機械設備や鉄骨構造物はさまざまな部品から組み立てられており、そのほとんどはねじ留め具によってしっかりと接続されています。ネジの破損は機器の故障に直結します。深刻な場合には、機器の停止、構造の倒壊、さらには人身事故を引き起こす可能性があります。

締結部品の破損は頻繁に発生し、重大な危険が伴うため、技術者は、締結部品の破損を根本的に排除するために、その誘発要因を系統的に分析し、対象を絞った修正および予防策を策定する必要があります。

ファスナーの故障は主に 2 つのカテゴリに分類されます。 1 つ目のカテゴリはボルトの破損です。これは接続された構造の瞬間的な分離を引き起こし、通常は重大な機器の故障や安全上の事故を引き起こします。 2 番目のカテゴリには、糸ペアの緩みと糸の滑りが含まれます。ボルトまたはナット接続部品間に微小な相対変位が生じ、装置の部分的な故障や動作精度の低下につながります。

ファスナーの破損は進行性のプロセスです。適時に対処しないと軽度の緩みが進行し、最終的にはボルトとナットが完全に分離し、重大な安全事故を引き起こします。実際の応用では、ほとんどの担当者が、不合理な構造設計や非標準の組み立てプロセスなどの中核的な問題を無視しながら、ボルトの破損は材料の欠陥やナットの品質の低下によるナットの緩みだけが原因であると誤解しています。-本稿では、さまざまなボルトの破断破壊原因を設計面と組立面から体系的に分析します。

1 せん断破壊

ボルトのせん断破壊は主に、純粋な予荷重がかかったねじ接続で発生します。せん断破面は 2 つの接続された部品の接合界面に位置し、小さく滑らかで明るいせん断領域を示します。具体的な故障原因をまとめると以下のようになります。

1.1 設計上の原因

(1) 接合界面の摩擦係数が不足していたり、ボルトの仕様が適切でなかった場合、予圧が不足します。接合面の摩擦力が、fF'＜F（fは界面摩擦係数、F'はボルトの予圧、Fは横方向作用荷重）の式で表される横方向作用荷重よりも小さい場合、結合された構成要素間に相対滑りが発生します。ボルトシャンクは穴壁からの押し出し力とせん断力を受けます。せん断応力がボルト材料のせん断強度を超えると、せん断破壊が発生します。衝撃荷重がかかった可動コンポーネントは、このような故障の影響を受けやすくなります。構造設計では、荷重軽減部品と位置決めショルダーを採用して横方向の荷重に耐えることができるため、ボルトはせん断力に耐えずに引張結合のみを引き受けます。

(2) 緩み止め構造のないファスナーは振動する作業条件で使用されます。-。 -長期にわたる機器の振動により、ねじペアが緩み、ボルトの予荷重が減衰し、その結果、界面の摩擦が不十分になり、さらに部品の滑りやボルトのせん断破壊が発生します。振動環境で作動する構造物の場合、緩みの失敗を防ぐために、スパイラロックナットやプリベリングトルクロックナットなどの特別な緩み止めファスナーを採用する必要があります。-

1.2 組み立ての原因

アセンブリの締め付けトルクが不十分であると、ボルトの予圧が標準以下になり、インターフェースの摩擦が不十分になります。外部荷重はコンポーネントの相対的な滑りを引き起こし、最終的にはボルトのせん断破壊につながります。ボルトの締め付けトルクは、鉄骨構造工学やエンジン組み立てにおける重要なプロセス指標であり、厳密な管理が必要です。しかし、標準化されたトルク管理が存在しないため、他の業界では無視されることがよくあります。実際の故障事例では、ねじの緩みや破損故障のほとんどは不適切な組み立てトルクによって引き起こされます。

ねじペアのクランプ力は、ナットまたはボルトを回転させることによって生成され、組み立てトルクと正の相関があります。予圧が設計要件を確実に満たすようにするには、組立トルクをプロセス文書に明確に指定し、動作中に厳密に実装する必要があります。組立トルクの計算式は以下のとおりです。

M=KPD

ここで: M - 組み立てトルク (Nm)。 K - トルク係数; P - 設計予圧 (kN); D - ボルトの呼び径 (mm)。

従来の設計では、ボルトの予圧は材料降伏強度の 60% ～ 80% 以内に設定され、安全率は 1.2 以上です。さまざまな仕様および強度グレードのボルトの降伏荷重は、GB/T 3098.1 を参照できます。

