ISO 3800 Elementy złączne gwintowane – Badanie zmęczenia osiowego – Metody badań i ocena wyników

W normie „ISO 3800 Elementy złączne gwintowane – Badania zmęczeniowe osiowe – Metody badań i ocena wyników” opublikowanej przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO) wyjaśniono warunki przeprowadzania badań zmęczeniowych osiowych elementów złącznych gwintowanych, a także podano zalecenia dotyczące oceny wyników.

O ile nie uzgodniono inaczej, badania są przeprowadzane w temperaturze pokojowej, z obciążeniem rozłożonym wzdłuż osi podłużnej elementu złącznego. Wpływ dopasowania zaciskanych części na naprężenie elementu złącznego nie jest uwzględniany.

Metoda ta pozwala na określenie wytrzymałości zmęczeniowej elementów złącznych gwintowanych.

Wyniki testów mogą być uzależnione od warunków testowych. Dlatego niniejsza norma określa minimalne wymagania mające na celu ograniczenie tego efektu. Uwzględniono również metody kalibracji i kontroli centrowania aparatury badawczej.

Zasadniczo, testy gwintowanych elementów złącznych przeprowadza się w celu określenia właściwości zmęczeniowych, takich jak krzywa Wohlera. Badane gwintowane elementy złączne są montowane w osiowej maszynie wytrzymałościowej do badania zmęczeniowego i poddawane zmiennemu obciążeniu rozciągającemu.

Stałe średnie naprężenie jest często stosowane do określania nieokreślonej trwałości. Stały współczynnik naprężenia jest często stosowany w testach odbiorczych jakości.

Badanie jest kontynuowane do momentu uszkodzenia próbki lub przekroczenia ustalonej liczby cykli naprężeń. Liczba cykli badań jest zazwyczaj określana na podstawie materiału lub wytrzymałości zmęczeniowej próbki. O ile nie określono inaczej, uszkodzenie definiuje się jako całkowite rozdzielenie elementu złącznego na dwie części.

Maszyna wytrzymałościowa używana w tych testach jest wyposażona w układ, który automatycznie utrzymuje obciążenia w granicach 2% wartości wymaganych przez cały czas trwania testu oraz zlicza i rejestruje całkowitą liczbę cykli na test. Aby zapewnić tę dokładność, maszyna wytrzymałościowa jest okresowo kalibrowana. Zakres częstotliwości testowania powinien wynosić od 4,2 Hz do 250 Hz. Maszyna wytrzymałościowa generuje sinusoidalne wahania obciążenia na badanym elemencie. Maszyna wytrzymałościowa powinna być wyposażona w układ zapobiegający jej automatycznemu ponownemu uruchomieniu po zatrzymaniu spowodowanym zanikiem zasilania.

Urządzenia pomiarowe muszą być zdolne do przenoszenia obciążeń osiowych na badany element. Podstawowe wymagania przedstawiono na rysunkach podanych w normie. Zaleca się samonastawność.

Należy okresowo weryfikować ustawienie osiowe przyrządu pomiarowego. Należy to zrobić za pomocą sworznia kontrolnego z czterema tensometrami umieszczonymi pod kątem 90 cali (237 mm) na wspólnej linii środkowej wokół osi. Długość równoległej części sworznia kontrolnego obciążenia powinna być czterokrotnie większa od jego średnicy. Różnica między maksymalnym naprężeniem a nominalnym naprężeniem rozciągającym, mierzona przy 50% zakresu obciążeń zastosowanych w maszynie, nie powinna przekraczać 6% nominalnego naprężenia rozciągającego. Nie zaleca się stosowania urządzeń samonastawnych. W przypadku ich użycia należy dokładnie sprawdzić ustawienie osiowe, ponieważ każde obciążenie mimośrodowe może znacząco wpłynąć na wyniki testu zmęczeniowego.

Krótko mówiąc, norma ISO 3800 określa:

• Standardowe warunki testowe do badań zmęczeniowych osiowych (na podstawie rozciągania) elementów złącznych gwintowanych (np. śrub, szpilek).
• Wytyczne dotyczące konfiguracji testu, obejmujące przykładanie obciążenia, kontrolę środowiska i kalibrację sprzętu.
• Metody oceny wykorzystujące krzywe S-N (naprężenie w funkcji liczby cykli) i analizę statystyczną.

Celem niniejszej normy jest ocena wytrzymałości zmęczeniowej elementów złącznych, co ma kluczowe znaczenie dla przewidywania trwałości pod obciążeniami cyklicznymi.

