Los sujetadores de ultra-alta-resistencia pueden reducir el peso y aumentar el espacio de instalación al reducir su propio tamaño bajo la misma fuerza de sujeción, de modo que la función y el volumen de las piezas conectadas se puedan optimizar, de modo que el equipo pueda lograr el propósito de reducción general del peso y optimización del rendimiento.
Entonces, ¿qué son los pernos de alta-resistencia? ¿Cuáles son los puntos fuertes de los pernos-de alta resistencia? Déjame mostrártelo hoy.
El 28 de noviembre de 2021, el equipo de materiales de acero de alto-rendimiento dirigido por el profesor Dong Han de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Shanghai, Hebei Longfengshan Casting Co., Ltd., Qifeng Precision Technology Co., Ltd., fábrica Zhoushan 7412, Instituto de Investigación de Tecnología Metalúrgica de Jiangsu, Universidad de Shanghai (Zhejiang) Instituto de Investigación de Materiales de Piezas Básicas de -alta gama, Investigación de Nuevos Materiales de la Universidad de Shanghai (Taizhou) Institute y otras siete unidades, después de más de un año de investigación conjunta, a través de la colaboración de la cadena industrial completa de "producción de materiales-fabricación de sujetadores-evaluación de servicios", basada en la teoría de alto-rendimiento de los materiales de acero, utilizando materias primas de hierro de alta-pureza producidas por Longfengshan Casting, desarrollaron con éxito aceros B17.8 y B19.8 para sujetadores de ultra-alta-resistencia, formando Tecnología de fabricación de sujetadores de grados 16,8 y 19,8.
Sujetadores de grado 16,8 y 19,8
1
¿Qué es un perno de alta-resistencia?
Perno de alta-resistencia (Perno de agarre de fricción de alta-resistencia), traducción literal en inglés: perno precargado de fricción de alta-resistencia, abreviatura en inglés: HSFG. Se puede ver que los pernos de alta-resistencia a los que nos referimos en la construcción china son la abreviatura de pernos de preapriete-de fricción de alta-resistencia. En la comunicación diaria, las dos palabras "fricción" y "agarre" simplemente se abrevian, pero muchos ingenieros y personal técnico no entienden bien la definición básica de pernos de alta-resistencia.
Malentendido 1:
¿Los pernos con una calidad de material superior a 8,8 son "pernos de alta-resistencia"?
La principal diferencia entre los pernos de alta-resistencia y los pernos comunes no es la resistencia del material utilizado, sino la forma de la fuerza. La esencia es si se debe aplicar una fuerza de pre-apriete y utilizar fricción estática para resistir el corte.
De hecho, en la norma británica y en la norma estadounidense, los pernos de alta-resistencia (HSFG BOLT) mencionados en la especificación solo tienen dos tipos: 8,8 y 10,9 (BS EN 14399 / ASTM-A325 y ASTM-490), mientras que los pernos ordinarios incluyen 4,6, 5,6, 8,8, 10,9, 12,9, etc. (BS 3692 11 Tabla 2); Se puede observar que la resistencia del material no es la clave para distinguir los pernos de alta resistencia de los pernos ordinarios.
2
¿Dónde está la resistencia de los pernos de alta-resistencia?
Según GB50017, calcule la resistencia a la tracción y al corte de un solo perno ordinario (Clase B) 8.8 y un perno de alta-resistencia 8.8.
A través del cálculo, podemos ver que bajo el mismo grado, los valores de diseño de resistencia a la tracción y resistencia al corte de los pernos ordinarios son más altos que los de los pernos de alta-resistencia.
Entonces, ¿dónde está la "resistencia" de los tornillos de alta-resistencia?
Para responder a esta pregunta, debemos partir del estado de funcionamiento de diseño de los dos pernos, estudiar la ley de su deformación elástica-plástica y comprender el estado límite cuando se destruye el diseño.
Curvas de tensión-deformación de pernos ordinarios y de pernos-de alta resistencia en condiciones de trabajo
Estado límite cuando se destruye el diseño.
Pernos ordinarios: la propia varilla roscada sufre una deformación plástica que excede el margen de diseño y la varilla roscada se corta.
