Aanhaalmethoden

Een verbinding met knowhow

Boutverbindingen zijn de belangrijkste verbindingen in de industrie. Moderne rekenprogramma’s maken het mogelijk om machines en installaties steeds lichter en met kleinere veiligheidsmarges te ontwerpen. Materialen worden hierbij hoger belast, dichter tegen de fysische grenzen van het materiaal. Dat vraagt om een nauwkeurigere en stabiele boutkracht in boutverbindingen.
Meer dan 90-95% van alle industriële boutverbindingen worden draaiend, middels een koppel, op voorspanning gebracht. Meestal wordt daarbij het criterium van een gewenst eindkoppel gebruikt. Echter steeds vaker worden andere methoden als moment-hoek en rekgrensgestuurde methoden toegepast waarmee bouten hoger kunnen worden voorgespannen en meer potentieel uit de sterke van het materiaal wordt benut. Om aan die wensen te kunnen blijven voldoen worden er in de bolting industrie gereedschappen ontwikkeld welke geavanceerder zijn dan ooit.
Naast een goede methode is de vraag naar documentatie van het aanhaalproces als bewijs naar opdrachtgevers en verzekeraars groeiend. Volautomatische verwerking van een (van tevoren ) ingevoerd aanhaalprotocol maken de kans op operatorfouten minimaal.
De belangrijkste en meest toegepaste bolting methoden lichten wij hieronder toe.

Moment- of koppelgestuurde aanhaalmethode

In het geval van de moment gestuurde aanhaalprocedure stopt de momentsleutel als een ingesteld koppel wordt bereikt. In dit proces is de kennis van de wrijvingscoëfficiënt erg belangrijk. Zowel het smeermiddel als de kwaliteit van de verbindingscomponenten en hun oppervlakken beïnvloeden deze wrijving. Studies tonen aan dat ca. 90% van het koppel wordt gebruikt om wrijving te overkomen, ca. 10% wordt gebruik voor verlenging van de bout. Aangezien verlenging recht-evenredig is gerelateerd aan boutkracht* (wet van Hooke), is het van belang dat de wrijvingscoëfficiënt bekend en stabiel is voor nauwkeurige resultaten in termen van boutkracht . De VDI Richtlijn* leert dat onder conventionele omstandigheden een nauwkeurigheid in boutkracht te verwachten is van ±17% tot ±23%. Mits de oppervlakten van te verbinden componenten goed van kwaliteit zijn en de schroefdraad/draagvlak van de moer haaks is. Geschikte smeermiddelen dienen te worden toegepast, overeenkomstig met de in de koppelberekeningen aangenomen wrijvingscoëfficiënt. De moment gestuurde aanhaalmethode is nog altijd de meest gebruikte methode. Echter zijn er in de loop der jaren meer geavanceerdere methoden ontwikkeld voor een betere grip op de gewenste boutkracht.
Mechanische optimalisatie:

*De recht-evenredigheid geldt alleen in het elastische gebied van de belasting, tot aan de rekgrens/elasticiteitsgrens.

  • VDI2230 conventionele aanhaalfactor: αA 1,4 -1,6
  • VDI2230 spankrachtfactor geoptimaliseerd: αA 1,1 -1,2
  • VDI2230 aanhaalfactor wrijvingsgestuurd: αA 1,0 -1,1

