O equipamento foi aprimorado com base no método de teste de vibração transversal existente, e a força transversal crítica que leva ao afrouxamento rotacional foi proposta como o índice quantitativo para avaliar o desempenho do afrouxamento. O método de teste específico e o método de aquisição de dados foram fornecidos. O desempenho do método proposto de afrouxamento de arruelas de pressão, porcas de cunha e porcas duplas excêntricas foi testado e comparado quantitativamente. (3) O desempenho de prevenção de afrouxamento da porca dupla excêntrica é melhorado em até 125% em comparação com a conexão roscada normal sob a mesma pré-carga.

Introdução
As juntas roscadas são geralmente simples, fáceis de montar e desmontar, confiáveis, intercambiáveis e baratas, e são amplamente utilizadas em vários produtos mecânicos e estruturas de engenharia. Muitas experiências de engenharia mostraram que as juntas roscadas são propensas a afrouxamento e falha sob condições de vibração. O afrouxamento de conexões roscadas impacta seriamente a confiabilidade e a vida útil de produtos mecânicos, e problemas de qualidade e acidentes causados pelo afrouxamento de conexões roscadas são comuns na engenharia. Fixadores com propriedades antiafrouxamento, como arruelas de pressão e porcas, são frequentemente usados para evitar o afrouxamento das juntas roscadas. No entanto, até que ponto os vários fixadores de travamento melhoram o desempenho de afrouxamento das juntas roscadas? Não há uma resposta precisa para essa questão fundamental. Isso causou controvérsia e colocou muitos problemas no projeto, fabricação, seleção e uso de fixadores.

Os engenheiros geralmente testam o desempenho de afrouxamento de fixadores com base em dois métodos de teste de vibração especificados no padrão nacional GB/T 10431-2008 [1] ou no padrão militar nacional JGB 715.3A-2002 [2]. Com base no primeiro método de teste, o desempenho de afrouxamento de um fixador geralmente é avaliado com base na quantidade de pré-carga restante em um determinado ciclo de vibração (geralmente 1500 ciclos); com base no segundo método de teste, o desempenho de afrouxamento de um fixador pode ser avaliado com base na duração do fixador antes de se soltar. Embora esses dois métodos possam avaliar o desempenho de soltura de fornecedor de fixadores até certo ponto, eles só podem ser usados para comparar qualitativamente a resistência relativa do desempenho de afrouxamento de diferentes fixadores ou para julgar se um prendedor pode passar no teste de condições de vibração específicas, mas não podem avaliar quantitativamente o desempenho de afrouxamento de fixadores devido às limitações de equipamentos de teste e métodos de processamento de dados.

A primeira dificuldade da avaliação quantitativa do desempenho de afrouxamento de fixadores é estabelecer o índice (ou sistema de índices) de avaliação quantitativa do desempenho de afrouxamento, ou seja, esclarecer qual escala deve ser utilizada para avaliar o desempenho de afrouxamento de fixadores. Este artigo adota a ideia básica do método de teste de vibração transversal recomendado pela norma nacional GB/T 10431-2008 [1], mas melhora e aperfeiçoa o equipamento de teste e propõe índices de avaliação quantitativa e métodos de aquisição de dados para o desempenho de desaperto de juntas roscadas por analisando a lei de decaimento e o mecanismo da força de pré-carga. Com base no método proposto, o desempenho de afrouxamento de arruelas de pressão, porcas de cunha (tipicamente porcas Spiralock®) e porcas duplas excêntricas (tipicamente porcas HARD-LOCK®) foi testado e comparado quantitativamente. A porca de cunha e a porca dupla excêntrica são geralmente consideradas como tendo excelente desempenho de afrouxamento e têm sido cada vez mais usadas na China nos últimos anos. Deve-se observar que os fixadores mencionados neste trabalho referem-se apenas a fixadores utilizados para conexões roscadas, incluindo diversas porcas, parafusos e arruelas, não incluindo outros tipos de fixadores como rebites e pinos.

