Logistyka.net.pl

Mechanizm uszkodzenia śrub stopowych przytwierdzenia szyn do podkładów typu k

Śruby stopowe i nakrętki, skład chemiczny, własności mechaniczne, parametry gwintu, mechanizm uszkodzenia śrub

Emil CEGIELNY

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH PRZYTWIERDZENIA SZYN DO PODKŁADÓW TYPU K
W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych i obliczeń analitycznych elementów przytwierdzenia sztywnego szyn do podkładów kolejowych typu K , to jest śrub stopowych i nakrętek. Zawarto wyniki badań składu chemicznego i mikrostruktury materiału śrub ,własności mechanicznych , analizy stanu naprężeń w elementach złącznych oraz badania metaloznawcze wykonane na przełomach i przekrojach uszkodzonych śrub wraz z nakrętkami. Postawiono hipotezę dotyczącą przyczyny i mechanizmu zrywania się śrub stopowych w trakcie montażu i demontażu.

FAILURE MECHANISM OF BOLT ALLOY ATTACHING RAILS TO SLEEPERS TYPE K
The article presents laboratory test results and analytical calculations of components of rigid attachment of rails to sleepers type K , it is alloy bolts and nuts. The article contains the research results of chemical composition and microstructure of the bolts material, mechanical properties, analysis of stress in fasteners elements and metallurgy research made on breakthroughs and cross-sections damaged bolts and nuts. The hypothesis concerning the causes and mechanism of breaking the bolt alloy during assembly and disassembly

1. WSTĘP Śruby stopowe wraz z nakrętkami są elementami składowymi przytwierdzenia sztywnego szyn do podkładów typu K, powszechnie eksploatowanego przez koleje polskie.
Dzięki przytwierdzeniom szyn do podkładów dwa toki szynowe tworzą wraz z podkładami rodzaj ustroju ramowego spoczywającego w warstwie podsypki. Rozwiązanie konstrukcyjne przytwierdzenia typu K wraz z pozostałymi elementami składowymi zilustrowano na rysunku 1. dr inż. Emil Cegielny, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych

290

Emil CEGIELNY

Rys. 1. Przytwierdzenie typu K szyny 49E (S49) do podkładu drewnianego [1]: 1 - szyna, 2 - podkładka żebrowa, 3 - przekładka podszynowa, 4 - łapka, 5 - śruba stopowa z nakrętką, 6 - pierścień sprężysty podwójny, 7 - wkręt, 8 - podkład drewniany

Wartość pionowej siły docisku stopki szyny w przytwierdzeniu nie jest jednoznacznie określona z uwagi na różnorodne rozwiązania konstrukcyjne przytwierdzeń stosowanych w praktyce. Zróżnicowanie typów przytwierdzeń wynika z odmiennych doświadczeń poszczególnych kolei, przyjmujących różne założenia przy opracowywaniu ich koncepcji
[2]. Według jednego z nich możliwe jest jedynie wspólne pionowe przemieszczanie szyny wraz z przytwierdzonym do niej podkładem. Zgodnie z drugim założeniem dopuszczalny jest natomiast ruch pionowy szyny w stosunku do podkładu, rzędu 1 mm, z zachowaniem dobrego prowadzenia zestawu kołowego [1,2].
Pionowa siła docisku stopki szyny w przytwierdzeniu powinna zapewnić wystarczający opór przeciwko podłużnemu przemieszczaniu się szyn po podkładach. Przytwierdzenie powinno utrzymywać również szerokość toru i poprzeczne pochylenie szyny, a w przypadku podkładów betonowych także stanowić izolację między szyną a podkładem. W przypadku przytwierdzeń eksploatowanych przez PKP pionowa siła docisku stopki szyny powinna wynosić 9,0÷10,0 kN [2].
Celem przeprowadzonych badań było określenie mechanizmu uszkodzenia omówionych elementów złącznych do przytwierdzania szyn, polegającego na zrywaniu się śrub stopowych wraz z nakrętkami. Uszkodzenia tego typu stwierdzano zarówno podczas montażu jak i demontażu przytwierdzenia.
2. SKŁAD CHEMICZNY I MIKROSTRUKTURA MATERIAŁU ŚRUB
Materiał do badań składu chemicznego pobrano odrębnie z dwu śrub wybranych losowo z różnych serii. W badaniach wykorzystano metodę spektrometryczną. Otrzymane wyniki przedstawiono w tabeli 1.

