Porozumění pevnostním třídám šestihranných šroubů a požadavkům zatížení
Pevnost v tahu a mezní pevnost při dynamickém a cyklickém zatížení
Šesidruhové šrouby v průmyslových stroji jsou vystaveny všem druhům dynamických a cyklických zatížení. V důsledku toho, jak spolehlivě se tyto spoje po dobu trvání udržují, hrají důležitou roli pevnost při tažení (jak velké napětí mohou snést, než se zlomí) a pevnost při výtlaku (když se začnou trvale deformovat). Když jsou šrouby opakovaně zatíženy, jejich výstupní síla se stává velmi důležitou pro odolnost proti únavě. Vezměme si šroub s hodnotou pevnosti asi 150 000 psi ve srovnání se standardním šroubem 5. stupně - silnější typicky vydrží asi o 30% déle, než selže pod tlakem. To je velmi důležité na místech s neustálou vibrací jako jsou drtiče, kompresory a jiné rotační zařízení. Udržování původního napětí je zásadní. Testy ukázaly, že kritické klouby musí udržet alespoň 90% původního předběžného zatížení i po 5 milionech cyklů napětí. Pokud se tyto dynamické zatížení neberou v úvahu, hrozí, že se všechno náhle uvolní nebo zcela ztroskotá, zvláště když se směr stresu nečekaně mění.
Porovnání klíčových norem šestihranných šroubů: SAE Grade 5/8, ASTM A325/A490 a metrické 8.8/10.9/12.9
| Standard | Mez pevnosti (min) | Mez kluzu (min) | Hlavní aplikace |
|---|---|---|---|
| SAE Grade 5 | 120 000 psi | 92 000 psi | Obecné strojní zařízení, čerpadla |
| SAE Grade 8 | 150 000 psi | 130 000 psi | Hydraulické systémy s vysokým zatížením |
| Astm a325 | 120 000 psi | 92 000 psi | Konstrukční ocelové spoje |
| ASTM A490 | 150 000–173 000 psi | 130 000 psi | Kritické dilatační a seizmické spáry |
| Metrická třída 8.8 | 800 MPa | 640 MPa | Průmyslové dopravníky |
| Metrická třída 12.9 | 1 220 MPa | 1 080 MPa | Součásti leteckého průmyslu a přesné pohonné soustavy |
Třídy SAE zůstávají standardem pro mobilní a hydraulická zařízení v Severní Americe, zatímco metrické třídy dominují ve výrobě globálních výrobců (OEM). Normy ASTM jsou vyžadovány u konstrukčních aplikací, zejména tam, kde větrné, seizmické nebo nárazové zatížení vyžadují kontrolovanou tažnost a předvídatelné tvárné chování.
Když vyšší pevnost působí proti: Vibrace, relaxace a ztráta předpětí u šestihranných šroubů vysoce pevnostní třídy
Vysokopevnostní šrouby, jako jsou metrické třídy 12.9 nebo ASTM A490, často selhávají v kloubech vystavených stálému pohybu, protože se po prodloužení nevrací zpět tak dobře. Testy na otřesových stolech ukazují, že tyto šrouby třídy 12.9 ztrácejí přibližně o 25 % více tahového napětí ve srovnání se standardními šrouby třídy 8.8, když jsou vystaveny podobným vibracím po delší dobu. Co se zde děje, je vlastně docela jednoduchá fyzika – závity vystaveny vyšší koncentraci napětí a navíc existuje větší riziko vzniku drobných povrchových poškození mezi díly, které jsou pevně stlačeny k sobě. Když se teplota opakovaně mění, situace se pro šrouby A490 umístěné poblíž pecí ještě zhoršuje – ty se uvolňují přibližně o 40 % rychleji než běžné šrouby A325 za stejných změn teploty. Aby se zabránilo tomuto problému, inženýři objevili několik řešení. Přírubové šrouby pomáhají lépe rozložit zatížení po povrchu. Použití speciálních zajišťovacích hmot vynikajícím způsobem funguje v oblastech, kde součásti vibrují více než 10krát za sekundu. A někdy dává smysl prostě použít šrouby střední pevnosti potažené elastickými materiály namísto maximalizace pevnostních parametrů, když je rozhodující spíše odolnost proti trvalému pohybu než maximální jednorázová síla.