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Limitações e melhorias existentes no equipamento de teste de vibração transversal

O método de teste de vibração transversal usado no padrão nacional existente GB/T 10431-2008 [1] foi publicado pela primeira vez em 1969 pelo engenheiro alemão JUNKER [3], que verificou sistematicamente que cargas de vibração transversal podem causar afrouxamento de juntas roscadas e, portanto, é muitas vezes referido como o método de teste Junker. A indústria aceitou amplamente o método de teste Junker e formou um método padrão para testes de afrouxamento de fixadores com base no método de testes Junker.

A Figura 2 mostra a estrutura de um equipamento de teste de vibração transversal que atende aos requisitos da norma nacional GB/T 10431-2008 [1]. A estrutura específica do equipamento de teste produzido por diferentes fabricantes pode não ser a mesma da Figura 2, mas os princípios são os mesmos. O equipamento de teste mostrado na Fig. 2 consiste principalmente de uma roda excêntrica, uma placa móvel, uma placa fixa, um transdutor de pré-carga, um dispositivo de medição de força transversal e um transdutor de deslocamento transversal. Os parafusos e porcas (arruelas também podem ser adicionadas) são primeiro apertados com a força de pré-carga definida durante o teste. Então a roda excêntrica gera movimento transversal alternativo sob a ação do motor. O deslocamento transversal máximo (ou seja, amplitude) é controlado pela quantidade excêntrica da roda excêntrica. A força transversal pode ser registrada em tempo real pelo dispositivo de medição de força transversal. Sob a carga de vibração transversal, a conexão roscada será afrouxada gradualmente e a força de pré-carga será reduzida gradualmente. O sensor de força de pré-carga pode registrar a mudança da força de pré-carga durante o processo de vibração em tempo real. Além disso, a amplitude real da placa móvel durante o teste pode ser registrada pelo sensor de deslocamento transversal em tempo real.

O equipamento de teste de vibração transversal mostrado na Figura 2 só pode controlar a amplitude em um circuito aberto. Especificamente, a amplitude é controlada pela excentricidade na roda excêntrica, que muitas vezes é instável porque estruturas como bielas e dispositivos de medição de força transversal comprimem ou alongam sob forças transversais, resultando em uma grande discrepância entre a amplitude real e a excentricidade definida de a conexão rosqueada. A Figura 3 mostra a variação da amplitude real com o período de vibração de um equipamento de teste de vibração transversal controlado em malha aberta. A amostra de teste é M10, a pré-carga inicial é de 25kN, a frequência de vibração é de 12,5 Hz e a excentricidade definida é de 1 mm.

A amplitude real da conexão roscada está intimamente relacionada à quantidade de força transversal a que está sujeita e é um fator chave para afrouxar a conexão roscada. O afrouxamento das juntas roscadas resulta de uma combinação de fatores externos e internos, sendo a amplitude o principal fator externo e a própria capacidade do fixador de evitar o afrouxamento o fator interno. Uma vez que os fatores externos são incertos sob condições de controle de malha aberta, é impossível distinguir os efeitos quantitativos dos fatores internos dos resultados do teste (ou seja, a queda da força de pré-carga). Para resolver este problema, este trabalho propõe o conceito de controle em malha fechada da força transversal no ensaio de vibração transversal. Ele melhora o equipamento de teste de vibração transversal existente com a função de controle de malha fechada da força transversal. O alcance máximo do dispositivo de medição de força transversal no equipamento de teste aprimorado é de 50 kN, o alcance máximo do dispositivo de medição de pré-carga é de 100 kN e o alcance máximo do dispositivo de medição de deslocamento transversal é de 10 mm. Os erros das três quantidades acima não excedem 0,5% do valor de calibração.

