Perché la dimensione della filettatura imposta il limite di precarico
Il precarico è la tensione che il bullone porta dopo il serraggio ed è ciò che effettivamente blocca la stecca o la spalla della clip. Il massimo precarico utilizzabile è limitato dall'area di sollecitazione della sezione filettata, che cresce all'incirca con il quadrato del diametro. Un bullone M16 ha un'area di sollecitazione di circa 157 mm2; un bullone M36 ha un'area di sollecitazione di circa 817 mm2, circa 5,2 volte più grande, quindi con lo stesso utilizzo della sua resistenza alla prova l'M36 può sostenere circa cinque volte il precarico dell'M16. In cifre tonde per il servizio di fissaggio delle rotaie, un bullone M16 di grado 8.8 viene serrato a un precarico compreso tra 60 e 80 kN, mentre un bullone M36 di grado 10.9 può essere serrato verso 450 kN. Il salto tra dimensioni adiacenti è sostanziale: il passaggio da M16 a M20 a M24 a M30 aumenta il precarico disponibile dal 50 al 70% ad ogni passaggio, motivo per cui i giunti a stecca per carichi pesanti-si spostano a M24 e superiori non appena il carico lo richiede.
La coppia è solo un mezzo per precaricare
Nei lavori su binari l'installatore non può misurare direttamente la tensione dei bulloni, quindi la coppia viene utilizzata come proxy pratico. La relazione tra coppia e precarico è governata dal passo della filettatura, dall'attrito della filettatura e dall'attrito della testa, riassunta nella classica equazione della coppia utilizzata da VDI 2230: una regola pratica per i bulloni in acciaio con lubrificazione normale è che solo circa il 10-15 per cento della coppia applicata diventa precarico e il resto viene consumato dall'attrito. Poiché l'attrito varia in base al rivestimento, alla lubrificazione e alle condizioni della superficie, la stessa coppia può produrre precarichi diversi su bulloni diversi; questo è il motivo per cui i valori di riferimento della coppia sono sempre indicati per uno stato di attrito definito e perché è necessario tenere conto dell'effetto del trattamento superficiale.
Per i bulloni zincati a caldo-il coefficiente di attrito della filettatura è notevolmente diverso da quello dei bulloni-oliati neri, pertanto la coppia di serraggio deve essere ri-derivata per l'effettivo stato del rivestimento e della lubrificazione anziché copiarla da una tabella generale. In pratica, gli organismi di ingegneria impostano la coppia di installazione mediante calibrazione sulla combinazione effettiva di bullone, dado, rondella e rivestimento e i valori nella tabella di riferimento rapido di seguito presuppongono filettature pulite e leggermente oliate.
Valori pratici di riferimento della coppia
I seguenti valori sono coppie di installazione tipiche per ganasce ferroviarie e bulloni di fissaggio ai gradi di resistenza comunemente utilizzati, presupponendo filettature pulite e normale lubrificazione; sono punti di partenza per una calibrazione, non sostituti della specifica di coppia di progetto.
| Filo | Grado | Intervallo tipico di precarico (kN) | Coppia di serraggio tipica (N-m) |
|---|---|---|---|
| M16 | 8.8 | 60-80 | 250-300 |
| M20 | 8.8 | 95-125 | 400-450 |
| M24 | 10.9 | 160-200 | 800-900 |
| M30 | 10.9 | 250-310 | 1500-1600 |
Il salto da M24 a M30 raddoppia all'incirca la coppia e il precarico, motivo per cui il metodo di serraggio deve cambiare a seconda delle specifiche.
Perché sono necessarie chiavi idrauliche per M24 e versioni successive
Una chiave dinamometrica manuale a scatto-di tipo comunemente utilizzata in pista ha una gamma superiore pratica di circa 400 N-m, che è inferiore alla coppia di progetto di un bullone M24 di grado 10,9 da 800 a 900 N-m e molto al di sotto della regione di 1500 N-m di una M30. Tentare di raggiungere tali valori manualmente non è né accurato né sicuro. Le chiavi dinamometriche idrauliche coprono l'intervallo da 500 a 5.000 N-m, applicano la coppia in modo fluido senza scosse e mantengono il valore target con una ripetibilità generalmente entro circa il 5%. Eliminano anche il fattore umano: con una chiave manuale, ogni installatore applica una forza diversa e la dispersione del precarico attraverso un giunto a stecca è abbastanza grande da lasciare alcuni bulloni quasi cedevoli e altri appena serrati. Il serraggio idraulico, idealmente seguito da un controllo della coppia, mantiene piccola la dispersione del precarico e prevedibile il comportamento del giunto.