Moment-hoekgestuurde aanhaalmethode

Bij de moment-hoekmethode wordt indirect de verlenging van de bout gemeten. Middels de spoed van de schroefdraad kan een draaihoek worden gekoppeld aan de verlenging van de bout, welke weer recht-evenredig is aan boutkracht* (wet van Hooke). Dit geldt echter alleen wanneer een draaihoek volledig wordt omgezet in een verlenging van de bout. Zodoende moet worden gegarandeerd dat voor aanvang van de hoekmeting alle ingeklemde delen vlak aansluiten op elkaar, en dat de applicatie de vereiste oppervlaktespanning kan weerstaan. Dit realiseert men door eerst een zogenaamd voegmoment aan te brengen. Dit is geheel applicatieafhankelijk en vereist een precieze berekening of vaststelling middels praktijktesten.
Deze methode is met name geschikt voor boutverbindingen met een korte ingeklemde lengte en wordt veel gezien in staal op staal verbindingen zoals constructies en in productieprocessen. Tevens leent deze methode zich het beste voor ISO 4014, ISO 4017 en ISO 4762 bout-blindgat verbindingen, daar de contramoer niet kan meedraaien. Bij meedraaien van de contramoer zou de netto draaihoek lager uitkomen en niet resulteren in de berekende boutkracht. Tevens dient een geschikt smeermiddel te worden toegepast om vreten van bouten te voorkomen. De nauwkeurigheid in termen van boutkracht en duurzaamheid van een verbinding kan nog hoger worden gemaakt door deze aan te halen tot op de rekgrens / elastische grens.
*geldt alleen in het elastische gebied van de belasting, tot aan de elasticiteitsgrens.

  • VDI2230 aanhaalfactor: αA 1,2 -1,4

Rekgrensgestuurde aanhaalmethode

Bij rekgrensgestuurd aanhalen van boutverbindingen worden bouten tijdens het aanhalen vastgezet tot op de rekgrens/elasticiteitsgrens van een unieke verbinding. Daarbij wordt de rekgrens als controle parameter gebruikt voor het bepalen van de boutkracht. Het doel hierbij is om het sterktepotentieel van elke unieke bout maximaal uit te nutten, daar deze per bout verschillend is. Een materiaal sterkteklasse zegt iets over de minimale treksterkte van het materiaal, echter hanteren fabrikanten een veiligheidsmarge en beschikt de bout over een hogere sterkte dan klasse voorschrijft.

Onafhankelijk van de wrijvingscoëfficiënt onder boutkop of op de schroefdraad wordt de bout vastgezet tot op de rekgrens. Gedurende de montage wordt de gradiënt berekent door het koppel en de gemaakte hoek op elkaar te delen. Wanneer de gradiënt significant verandert is de elastische grens van de verbinding bereikt en zal het montageproces stoppen. Net als bij de moment-hoekmethode moet de verbinding eerst worden vastgezet op een start- of voegmoment, alvorens de draaihoek kan worden gemeten. Vaak kan de afslagwaarde van de gradiënt worden ingesteld. Omdat de bout slechts zeer marginaal plastisch vervormd wordt (<0,2rp), kunnen zelfs bouten met een korte ingespannen lengte worden vastgezet met de rekgrens gestuurde methode. Ook kunnen bouten worden hergebruikt. Let op, dit is sterk afhankelijk van de nauwkeurigheid van het gebruikte boltingsysteem! Vaak wordt de vraag gesteld of er dan voldoende reserve is voor dynamische belasting tijdens operatie van de installatie of applicatie. Het antwoord is ja. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het feit dat bij het vastdraaien van boutverbindingen niet alleen een axiale spanning, maar ook een torsiespanning ontstaat als gevolg van de schroefdraadwrijving. De referentie van de rekgrens wordt bepaald door de optelsom van beide belastingen. Onmiddellijk na het wegnemen van het koppel veert de torsiecomponent met ongeveer 50% terug. Als gevolg neemt de boutkracht af, en verkrijgt de verbinding opnieuw een elastische reserve welke voldoende is voor eventuele dynamische belastingen tijdens operatie. De overige torsiespanning vloeit af over de tijd erna. Dit is meestal een proces van uren of dagen. Deze methode is met name geschikt voor staal op staal verbindingen met korte tot normale ingeklemde lengte, zoals bijvoorbeeld in de constructiebouw .

  • VDI2230 aanhaalfactor: 1,0/niet van toepassing!
  • Boutverbindingen kunnen niet breken bij rekgrens gestuurd aanhalen. Zie opmerking VDI-2230 – Nov. 2015 Tabel A8.