A Figura 4 mostra um esboço da estrutura do equipamento de teste de vibração transversal aprimorado, que é baseado nos dados medidos da força transversal para ajustar os parâmetros de controle do servoatuador hidráulico para realizar o controle de circuito fechado da força transversal; além disso, o equipamento também pode ser baseado nos dados medidos do deslocamento transversal para realizar o controle de circuito fechado do deslocamento transversal. A Figura 5 mostra a variação da força transversal real com o ciclo de vibração do equipamento de teste de vibração transversal aprimorado em um determinado teste, o tamanho da amostra de teste M10, a força de pré-carga inicial é de 18 kN, a frequência de vibração é de 5 Hz e o conjunto força transversal é de 1 kN. A Figura 6 mostra a variação do deslocamento transversal real com o período de vibração do equipamento de teste de vibração transversal aprimorado em um teste, o tamanho da amostra de teste M10, a força de pré-carga inicial é de 25 kN, a frequência de vibração é de 5 Hz, a amplitude definida é 0,5 mm, e os resultados medidos mostram que o equipamento também possui alta precisão de controle no deslocamento transversal. Os testes subseqüentes neste documento são baseados no equipamento de teste de vibração transversal aprimorado.

02

Avaliação quantitativa do desempenho de afrouxamento de juntas roscadas e método de aquisição de dados

Avaliar quantitativamente o afrouxamento desempenho de fixadores, é necessário estabelecer indicadores científicos para avaliação quantitativa do desempenho de soltura de juntas roscadas. Como o decaimento da força de pré-carga é o resultado de uma combinação de fatores, é necessário distinguir a influência de diferentes fatores no decaimento da força de pré-carga para avaliar com precisão o desempenho do afrouxamento. Foi demonstrado [6-11] que o decaimento típico da pré-carga em uma junta roscada sob condições de teste de vibração transversal pode ser dividido em três estágios, conforme mostrado na Figura 7. No primeiro estágio, a pré-carga decai rapidamente e não linearmente . A principal causa dessa deterioração é a deformação plástica do material, redistribuição de tensões, afrouxamento rotacional e microdesgaste. No segundo estágio, a pré-carga diminui aproximadamente linearmente, sendo o afrouxamento rotacional entre as roscas interna e externa a principal causa da deterioração, enquanto outros fatores têm efeito relativamente pequeno. No terceiro estágio, trincas de fadiga aparecem gradualmente na estrutura roscada, levando a um decaimento mais rápido da pré-carga e até mesmo a fratura repentina. A Figura 8 mostra uma curva de decaimento de pré-carga medida com base no equipamento de teste aprimorado, usando uma amostra M10 com uma pré-carga inicial de 25 kN, uma amplitude de 0,5 mm e uma frequência de 12,5 Hz.

Para obter uma avaliação quantitativa do desempenho de afrouxamento dos fixadores a partir dos dados de decaimento da pré-carga mostrados na Figura 7, é necessário esclarecer o significado exato de “afrouxamento” e “desempenho de afrouxamento”. O afrouxamento rotacional refere-se à rotação rígida entre as roscas interna e externa que causa o decaimento da pré-carga, que corresponde ao segundo estágio da Figura 7; o afrouxamento não rotacional refere-se ao decaimento da pré-carga causada por outros fatores além do afrouxamento rotacional. Definimos “resistência ao afrouxamento” como a capacidade de impedir o afrouxamento rotacional da conexão roscada. Está intimamente relacionado com os dados do segundo estágio do processo de decaimento da pré-carga. 

Esta definição de desempenho de afrouxamento é baseada no fato de que os fixadores de afrouxamento são projetados principalmente para evitar o afrouxamento rotacional. É difícil inibir o afrouxamento não rotacional que leva ao decaimento da pré-carga.
Com base na definição acima, idealmente, quando a inclinação do segundo estágio da curva mostrada na Figura 7 é zero, não ocorre nenhum afrouxamento rotacional da junta roscada; quando a inclinação do segundo estágio é menor que zero, ocorre afrouxamento rotacional, e quanto maior o valor absoluto da inclinação, mais severo é o afrouxamento rotacional. 

Além disso, foi comprovado em um estudo [7] que existe um valor crítico de força transversal. Quando a força transversal na conexão roscada é menor que este valor crítico, não ocorre nenhum afrouxamento rotacional da conexão roscada. Quando a força transversal na conexão roscada for maior que este valor crítico, ocorrerá o afrouxamento rotacional da conexão roscada. Portanto, o valor crítico da força transversal (ou força transversal crítica) pode ser usado como um índice de avaliação quantitativa para o desempenho de afrouxamento de fixadores (ou conexões roscadas). Deve-se notar que este índice é baseado nas condições de teste de vibração transversal descritas neste documento e não se aplica a outras formas de cargas externas.

