Comprensión de los efectos del coeficiente de fricción en la estabilidad de las uniones atornilladas

Resumen: Las uniones atornilladas fijan firmemente dos o más piezas conectadas mediante la fuerza de apriete entre ellas. El coeficiente de fricción de la superficie de apoyo y la rosca son dos factores críticos que afectan a la fuerza de apriete. En este artículo, la atención se centra en el proceso de montaje de pernos de alta resistencia para la corona de giro de un [...]

Índice

Resumen:

Las uniones atornilladas sujetan firmemente dos o más piezas conectadas mediante la fuerza de apriete entre ellas.

El coeficiente de fricción de la superficie de apoyo y la rosca son dos factores críticos que afectan a la fuerza de apriete.

En este artículo, la atención se centra en el proceso de montaje de pernos de alta resistencia para la corona giratoria de una gran grúa.

El artículo comienza analizando la relación teórica entre el par de instalación, el coeficiente de fricción, el coeficiente de par y el sujeción fuerza.

A continuación, mediante una prueba comparativa de apriete en condiciones totalmente lubricadas para la rosca y la rosca y la superficie de apoyo, se demuestra que la condición de lubricación tiene un impacto significativo en la fiabilidad de la instalación del tornillo y en la dispersión del coeficiente de par y del coeficiente de fricción.

En condiciones de lubricación total, la dispersión del coeficiente de fricción y del coeficiente de par es menor, lo que se traduce en una mayor estabilidad y fiabilidad de las uniones atornilladas.

Prefacio

Las uniones atornilladas son un modo de conexión mecánica muy utilizado en maquinaria de elevación. Su fiabilidad es crucial para el rendimiento general de la maquinaria de elevación, especialmente para las uniones atornilladas de alta resistencia de componentes clave como la corona giratoria.

A fiable conexión por pernos es esencial para el funcionamiento normal del producto, y un fallo en la conexión puede provocar graves accidentes de seguridad.

El propósito de una unión atornillada es garantizar que dos o más piezas conectadas estén estrechamente ajustadas. Para soportar la carga de movimiento, debe mantenerse una fuerza de apriete suficiente entre las piezas conectadas para garantizar su conexión fiable y su funcionamiento normal.

Una fuerza de apriete insuficiente puede provocar un deslizamiento lateral entre las dos piezas, lo que somete al tornillo a un esfuerzo cortante innecesario y puede provocar su rotura.

Por ello, mejorar la fiabilidad y estabilidad de las uniones roscadas de alta resistencia es cada vez más importante. Unos parámetros de apriete o un control del proceso inadecuados pueden repercutir negativamente en la fiabilidad de la unión roscada y provocar fallos.

Desde la perspectiva de la reducción de la dispersión de la fuerza de apriete y la optimización del proceso de apriete, este artículo determina el par de instalación y el proceso de apriete de los pernos de alta resistencia para la corona de rotación de grandes equipos de elevación mediante el análisis teórico y la comparación de los datos de prueba.

1. Análisis teórico

1.1 El coeficiente de par puede determinarse mediante la siguiente fórmula, que se basa en la relación entre el par de apriete y la fuerza de sujeción.

Dónde:

  • K - coeficiente de par;
  • T - Par de apriete;
  • F - Fuerza de sujeción;
  • D - Diámetro nominal de la rosca

1.2 De acuerdo con GBT16823.3, el par de apriete de los tornillos deberá cumplir lo siguiente

Dónde,

  • P: Paso del tornillo
  • μth: Coeficiente de rozamiento de la rosca.
  • μb: Coeficiente de rozamiento de la superficie de apoyo de la tuerca o tornillo.
  • d2: Diámetro de paso de la rosca
  • dh: Diámetro interior de la superficie de apoyo en contacto
  • d0: Diámetro exterior de la superficie de apoyo.

En la instalación de tornillos, el par de apriete T puede dividirse en tres partes:

El par de fricción de la superficie de apoyo (Tb) es el par consumido por la fricción entre la tuerca y el plano de la arandela.

El par de rosca (Tth) y la fuerza de apriete (F) se consumen por la fricción entre la rosca del tornillo y la rosca de la tuerca (cuerpo).

Durante la instalación de la conexión del tornillo, la mayor parte del par de instalación se pierde debido a estas dos fuentes de fricción.

Por lo tanto, el coeficiente de fricción del extremo (μb) y el coeficiente de fricción de la rosca (μth) son los principales factores que afectan a la fuerza de sujeción (F).

La fuerza de apriete puede variar mucho en función de los coeficientes de fricción.

La dispersión del coeficiente de fricción de la cara extrema (μb) y del coeficiente de fricción de la rosca (μth) determina directamente la estabilidad de la fuerza de apriete (F). Véase la figura 1.

