I ett fast grepp

Tänk dig att en skruv lossnar på en lyftkran och att den tio ton tunga lasten plötsligt faller ned på någon förbipasserande på gatan nedanför. Eller att skruvförbandet på en högspänningsledning avmattas och det blir ett flera dagar långt strömavbrott i ett stort tätbebyggt område.

Skruvar är viktiga komponenter som håller samman många kritiska produkter i vårt vardagsliv. De måste vara starka nog att motstå alla typer av väderförhållanden, extrema förslitningar och, ibland, felaktig montering. Alltför ofta måste de klara av allt detta, vilket betyder att skruven ibland kan lossna eller avmattas. Med tiden kan minimala skiftningar i skruvförbandet leda till defekter och därmed kostsamma, tidskrävande och, i värsta fall, farliga situationer.

Fysiker och experter har i flera år kämpat hårt för att hitta en lösning för lossning, relaxation och krypning i skruvförband. På senare tid har de undersökt hur skruvförband används i tung industri där det finns risk att skruvarna lossnar på grund av vibrationer och dynamisk belastning från spontana rörelser som vind eller oregelbunden användning.

Två termer, sättning och relaxation, dyker ofta upp när det gäller felaktiga skruvförband. Sättningar innebär att skruvförbandets förenade ytor på mikroskopisk nivå förlorar kontakten, exempelvis anpassning efter ojämnheter på ytan. Relaxation orsakas huvudsakligen av att belastat material mjuknar under lång tid. Skruvarna eller de sammanfogade delarna kan förlora den elastiska sträckningen, vilket medför att förspänningen i skruvsäkringen går förlorad.

– Utmaningen gäller balansen mellan skruvens töjning och förlusten av tryck i de olika delarna, förklarar Maxime Thonnerieux, global R&D Director på Nord-Lock. Om du förlorar mikrometer på grund av sättningar kommer skruven att bli mindre utdragen eftersom allt är sammankopplat. Utmaningen för våra kunder är att först av allt ta reda på om skruvförbandets sättningar är tillräckliga.

Om kunden råkar ut för sättningar eller relaxation på grund av att skruvsäkringen inte är tillräckligt bra, är nästa utmaning enligt Thonnerieux att ta reda på hur problemet kan lösas.

– Om de kommer åt skruvförbandet kan de dra åt det om de känner till problemet, men det är en tidskrävande åtgärd. I de flesta fall förstår man inte det förrän det är för sent.

Wolfgang Troppauer är Innovation Director på det österrikiska företaget Mosdorfer. I 22 år har han jobbat inom företaget med delar till luftburna kraftledningar och han har direkt erfarenhet av hur kombinationen av krypningar och dåliga monteringstekniker satte ett helt projekt med högspänningsledningar i Asien på spel. Det är en av anledningarna till att det 300 år gamla företaget tar krypningsproblemet på största allvar.

– Fenomenet med skruvar som lossnar uppstod faktiskt för en tid sedan, avslöjar Troppauer. Det som hände var att en enkel sats med skruv och bricka användes och dessutom gjorde montören ett relativt dåligt jobb. Resultatet var otillräckligt tryck och att skruvsäkringen efter ett tag fallerade.
Krypningar, speciellt i kablar, är en av de största utmaningarna för Mosdorfer. Företaget förser stamnätsföretag i hela världen med bland annat högspänningstorn, upphängningstorn, spänningskablar, delar av lågtemperaturstål, vibrationsdämpare och klämrullar för upphängning av lågspänningsledningar. Dessutom varierar kvaliteten på, och resurserna för, monteringen av kraftledningarna oerhört mycket från land till land.

– I allmänhet är montörer i Europa välutbildade och de använder kabelkärror när dämpningssystemet installeras på kablarna, vilket underlättar arbetet oerhört, förklarar han. I vissa länder måste montörerna själva klättra upp till kabelbuntarna och hänga 30–40 meter upp i luften. Om skruvarna inte dras åt korrekt är risken stor att klämmorna lossnar och kablarna skadas eller blir helt obrukbara. Det finns många kostnadsbesparande åtgärder som i slutändan innebär en högre risk för att produkten ska fallera.

En av Mosdorfers kärnprodukter är distansdämpare som är monterade i buntarna för att hålla kablarna på ett visst avstånd från varandra i kabelledningarna och för att skingra energin i kablarna.

– Det rör sig om mycket viktiga produkter, för om kablarna inte dämpas och den vindgenererade energin inte skingras kan kablarna i värsta fall falla ned och orsaka strömavbrott som varar i flera timmar eller dagar, säger Troppauer.

Distansdämparna har skruvförband på klämmorna där klämman sitter fast på kabeln. Gångjärnskopplingen är säkrad med skruvar och muttrar. Kablarna är mycket dynamiska i och med att de svänger i vinden. Om skruvsäkringen inte är tillräckligt stark finns det risk att skruvarna lossnar.

Kablarna är fixerade mellan två torn som är 30–80 meter höga. Det betyder att kablarna fungerar som tyngder med statisk belastning som måste motstå dramatiska temperaturskillnader. Vid arbetstoppar, till exempel vid lunchtid, blir kablarna mycket varma på grund av den stora efterfrågan på elektricitet. På natten däremot kyls de ner eftersom inte lika mycket el används, och eftersom temperaturen faller på natten. Det kan betyda temperaturskillnader på 50–70 grader Celsius och leda till att krypningen går snabbt.

Krypning av kablarna, orsakad av konstanta temperaturväxlingar, kan göra att klämmans diameter minskar och förspänningen går förlorad. Krypning förvärras också av att kablarna är gjorda av aluminium, ett relativt billigt och lätt material med hög ledningsförmåga och bra korrosionsmotstånd.