Kritické rozměrové a funkční faktory při specifikaci šestihranných šroubů
Strategie záběru závitu: Plně vs. částečně závitové šestihranné šrouby pro těsnost upnutí
Hloubka, do které zasahují závity, má velký vliv na to, jak dobře spojovací prvky drží a jaké selhání se mohou objevit. Šestihranné šrouby se zcela závitovaným dříkem rovnoměrně rozvádějí smykové síly po celém svém dříku, což je činí vynikající volbou pro konstrukční aplikace, kde hraje roli namáhání smykem – například spoje ocelových konstrukcí budov. Verze s částečným závitem fungují jinak, neboť soustřeďují většinu upínací síly přímo kolem hlavy šroubu a pod maticí. To efektivně pomáhá zabránit uvolňování v důsledku vibrací u strojů, které se otáčejí nebo opakovaně pohybují tam a zpět. Zkušenosti ukazují, že pro zachování správné upínací síly při opakovaném zatížení je potřeba minimálně 1,5násobek průměru šroubu zapojeného závitu. U běžného 12mm šroubu by proto měla být délka zasahujícího závitu cca 18 mm. Příliš hluboké zaříznutí do tvrdých materiálů může vést k poškození závitu, zatímco nedostatečné zasahování, zejména ve měkčích kovech jako je hliník, má za následek předčasné vytažení a snížení momentu upnutí o přibližně 30 % oproti doporučeným specifikacím. Nalezení optimálního poměru mezi délkou zasahování závitu a vlastnostmi materiálu je klíčové pro spolehlivá řešení spojování.
Výhody šestihranné hlavy: Přenos točivého momentu, opakované použití a přístup do těsných prostorů strojů
Šestihranné hlavy poskytují lepší kontrolu točivého momentu a jsou kompatibilní s většinou běžných nástrojů ve srovnání s kruhovými nebo čtyřhrannými šrouby. Šest ploch umožňuje utahování a uvolňování po 60 stupních, což je velmi důležité při přesné montáži prováděné venku na místě. Šestihranné šrouby třídy ASTM A325 lze znovu použít více než 200krát, aniž by se hlava deformovala, což znamená menší potřebu výměn v budoucnu a dlouhodobé úspory. Jejich kompaktní tvar je ideální pro těsné prostory nacházející se v komplexních strojních zařízeních. Tyto šrouby dobře zapadnou do převodovek a jiných omezených prostor, kde je často k dispozici méně než 25 mm volného místa. Jak upozornil časopis Machinery Design minulý rok, přibližně 78 procent inženýrů volí během rekonstrukčních projektů šestihranné šrouby namísto čtyřhranných. Dělají tak hlavně proto, že jsou vhodné pro standardní klíče, ale také proto, že potřebují pouze 40stupňový oblouk pohybu, aby dosáhli na obtížně přístupná upevňovací místa blokovaná okolními součástmi.
Shoda s normami a aplikací-specifické odpovídání šestihranných šroubů
Výběr správného šestihranného šroubu zahrnuje posouzení druhu namáhání, do kterého bude šroub vystaven, místa instalace a platných předpisů. V případě korozivních podmínek, zejména těch obsahujících chloridy, doporučuje se nerezová ocel 316 dle norem ASTM A193 nebo ISO 3506-2. Pro díly vystavené trvalému vibracím jsou nejvhodnější šrouby třídy pevnosti 10.9 ve spojení s maticemi s trvalým momentem utažení, které brání uvolňování v čase. Materiály použité v zařízeních pro potravinářský průmysl musí splňovat požadavky FDA podle 21 CFR 178.3740 a zároveň vyhovovat normě NSF/ANSI 51. Stavební konstrukce vyžadují šrouby certifikované podle norem ASTM A325 nebo A490, doplněné o stopovatelné zkušební protokoly z válcovny, což je základní požadavek pro odolnost proti zemětřesení a silnému větru. Nezapomeňte zkontrolovat dostatečnou délku zaříznutí závitu (doporučuje se alespoň jedna náhradní průměr) a to, zda hlava šroubu dobře zapadá do přiděleného prostoru. Malé šestihranné hlavy se mohou snadno otáčet na těžko přístupných místech. Pokud pracujete v různých zemích nebo chcete větší flexibilitu dodavatelského řetězce, hledejte spojovací prvky splňující specifikaci ISO 898-1 pro pevnost, nebo dodržující pokyny ASME B18.2.1 pro rozměry a přesah.