Fig.1

1.3 El coeficiente de fricción de la rosca puede calcularse y determinarse aproximadamente mediante la relación entre el par de rosca y la fuerza de apriete, utilizando la siguiente fórmula.

1.4 El coeficiente de fricción de la superficie de apoyo puede calcularse y determinarse aproximadamente a partir de la relación entre el par de fricción de la superficie de apoyo y la fuerza de apriete, utilizando la siguiente fórmula.

El coeficiente de par, el coeficiente de fricción de la rosca y el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo pueden determinarse midiendo el par de apriete, el par de la rosca, el par de fricción de la superficie de apoyo y la fuerza de apriete.

2. Análisis de las pruebas

Se ha analizado y estudiado la influencia del coeficiente de par de apriete, el coeficiente de fricción de la rosca y el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo sobre la fuerza de apriete en uniones atornilladas en diferentes condiciones, mediante ensayos del proceso de apriete de diferentes series de pernos de montaje de coronas giratorias. El equipo de ensayo utilizado es un comprobador vertical del coeficiente de fricción fabricado por Schatz, Alemania, y el método de ensayo sigue las normas GB/T 16823.3.

El par total, el par de rosca, el par de fricción de la superficie de apoyo y la fuerza de apriete se miden mediante un sensor de par/ángulo y un sensor de fuerza de apriete. El coeficiente de par, el coeficiente de fricción de la rosca y el coeficiente de fricción de la cara frontal pueden calcularse automáticamente mediante las fórmulas (1), (3) y (4) en el equipo de ensayo.

Fig.2

Las tuercas seleccionadas para la instalación de la corona giratoria de una gran grúa se prueban para simular las condiciones reales de montaje. Las tuercas de prueba se sustituyen por tuercas reales, y sus materiales, equipos de procesamiento y proceso de montaje coinciden con los productos finales.

Las especificaciones de los pernos son:

  • Norma: DIN931
  • Talla: M48-10.9
  • Material: 40CrNiMo
  • Acabado superficial: Dacromet

La arandela correspondiente es:

  • Norma: DIN6919
  • Diámetro interior: 49 mm
  • Diámetro exterior: 82 mm

Las tuercas de prueba de repuesto son de material 960 doméstico.

Como lubricante se utiliza un agente antiagarrotamiento de alta temperatura a base de plata.

Se realizaron dos grupos de pruebas comparativas para comparar la influencia del estado de lubricación en el coeficiente de fricción, el coeficiente de par y la dispersión de la conexión.

En un grupo, la grasa se aplicó uniformemente a la parte roscada del perno, pero no a la superficie de apoyo de la arandela. En el otro grupo, la grasa se aplicó tanto en la parte roscada del perno como en la superficie superior de la superficie de apoyo de la arandela. Los datos de las pruebas figuran en la tabla 1.

Cuadro 1

Método de lubricaciónNúmeroF(KN)T (N.m)K1b1tot
Lubricación completa1#1000.35389.390.110.080.090.08
2#1000.15185.810.110.070.090.08
3#1000.245515.260.110.080.090.09
4#1000.15683.10.120.090.090.09
5#1000.15238.650.110.080.080.08
6#1000.245394.050.110.080.090.08
7#1000.375578.980.120.090.080.09
8#1000.15768.570.120.080.10.09
Sólo lubricación de roscas1#1000.16568.710.150.090.130.1
3#1000.45998.860.130.070.130.09
4#1000.16716.10.150.090.140.11
5#1000.35733.30.120.070.10.08
6m1000.15982.980.130.080.120.09
7#1000.25356.290.110.070.10.08
8#1000.15990.220.130.090.130.09

Las figuras 3 y 4 presentan las curvas del coeficiente de fricción de la superficie de apoyo (μ_b) y del coeficiente de fricción de la rosca (μ_th) en dos condiciones de lubricación diferentes: lubricación de la rosca únicamente y lubricación completa, respectivamente.

Los resultados indican que el coeficiente de fricción de la rosca (μ_th) en condiciones de lubricación oscila entre 0,07 y 0,09 y se mantiene relativamente estable.

En comparación, el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo (μ_b) en condiciones de lubricación es relativamente estable, con valores que oscilan entre 0,08 y 0,1 para los ocho grupos de muestras. En cambio, sin lubricación, el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo oscila entre 0,1 y 0,14, mostrando una escasa estabilidad y una gran dispersión entre los ocho grupos de muestras.

Fig.3
Fig.4

La figura 5 muestra la curva del coeficiente de par (K) en dos condiciones de lubricación: sólo lubricación de la rosca y lubricación completa.

