Dimensioning of load-carrying joints in podded propulsion units

摘要

Ruuviliitos on tyypillinen tapa toteuttaa kuormituksia siirtävä liitos ruoripotkurilaitteissa. Ruuviliitosten mitoitus on monia ilmiöitä huomioon ottava prosessi, jonka lopputuloksena saadaan määritettyä esimerkiksi liitoksessa tarvittavien ruuvien määrä ja tarvittava esijännitysaste. Mitoitusprosessi on kriittinen turvallisuuden ja kustannusten kannalta. Tämän diplomityön tavoite onkin määrittää mitoituksessa käytettävien parametrien arvoja. Työ on rajattu käsittelemään ruuviliitosten elinkaaren alkuvaihetta. Pitkän ajan kuluessa tapahtuvat ilmiöt, kuten väsyminen, on rajattu työn ulkopuolelle.Monet ruuviliitosten mitoituksessa käytettävät parametrit ovat luonteeltaan sellaisia, että jos niiden arvo arvioidaan väärin, jokin ruuviliitoksen varmuuksista kärsii aina, huolimatta virhearvion suunnasta. Tämä tekee mitoituksesta haastavaa.Tässä työssä mitoitusprosessi jaettiin kolmeen vaiheeseen: kuormanjakautumislaskenta, kitkalaskenta ja esikiristyslaskenta. Kutakin näistä vaiheesta tutkittiin kokeellisesti. Kuormanjakautumislaskentaa tutkittiin epäkeskovetokokeella, kitkalaskentaa lepokitkakokeella ja esikiristyslaskentaa vääntökiristyskokeella. Kokeilla tutkittiin ruuviliitoksen vasteen laskentamenetelmiä, kappaleiden välisiä lepokitkakertoimia sekä kitkakertoimia ruuvin kierteessä ja kannan alla.Epäkeskovetokokeen perusteella epäkeskisesti kuormitetun ruuviliitoksen vastetta voi analysoida elementtimenetelmällä, mutta esimerkiksi ruuvin lisäaksiaalivoimassa voi tarkallakin mallilla laskettaessa olla noin 10 % virhe. Analyyttisen laskennan tarkkuus epäideaalisilla kappaleilla riittää lähinnä epälineaarisen vasteen rajavoimien suuruusluokan arviointiin.Ruuvien kitkakertoimien hajonta on yleisesti melko suurta. Jos ruuveista tai niillä kokoonpantavasta rakenteesta on tarkempaa tietoa, voidaan hajonnan joissakin tapauksissa olettaa pienemmäksi.Lepokitkakokeen tulosten perusteella teräs-teräs-materiaaliparin lepokitkakertoimelle voidaan käyttää arvoa 0,20 ja teräs-valurauta-parille 0,18. Myös koehypoteesien perusteella valuraudalla kitkakerroin on pienempi kuin teräksellä.Yleisesti monet ruuviliitosten mitoituksessa käytettävät parametrit ovat luonteeltaan sellaisia, niiden arvon virheellinen arviointi tai arvojen hajonta johtaa joidenkin liitoksen varmuuksien paranemiseen ja joidenkin varmuuksien huononemiseen. Tämän takia liitos pitäisikin mitoittaa kaksi kertaa käyttäen parametrien arvioituja ääriarvoja. Kokeiden perusteella hajonta voidaan joissakin tapauksissa olettaa yleistä tapausta pienemmäksi. Tällöin kuitenkin tarvitaan melko tarkkaakin lisätietoa, mikä johtaa tarpeeseen sisällyttää lisää parametreja laskentaprosessiin.