Preventief onderhoud
Multischroefspansystemen voor grote bout/moer-verbindingen

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Zware machines zijn afhankelijk van schroefboutverbindingen die men kan demonteren en opnieuw kan monteren. De enorme krachten die met dergelijke verbindingen gepaard gaan, vereisen bouten van grote diameters; jammer genoeg vergen deze vanwege hun afmeting een grote krachtinspanning om ze aan te spannen en los te maken. .

Het zijn vooral schroef-boutverbindingen met zeer grote diameter en korte spanlengten die problemen kunnen stellen. Perskolommen en assemblages met zuiger/stang zijn daar typische voorbeelden van.
Dit type verbindingen loopt een vrij groot risico haar spankracht of “voorspankracht” te verliezen. Op het moment van piekbelasting wordt de werklast enkel door de schroefdraden gedragen - een gevaarlijke situatie die, ongeacht de draadafmeting, tot het breken van de kolom en/of tot belangrijke schade kan leiden. Om kwetsbare machinedelen te beschermen en het risico van grotere schade, stilstanden of vernieling te elimineren, dient er een programma voor preventief onderhoud opgesteld en gewetensvol opgevolgd te worden. In de ideale situatie wordt deze preventie al in de ontwerpfase geïntegreerd. In het andere geval zijn nog maatregelen mogelijk wanneer men zich later, tijdens de productie zelf, rekenschap geeft van deze zwakke punten.
Specifiek voor de schroefbout-verbindingen, kan preventief onderhoud één van de volgende acties inhouden: (A) elke verbinding op een hoger niveau aanspannen, (B) een middel vinden om elke verbinding beter aan te spannen,
(C) elke verbinding voorspannen op een hoger niveau met behulp van andere middelen.
Voor het onderhoudspersoneel kunnen deze doelstellingen quasi onhaalbaar lijken: aan de ene kant kan het belastingsniveau steeds hoger worden vanwege, door snellere productieritmes, gedicteerd door kostprijsoverwegingen en marktvereisten. Aan de andere kan is er weinig marge voor verbetering, door de kost die met elke ingreep gepaard gaat én door gebrekkig ontwerp van de machine en/of de verbindingen. Het risico van een stilstand is niet alleen reëel, maar neemt ook toe in de tijd. De onderhoudstechniekers hebben dan ook geen andere keuze dan de verbindingen geregeld na te kijken en aan te spannen - op lange termijn een kostelijke routine, temeer doordat de spansystemen eigenlijk niet ontworpen zijn voor dit soort van kwaliteitsverbeterende ingrepen.

Multi-schroef spansystemen
Feit is dat het verlies van de voorspankracht steeds één van de voornaamste oorzaken van schade aan machines geweest is en ook nog steeds is. Gelukkig bestaan er intussen aangepaste spansystemen die een veel hogere kwaliteit van de verbindingen waarborgen, wat resulteert in veel lagere onderhoudskosten en dus uiteindelijk in besparingen. Deze multi-schroef spansystemen zijn gebaseerd op het principe om een ‘groot probleem’ op te lossen (de spanelementen met een grote diameter) door dit op te splitsen in een groot aantal ‘kleine problemen’, die gemakkelijker beheersbaar zijn (schroefverbindingen met een kleine diameter).

Basisprincipes van de spanverbindingen
Bij spansystemen is het de bedoeling een voorspankracht in de bout te creëren die hoger is dan de werklast. Zolang de voorspankracht groter is dan de werklast die erop inwerkt, zal de bout niet loskomen - hoewel een overdreven voorspankracht de elementen van de verbinding en het bevestigingselement kan schaden. Een te zwakke voorspankracht kan tot een tekort aan spankracht leiden. In reële omstandigheden is de werklast typisch gelijk aan de som van een statische last die gesuperponeerd wordt door een dynamische last. Deze laatste kan ook meerdere keren de statische last bedragen.
Verbindingen met grote diameters stellen eigenlijk een tweeledig dilemma:
(1) Hoe het bevestigingselement correct aan te trekken
(2) Hoe het ook over de tijd aangespannen te houden.
Bij het aanspannen van een bout, rekt deze uit. Deze elastische uitrekking is noodzakelijk want ze houdt de elementen met de boutverbindingen bij elkaar. Hoe elastischer het gespannen geheel is, hoe gemakkelijker het de schommelingen in belasting, temperatuur en schokken zal kunnen opvangen. Hoge elasticiteitsniveaus worden verkregen door gebruik te maken van lange, sterk belaste bouten. Als de afstand tussen de kop van de bout en de moer kort is, zal de elasticiteit steeds laag en mogelijk onvoldoende zijn. ‘Gedrongen’ spansystemen, waarbij de afstand tussen de boutkop en de moer kort is, zullen een zwakke of onvoldoende elasticiteit hebben. Een mogelijke oplossing hiervoor is veerringen onder de moer of de boutkop te plaatsen. Een andere bestaat er in de korte bout door een langere te vervangen door een reeks tussenringen te gaan invoegen. Een nog betere methode om de elasticiteit van een spansysteem te verbeteren, is één grote bout/moerverbinding waarbij zich in de moer nog meerdere kleine spanschroeven bevinden, de zogenaamde ‘multischroefsystemen.’