 
A Figura 9 mostra a curva de decaimento da força de pré-carga em diferentes forças transversais para uma amostra de M10 com uma força de pré-carga inicial de 18 kN e uma frequência de 5 Hz. Quando a força transversal foi de 1,3 kN, o valor absoluto da inclinação aumentou significativamente e a junta roscada apresentou afrouxamento rotacional significativo.

Os resultados do teste mostrados na Figura 9 indicam que a força transversal crítica existe. No entanto, ainda existem dois problemas a serem resolvidos para determinar com precisão o valor da força transversal crítica: (1) como a força de pré-carga muda gradualmente, é impossível determinar com precisão o ponto de inflexão entre os diferentes estágios. (2) Idealmente, quando a inclinação do segundo estágio é zero, não há afrouxamento rotacional da conexão roscada. Na realidade, devido ao desgaste, mudanças de temperatura, erros de medição, erros de processamento de dados, etc., a inclinação medida do segundo estágio não é exatamente zero. Esses dois problemas são descritos a seguir.
Para obter quantitativamente o valor absoluto da inclinação do segundo estágio, um método é proposto neste trabalho: conforme mostrado na Fig. 10, primeiramente, a curva de força de pré-carga medida é dividida em m segmentos para cada ciclo específico n; então, com base no método dos mínimos quadrados, um ajuste linear é realizado para qualquer curva do segmento I para obter o valor absoluto da inclinação da curva do segmento I ai, conforme mostrado na Eq. 1, onde j representa o j-ésimo ciclo de vibração, I j é o valor médio dos ciclos de vibração em uma curva do segmento I. A equação é mostrada na Equação 1, onde j representa o j-ésimo período de vibração, I j é o valor médio do período de vibração na curva do segmento i, yj é a força de pré-carga remanescente no j-ésimo período de vibração e I y é a valor médio da força de pré-carga restante na curva do segmento i.

A Figura 11 mostra uma série de valores absolutos de inclinação com base nos dados de variação da força de pré-carga de 1,1 kN na Figura 9, com um intervalo de período de 300. Dentre todos os valores absolutos da inclinação, o menor valor pode ser selecionado como o absoluto valor da inclinação do segundo estágio da curva de decaimento da força de pré-carga em N/período, que corresponde ao ponto A na Fig. 11. Para comparar os resultados sob diferentes forças de pré-carga, o valor absoluto da inclinação pode ser normalizado dividindo o valor absoluto da inclinação pela força de pré-carga inicial do grupo e multiplicando por 100% para obter a inclinação normalizada em %/ciclo, que pode ser expressa pela Equação 2, onde k é a inclinação normalizada final e F0 é a força de pré-carga inicial.

Uma vez obtida a inclinação normalizada, é necessário encontrar o ponto crítico onde ocorre a folga rotacional de acordo com a inclinação normalizada para determinar a força transversal crítica. Nesse caso, um limite de inclinação razoável é selecionado e a folga rotacional é considerada como ocorrendo quando a inclinação normalizada real é maior que esse limite.

Para selecionar um valor limite razoável, alguns experimentos devem ser conduzidos. Com base em muitos estudos experimentais, este artigo resume a curva de relação típica entre a força lateral e a inclinação normalizada, conforme mostrado na Figura 12. Na fase A, o valor da inclinação normalizada é pequeno e aumenta lentamente à medida que a força transversal aumenta. O valor de inclinação normalizado aumenta rapidamente com o aumento da força transversal na fase B, implicando um afrouxamento rotacional significativo da conexão roscada. O valor de inclinação normalizado na virada da curva da fase A para a fase B corresponde ao limite no qual o afrouxamento rotacional começa, conforme mostrado pela linha tracejada na Figura 12.

