Tiukan kiinnityksen säilyttäminen

Kuvittele, jos ruuvi irtoaa nosturista ja tiputtaa 10 tonnin kuorman alla olevien jalankulkijoiden päälle. Tai mitä tapahtuisi, jos johtimen ruuviliitos höltyisi sähkönsiirtolinjassa ja aiheuttaisi monen päivän sähkökatkoksen isolla kaupunkialueella?

Ruuvit ovat tärkeitä komponentteja, jotka jokapäiväisessä elämässämme pitävät yhdessä monia kriittisiä tuotteita. Niiden täytyy olla tarpeeksi vankkoja kestääkseen kaikkia sääolosuhteita, suurta kulumista ja joskus myös vääränlaista asennusta. Usein niiden täytyy kestää kaikkea yllämainittua, mikä tarkoittaa, että ruuvi saattaa löystyä tai höltyä. Ajan myötä nämä ruuviliitoksen pienet liikkeet voivat muuttua vioiksi ja aiheuttaa kalliita, aikaavieviä ja pahimmissa tapauksissa vaarallisia tilanteita.

Fyysikot ja asiantuntijat ovat jo vuosien ajan hakeneet ratkaisua ruuviliitosten löystymiseen, relaksaatioon ja virumaan. Viime aikoina he ovat tutkineet ruuviliitosten käyttöä raskaassa teollisuudessa, missä tärinän ja esimerkiksi tuulen tai epätasaisesn käytön aiheuttama spontaani liike nostaa löystymisriskiä.

Kaksi käsitettä, painuma ja relaksaatio, tulevat usein esiin ruuvivikojen yhteydessä. Painuma on liitoksen kontaktipinnan välissä irronnut mikronimäärä, esimerkiksi pinnan karheuden mukautumisessa. Relaksaation aiheuttaa pääosin materiaalin kiristyksen muutos ajan myötä. Ruuvit tai kiinnitetyt osat voivat menettää elastisen venymän, minkä vuoksi ruuviliitoksen esijännitys häviää.

”Haaste on yhteydessä ruuvin venymän ja osien puristuslujuuden vähenemisen välisessä tasapainossa”, selvittää Maxime Thonnerieux, Nord-Lockin globaali tutkimus- ja kehitysjohtaja. ”Jos menetät mikroneja painumassa, menetät ruuvin venymää, koska kaikki on yhteydessä toisiinsa. Asiakkaittemme haasteena on ensin löytää, onko liitoksessa merkittävää painumaa.”

Jos asiakas huomaa painumaa tai relaksaatiota, koska ei ole asentanut sopivan varmaa ruuviratkaisua, seuraava haaste on Thonnerieux’n mukaan se, miten ongelman voi ratkaista? ”Jos he pääsevät käsiksi liitokseen, he voivat kiristää sen ongelman tajuttuaan, mutta se on aikaavievä prosessi. He eivät valitettavasti monissa tapauksissa tajua sitä, ennen kuin tilanne eskaloituu.”

Innovaatiojohtaja Wolfgang Toppauer on ollut 22 vuotta itävaltaisen yrityksen Mosdorferin palveluksessa käsitellen energiateollisuuden sähkönsiirtolinjojen kiinnityksiä. Hänellä on suoraa kokemusta siitä, kuinka viruman ja huonojen asennusmenetelmien yhdistelmä panivat Aasiassa sähköjohdot alttiiksi vaaralle. Sen vuoksi tämä 300-vuotias yritys ottaa virumaongelman hyvin vakavasti.

”Tämä ruuvien löystymisilmiö esiintyi jokin aika sitten”, Troppauer paljastaa. ”Kyseessä oli yksinkertainen ruuvin ja aluslevyn yhdistelmä sekä melko huono johtoasentajan paikan päällä tekemä asennus, jonka tuloksena oli kohtuuton paine ja pitkän päälle ruuviliitoksen hajoaminen.”
Viruma, ennen kaikkea johtimissa, on Mosdorferin suurin haaste. Mosdorfer toimittaa maailmanlaajuisesti energiayhtiöille ja siirtoverkon haltijoille kiristys- ja kannatuspylväitä, kiristysketjuja, liittimiä kylmävedetystä teräksestä, värähtelynvaimentimia ja pidikkeitä pienjännitelinjoihin. Lisäksi sähkönsiirtolinjojen asennusten laatu ja materiaali vaihtelee huomattavasti maasta maahan.