Conventionele spanmethoden
Voor het spannen van grote bouten worden klassiek diverse methoden gebruikt, zoals een hydraulische sleutel, een kraansleutel, een krik-en-schroef sleutel of thermisch spannen door toevoer van warmte. De oudste en de eenvoudigste van allemaal is wellicht de voorhamer. Deze conventionele spanmethoden zijn algemeen gekend en worden ook veel gebruikt. Minder bekend is dat deze methoden de totale dwarsdoorsnede van een grote bout eigenlijk niet volledig benutten en dus geen optimale verbinding maken.
Bij het aanspannen door torsie, met welke klassieke methode dan ook, voegt men namelijk een spanning toe aan de axiale, voor het afklemmen benodigde spanningsbelasting. De bout kan dan tot slechts 70% van zijn rendement voorgespannen worden. Anders gezegd: in verhouding tot de maximum toegelaten spanning van 90% van het rendement, wordt de dwarsdoorsnede van de centrale bout slechts belast met 100 x 0,7/0,9 = 78%. Aangezien torsiespanning ongewenst is, worden grote bouten bij voorkeur voorgespannen door een simpele axiale spanning. Jammer genoeg leidt precies dit dan weer tot verliezen in de voorspankracht die ontstaan door het elastische terugspringeffect van de bout.
Spansystemen met meerdere kleine spanmoeren daarentegen laten toe de dwarsdoorsnede van de centrale bout tot de maximum voorspankracht aan te trekken, bijvoorbeeld 90% van het rendement. Men hoeft tijdens de hele levensduur van de verbinding ook geen aanzienlijk verlies van de voorspankracht te verwachten - wat ook weer een niet te versmaden voordeel van deze methode is.

Een nieuw machine-element
Bij de huidige grote spansystemen, is dit type multischroefverbinding een beter alternatief voor de gewone bout- en moercombinatie. Men verkrijgt een correcte voorspanning door meerdere schroeven aan te spannen die zich in de moer omheen de centrale hoofdbout bevinden. Er is enkel een gewone momentsleutel nodig om alle bouten aan te trekken. Bij het aantrekken duwen de kleine bouten de moer automatisch weg van het te klemmen deel, waardoor de bout opgerekt wordt. Dit kan snel en gemakkelijk gebeuren.
De kwaliteit van een bout-verbinding hangt af van:
(a) het feit of ze maximum voorgespannen is,
(b) de verlenging van de bout, of de rekeigenschappen,
(c) de uniforme krachtverdeling over de schroefverbinding, en
(d) de elasticiteit van de moer.
Uitgaande van identieke spanlengten, bieden mecha-nische spanelementen over het algemeen meer uitrekking. De spankracht wordt hogerop in de draden ingeleid, de schroeven worden gecomprimeerd en de moerlichamen geven mee onder de belasting. Deze factoren worden gecombineerd om voor een bijkomende verlenging te zorgen, waardoor de uitrekking en de elasticiteit aanzienlijk opgedreven worden, in het bijzonder op korte spanlengten.

Hogere voorspanniveaus
Multischroef-spansystemen bieden hogere voorspan-niveaus voor dezelfde dwars-doorsnede en minder risico van loskomen, waardoor de weerstand tegen moeheid van de schroefboutverbinding aanzienlijk hoger wordt. Dit werd bewezen bij ver-moeidheidstesten. Bij het testen van een verbinding met M48 bouten met een spanlengte van L/D = 2, werd slechts een verlies van voorspankracht van 3% gemeten na 1 miljoen lastcycli en de lastuitersten tussen 2,5% en 98% van de voorspankracht. Onder normale omstandigheden, bedroed het verlies in voor-spankracht slechts 1 %. Bij conventionele boutsystemen met vergelijkbare korte spanlengten, kan men zich verwachten aan verliezen van de voorspankracht van tussen 30% en 50% of zelfs aan het loskomen van de verbinding.