Rekgrens – draaihoekgestuurde aanhaalmethode

Hoewel in mindere mate, wordt super-elastische (plastische) montage van boutverbindingen met steeds groter succes toegepast. De methode bestaat uit 2 stappen: 1. De bout vastzetten tot op de rekgrens; 2. Het maken van een vaste draaihoek waardoor de boutspanning verder toeneemt tot in de plastische zone. Het biedt optimaal gebruik van de bout tijdens montage en genereert maximaal mogelijke voorspanningen. Deze methode verbetert de duurzaamheid van de verbinding:

  • Als gevolg van het gedeeltelijk wegvloeien van de torsiespanning direct na het wegnemen van het koppel komen stressreserves vrij voor operationele belasting in een later stadium.
  • Normaliter is de belasting van de schroefdraadgangen in de moer of blindgat niet evenredig verdeeld, waardoor in een later stadium sprake kan zijn van voorspankracht verlies. Door het (plastisch)vervormen van bout en moer tijdens het voorspannen tot voorbij de rekgrens / elastische grens , wordt een uniforme schroefdraadbelasting gerealiseerd, welke gedeeltelijk achterblijft. Ook na de ontlasting terug in het elastische gebied.
  • In het geval er na assemblage een plastische vervorming van de bout optreed door de operationele belasting van de applicatie, zal deze omwille van relaxatie teruggaan naar het elastische bereik. Relaxatie en voorspanning zijn namelijk altijd met elkaar verbonden.
  • VDI2230 aanhaalfactor: 1,0/niet van toepassing!
  • Boutverbindingen kunnen niet breken bij rekgrens gestuurd aanhalen. Zie opmerking VDI-2230 – Nov. 2015 Tabel A8.

Moment gestuurd-Hoek bewaakte aanhaalmethode

De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het gewenste koppel, waarbij de bereikte draaihoek de referentie/bewakingsparameter is aan het einde van het proces. De draaihoek dient als tweede controle parameter. Hiermee kan bijvoorbeeld het vreten van een bout of juist het onbedoeld vloeien van een bout worden herkend. De methode sluit goed aan bij de meest gebruikte methode (moment gestuurd) en vereist dan geen aanpassing van het protocol. Het biedt echter wel extra zekerheden in geval van afwijkingen, doordat de draaihoek als tweede parameter wordt bewaakt.

  • Geschikt voor VDI 2862-2 risicoklasse A, B, C.

Moment gestuurd-Rekgrens bewaakte aanhaalmethode

De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het gewenste koppel, en de rekgrens van de bout is de controle/bewakingsparameter. Ook deze methode vereist geen aanpassing van het standaard protocol, omdat de rekgrens alleen als extra parameter bewaakt wordt. De rekgrens wordt herkend door de lineaire gradiënt tussen koppel en hoek. Indien de rekgrens wordt bereikt voordat het gewenste koppel is bereikt, wordt het assemblageproces gestopt. Zo kunnen bouten nooit meer breken.

  • Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse: A,B,C.

Rekgrens gestuurd–Hoek bewaakte methode

De stuurparameter in deze aanhaalmethode is het bereiken van de rekgrens, en de gemaakte draaihoek is de controle/bewakingsparameter aan het eind van het montage proces. Indien de draaihoek overschreden wordt vóór het bereiken van de rekgrens van de boutverbinding, zal het proces gestopt worden.

  • Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse A, B, C.

Aanhalen middels een extern gestuurd signaal

Bij deze aanhaalmethode is de stuurparameter het gewenste koppel én een waarde van andere externe meetapparatuur, bijvoorbeeld een load cell/boutkrachtmeter. Zodra de externe apparatuur de doelwaarde aangeeft, wordt het montage proces gestopt. Dit vraagt om een continue meting en is meestal in de vorm van een stroomsignaal.

  • Geschikt voor VDI2862-2 risicoklasse A (gelimiteerd), B, C.

Analyse van doordraaihoek

Deze analysemodule bepaalt de doordraaihoek van een bout vanaf een gedefinieerd startkoppel tot het bereiken van het gedefinieerde eindkoppel. Bij deze montagemethode is het eindkoppel de stuurparameter. De gemaakte doordraaihoek dient als indicatie van de voorspanning vóór het opnieuw aandraaien van de bout. Deze methode wordt vaak toegepast bij natrekken/controleren van boutverbindingen.

Combinatie van aanhaalmethoden

Sommige systemen in de markt zijn in staat om diverse assemblagemethoden in willekeurige volgorde te combineren.