracić napięcie wstępne – a wraz z nim całą siłę docisku, na której opiera się trwałość połączenia.
Powiązane firmy
Skala problemu bywa trudna do uchwycenia, bo koszty przestojów rzadko są wprost łączone z jedną, konkretną przyczyną. Jak wynika z raportu „Value of Reliability” firmy ABB, ponad dwie trzecie przedsiębiorstw przemysłowych doświadcza co najmniej jednej nieplanowanej awarii maszyn miesięcznie, a przy przestoju trwającym trzy dni straty liczone są w dziesiątkach, a nawet setkach tysięcy złotych utraconego zysku brutto. Luzujące się połączenia śrubowe wpisują się w tę statystykę jako przyczyna trudna do wyeliminowania – bo objawia się dopiero po fakcie, w postaci pękniętego elementu albo nagłej awarii.
W energetyce wiatrowej poluzowania elementów mocujących w wieży zwiększają ryzyko poważnego uszkodzenia całej konstrukcji, dlatego monitorowanie stanu połączeń śrubowych należy dziś do standardowych metod ograniczania ryzyka awarii turbin. Koszty utrzymania rosną wraz z eksploatacją urządzenia – dla nowych turbin sięgają 10–15% całkowitych kosztów, a w starszych instalacjach mogą wzrosnąć nawet do 35%.
Podobny problem dotyczy kolejnictwa. W klasycznym, sztywnym przytwierdzeniu szyn typu K luzowanie się wkrętów prowadzi do nieprawidłowego mocowania toru, a sama sztywność konstrukcji sprzyja przenoszeniu drgań – to jeden z powodów, dla których ten typ mocowania jest stopniowo wypierany przez rozwiązania sprężyste. W ciężkim przemyśle – od maszyn budowlanych po instalacje offshore – dostawcy zabezpieczeń śrubowych konsekwentnie wskazują te same warunki pracy jako główne pole zastosowań swoich produktów: silne wibracje, zmienne obciążenia i brak regularnych przeglądów.
Trzy drogi do pewnego połączenia
Rynek odpowiada na ten problem trzema zasadniczo różnymi podejściami technicznymi – mechanicznym, naciągowym i chemicznym – a w obrębie samych rozwiązań mechanicznych funkcjonują przynajmniej dwie odmienne zasady fizyczne.
Pierwsza z nich to systemy klinowe, których działanie opiera się na napięciu, a nie na tarciu. Taką technologię oferują dwie konkurujące ze sobą firmy – HEICO i Nord-Lock. W obu przypadkach chodzi o parę podkładek z powierzchniami klinowymi po jednej stronie i promieniowo rozłożonymi ząbkami po drugiej: podczas montażu ząbki wnikają w materiał łączonych elementów, a różnica między kątem nachylenia klina a kątem wzniosu linii śrubowej gwintu sprawia, że każda próba odkręcenia zwiększa wysokość podkładki oraz napięcie w śrubie. Odkręcenie wymaga więc pokonania rosnącego oporu, co w praktyce eliminuje możliwość samoczynnego poluzowania.
Druga zasada mechaniczna opiera się na połączeniu kształtowym, nie klinowym. Przykładem jest system TIFAS® LockBolt firmy Titgemeyer, w którym precyzyjnie dopasowany pierścień jest trwale, nierozłącznie osadzany na bolcu. Producent podkreśla, że nawet pod wpływem wibracji wprowadzona siła docisku pozostaje stała, a samo poluzowanie pierścienia jest wykluczone – nie dlatego, że rośnie opór przy próbie odkręcenia, jak w systemach klinowych, lecz dlatego, że połączenie w ogóle nie ma możliwości obrotowego rozłączenia się.
Osobną kategorię stanowią rozwiązania naciągowe, przeznaczone do wielkogabarytowych połączeń. HEICO-TEC to nakrętki napinające, w których pożądaną siłę naciągu wytwarza reakcyjne działanie kilku mniejszych śrub umieszczonych w korpusie nakrętki, dokręcanych pojedynczo standardowym kluczem dynamometrycznym. Dzięki temu duży gwint zostaje napięty bez szkodliwych naprężeń skręcających, jakie towarzyszą klasycznemu dokręcaniu momentem – a wariant elastycznych nakrętek reakcyjnych dodatkowo kompensuje straty naciągu wynikające z osiadania złącza.