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH …
Tab. 1 Wyniki analizy składu chemicznego próbek pobranych ze śruby 1 i 2
Specyfikacja

Zawartość pierwiastków [% masowe]
P
S
NI
CR

C

MN

SI

CU

Inne
Śruba 1
MO = 0,008
AL = 0,025
V = 0,0004
TI = 0,0008
Śruba 2
Wymagania wg PN ISO
898-1:2001 kl.6
max. max. 0,05
max. 0,06
Na podstawie uzyskanych wyników w badaniach składu chemicznego można wnioskować, że śruby 1 i 2 wykonano z niestopowej stali konstrukcyjnej węglowej, o zawartości węgla około 0,35%, zgodnie z wymaganiami zawartymi w PN-EN ISO 8981:2001; kl. 4.6.
Mikrostrukturę materiału badanych śrub 1 i 2 przedstawiono na rysunku 2. Jest ona ferrytyczno - perlityczna i odpowiada podanej w tabeli 1 zawartości węgla. Pasowość mikrostruktury materiału śruby nieuszkodzonej 2 jest nieznacznie większa.
Badania metalograficzne przeprowadzone na próbce wzdłużnej, wyciętej ze śruby 2, nie ujawniły mikropęknięć we wrębach gwintu. W mikrostrukturze warstwy wierzchniej śruby
2 stwierdzono jedynie niewielkie wady strukturalne pochodzące od wtrąceń niemetalicznych.
a)

b)

Emil CEGIELNY
c)

d)

e)

f)

g)

h)

Rys. 2. Mikrostruktura w części centralnej: a-d) śruba 1, e-h) śruba 2

3. TWARDOŚĆ I WYTRZYMAŁOŚĆ ŚRUB NA ZRYWANIE
Badania twardości wykonano przy użyciu twardościomierza Brinella firmy Alpha kulką o średnicy 10 mm i obciążeniu 9807 N. Badania wykonano zgodnie z procedurą badawczą
PB/2-9/LB oraz normą PN-EN ISO 6506-1 i PN-EN ISO 898-1:2001. Badaniami objęto

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH … śruby serii SZ i nakrętki ZC. Dla celów porównawczych badaniami objęto również śruby innego wykonawcy oznaczone symbolem Z. Uzyskane wyniki zamieszczono w tabeli 2.
Zestawione w tabeli 2 wyniki świadczą, że wszystkie zarejestrowane wartości twardości śrub i nakrętek mieszczą się w przedziale wartości dopuszczalnych, w pobliżu wartości średnich.
Tab. 2. Twardość śrub stopowych i nakrętek
Wyszczególnienie
Wyniki pomiarów
HBśr
Wymagania wg
PN-EN ISO 898-1:2001
Śruby stopowe serii
SZ 07 Śruby stopowe serii
Z 08
Nakrętki serii
ZC
114÷209

114÷209
Badanie wytrzymałości śrub na zrywanie polegało na obciążeniu śruby w maszynie wytrzymałościowej siłą powodującą jej zerwanie, przy czym wolna długość gwintu była większa od 22 mm. Próby zrywania śrub serii SZ, SZ i Z wykonano w
IMP w Warszawie na hydraulicznej maszynie wytrzymałościowej firmy Otto Wolper
Werke model U o zakresie siłomierza 0÷350 kN. Badania przeprowadzono zgodnie z procedurą badawczą PB/2-1/LB i normą PN-EN ISO 898-1:2001. Otrzymane wartości wytrzymałości na zrywanie zamieszczono w tabeli 3.
Z zamieszczonych w tabeli 3 wyników pomiarów można wnioskować, że wszystkie z badanych śrub, tj. serii SZ, SZ, Z, spełniają wymagania pod względem wytrzymałości na zrywanie.
Tab. 3. Wytrzymałość na zrywanie śrub stopowych serii SZ i Z Śruby stopowe serii Śruby stopowe serii
SZ 07
Z 08
Siła zrywająca [kN] 199,0 197,0 198,0
Wartość średnia
Wymagania wg
PN-EN ISO 898min. 121,0 min. 121,0 min. 121,0
1:2001
Wyszczególnienie
Śruby stopowe serii
SZ 06

4. BADANIA METALOZNAWCZE ŚRUB USZKODZONYCH
Badania metaloznawcze śrub uszkodzonych wykonano w dwu etapach. W etapie pierwszym wykonano badania metalograficzne przełomu śruby nr 1 wybranej losowo ze zbioru śrub uszkodzonych dostarczonych do badań. W drugim etapie do badań wybrano losowo jedną z trzech śrub uszkodzonych w trakcie badań eksploatacyjnych. Zerwaną śrubę wraz z zablokowaną na niej nakrętką oznaczono numerem 3.
Ogólny widok przełomu śruby 1 przedstawiono na rys. 3. Na mikrofotografiach przedstawionych na rysunkach 4 i 5 pokazano szczegóły topograficzne przełomu śruby wykonane przy zastosowaniu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) JS-50LV