Besluit
Naast de hierboven beschreven studie, bestaan nog heel wat andere die een brede waaier van toepassingen dekken. In alle gevallen gaat het om problematische grote diameter-draadverbindingen. Problemen doen zich het vaakst voor op slecht ontworpen machines, doordat de ontwerpers slecht geanticipeerd heeft op belastingen en schokken. Dergelijke ontwerpfouten kunnen tot zeer duur onderhoud leiden, om nog te zwijgen over de eventuele rampzalige gevolgen van verlies van de voorspankracht.
Multischroef spansystemen kunnen dus een valabel alternatief vormen voor conventionele spansystemen, vooral in de grote diameters. Voor het onderhoudspersoneel, bieden deze spanelementen een voordelig alternatief voor de conventionele draadverbindingen die veel onderhoud vergen.
M. Gerhard Ploke, P&S Tensioning Systems

Maintenance préventive
Ecrous tendeurs à vis multiples pour le serrage de grand diamètre

Les matériels lourds dépendent de raccords à brides que l’on peut démonter et remonter. Les forces élevées associées à de telles liaisons exigent que les boulons possèdent de grands diamètres. malheureusement, en raison de leur taille, ils nécessitent un effort important pour le serrage et le desserrage.

Particulièrement les raccords à brides de très grand diamètre et à courtes longueurs de serrage posent souvent problème. Les colonnes de presse et les ensembles piston/tige en sont des exemples types. Des liaisons comme celles-ci peuvent facilement perdre leur force de serrage, ou « précharge ». À son maximum, la surcharge de service n’est supportée que par les filets - une situation périlleuse qui, quelle que soit la taille du filet, peut se traduire par une fracture/casse de la colonne et/ou d’importants dégâts.

Un programme de maintenance préventif sérieux et suivi à la lettre doit être mis en place pour protéger les pièces vulnérables des machines et éliminer le risque de dégâts importants, de pannes ou de destruction. Idéalement, cette prévention devrait être « intégrée » au stade de la conception ou ultérieurement, lorsqu’on se rend compte de ces points faibles en cours de production. Pour les raccords à brides, la « maintenance préventive » peut comprendre l’une des opérations suivantes : (A) tendre le raccord à un niveau supérieur, (b) trouver un moyen de mieux fixer le raccord ou (c) le précontraindre à un niveau supérieur en utilisant d’autres moyens.
Pour le personnel de maintenance, de tels objectifs peuvent sembler formidables : le niveau de la charge peut augmenter de façon constante en raison du coût et des demandes du marché d’une part. D’autre part, une amélioration devient impossible en raison du coût prohibitif et d’une conception défectueuse. Par conséquent, le risque de panne est non seulement plus que réel, mais il augmente également avec le temps. Les équipes de travail n’ont donc pas d’autre choix que de contrôler et resserrer fréquemment les raccords - une pratique coûteuse à long terme, puisque les systèmes de serrage ne se prêtent pas aisément à ce type d’amélioration sur le plan de la qualité.

Typiques comme ils sont, ces problèmes permettent d’expliquer la raison pour laquelle la perte de précharge a été et continue d’être l’une des causes principales de dégâts importants aux machines. Heureusement, un système de serrage éprouvé a été développé ; il offre une liaison de bien meilleure qualité de l’ensemble de raccord, ce qui se traduit par une importante réduction des frais de maintenance et des économies ultérieures. Ce système de serrage à vis multiples est basé sur le principe de la solution d’un problème majeur (serrage de grand diamètre) en le réduisant en un grand nombre de « petits problèmes » facilement maîtrisables (serrage de petit diamètre).

Principes de base du serrage
Dans les systèmes de serrage, l’objectif consiste à créer dans le boulon une précharge supérieure à la surcharge de service. Tant que sa précharge est supérieure à la surcharge de service qui agit sur lui, le boulon ne se desserrera pas - bien qu’une précharge excessive puisse endommager les éléments du raccord et l’élément de fixation, tandis qu’une précharge trop faible risque de provoquer un défaut de serrage. Dans des conditions réelles, la surcharge de service est généralement égale à la somme d’une charge statique superposée par une charge dynamique. Cette dernière peut être égale à plusieurs fois la charge statique.Les grands éléments de fixation présente un double dilemme. Il faut réfléchir à deux questions : (1) comment serrer l’élément de fixation correctement et (2) comment le maintenir serré. Le fait de serrer un boulon étire celui-ci. Cet étirement élastique maintient ensemble les éléments boulonnés. Plus l’ensemble de serrage est élastique, plus il absorbera facilement les variations de charge, de température et de chocs. On obtient des niveaux élevés d’élasticité en utilisant de longs boulons fortement chargés. Si la distance entre la tête du boulon et l’écrou est courte, l’élasticité sera insuffisante. Les systèmes de serrage courts qui présentent une courte distance entre la tête du boulon et l’écrou donneront une élasticité faible ou insuffisante. Une solution consiste à insérer des rondelles-ressorts sous l’écrou ou la tête du boulon, une autre à remplacer le boulon court par un plus long et à ajouter des entretoises. Une meilleure méthode pour améliorer l’élasticité d’un système de serrage consiste à utiliser des écrous tendeurs à vis multiples.