”Euroopassa työmiehet ovat yleisesti ottaen hyvin koulutettuja ja käyttävät kaapelikärryjä asentaessaan värähtelynvaimentimia johtimiin, mikä tekee työstä helpompaa”, hän selvittää. ”Joissakin maissa johtoasentajien täytyy kiivetä johdinkimpun päälle ja riippua ilmassa 30–40 metrin korkeudessa. Jos ruuveja ei kiristetä kunnolla, on todella vaara, että pidike löystyy ja johtimet vahingoittuvat tai hajoavat kokonaan. On olemassa paljon kustannussäästöä, mikä loppujen lopuksi tarkoittaa sitä, että tuotteen hajoamisen riski on suurempi.”

Yksi Mosdorferin päätuotteista on vaimentava väliside, joka kiinnitetään johdinkumppuihin pitämään johtimet tietyllä etäisyydellä toisistaan sähkönsiirtolinjassa, ja niitä käytetään poistamaan energiaa johdoista. ”Nämä ovat todella tärkeitä tuotteita johtimien vaimentamiseen ja tuulienergian poistamiseen. Pahimmassa tapauksessa johtimet voivat pudota alas, ja linjassa voi olla tuntien tai jopa päivien sähkökatkos”, Troppauer selvittää.

Vaimentavissa välisiteissä on ruuviliitoksia siinä kohdassa, jossa pidike ruuvataan johtoon. Nivelliitos kiristetään ruuveilla ja muttereilla. Johtimet ovat tavallisesti erittäin liikevoimaisia, sillä ne taipuvat värähtelemään tuulen vaikutuksesta. Jos liitos ei ole vankka, ruuvi saattaa löystyä.
Johtimet on kiinnitetty kahteen torniin, jotka ovat 30–80 metriä korkeita. Niissä on staattinen kuormitus, jonka täytyy kestää suuria lämpötilaeroja. Suuren kuormituksen, kuten lounastauon aikana, johtimet kuumenevat suuren sähkönkulutuksen vuoksi. Yön aikana ne viilenevät, koska sähkönkulutus pienenee ja ulkolämpötila laskee. Kyseessä voi olla 50–70 celsiusasteen lämpötilaero, jonka tuloksena on nopea viruma.

Johtimen viruman aiheuttaa jatkuvasti muuttuvat lämpötilat. Sen vaikutuksesta kiinnittimen halkaisija voi pienentyä ja menettää esijännitystä. Virumaa edistää se, että johtimet on valmistettu alumiinista, joka on suhteellisen halpa, kevyt ja johtava sekä hyvin korroosiota kestävä materiaali.
”Meidän toimialallamme on miljoonia ruuviliitoksia. Jokainen jännityksen menettävä ruuviliitos voi löystyä. Jos relaksaatiota on liikaa ja ruuvi löystyy, se voi irrottaa pidikkeen johtimesta, ja pidike saattaa liikuttaa johdinta. Vaikka se siirtyy vain millimetrin, se vahingoittaa alumiinijohdinta, mikä on erittäin vakava asia”, Troppauer sanoo.

”Tutkiskellessamme hieman syvemmin tätä seikaa huomasimme, että viruman estämiseksi aluslevyssä täytyy olla enemmän elastisuutta. Tarvitsimme vaihtoehtoisen tuotteen, joka voisi kestää asennuksessa syntyviä virheitä sekä vaihtelevia sääolosuhteita ja suurta kuormitusta tällaisissa kriittisissä sovelluksissa”, hän jatkaa.

Nord-Lock on hiljattain tuonut markkinoille patentoidun X-series-aluslevyn, jossa on ainutlaatuinen kiilamuotoilu ja jousitus. X-series-aluslevyt on suunniteltu suojaamaan ruuviliitoksia spontaanilta löystymiseltä ja kompensoimaan höltymisen aiheuttamaa esijännityksen menetystä. ”X-series on tulos pyrkimyksestämme suunnitella järjestelmä, joka eliminoisi puutteet”, sanoo Maxime Thonnerieux, joka vastaa X-series-aluslevyjen kehityksestä. ”Värähtelyn ja dynaamisen kuormituksen ohella X-series mahdollistaa sen, että voimme palvella asiakkaita, joilla on muita vaativia sovelluksia, kuten maalattuja tai jauhepäällystettyjä pintoja, pehmeitä metalleja, komposiitteja ja polymeerejä.”

Wolfgang Troppauer ja hänen tiiminsä testaavat uusien X-series-aluslevyjen löystymistä estävää ominaisuutta sekä staattista ja dynaamista käyttäytymistä Mosdorferin värähtelytestilaboratoriossa Itävallassa. Lopulliset tulokset ovat saatavilla 2013.
”Koska useimmat tuotteemme on suunniteltu 30–50 vuoden käyttöön, meidän täytyy simuloida ne 30-vuotisessa ympäristössä. Kun ne on asennettu suurjännitelinjoihin, linjoja ei voi kytkeä irti noin vain ja jättää ihmiset tunneiksi ilman sähköä”, Troppauer selventää ja lisää, että tulokset vaikuttavat lupaavilta.