Podstawowe procedury testowe opisane w tej normie to:

• Testy trwałości zmęczeniowej: Trwałość zmęczeniową określa się przy określonych amplitudach naprężeń. Zazwyczaj testuje się co najmniej sześć próbek przy stałym poziomie naprężenia, aby ocenić rozkład trwałości zmęczeniowej. Analiza statystyczna określa poziomy naprężenia dla 10%, 50% i 90% prawdopodobieństwa awarii, zazwyczaj prezentowane za pomocą wykresu prawdopodobieństwa Gaussa.
• Zakres przejściowy (nieskończonej żywotności): Testy te określają granicę zmęczenia (granicę wytrzymałości), przy której uszkodzenie utrzymuje się nawet po wielu cyklach. Stosowane są metody takie jak analiza drabinkowa, graniczna lub arcus sinus. Statystycznie wiarygodne granice zmęczenia (na przykład z tolerancją plus/minus 5%) wymagają zazwyczaj 15–30 próbek.

Testy generują krzywe S–N, które przedstawiają amplitudę naprężeń w funkcji liczby cykli do uszkodzenia (N). Narzędzia statystyczne szacują graniczne wartości wytrzymałości dla określonej niezawodności. Metody obejmują:

• Sieć prawdopodobieństwa Gaussa dla danych o skończonym czasie życia.
• Metody schodkowe, brzegowe i łukowo-sinusowe do oceny zakresu przejściowego.

Główne powody, dla których norma ISO 3800 jest ważna, to:

• Zapobiega uszkodzeniom zmęczeniowym: Wiele uszkodzeń mechanicznych maszyn, pojazdów i konstrukcji jest spowodowanych nie tylko pojedynczymi przeciążeniami, ale także powtarzającymi się obciążeniami cyklicznymi. Zapewniając standardową procedurę określania wytrzymałości zmęczeniowej, norma ta pomaga inżynierom projektować elementy złączne, które nie pękną ani nie rozerwą się niespodziewanie podczas użytkowania.
• Zapewnia globalną porównywalność wyników badań: Bez wspólnej normy dwa laboratoria mogłyby badać tę samą śrubę i otrzymywać różne wyniki z powodu różnic w sprzęcie, metodach obciążenia lub przygotowaniu próbki. Norma ta precyzyjnie określa wymagania dotyczące maszyn, sposobu przykładania obciążenia, ustawienia i metod oceny, zapewniając powtarzalność i porównywalność wyników w różnych krajach i branżach.
• Obsługuje zastosowania krytyczne dla bezpieczeństwa: Elementy złączne są stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, kolejowym, budowlanym i ciężkim, gdzie nawet awaria pojedynczej śruby może doprowadzić do katastrofalnych wypadków. Przestrzegając tej normy, producenci mogą udowodnić, że ich produkty spełniają wymagania dotyczące wytrzymałości zmęczeniowej wymagane w tych zastosowaniach wysokiego ryzyka.
• Usprawnia rozwój produktu i kontrolę jakości: Zespoły badawczo-rozwojowe wykorzystują te testy norm do oceny nowych materiałów, powłok lub projektów przed masową produkcją. Zespoły kontroli jakości mogą przeprowadzać okresowe testy, aby upewnić się, że każda partia spełnia wymagania dotyczące trwałości.
• Umożliwia projektowanie oparte na niezawodności: Norma ta uwzględnia metody oceny statystycznej (np. krzywe S–N) i pozwala inżynierom projektować w oparciu o pożądane prawdopodobieństwo trwałości. To podejście oparte na danych ogranicza przeprojektowanie (które powoduje marnotrawstwo materiałów) i niedoprojektowanie (co zwiększa ryzyko awarii).

W rezultacie norma ISO 3800 jest wiarygodnym punktem odniesienia w zakresie oceny wytrzymałości zmęczeniowej elementów złącznych gwintowanych w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Niezależnie od tego, czy jesteś producentem elementów złącznych, inżynierem jakości, czy projektantem konstrukcji, norma ta zapewnia ramy dla spójności, niezawodności i identyfikowalności w badaniach zmęczeniowych.

Nasza organizacja, działająca od wielu lat i skrupulatnie śledząca globalny rozwój nauki i technologii, zatrudnia wykwalifikowany zespół i dysponuje rozbudowaną infrastrukturą do przeprowadzania testów, pomiarów i analiz w szerokim zakresie dziedzin dla firm ze wszystkich sektorów. W tym kontekście świadczymy również usługi testowe zgodnie z normą ISO 3800 „Gwintowane elementy złączne – Badanie zmęczeniowe obciążenia osiowego – Metody badań i ocena wyników”.