Torção-tipo de cisalhamentoparafusos de alta-resistênciasão fixadores chave comumente usados em conexões estruturais. Este artigo fornece uma introdução detalhada e uma análise sistemática de sua estrutura, desempenho principal e aplicações de engenharia: primeiro elaborando sua estrutura básica e princípio de funcionamento, depois investigando suas características de alta-resistência, desempenho sísmico e aplicações típicas no campo da engenharia e, finalmente, propondo direções futuras de desenvolvimento de tais parafusos para fornecer referência para pesquisas e práticas relevantes.
Palavras-chave: Parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta-resistência; ligações estruturais; propriedades mecânicas; aplicações de engenharia; direções de desenvolvimento
1. Introdução
Sendo os fixadores mais básicos nas áreas mecânica e de construção, os parafusos são amplamente utilizados em nós de conexão de diversas estruturas. Parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta resistência-são componentes de conexão eficientes desenvolvidos com base em parafusos tradicionais. Com as principais vantagens de "torque de instalação controlável, alta confiabilidade de conexão, alta resistência e excelente desempenho sísmico", eles se tornaram o método de conexão principal em áreas como estruturas de aço e máquinas pesadas, e receberam atenção significativa na prática de engenharia e na pesquisa acadêmica nos últimos anos. Este artigo classifica sistematicamente as características estruturais, o desempenho principal e os cenários de aplicação de parafusos de alta resistência do tipo torção-cisalhamento-, esclarece suas vantagens técnicas e analisa direções de pesquisas futuras em combinação com as necessidades de desenvolvimento da indústria, fornecendo suporte teórico para suas aplicações de engenharia mais amplas.
2. Estrutura e princípio de funcionamento de parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta-resistência
Os principais componentes dos parafusos de alta resistência-de cisalhamento-de torção incluem o corpo do parafuso, a porca e a arruela. A diferença essencial entre sua estrutura e os parafusos tradicionais-de alta resistência está naentalhe de torção especial-de cisalhamento na extremidade do corpo do parafuso-em vez de "múltiplas torções-peças de cisalhamento". Esse entalhe é um elo fraco que conecta a cabeça do parafuso e a haste, e sua resistência-secional transversal é projetada com precisão para corresponder ao torque de pré{4}}aperto do parafuso.
Seu princípio de funcionamento é dividido em duas etapas: “instalação e aperto” e “suporte-de carga”. Durante a instalação, uma chave de torque especial é usada para fixar a cabeça do parafuso e a cabeça do soquete sextavado na extremidade, e a força de pré-aperto é gerada pela aplicação de torque ao parafuso. Quando o torque atingir o limite de projeto, o entalhe de cisalhamento-de torção final será cortado ao longo da seção-transversal predeterminada. Neste momento, a força de pré{7}}aperto do parafuso apenas atende aos requisitos da especificação, realizando um aperto preciso de "controle do torque através do cisalhamento" e evitando os problemas de força de pré{8}}aperto insuficiente ou sobrecarga causada pelo controle de torque impreciso dos parafusos tradicionais. No estágio de suporte-de carga, o parafuso faz com que as peças conectadas se ajustem perfeitamente por meio da força de pré{11}}aperto de tração da haste, transmite a força de cisalhamento por meio do atrito entre as peças conectadas, e a própria haste pode auxiliar no suporte de parte da carga de cisalhamento, formando um mecanismo de rolamento colaborativo de "fricção-cisalhamento", o que melhora muito a confiabilidade da conexão.
3. Desempenho de parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta-resistência
3.1 Alto-desempenho de força
Parafusos de torção-de alta resistência-do tipo cisalhamento são geralmente feitos de aço estrutural de liga de alta-qualidade, como 42CrMoA. Após o tratamento térmico de têmpera e revenimento (têmpera + revenimento de alta-temperatura), seu grau de resistência geralmente atinge o grau 10,9 ou superior, e os produtos usados em alguns cenários especiais podem atingir o grau 12,9. Sua resistência à tração não é inferior a 1.000 MPa e sua resistência ao cisalhamento é 1,5-2 vezes maior que a dos parafusos comuns de grau 8.8, o que pode atender efetivamente às necessidades de cenários de conexão de alta-carga, como juntas de colunas de vigas de estruturas de aço-e vigas de caixa de aço de pontes. Em comparação com os parafusos tradicionais de-alta resistência, sua vantagem reside não apenas na resistência do material, mas também na estabilidade do rolamento proporcionada pelo "controle preciso da força de pré{17}}aperto"-evitando o problema de sobrecarga parcial do parafuso e falha parcial do parafuso causada pela força discreta de pré-aperto.