Emil CEGIELNY firmy Jeol. Szczegółowe obserwacje mikroskopowe wykazały, że pękniecie śruby 1 powstało na skutek przekroczenia krytycznej wartości naprężeń stycznych (ścinania). Efekt ich działania objawia się w postaci gładkiej powierzchni przełomu z charakterystycznym stożkiem na jej powierzchni. Taki kształt powierzchni przełomu obserwowano na wszystkich uszkodzonych śrubach które poddano badaniom wizualnym.
Na powierzchni przełomu śruby 1, we wrębie gwintu , zauważyć można zarodki szczelin zmęczeniowych, co przedstawiono na mikrofotografiach 6 ÷ 7. Badania metalograficzne wykonano na próbce wzdłużnej, wyciętej ze śruby 1, po polerowaniu i trawieniu 4% azotalem. Badania te ujawniły również zarodki pęknięć występujące we wrębach gwintu śruby.Mikropęknięcia te niewątpliwie modły ułatwić proces ścinania śruby 1. b
a

Profil pęknięcia

B

C
A

Rys. 3. Próbka metalograficzna pękniętej śruby „1” a) zdjęcie makroprzełomu;

Rys.4 Topografia przełomu śruby 1 w pobliżu wrębu gwintu.

b) widok przekroju poprzecznego z profilem pęknięcia, A, B, C - analizowane wręby gwintu

Rys.5 Topografia przełomu śruby
1-mechanizm pękania ciągliwego pod wpływem działania naprężeń stycznych.

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH …

Rys. 6. Widok mikropęknięcia we wrębie gwintu w punkcie A.
Rys. 7. Widok wrębu gwintu B w próbce 1 z widocznymi mikropęknięciami oznaczonymi strzałką
Źródłem mikropęknięć we wrębach gwintu śruby mogą być również błędy kształtu gwintu nakrętki lub nadmierny luz w połączeniu. Nakrętki z niewłaściwie ukształtowaną powierzchnią gwintu w obszarze bruzd lub z „mimośrodowym” zarysem gwintu powodują, że zwoje gwintu nakrętki wywołują odkształcenia plastyczne gwintu śruby wskutek
„rozpierania” wrębów, w wyniku którego dochodzi do koncentracji naprężeń i naruszenia ciągłości struktury we wrębach (bruzdach) śruby.
5. BADANIA METALOZNAWCZE ZERWANEJ ŚRUBY I NAKRĘTKI
Zerwane złącze śrubowe w dalszych badaniach oznaczono cyfrą 3. Analiza faktograficzna przeprowadzona przy zastosowaniu mikroskopu stereoskopowego wykazała, że śruba 3 pękła również na skutek ścinania. Dla potrzeb badań mikroskopowych połączenia gwintowego wewnątrz nakrętki, przy zastosowaniu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), nakrętkę wraz z fragmentem zerwanej śruby przecięto wzdłuż osi.
Po szlifowaniu uzyskano przekrój którego fotografie przedstawiono na rysunkach 8 - 10. Z analizy przekroju wynika, że połączenie gwintowe wewnątrz nakrętki jest zniszczone na dwóch dolnych zwojach roboczych. Makroskopową fotografię uszkodzonego gwintu śruby przedstawiono na rysunku 11.
Na podstawie szczegółowych badań mikroskopowych wykonanych na przekroju połączenia śruby i nakrętki, którego nie udało się rozdzielić, stwierdzono, że na przekroju występują obszary wyraźnego „ nieprzylegania ” powierzchni roboczych gwintu śruby i nakrętki oraz obszary obrazujące „szczepienie” materiału śruby i nakrętki na powierzchniach współpracy gwintów. Mikrofotografie takich stref przedstawiono na rysunku 12 i 13.

Emil CEGIELNY
A

B
5 mm

5 mm
b)

c)

Rys. 8. Fragment śruby „3” z nakrętką po przecięciu z zaznaczonymi miejscami szczegółowej analizy A i B.

5 mm

5 mm

Rys. 9. Powiększony obszar A z rys. 9.

Rys. 10. Powiększony obszar B z rys. 10.

A

5 mm

Rys. 11. Śruba 3 z katastrofalnym uszkodzeniem gwintu.

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH …

Rys. 12. Widok przecięcia połączenia śruby z nakrętką w strefie złomu. Widoczny zgniot struktury powstały w procesie walcowania gwintu.
Rys. 13. Widok strefy połączenia nakrętki ze śrubą. Widoczny zrost tarciowy śruby z nakrętką.