Trzecią drogą jest zabezpieczenie chemiczne. Marka LOCTITE (Henkel) oferuje anaerobowe środki do zabezpieczania gwintów, które utwardzają się w szczelinie między zwojami, bez dostępu powietrza. W zależności od wymaganej wytrzymałości i demontowalności produkty te dzielą się na kilka klas – od średnio demontowalnych, ogólnego zastosowania (np. LOCTITE 243), przez trudno demontowalne, wymagające podgrzania do 300°C w celu rozłączenia (LOCTITE 270), po warianty dedykowane dużym gwintom (LOCTITE 272).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Rynek nie kończy się na tych czterech przykładach. Podobny cel – ograniczenie ryzyka poluzowania pod wpływem drgań – realizują też inne technologie: specjalne profilowanie podgłowicowe śrub (VIBRALOK® firmy EJOT), trójzwojowy, samogwintujący gwint TAPTITE® licencjonowany przez Conti Fasteners, czy dedykowane zabezpieczenia elektrycznych połączeń śrubowych, jak NSK-E oferowane przez dystrybutora Keller & Kalmbach.
Norma jako wspólny język zaufania
Przy wyborze konkretnego rozwiązania kluczowe jest nie tyle zaufanie do deklaracji marketingowej, ile do wyników testów przeprowadzonych według uznanych norm – i to właśnie o te normy, a nie o markę, warto zapytać dostawcę w pierwszej kolejności.
Test wibracyjny wg DIN 65151, zwany testem Junkera, uznawany jest za najbardziej rygorystyczną metodę sprawdzania odporności połączeń śrubowych na drgania poprzeczne – siła docisku jest w nim mierzona w sposób ciągły przez cały czas trwania próby. Norma DIN 25201-4 precyzuje z kolei kryterium skuteczności: zabezpieczenie uznaje się za działające, jeśli utrzymuje napięcie wstępne śruby na poziomie nie niższym niż 80% wartości początkowej. To właśnie do tych dwóch norm odwołują się producenci systemów klinowych, prezentując wyniki badań własnych oraz niezależnych instytutów.
Inną kategorię stanowi DIN EN ISO 16047, która opisuje test zależności moment–siła zacisku. Nie jest to test odporności na luzowanie, lecz metoda pomiarowa pozwalająca ustalić, jaki moment dokręcania faktycznie przekłada się na realną siłę docisku w danym połączeniu. Ma to znaczenie przy każdym montażu, niezależnie od zastosowanego zabezpieczenia.
Osobne miejsce zajmuje wytyczna VDI 2230, opracowana pierwotnie dla motoryzacji, a dziś stosowana międzynarodowo do systematycznego projektowania i wymiarowania wysokowytrzymałych połączeń śrubowych. W przeciwieństwie do wcześniej wymienionych norm nie jest to test skuteczności zabezpieczenia, lecz metodyka obliczeniowa – dobrze zaprojektowane złącze to warunek wstępny, bez którego nawet najlepsze zabezpieczenie przed luzowaniem nie zrekompensuje błędów na etapie doboru śruby czy określenia wymaganej siły docisku.
Wybór między systemem klinowym, kształtowym, naciągowym a chemicznym zależy przede wszystkim od charakteru obciążeń (stałych czy udarowych), dostępnej przestrzeni montażowej oraz tego, czy połączenie będzie w przyszłości demontowane. Niezależnie od wybranej technologii warto sprawdzić, czy jej skuteczność potwierdzają wyniki testów wykonanych zgodnie z uznanymi normami, a nie wyłącznie deklaracje producenta. W praktyce to właśnie ta różnica decyduje o tym, czy inwestycja w zabezpieczenie połączenia śrubowego rzeczywiście przełoży się na mniej przestojów i awarii.
O Autorze