03

Design experimental

Com base no método de teste acima, índice de avaliação quantitativa e método de aquisição de dados, um conjunto de testes foi projetado para testar quantitativamente o desempenho de afrouxamento de arruelas de pressão, porcas de cunha e porcas duplas excêntricas. As informações dos corpos de prova são apresentadas na Tabela 1, dentre as quais os parafusos comuns conforme GB/T 5783-2016 [12], as porcas comuns conforme GB/T 6170-2015 [13], e todos os corpos de prova foram limpo por ultrassom antes do teste.

O teste foi dividido em quatro grupos de acordo com o tipo de fixadores utilizado, conforme Tabela 2, em que o Grupo 1 foi o grupo controle, e os demais grupos foram comparados com o Grupo 1 para analisar quantitativamente o desempenho na prevenção da soltura. O processo de aperto de porca dupla excêntrica neste estudo é baseado no estudo de Li Tianlei et al. Cada grupo de teste foi dividido em seis grupos de acordo com a força de pré-carga inicial, e cada grupo continha várias condições diferentes de força transversal, conforme mostrado na Fig. 3, com um intervalo de amostragem de 0,1 kN para cada corpo de prova.

Quando a inclinação normalizada de um ou mais testes sob uma determinada condição de teste for maior que o limite de inclinação, considera-se que ocorreu um afrouxamento rotacional naquela condição de teste. Quando a inclinação normalizada de três testes repetitivos for menor que o limite de inclinação, considera-se que não ocorreu soltura rotacional naquela condição de teste. Somente quando a inclinação normalizada dos três testes repetitivos é menor que o limite de inclinação é considerado que nenhuma folga rotacional ocorreu sob a condição de teste.
04

Resultado dos testes

4.1 Determinação do limite de inclinação

No teste, verificou-se que a inclinação normalizada do segundo estágio pode aumentar à medida que a força de pré-carga aumenta, mesmo não havendo afrouxamento rotacional da conexão roscada. O aumento da inclinação deve-se principalmente a fatores de afrouxamento não rotacionais, como o desgaste. Os limites de inclinação descritos acima podem ser obtidos em forças de pré-carga maiores para considerar a influência do desgaste e outros fatores totalmente. A força máxima de pré-carga usada neste teste é de 38 kN, portanto, o limite de inclinação pode ser determinado com base nos dados do teste em 38 kN. Com base no método de aquisição de inclinação normalizada descrito na seção anterior, os valores de inclinação normalizada versus força lateral para as quatro estruturas de conexão na Tabela 2 podem ser obtidos conforme mostrado na Figura 13. Com base no método de aquisição de limite de inclinação descrito na Seção 2, é pode ser visto na Fig. 13 que a inclinação normalizada aumenta mais rapidamente depois de ser superior a 0,01%/ciclo, portanto, é apropriado selecionar 0,01%/ciclo como o limite de inclinação para julgamento de afrouxamento rotacional.

4.2 Avaliação quantitativa do desempenho de prevenção de afrouxamento com base na força transversal crítica

A inclinação normalizada sob diferentes forças transversais é mostrada na Fig. 14 para o grupo 1 do grande grupo 1. De acordo com os critérios acima, nenhum afrouxamento rotacional ocorre em todas as três amostras em 1,1 kN. O afrouxamento rotacional ocorre em duas amostras a 1,2 kN, portanto, sabe-se que a força transversal crítica nesta condição está entre 1,1 kN e 1,2 kN, e 1,1 kN é considerado a força transversal crítica nesta condição.

Da mesma forma, as forças transversais críticas das quatro uniões roscadas podem ser obtidas sob seis condições iniciais de pré-carga. Os resultados são mostrados na Fig. 15. Além da pré-carga, os estudos existentes [7,15-18] mostraram que o comprimento de fixação, o fator de atrito e os parâmetros do material também afetam a força transversal crítica da conexão roscada, ou seja, o desempenho de afrouxamento.

Com base nos resultados mostrados na Figura 15, o desempenho de afrouxamento de arruelas de pressão, porcas de cunha e porcas duplas excêntricas pode ser analisado e comparado quantitativamente. Especificamente, as forças transversais críticas (resultados para os grupos 2, 3 e 4) para os três fixadores de travamento foram subtraídas das forças transversais críticas (resultados para o grupo 1) para uma conexão roscada normal para obter o aumento nas forças transversais críticas para o três fixadores de travamento, que é o aumento no desempenho de travamento. Ao dividir o aumento da força transversal crítica pela força transversal crítica de uma conexão roscada normal, obtém-se o aumento percentual da força transversal crítica com os três fixadores de travamento, que é o aumento percentual do desempenho de travamento.