Rysunek 9 i 12 potwierdza i obrazuje wielkość występującego luzu pomiędzy powierzchnią gwintu śruby i nakrętki powyżej strefy złomu. Natomiast na rysunku 10 i 13 widoczna jest strefa wyraźnego „zrostu tarciowego” materiału śruby i nakrętki, będący trwałym połączeniem stykających się obszarów trących powierzchni metalowych gwintu na wskutek dyfuzji poprzez pierwotną granicę ich rozdziału [4]. Zrastanie tarciowe powstaje przy dużych odkształceniach plastycznych oraz wysokiej temperaturze w mikroobszarach tarcia. Połączenie dyfuzyjne materiału śruby z materiałem nakrętki lub produkty zerwania takiego połączenia są powodem zablokowania obrotu nakrętki względem śruby.
Zablokowanie obrotu nakrętki powoduje przeniesienie momentu montażowego na śrubę, konsekwencją którego jest „ścięcie” śruby w płaszczyźnie najmniejszego przekroju, na wskutek przekroczenia dolnej granicy plastyczności materiału śruby (ReL).
6. BADANIA UZUPEŁNIAJĄCE
W ramach badań uzupełniających dokonano oceny jakości wykonania gwintu śrub i nakrętek pod względem wymiarowym i kształtowym oraz określono wartość naprężenia rozciągającego, w śrubie stalowej M22x, przy obciążeniu nominalnym momentem montażowym M=180 [Nm] .
Z będących w dyspozycji par elementów złącznych do pomiaru parametrów wymiarowych gwintu śrub i nakrętek wybrano losowo 4 pary. Śruby i nakrętki były wykonane w klasie zgrubnej ( C ). Gwint śrub wykonano w klasie zgrubnej 8g, a gwint nakrętek w klasie 7H.
Pomiary gwintu przeprowadzono na maszynie dwuwspółrzędnościowej ZKM firmy C.
Zeiss o rozdzielczości układów cyfrowych pomiaru przemieszczeń 0,001mm. Śruby i nakrętki przed pomiarami dokładnie oczyszczono z zabrudzeń i ponumerowano. Śruby były montowane w uchwycie pryzmowym i orientowane w płaszczyźnie pionowej i poziomej.
Pomiar był realizowany w dwóch płaszczyznach dla każdej ze śrub. Pierwszą płaszczyzną była płaszczyzna równoległa do stopy kształtowej , drugą płaszczyzną prostopadła do niej.
Szczegółowe wyniki pomiarów śrub i nakrętek oraz ich uśrednione wartości zmierzonych parametrów gwintu w obszarze współpracy śruby i nakrętki zawarto w opracowaniu [7].

298

Emil CEGIELNY

Otrzymane z pomiarów wartości podstawowych parametrów gwintu śrub wskazują na stosunkowo dobrą jakość jego wykonania. Wszystkie otrzymane wyniki znalazły się w polu tolerancji wymiarowej. Gwinty w nakrętkach wykazują gorsze zachowanie wymiarów średnicowych niż w przypadku śrub. Dotyczy to przede wszystkim średnicy podziałowej.
Znaczne odchyłki w tym przypadku mogą powodować powstawanie nadmiernego luzu między nakrętką a śrubą. Może być on powodem zwiększenia nacisków powierzchniowych na zwojach roboczych śruby, a w konsekwencji powodować ich uszkodzenie.
Zauważono również pewne nieprawidłowości w przebiegu zarysu gwintu, zwłaszcza w obszarze bruzd. W przypadku niektórych śrub sam zarys był wykonany prawidłowo jednak ze zróżnicowaniem w obszarze bruzd. W przypadku nakrętek stwierdzono, że powierzchnie gwintu były chropowate z wyraźnymi błędami kształtu, które mogą uniemożliwiać prawidłową współpracę z gwintem śruby.
Wartości naprężeń występujących w śrubie stopowej obciążonej momentem montażowym M=180 [Nm] określono na podstawie obliczeń analitycznych i MES [7].
Obliczenia naprężenia rozciągającego σr i naprężenia zastępczego przeprowadzono metodą analityczną . Dla potrzeb obliczeń metodą elementów skończonych (MES) wykonano dokładny model CAD 3D badanej śruby oraz współpracującej z nią nakrętki w programie
CATIA V. Model CAD został przeniesiony do programu do analizy MES ANSYS. Do analizy MES wykorzystano element skończony solid187 (10-cio węzłowy element 3-D wyższego rzędu). W analizie uwzględniono kontakt między nakrętką a śrubą. Jako obciążenie przyjęto wartość siły rozciągającej Q=35 290 [N] pochodzącej od momentu montażowego. W wyniku przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że wartość naprężenia rozciągającego w śrubie stopowej M22x, obciążonej nominalnym momentem montażowym M = 180 [Nm], nie przekracza wartości dopuszczalnej wynikającej z normy
PN-EN ISO 898-1 (ReL = 240 MPa ). W przypadku zblokowania nakrętki ze śrubą podczas demontażu (rozkręcania) połączenia momentem M = 180 [Nm] w rdzeniu śruby powstają naprężenia o wartości 274.18 MPa, przekraczające dopuszczalną wartość ReL, powodujące zerwanie śruby.
7. PODSUMOWANIE
Zrealizowane wielokierunkowe badania materiałowe, obliczenia analityczne i MES oraz pomiary parametrów geometrycznych gwintu, śrub i nakrętek, upoważniają do sformułowania następujących wniosków:
• zastosowany na śruby materiał, pod względem składu chemicznego, własności mechanicznych oraz mikrostruktury, spełnia wymagania obowiązujących aktów normatywnych, • obciążenie śruby stopowej momentem montażowym M = 180 Nm, przy zastosowaniu poprawnie wykonanych elementów złącznych, pod względem wymiarowo kształtowym i materiałowym, nie powoduje przekroczenia dopuszczalnej wartości naprężenia rozciągającego, • uszkadzające się śruby serii SZ są wykonane poprawnie pod względem wymiarowym i kształtowym, niewielkie odchyłki w wykonaniu promienia bruzd nie powinny być przyczyną ich uszkadzania się, • zbadane nakrętki serii SZ charakteryzują przekroczenia maksymalnej wartości granicznej średnicy podziałowej i błędy kształtu gwintu, co prowadzi do powstania zbyt