トルク係数は、ねじペアの摩擦係数とねじペア間の接触面によって決まります。ファスナーそして接続部分。表面処理、強度精度、幾何公差、ねじ精度、支持面粗さ、構造剛性に影響されます。表面処理が支配的な要因となります。表面処理が異なると、トルク係数に大きな違いが生じ、最大で 2 倍近くになります。同じ仕様と強度のねじペアの場合、リン酸塩処理のトルク係数は 0.13 ～ 0.15 程度ですが、黒化処理のトルク係数は 0.26 ～ 0.30 です。

したがって、リン酸塩処理および黒化処理を施したファスナーは、同じ組み立てトルクの下でほぼ 2 倍の予圧差が生じます。トルク係数は実験により校正する必要があります。ファスナーメーカーは、各バッチのトルク係数が一貫していることを保証するために、表面処理プロセスを厳密に管理する必要があります。トルク係数の変動による予圧不足、ボルトの伸び、破損を避けるため、ユーザーは表面処理要件を任意に変更しないでください。

2 疲労破壊

疲労破壊は、ボルトの最も一般的な破損モードの 1 つです。疲労破壊のほとんどは、ボルト頭の下の滑らかでない移行フィレット、不十分なねじ山根元フィレット半径、表面の傷、材料の介在物などの製造欠陥に起因します。一方、-標準外の組み立ても疲労破壊や潜在的な安全事故の重要な誘発要因となります。

自動車のホイールボルトを例にとると、ホイールボルトはラジアル荷重を直接受けずにアキシアル予圧のみを負荷できる構造設計になっています。組み立てトルクが不十分であると、プリロードが不十分になり、ホイールハブとハーフシャフト間の摩擦が不十分になり、車両の運転中に相対的な滑りが発生します。

ホイールの高速回転中、ボルトはハブとともに定期的に回転します。-ボルトのシャンクは穴壁の両側から交互に押し出し力を受け、その結果、高周波の周期ラジアル荷重が発生します。-。 -長期にわたる周期的な荷重作用により疲労亀裂が発生して拡大し、最終的にはボルトの疲労破壊につながります。

車両の走行後にホイールボルトの破損が発生した場合、検査員はさらに詳細な分析を行う前に、まず破損形態を観察して疲労破壊を予備判断する必要があります。-

3 過負荷破壊

過負荷破壊とは、アキシアル荷重の合計がボルトの材質の許容限度を超えた場合の引張破壊を指します。ねじ部の有効軸受面積は、応力集中が激しい平滑シャンクの有効軸受面積に比べて小さいため、過負荷破壊は主にねじ部で発生し、破壊形態によって事前に特定できます。

グレード 8.8 のボルトは、過負荷破壊後に明らかなネッキングを示します。グレード 10.9 のボルトにはわずかなネッキングが見られます。グレード 12.9 の高強度ボルトには、通常の過負荷条件下では基本的にネッキング機能がありません。-

明らかなネッキングは、不適格な材質、不十分な熱処理、不完全な焼入れ、または不十分な芯硬度を使用したグレード 8.8 ～ 12.9 のボルトでも発生することがあります。したがって、過負荷破壊の判定基準は次のように定められています。

(1) ネッキングを伴う破壊については、GB/T 3098.1 に従ってサンプル試験を実行するものとします。コア硬度が適合していれば過負荷破壊が確認できます。

(2) 金属組織学的分析が必要な場合グレード 12.9 高力ボルト-ねじ部表面の欠陥や材料欠陥もねじ部の破壊の原因となる可能性があり、外観だけでは判断できないため、過負荷破壊を判断します。

過負荷破壊は主に、軸方向荷重がかかったボルト接続部で発生し、主な原因は次の 3 つです。

ａ．組立トルクが高すぎると予圧がボルト素材の降伏強度を超え、組立中にボルトが伸びたり破損したりすることがあります。

b.ボルトの降伏強度に近い過剰な組み立て予圧。機器の動作中、ボルトは残留予圧と使用荷重の両方に耐えます。材料強度の限界を超える 2 つの荷重が重なると、過負荷破壊が発生します。一定の使用荷重の下では、アセンブリの予圧が高くなると、残留予圧が高くなり、過負荷のリスクが大きくなります。

c.ねじの呼び径が不十分で不適切なボルトの選択により、構造設計における軸受の要件が満たされません。

4 組立偏心荷重によるボルト破損

偏心荷重によるボルトの破損は、典型的な組み立てプロセスの失敗です。ボルトの支持面には明らかな三日月形の摩耗痕が観察されます。実際の支持面積は全支持面積の 1/4 ～ 1/3 に過ぎず、応力分布は著しく不均一です。破断付近のボルトシャンクは応力方向とは逆に曲がり、典型的な偏心曲げと破断の特徴を示します。