Höltyminen: selitys
Höltyminen johtuu esijännityksen menetyksestä, jonka aiheuttaa plastinen muodonmuutos ilman kiertoliikettä. Sen seurauksena voi olla löystyminen muiden ongelmien ohella. Höltymistä aiheuttaa kolme seikkaa:

1. Painuma. Tämän aiheuttaa kontaktipintojen plastinen muodonmuutos liitoksen sisällä. Painuma muuttaa liitettyjen osien pituutta, joten sen aiheuttaman esijännityksen menetyksen voi todeta mittaamalla ruuvin pituuden.
2. Relaksaatio. Materiaalin kidehilan rakennemuutos muuttaa elastisen muodonmuutoksen ajan myötä plastiseksi muodonmuutokseksi. Relaksaatio ei muuta liitettyjen osien tai ruuvin pituutta, joten esijännityksen pienenemistä ei pystytä toteamaan. Sen vuoksi relaksaatio on kriittistä ruuviliitoksessa.
3. Viruma. Materiaalin kidehilan rakennemuutos aiheuttaa ajan myötä lisää plastista muodonmuutosta. Viruma muuttaa liitettyjen osien ja ruuvin pituutta. Esijännityksen pienenemisen voi todeta mittaamalla ruuvin pituuden.

Ruuviliitoksissa viruma ja relaksaatio tapahtuvat samanaikaisesti, joten ruuvi kuuluu samaan relaksaatiokategoriaan, eli esijännityksen pieneneminen ajan myötä materiaalin rakennemuutoksen aiheuttaman plastisen muodonmuutoksen seurauksena.

TIEDOT: TIETOJA MOSDORFERISTA
Mosdorfer on perustettu 1712 ja valmisti alkujaan puukkoja ja teriä ennen kuin alkoi valmistaa koneosia toisen maailmansodan jälkeen. Mosdorferin erikoisalaa ovat sähkönsiirtolinjojen osat. Se palvelee energia- ja sähköyhtiöitä, sopimuskumppaneita ja tukkukauppiaita koko maailmassa. Yritys valmistaa yli 30 000 erilaista sähkönsiirtolinjoissa käytettävää kiinnitintä 1–1 200 kV:n jännitteille. Se valmistaa myös liittimiä kylmävedetystä teräksestä, värähtelynvaimentimia ja pidikkeitä pienjännitelinjoihin. Mosdorferilla on asiakkaita koko maailmassa, pääasiassa Euroopassa, Kaukoidässä, Intiassa, USA:ssa, Etelä-Amerikassa ja Kanadassa. Yrityksen toimipaikka on Itävallassa Wienin eteläpuolella kahden tunnin ajomatkan päässä.

KIILAN JA JOUSEN YHDISTELMÄ
Nord-Lockin uusissa patentoiduissa X-series-aluslevyissä yhdistyy yrityksen kiilalukitusmenetelmä, joka estää ruuvin spontaanin löystymisen, poikkeukselliseen jousivoimaan, joka suojaa painuman ja relaksaation aiheuttamalta höltymiseltä. Tämä ainutlaatuinen yhdistelmä tarkoittaa, että X-series tarjoaa parasta turvallisuutta kriittisiin ruuviliitoksiin.

Kuten Nord-Lockin alkuperäisissä aluslevyissä lukituslaattojen toisella puolella on kiilahammastus ja toisella puolella tartuntahammastus. Näin ruuviliitos varmistetaan jännityksellä kitkan sijaan. X-series-aluslevyjen kartiomainen muoto antaa ruuviliitokseen myös elastisen reservin, joka kompensoi esijännityksen pienenemisen ja estää höltymisen.

Toimintaperiaate

Kiristettäessä lukituslaattapari painuu kasaan ja tartuntahammastus pureutuu kontaktipintaan. Koska kiilahampaiden välinen nousukulma (α) on suurempi kuin kierteen nousu (β), muodostuu kiilaava vaikutus, joka estää ruuvia kiertymästä auki. Välittömästi kiristämisen jälkeen liitos asettuu, ja kiristin painuu pintamateriaaliin. Voimakkaan jousivoiman (Fs) ansiosta lukituslaatta kompensoi asettumista (ΔL) ja estää näin esijännityksen häviämistä.

Nämä toiminnot vaikuttavat jatkuvasti ruuviliitoksessa säilyttäen esijännityksen ja estäen ruuvin spontaanin löystymisen. Näin se on tehokas ratkaisu tärinässä, dynaamisessa kuormituksessa, painumassa ja relaksaatiossa.