MECHANIZM USZKODZENIA ŚRUB STOPOWYCH … luźnego lub nadmiernie ciasnego połączenia ze śrubą, co stwierdzono w przypadku analizowanej pary nr 3, • bezpośrednią przyczyną uszkodzenia (ścinania) śrub serii badanych serii są adhezyjne zrosty tarciowe powierzchni trących gwintu śruby i nakrętki, powstające w skutek dużych nacisków na współpracujących powierzchniach gwintu spowodowanych błędami kształtowo - wymiarowymi wykonania gwintu nakrętek.
Jednym z podstawowych wariantów występowania zużycia adhezyjnego jest tarcie suche na powierzchniach nośnych połączenia [6]. W analizowanym i badanym przypadku błędy wymiarowo-kształtowe wykonania nakrętki prowadzą do niekorzystnego rozkładu nacisków na powierzchni gwintu, co przy braku smarowania śrub lub miękkich powłok metalowych (miedź, kadm), prowadzi do powstania między wierzchołkami nierówności przeciwległych powierzchni połączeń adhezyjnych. Powierzchnie w wyniku wzajemnych oddziaływań ulegają zgrzaniu lub zespawaniu tworząc w efekcie tzw. mikrozgrzeiny lub mikrospoiny.
Zaobserwowano, że zrywanie śrub podczas odkręcania następuje po kilku obrotach nakrętki. Analiza uszkodzonych połączeń prowadzi do postawienia hipotezy, że w chwili rozpoczęcia odkręcania następuje zerwanie zgrzein i spoin, powstają głębokie wyrywania materiału, a produkty zużycia wypełniają objętość powstałą przez luzy w połączeniu. Z chwilą gdy objętość produktów zużycia przekroczy objętość wywołaną luzami następuje zblokowanie nakrętki i śruby, co powoduje jej zerwanie w miejscu osłabienia rdzenia.
8. BIBLIOGRAFIA
[1] Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych o szerokości toru
1520 i 1524 mm. Zamość 2007.
[2] Towpik K.: Infrastruktura transportu kolejowego. Oficyna wydawnicza Politechniki
Warszawskiej. Warszawa 2004.
[3] Malinowski J., Jakubiec W., Płowucha W.: Pomiary gwintów w budowie maszyn. WNT.
Warszawa 2008.
[4] Hebda M., Wachal A.: Trybologia. WNT. Warszawa 1980.
[5] Lawrowski Z.: Tribologia, tarcie, zużywanie i smarowanie. Wydawnictwo Naukowe
PWN. Warszawa 1993.
[6] Łuczak A., Mazur T.: Fizyczne starzenie elementów maszyn. Wydawnictwa NaukowoTechniczne. Warszawa 1981.
[7] Ustalenie przyczyny występowania wad elementów złącznych - śrub stopowych M22/72 i nakrętek M firmy Connector S.C. Politechnika Krakowska, Kraków 2008