A Figura 16 mostra a melhoria percentual no desempenho de afrouxamento com arruelas de mola, e pode ser visto que a melhoria percentual no desempenho de afrouxamento flutua em 0%, variando de -13,6% a 8,3%. As flutuações na Figura 16 são em grande parte devidas a erros de medição no intervalo de amostragem da força lateral e inconsistências nos fatores de atrito de diferentes peças. Portanto, embora os dados da Figura 17 variem, isso não afeta a conclusão de que não há melhora convincente no desempenho de afrouxamento da arruela elástica em comparação com uma conexão roscada normal nas condições deste teste. Portanto, a arruela de pressão não é considerada eficaz na prevenção do afrouxamento.

A Figura 17 mostra o aumento percentual no desempenho de afrouxamento com porcas de cunha. Pode-se observar que o uso de porcas cunha resultou em um aumento máximo no desempenho de afrouxamento de aproximadamente 117% nas condições de teste deste estudo. Além disso, também pode ser visto nesta figura que quando a força de pré-carga é pequena, a melhora no desempenho de afrouxamento após o uso de porcas de cunha é significativa. Ainda assim, quando a força de pré-carga é grande, a melhora no desempenho do afrouxamento após o uso de porcas cunha é menor; no caso da força de pré-carga de 38 kN, o percentual de melhoria é de cerca de 14%, o que significa que o desempenho de afrouxamento neste momento não é muito diferente da conexão roscada comum.

A Figura 18 mostra a melhora percentual do desempenho de afrouxamento após o uso da porca dupla excêntrica. Além disso, a figura também mostra que quando a força de pré-carga é pequena, a melhoria do desempenho de prevenção de afrouxamento com a porca dupla excêntrica é significativa. Em contraste, quando a força de pré-carga é grande, a melhoria do desempenho de prevenção de afrouxamento com a porca dupla excêntrica é pequena. A melhoria do desempenho de prevenção de afrouxamento com a força de pré-carga de 38 kN é de cerca de 14%.

05

Conclusão

Este artigo aprimorou o equipamento de teste de vibração transversal existente para fornecer controle de circuito fechado de empuxo transversal. A força transversal crítica que causa o afrouxamento rotacional da conexão roscada foi proposta como um índice quantitativo para avaliar o desempenho do afrouxamento. Sob as condições de teste deste estudo, as seguintes conclusões são tiradas.
(1) Sob a mesma pré-carga, a melhoria das arruelas de pressão no desempenho de afrouxamento em comparação com as juntas roscadas normais flutua em 0%, indicando que as arruelas de pressão não têm desempenho de afrouxamento.
(2) Com a mesma pré-carga, o desempenho de afrouxamento é melhorado em até 117% com uma porca de cunha em comparação com uma conexão roscada normal.
(3) O uso de porcas duplas excêntricas melhora o desempenho de afrouxamento em até 125% com a mesma pré-carga em comparação com uma conexão roscada normal.
(4) Em altas pré-cargas, o desempenho de afrouxamento da cunha e da porca dupla excêntrica não é significativamente diferente de uma conexão roscada normal.

Deve-se observar que as conclusões acima são baseadas nas condições de teste deste documento, mas as conclusões podem ser diferentes quando o tamanho do parafuso, revestimento, comprimento de fixação e outras condições de teste são diferentes das deste documento. Além disso, teoricamente, existe uma certa correspondência entre força transversal e deslocamento transversal. Como existe uma força transversal crítica, deve haver um deslocamento transversal crítico (ou seja, amplitude crítica) correspondente. Portanto, é teoricamente viável usar o deslocamento transversal crítico como o índice de avaliação quantitativa do desempenho de prevenção de afrouxamento. No entanto, o efeito específico ainda precisa ser mais estudado.