– I vår verksamhet finns miljontals skruvförband av den här typen, så för varje skruvförband som relaxerar är risken stor för lossning. Om relaxationen är för stor och skruven lossnar kan följden bli att klämman lossnar från kabeln så att den rör sig fram och tillbaka. Även om den bara förflyttar sig en millimeter skulle det skada aluminiumkabel, och det är ett mycket allvarligt problem, säger Troppauer.

– När vi tittade närmare på den här incidenten upptäckte vi att för att kunna bekämpa krypningen skulle brickan behöva vara mer elastisk. Vi behövde ta fram en alternativ produkt som kunde motstå felaktigheter under monteringen, extrema väderförhållanden och tunga belastningar i kritiska tillämpningar av den här typen, fortsätter han.

Nord-Lock lanserade nyligen den patenterade X-seriebrickan med en unik killåsningsdesign i kombination med exceptionell fjädringseffekt. Brickorna i X-serien är specifikt utformade för att skydda skruvförband från spontan skruvlossning och kompenserar för förlust av förspänning på grund av avmattning.

– X-serien är resultatet av vårt mål att designa ett system som eliminerar osäkra skruvförband, säger Maxime Thonnerieux, som står bakom utvecklingen av X-serien. Förutom vibrationer och dynamisk belastning riktar sig X-serien även till kunder vars verksamhet rör många andra utmanande tillämpningsområden, exempelvis målade eller pulverlackade ytor, mjuka metaller, kompositmaterial och polymerer.

Wolfgang Troppauer och hans team testar för närvarande antilossningsfunktionen och de statiska och dynamiska egenskaperna för de nya brickorna i X-serien i Mosdorfers labb för vibrationstester i Österrike. Slutresultaten presenteras senare under året.

– Eftersom de flesta av våra produkter utformas för att hålla i 30–50 år måste de genomgå simulationstester i 30-åriga miljöer. När de väl har monterats på högspänningsledningar är det inte så enkelt att stänga av ledningarna och låta folk vara utan ström i flera timmar, förklarar Troppauer och tillägger att resultaten ser lovande ut hittills.

Avmattning: en förklaring
Avmattning innebär minskad förspänning på grund av plastiska deformationer utan roterande rörelse, och kan bland annat orsaka lossning. Avmattning kan bero på tre saker:

1. Sättning. Orsakas av att kontaktytorna på insidan av skruvförbandet deformeras. Sättningar ändrar längden på de sammanfogade delarna och därför kan den förlorade förspänningen identifieras genom att längden på skruven mäts.
2. Relaxation. Omstrukturering av kristallerna i materialet konverterar befintlig elastisk deformation till plastisk deformation under lång tid. Relaxation ändrar inte längden på sammanfogade delar eller skruven och därför kan man inte identifiera hur stor förspänning som går förlorad. Relaxation är därför kritiskt för ett skruvförband.
3. Krypning. Omstrukturering av kristallerna i materialet leder med tiden till ytterligare plastisk deformation. Krypningar ändrar längd på sammanfogade delar och skruven. Förlust av förspänning kan identifieras genom att skruvens längd mäts.

I skruvförband uppstår krypning och relaxation samtidigt och därför faller båda under samma typ av relaxation, d.v.s. förlust av förspänning på grund av plastisk deformation av material som har rekristalliserats under lång tid.

FAKTA: OM MOSDORFER
Mosdorfer grundades 1712. I början tillverkade de knivar och blad, men övergick efter andra världskriget till maskindelar. Mosdorfer har specialiserat sig på delar till luftburna ledningar och tillbehörsutrustning, och vänder sig till nätbolag, entreprenadföretag och återförsäljare över hela världen. Företaget producerar över 30 000 olika typer av delar till luftburna högspänningsledningar för voltspänning på 1–1 200 kV. De tillverkar också delar av lågtemperaturstål, vibrationsdämpare och klämrullar för upphängning av lågspänningsledningar. Mosdorfer har kunder över hela världen, men de flesta finns i Europa, Fjärran östern, Indien, USA, Sydamerika och Kanada. Företaget ligger två timmar söder om Wien i Österrike.

KOMBINERAR KILLÅSNING OCH FJÄDRINGG
Nord-Locks nya patenterade säkerhetsbrickor i X-serien kombinerar killåsningssystemet som förhindrar spontan skruvlossning med en unik fjädringseffekt som skyddar mot avmattning orsakad av sättningar och relaxation. Denna unika kombination betyder att X-serien är det säkraste alternativet för kritiska skruvförband.

Precis som Nord-Locks originalbrickor har varje par brickor kammar på ena sidan och tänder på den andra för att säkra skruvförbandet med spännkraft istället för friktion. Den koniska formen skapar en elastisk reserv i skruvförbandet som kompenserar förlusten av förspänning och motverkar avmattning.

Så här fungerar det

Fästelementet skruvas åt, vilket gör att brickparet plattas ut och tänderna griper fast i kontaktytorna. Eftersom kamvinkeln (α) är större än gängstigningen (β) kommer killåsningseffekten att förhindra all rotation av fästelementet. Direkt efter åtdragning sätter sig skruvförbandet och fästelementet sjunker ner i ytmaterialet. Brickornas fjädringseffekt (Fs) motverkar skruvens avmattning (ΔL), vilket därmed förebygger förlust av skruvförbandets förspänning.

Dessa multipla funktioner interagerar för att bibehålla förspänningen och förebygga spontan skruvlossning – på detta sätt skapas en mycket effektiv lösning mot vibrationer, dynamisk belastning, sättningar och avmattning.