Cosa va storto quando la filettatura e la coppia non corrispondono
Stringere eccessivamente-un piccolo bullone è il classico errore di installazione. Il bullone cede nella sezione filettata, l'allungamento permanente non consente il mantenimento del precarico e sotto le vibrazioni di servizio il giunto perde la forza di serraggio; il bullone quindi funziona sotto flessione e fatica e alla fine si frattura, solitamente in corrispondenza del primo filo innestato. Sotto-serraggio, un bullone di grandi dimensioni lascia il giunto allentato fin dall'inizio: la fessura della stecca si apre e si chiude sotto ogni ruota, il bullone subisce tagli e flessioni alternati, le estremità del binario si deformano e la geometria del giunto si deteriora. Un giunto allentato in questo modo consuma ore di manutenzione in modo sproporzionato rispetto alla sua lunghezza ed è una nota fonte di difetti alle estremità della rotaia. La soluzione tecnica è sempre la stessa: selezionare la dimensione della filettatura in modo che il precarico richiesto rientri comodamente nella capacità del bullone e impostare la coppia in modo che il precarico venga raggiunto senza superare circa l'80-90% della sollecitazione di prova.
Filettature lunghe e stabilità del precarico su linee di trasporto pesante-
Sui giunti-di trasporto pesante è importante anche la lunghezza del filo innestato. Un impegno della filettatura più lungo aumenta il numero di filetti caricati, distribuisce il carico in modo più uniforme, riduce la concentrazione delle sollecitazioni sul primo filetto e abbassa la sollecitazione di taglio per unità di lunghezza impegnata. I bulloni con sezioni filettate più lunghe tollerano anche una maggiore sollecitazione elastica, che aiuta il giunto a mantenere il precarico attraverso cicli di temperatura e impatti ripetuti. Questo è il motivo tecnico per cui i bulloni-della stecca a stecca per trasporti pesanti vengono specificati con lunghezze di filettatura maggiori e perché la sostituzione con un bullone automobilistico-a filettatura corta non è mai accettabile nel servizio su rotaia.
Domande frequenti
Perché il precarico è più importante della coppia stessa?
Perché il precarico è la forza di serraggio effettiva che mantiene il giunto stretto e i componenti in movimento; la coppia è solo un modo pratico per produrre precarico e la stessa coppia può fornire precarichi diversi in diverse condizioni di attrito.
Quale coppia è richiesta per un bullone per binario M24 di grado 10.9?
La coppia di installazione tipica è compresa tra 800 e 900 N-m con lubrificazione normale, che produce un precarico compreso tra circa 160 e 200 kN; il valore deve essere calibrato per il rivestimento e il lubrificante effettivi.
Una chiave dinamometrica manuale può serrare correttamente i bulloni M30?
No. La coppia di progetto di un bullone M30 di grado 10.9 è di circa 1500 N-m e superiore, ben oltre la gamma pratica delle chiavi a scatto manuali-; è necessaria una chiave dinamometrica idraulica.
Perché i bulloni zincati necessitano di valori di coppia diversi?
Perché lo strato di zinco modifica il coefficiente di attrito della filettatura, e quindi modifica la frazione di coppia che si converte in precarico; la coppia di serraggio deve essere ri-derivata per la condizione della superficie zincata, solitamente con le filettature lubrificate.
Cosa succede se un bullone viene stretto oltre lo snervamento?
Il bullone subisce un allungamento permanente, il precarico si rilassa al di sotto del valore di progetto e sotto vibrazione il giunto si allenta; il bullone subisce quindi cicli di fatica durante la flessione e in genere si rompe alla radice della filettatura.
Come viene verificato il corretto precarico in cantiere?
Con un controllo della coppia utilizzando una chiave calibrata, misurando l'angolo di sterzata aggiuntivo o con un indicatore di tensione diretto come una rondella-indicatrice del carico; il criterio di accettazione è un precarico entro la fascia specificata, non semplicemente la lettura della chiave.