En conexiones de pernos ordinarias, se producirá un deslizamiento relativo entre las placas de conexión antes de que la fuerza de corte comience a soportarse, y luego la varilla del perno y la placa de conexión entrarán en contacto, se producirá una deformación plástica-elástica y se soportará la fuerza de corte.
Pernos de alta-resistencia: se supera la fricción estática entre las superficies de fricción efectivas y las dos placas de acero sufren un desplazamiento relativo, que se considera destruido según las consideraciones de diseño.
En las conexiones de pernos de alta-resistencia, la fricción genera primero la fuerza de corte. Cuando la carga aumenta hasta el punto en que la fuerza de fricción no es suficiente para resistir la fuerza de corte, la fuerza de fricción estática se supera y la placa de conexión sufre un deslizamiento relativo (estado límite). Sin embargo, aunque está destruida en este momento, la varilla del perno está en contacto con la placa de conexión y aún puede usar su propia deformación plástica elástica- para resistir la fuerza cortante.
Concepto erróneo 2:
¿Una alta capacidad de carga significa pernos de alta-resistencia?
A partir del cálculo de un solo perno, se puede ver que la resistencia de diseño de los pernos de alta-resistencia a tensión y corte es menor que la de los pernos ordinarios. Su alta resistencia es esencialmente: durante el funcionamiento normal, no se permite ningún deslizamiento relativo en el nodo, es decir, una pequeña deformación elástica-plástica y una gran rigidez del nodo.
Se puede ver que bajo la carga de nodo de diseño dada, los nodos diseñados con pernos de alta-resistencia no necesariamente ahorran la cantidad de pernos utilizados, pero tienen una pequeña deformación, alta rigidez y alta reserva de seguridad. Los pernos de alta-resistencia son adecuados para vigas principales y otras ubicaciones que requieren una gran rigidez de nodo, lo que se ajusta al principio básico de diseño sísmico de "nodos fuertes, varillas débiles".
La resistencia de los pernos de alta-resistencia no reside en su propio valor de diseño de capacidad de carga, sino en la gran rigidez de sus nodos de diseño, su alto rendimiento de seguridad y su fuerte capacidad anti-destrucción.
3
Comparación entre tornillos de alta-resistencia y tornillos normales
Los pernos comunes y los pernos de alta-resistencia tienen grandes diferencias en los métodos de inspección de la construcción debido a sus diferentes principios de fuerza de diseño.
Los requisitos de rendimiento mecánico de los pernos ordinarios del mismo grado son ligeramente más altos que los de los pernos de alta-resistencia, pero los pernos de alta-resistencia tienen un requisito de aceptación de energía de impacto más que los pernos ordinarios.
El marcado de pernos ordinarios y de alta-resistencia es el método básico para-la identificación in situ de pernos del mismo grado. Dado que los valores para calcular el valor de torsión de pernos de alta-resistencia en las normas británicas y estadounidenses son diferentes, también es necesario identificar pernos de dos normas.
Pernos-de alta resistencia: (M24, L60, grado 8,8)
Pernos ordinarios: (M24, L60, grado 8,8)
Se puede ver que los pernos comunes cuestan aproximadamente el 70% del precio de los pernos de alta-resistencia. Combinado con la comparación de sus requisitos de aceptación, se puede concluir que la parte superior debe ser garantizar el rendimiento de energía de impacto (dureza) del material.
4
Cómo mejorar la resistencia a la fatiga de los pernos
Independientemente de las cargas complejas que se soporten, la forma de falla común de los pernos de alta-resistencia es la falla por fatiga. Ya en 1980, los expertos estudiaron 200 casos de fallos en uniones atornilladas, de los cuales más del 50% fueron fallos por fatiga. Es crucial mejorar la resistencia a la fatiga de los pernos de alta-resistencia.
La fractura por fatiga del perno tiene las siguientes características:
1. La tensión máxima de fractura por fatiga es mucho menor que el límite de resistencia del material bajo tensión estática, e incluso menor que el límite elástico.