Los resultados revelan que el coeficiente de par (K) de los ocho grupos de muestras en condiciones de lubricación total oscila entre 0,11 y 0,12, con valores estables y una dispersión mínima.

Por el contrario, el coeficiente de torsión (K) de la muestra lubricada con rosca tiene un rango más amplio, de 0,11 a 0,15, con poca estabilidad y una mayor dispersión.

Fig.5

Las figuras 6 y 7 muestran las curvas de la fuerza de apriete del par durante la apriete de pernos bajo dos condiciones de lubricación: sólo lubricación de la rosca y lubricación completa, respectivamente.

Los resultados indican que, cuando se aplica el mismo par de apriete, la fuerza de apriete bajo lubricación total es mayor que bajo lubricación de rosca únicamente, y la dispersión de las curvas dentro del mismo grupo de muestras es menor.

Fig.6
Fig.7

Los datos de los dos grupos de pruebas comparativas muestran que la aplicación de lubricante en la superficie del cojinete reduce significativamente el coeficiente de fricción y el coeficiente de par en aproximadamente 15% y mejora la estabilidad. Esto demuestra que la aplicación de lubricante en la superficie del cojinete es un método eficaz para reducir el coeficiente de par y aumentar la estabilidad.

3. Estado de la industria

En la maquinaria de construcción, las fijaciones suelen instalarse utilizando el método del par de apriete, que es directo, sencillo y fácil de manejar. El par de instalación viene determinado por el coeficiente de fricción, y es crucial disponer de un valor numérico preciso. Sin embargo, ignorar la dispersión del coeficiente de fricción, conocida como desviación estándar, puede afectar significativamente a la fiabilidad de la unión atornillada.

En la actualidad, la norma nacional GB/T 1231-2000 establece las normas para los pares de uniones atornilladas de alta resistencia en estructuras de acero. El coeficiente de torsión (K) se especifica como 0,11-0,15, con una desviación estándar ≤ 0,01.

Muchos usuarios se centran únicamente en el coeficiente de par de apriete y creen que, una vez determinado, el par de apriete de la instalación puede establecerse inmediatamente, lo que da lugar a una conexión del tornillo. Sin embargo, a menudo se pasa por alto la desviación típica. Si la desviación estándar es superior a 0,01, la fuerza de preapriete de cada tornillo variará durante la instalación. Si la desviación estándar es demasiado grande o demasiado pequeña, algunos pares de conexiones de tornillos pueden apretarse demasiado o demasiado poco, lo que puede suponer un riesgo para la fiabilidad de la instalación.

Por otro lado, si el coeficiente de par es grande y la desviación estándar es inferior a 0,01, la dispersión del par de conexiones es mínima, y la fuerza sobre cada par de tornillos es relativamente uniforme. Un aumento del coeficiente de par durante la instalación puede dar lugar a un valor de par más elevado, pero no provocará un apriete excesivo ni aflojamiento, lo que mejorará la fiabilidad y la seguridad de la instalación.

En conclusión, desde cierta perspectiva, la desviación típica es más importante que el coeficiente de par.

4. Conclusión

El coeficiente de fricción de la rosca, el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo y el coeficiente de torsión son parámetros técnicos críticos que deben comprenderse y dominarse al instalar pares de conexiones de tornillos. En la actualidad, estos parámetros son ampliamente reconocidos y tenidos en cuenta por la mayoría de los usuarios durante la instalación.

Un coeficiente de fricción menor conlleva un coeficiente de par menor. Al determinar el par de instalación, un coeficiente de par menor se traduce en una mayor fuerza de apriete.

A la inversa, un coeficiente de par mayor conlleva una fuerza de apriete menor. Si el coeficiente de par es pequeño hasta cierto punto, la fuerza de apriete generada por un par determinado puede superar el límite de resistencia del tornillo, provocando el estiramiento del tornillo de alta resistencia o incluso su fractura por fatiga.

Por otro lado, si el coeficiente de par es demasiado grande, la fuerza de apriete generada será demasiado pequeña y el par de conexión de la fijación no funcionará correctamente, lo que provocará holguras.

El estado de lubricación tiene un impacto significativo en los valores del coeficiente de fricción de la rosca, el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo y el coeficiente de par. En general, los pares de conexiones de elementos de fijación con superficies de producto rugosas y marcas de mecanizado perceptibles tendrán valores de coeficiente de par y coeficiente de fricción más elevados.

Sin embargo, tras la lubricación, estos valores pueden disminuir significativamente. Además, la lubricación también afecta a la dispersión del coeficiente de fricción de la rosca, el coeficiente de fricción de la superficie de apoyo y el coeficiente de torsión. La dispersión de estos valores es menor bajo lubricación, lo que garantiza una mayor estabilidad y fiabilidad de la unión atornillada.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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