Méthodes conventionnelles de serrage
Au fil des années, les énormes forces nécessaires pour étirer les grands boulons ont été créées à l’aide de plusieurs méthodes, dont la clé hydraulique, la clé de grue, la clé à cric et le serrage thermique ; la plus ancienne de toutes est peut-être la méthode avec la clé à frapper. Ces méthodes de serrage conventionnelles sont connues et largement utilisées dans la pratique mais ce que l’on sait moins, c’est que ces mêmes pratiques n’exploitent pas entièrement la section transversale disponible du grand boulon.

Lors d’un serrage par torsion, on ajoute une tension de torsion à la contrainte de tension axiale nécessaire pour le serrage ; le boulon peut donc être précontraint à 70% du rendement seulement. Autrement dit, par rapport à la tension maximale admissible de 90% du rendement, la section transversale du boulon n’est chargée qu’à 100 x 0,7/0,9 = 78%. Cette tension de torsion étant peu souhaitable pour de nombreuses raisons, il est préférable de précontraindre les grands boulons par une simple tension axiale.
Malheureusement, cela se traduit par des pertes dans la précharge qui proviennent de l’effet de ressort élastique du boulon.
Par contraste, les écrous tendeurs à vis multiples permettent de serrer la section transversale du boulon à la précharge maximale, par exemple 90% du rendement. Il ne faut pas s’attendre non plus à une perte appréciable de la précharge sur l’ensemble de la vie utile - un autre avantage caractéristique de ces éléments de fixation.

Un nouvel élément de machine
Dans les grands systèmes de serrage actuels, les écrous tendeurs à vis multiples remplacent les écrous et les boulons ordinaires. On obtient une précharge correcte en serrant plusieurs vis qui entourent le filet principal. Il faut simplement une clé dynamométrique du commerce pour serrer les vis qui éloignent le corps de l’écrou de la partie à serrer, provoquant ainsi un étirement du boulon. C’est une opération rapide et aisée.
La qualité d’un raccord à brides dépend (a) du fait qu’il est préchargé au maximum, (b) de l’allongement du boulon, ou de ses propriétés d’étirage, (c) de l’uniformité de la force répartie dans le filet et (d) de l’élasticité de l’écrou. Les charges maximales élevées courantes pour les écrous rigides standard seront réduites par l’élasticité locale, conduisant éventuellement à une perte de précharge.
Basés sur la même longueur de serrage, les tendeurs mécaniques offrent davantage d’allongement. La force de serrage est induite plus haut dans les filets, les vis sont comprimées et le corps de l’écrou plie sous la charge. Ces facteurs se combinent pour produire un allongement supplémentaire, offrant ainsi d’importantes augmentations de l’étirement et de l’élasticité, en particulier sur les courtes longueurs de serrage.
Les écrous tendeurs à vis multiples sont la réponse au besoin d’une qualité élevée dans les systèmes de serrage actuels. Ils offrent des niveaux de précharge plus élevés pour la même section transversale ainsi qu’un niveau nettement plus élevé de sécurité contre le décollage, ce qui améliore remarquablement la résistance à la fatigue du raccord à brides. Ceci a été prouvé lors d’essais de fatigue.
En testant un raccord à brides M48 d’une longueur de serrage de L/D = 2 seulement, on a mesuré une perte de précharge de 3% après 1 million de cycles de charge et des extrêmes de charge situés entre 2,5% et 98% de la précharge. Dans des conditions normales, la perte de précharge n’était que de 1%. Ceci soutient la comparaison avec les systèmes de serrage conventionnels possédant des longueurs de serrage aussi courtes et avec lesquels il faut s’attendre à des pertes de précharge de 30% - 50% ou même à un desserrage sur des raccords normaux.

Conclusion
De nombreuses autres études de cas existent en plus de celles que je viens de décrire et couvrent un large éventail d’applications. Les problèmes liés aux liaisons filetées de grand diamètre sont fondamentalement semblables et vont vraisemblablement apparaître sur des machines présentant des défauts de conception, tels qu’un agencement déficient et une mauvaise anticipation des charges de service et des chocs. Des frais de maintenance élevés risquent de résulter de telles erreurs de conception… sans oublier les conséquences catastrophiques éventuelles dues à la perte de précharge.

Soutenant la comparaison avec les systèmes de serrage conventionnels, les écrous tendeurs mécaniques à vis multiples offrent un système de boulonnage nettement meilleur pour les raccords filetés de grand diamètre. Pour le personnel de maintenance, ces tendeurs offrent une alternative économique aux raccords filetés conventionnels qui nécessitent beaucoup d’entretien.
M. Gerhard Ploke, P&S Tensioning Systems