2. Las fracturas por fatiga son todas fracturas frágiles sin deformación plástica evidente.
3. La fractura por fatiga es, hasta cierto punto, el resultado de la acumulación de daño microscópico.
Para los pernos, la forma de falla es principalmente la deformación plástica de la parte roscada y la fractura por fatiga del tornillo, entre las cuales:
El 65% del daño ocurre en la primera rosca conectada a la tuerca;
el 20% del daño ocurre en la transición entre la rosca y la varilla desnuda;
El 15% del daño ocurre en el radio de transición entre la cabeza del perno y el tornillo.
01
Optimice el diseño para reducir la concentración de tensiones.
Controle estrictamente el tamaño del extremo del perno para eliminar la concentración de tensión:
a. Utilice un radio de transición mayor;
b. Cortar una ranura en relieve;
do. Corte una ranura de corte posterior al final del hilo;
d. La optimización del ángulo de inclinación del cabezal del perno también puede reducir eficazmente la concentración de tensiones;
mi. Utilice hilos reforzados.
La principal diferencia entre la rosca reforzada y la rosca ordinaria es el diámetro menor d1 y el filete de transición de raíz R de la rosca externa.
La característica principal de la rosca reforzada es que el diámetro menor d1 es mayor que el de la rosca ordinaria, el radio del filete de transición de la raíz aumenta, aumenta R, se reduce la concentración de tensión del perno y existen requisitos específicos para R: R+=0.18042P, Rmin=0.15011P, donde P es el paso, mientras que la rosca ordinaria no tiene tal requisito e incluso puede ser una sección recta.
02
Mejorar el proceso de fabricación
Fortalecer el control de los procesos de tratamiento térmico y tratamiento de superficies durante el proceso de fabricación de pernos puede mejorar efectivamente la fatiga de los pernos.
a. Tratamiento térmico Los pernos primero se tratan térmicamente y luego se laminan, lo que produce una gran tensión de compresión residual dentro de los pernos, lo que ralentiza la formación y el desarrollo de grietas, mejorando así la resistencia a la fatiga de los pernos.
Durante el tratamiento térmico, también se debe evitar la descarburación y se debe comparar la resistencia a la fatiga de los pernos con y sin descarburación superficial.
Dado que el carbono se oxida en la capa descarburada, la cantidad de cementita en la estructura metalográfica es menor que en la estructura normal, por lo que su resistencia o dureza en propiedades mecánicas es menor que en la estructura normal.
Normalmente, la resistencia a la fatiga del perno disminuye en un 19,8% cuando hay descarburación superficial.
b. Fosfatado El tratamiento de fosfatado de la superficie del perno tiene como objetivo prevenir la oxidación y estabilizar la fricción durante el montaje, pero el tratamiento de fosfatado también puede reducir el desgaste.
Reducir la fricción entre la rosca de la rueda de roscado y la rosca del tornillo durante el proceso de laminado de roscas tendrá un efecto positivo en la distribución de la tensión en la rosca del perno después del laminado y reducirá la rugosidad de la superficie de la rosca.
03
Configuración de la precarga adecuada
La fuerza de tracción del tornillo de la conexión de perno ordinaria la soporta principalmente la rosca de soporte de tres-diente-en la parte delantera.
Cuando la precarga inicial es lo suficientemente grande, parte de la raíz de la rosca entrará en deformación plástica localmente y se generará tensión residual en estas raíces de la rosca. La tensión de compresión residual generada en la raíz del hilo puede mejorar la resistencia a la fatiga del hilo.
Al mismo tiempo, la rosca después de la deformación plástica también puede mejorar la distribución de la fuerza de la rosca y reducir la presión de contacto sobre los dientes de la rosca.
Esto también mejora la resistencia a la fatiga del hilo.
Cuanto mayor sea la precarga, mayor será la capacidad de la conexión atornillada para resistir la separación de la conexión y mayor será su capacidad para resistir la relajación de la precarga. Al mismo tiempo, la resistencia a la fatiga efectiva real de la unión atornillada también es mayor.
Por lo tanto, aumentar la precarga de la conexión de perno contribuye a mejorar la capacidad de la conexión de perno para resistir la falla por fatiga bajo cargas externas cíclicas, lo que reduce el riesgo de falla por fatiga de la conexión de perno bajo fuerza de impacto por vibración y sobrecarga limitada.
