Dlaczego jedna niewłaściwa śruba może zatrzymać całą maszynę?

Maszyna pracuje od kilku godzin. Wszystko wygląda normalnie, aż nagle pojawiają się drgania, jeden z elementów zaczyna zmieniać położenie, a chwilę później urządzenie zostaje zatrzymane.

Przyczyną nie zawsze musi być silnik, przekładnia czy elektronika. Czasem problem zaczyna się od znacznie mniejszego elementu – połączenia śrubowego, które nie pracuje tak, jak powinno.

Śruba kosztująca kilka złotych może być częścią maszyny wartej setki tysięcy. Jej cena jest niewielka. Jej znaczenie dla całego układu – już niekoniecznie.

„Przecież pasowała” – to jeden z najbardziej zdradliwych argumentów przy doborze elementów złącznych. Śruba miała odpowiednią średnicę. Długość też się zgadzała. Dało się ją bez problemu zamontować.

Tyle że dwa elementy wyglądające niemal identycznie mogą mieć zupełnie inne właściwości.

Mogą różnić się:

• klasą wytrzymałości,
• materiałem,
• rodzajem i skokiem gwintu,
• długością części gwintowanej,
• powłoką,
• właściwościami mechanicznymi,
• przeznaczeniem.

Dlatego „pasuje wymiarowo” nie zawsze oznacza „jest właściwa do tego połączenia”.

Dobrym przykładem są klasy 8.8, 10.9 i 12.9. Nie są to przypadkowe oznaczenia na łbie śruby, ale klasy określające wymagane właściwości mechaniczne. Zamiana jednej klasy na drugą powinna więc wynikać z wymagań konstrukcji, a nie tylko z tego, co akurat znajduje się na półce.

Problem może pojawić się dopiero po pewnym czasie

Źle dobrana śruba nie musi pęknąć przy pierwszym uruchomieniu maszyny. I właśnie dlatego takie problemy bywają trudne do zauważenia. Połączenie może początkowo działać poprawnie, a dopiero podczas kolejnych godzin lub miesięcy pracy podlegać drganiom, zmiennym obciążeniom i wielokrotnym cyklom pracy.

Jeżeli połączenie zacznie tracić wymagany docisk, mogą pojawić się niewielkie ruchy pomiędzy łączonymi częściami. Z czasem mogą prowadzić do dalszego luzowania połączenia, zużycia elementów albo zmęczeniowego uszkodzenia śruby.

Nie zawsze wygląda to spektakularnie. Czasem pierwszym objawem jest większy hałas albo drgania. Innym razem maszyna traci ustawienie, pojawia się nieszczelność lub konieczne staje się nieplanowane zatrzymanie.

Dlatego przy połączeniach narażonych na drgania i obciążenia dynamiczne znaczenie ma nie tylko sama śruba, ale również prawidłowo zaprojektowane i wykonane całe połączenie.

Mocniejsza śruba nie zawsze rozwiązuje problem

Naturalna reakcja może brzmieć:

„Skoro 8.8 nie wystarcza, załóżmy 10.9 albo 12.9.” Tyle że nie zawsze jest to właściwy tok myślenia. Wyższa klasa oznacza wyższe właściwości wytrzymałościowe, ale nie sprawia automatycznie, że całe połączenie staje się lepsze.

O jego pracy decydują również nakrętka, gwint w łączonym elemencie, geometria połączenia, sposób dokręcenia czy materiał części, które śruba łączy. Może się więc okazać, że zastosowanie śruby o wyższej klasie nie rozwiązuje rzeczywistego problemu, a ograniczeniem pozostaje zupełnie inny element konstrukcji.

Dlatego klasa śruby powinna być dobrana, a nie po prostu „jak najwyższa”.

Równie ważne jest prawidłowe dokręcenie

Nawet odpowiednia śruba może nie spełniać swojej funkcji, jeśli połączenie zostało wykonane niewłaściwie.

W wielu zastosowaniach dokręcanie ma przede wszystkim wytworzyć odpowiednią siłę docisku pomiędzy łączonymi elementami.

Zbyt mały docisk może sprzyjać przemieszczaniu się elementów i utracie stabilności połączenia. Zbyt duży również nie jest rozwiązaniem – może prowadzić do przeciążenia śruby lub innych części połączenia.

Dlatego zasada: „dokręcimy mocniej i będzie bezpieczniej” nie jest dobrą metodą montażu. Znaczenie mogą mieć m.in. moment dokręcania, tarcie, zastosowana powłoka, smarowanie oraz wymagania przewidziane dla konkretnego połączenia.

Powłoka też nie jest tylko kwestią wyglądu

Ocynk galwaniczny, ocynk ogniowy, powłoka płatkowa czy brak dodatkowego pokrycia – wybór zabezpieczenia powierzchni nie powinien sprowadzać się do koloru śruby.

Powłoka ma chronić element w określonych warunkach pracy, ale może również wpływać na zachowanie połączenia podczas montażu. Przy elementach wysokowytrzymałych trzeba dodatkowo zwracać uwagę na technologię wykonania powłoki. W przypadku niektórych procesów galwanicznych jednym z zagadnień wymagających kontroli jest ryzyko kruchości wodorowej.

To kolejny przykład pokazujący, że dwie śruby o tej samej średnicy i klasie mogą nie być równoważnymi produktami.

Jakość elementu zaczyna się wcześniej niż przy montażu

W przemyśle znaczenie ma nie tylko to, czy śruba wygląda prawidłowo. Liczy się również pewność, że rzeczywiście spełnia deklarowane wymagania dotyczące materiału, właściwości mechanicznych, wymiarów czy powłoki. W odpowiedzialnych zastosowaniach ważna staje się więc powtarzalność dostaw, identyfikowalność produktu oraz – tam, gdzie jest to wymagane – odpowiednia dokumentacja jakościowa.

Bo problem z elementem złącznym może być pozornie niewielki, dopóki nie trzeba zatrzymać maszyny, zorganizować serwisu, znaleźć przyczyny awarii i wymienić uszkodzonych części. Wtedy koszt samej śruby przestaje mieć większe znaczenie.

Najtańszy element w maszynie może pełnić bardzo odpowiedzialną funkcję

Nie chodzi o to, żeby każdy element złączny traktować jak część instalacji lotniczej. Chodzi o coś prostszego: dobierać go do rzeczywistych wymagań miejsca, w którym będzie pracował.

Czasem wystarczy standardowa śruba o typowych parametrach. W innym miejscu potrzebna będzie określona klasa wytrzymałości, konkretna powłoka, odpowiednia długość gwintu albo element wykonany według dokumentacji. Cena pojedynczej śruby może być niewielka, ale jej zadaniem jest często utrzymanie razem elementów znacznie droższych od niej samej.

Dlatego przy zakupie warto zadać sobie nie tylko pytanie:

„Ile kosztuje ta śruba?”

ale również:

„Czy jest właściwa do miejsca, w którym ma pracować?”

W przypadku elementów złącznych te dwa pytania potrafią prowadzić do zupełnie różnych decyzji.