3.2 Desempenho Sísmico
A vantagem sísmica dos parafusos de torção-de cisalhamento de alta resistência-decorre das características de "pré-aperto preciso + rolamento flexível": por um lado, a força precisa de pré-aperto mantém as peças conectadas bem ajustadas. Mesmo sob a ação de cargas sísmicas cíclicas, a força de cisalhamento pode ser efetivamente transmitida através do atrito da superfície de contato, reduzindo a deformação por cisalhamento do próprio parafuso; por outro lado, o tratamento de têmpera e revenido do corpo do parafuso confere-lhe alta resistência e boa tenacidade. Sob a carga de impacto gerada por terremotos, pode absorver energia através de uma ligeira deformação elástica para evitar fraturas frágeis. Dados de testes relevantes mostram que as juntas de estruturas de aço usando parafusos de torção-do tipo cisalhamento de alta resistência-não apresentam danos óbvios sob terremotos frequentes, e apenas uma leve deformação plástica dos parafusos ocorre sob terremotos raros. O desempenho sísmico geral das juntas é melhorado em mais de 30% em comparação com as ligações aparafusadas tradicionais, o que pode reduzir eficazmente a concentração de tensões estruturais e garantir a segurança sísmica geral da estrutura.
4. Aplicações de parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta-resistência
Com suas vantagens de aperto preciso, alta resistência e resistência sísmica, os parafusos de torção-de cisalhamento de alta resistência-se tornaram os fixadores preferidos em campos que exigem alta confiabilidade de conexão. Os cenários de aplicação típicos incluem:
Estruturas de aço para construção: como juntas de vigas-pilares de estruturas de aço de edifícios altos-, conexões de vigas de guindastes de oficinas de estruturas de aço e conexões de nós de estruturas espaciais de grande-vão, garantindo a estabilidade da estrutura sob cargas de vento e cargas sísmicas;
Engenharia de pontes: usada para emendas de vigas em caixa de aço, conexões entre pilares de pontes e vigas de cobertura e nós de estrutura de aço de torres de pontes{0}}estaiadas, adaptando-se às forças complexas de pontes sob cargas dinâmicas de veículos e mudanças de temperatura;
Máquinas pesadas: como conexões de estruturas de máquinas de mineração, conexões de flanges de torres de equipamentos de energia eólica e conexões de estruturas-de suporte de carga de equipamentos metalúrgicos, suportando cargas elevadas e cargas de vibração;
Trânsito ferroviário: incluindo pontes ferroviárias de aço e estruturas de aço que suportam conexões de trânsito ferroviário urbano, atendendo aos rigorosos requisitos do sistema ferroviário quanto à precisão e durabilidade das conexões.
Deve-se observar que esses parafusos não são adequados para ambientes de-alta{1}}temperatura de longo prazo (excedendo 300 graus) ou forte corrosão. Se eles precisarem ser usados em tais cenários, tratamentos anticorrosivos de superfície adicionais-(como Dacromet, infiltração de zinco, etc.) e materiais de liga-resistentes à temperatura devem ser adotados.
5. Direções de desenvolvimento de parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta resistência-
5.1 Pesquisa de atualização de materiais
No futuro, o foco deverá ser colocado no desenvolvimento de dois tipos de materiais: um é "ligas de ultra-alta resistência e resistência-à corrosão". Combinando tecnologia de microligas e processos de tratamento de superfície, a resistência é aumentada para o Grau 14,9 com base no Grau 12,9 existente. Ao mesmo tempo, a resistência à corrosão na atmosfera marinha e em ambientes de corrosão industrial é aprimorada pela adição de elementos de cromo e níquel ou pela adoção de tecnologia de revestimento-isenta de cromo; o segundo são "materiais leves", explorando a aplicação de ligas de titânio e aço inoxidável de alta{6}}resistência em parafusos do tipo torção-de cisalhamento para atender às necessidades de cenários leves e de alta-limpeza, como equipamentos aeroespaciais e médicos.
5.2 Otimização Estrutural e de Processos
As instruções de otimização estrutural incluem: projetar entalhes de cisalhamento de-torção-de seção transversal variável para tornar o consumo de energia dos parafusos mais uniforme durante a instalação e o cisalhamento, melhorando ainda mais a precisão do controle da força de pré-aperto; desenvolvendo um projeto integrado com "estrutura anti-afrouxamento", integrando arruelas-antiafrouxamento no final doparafusospara se adaptar a cenários mecânicos com vibrações frequentes. A otimização do processo concentra-se na combinação da tecnologia de conformação a frio e do processo de tratamento térmico. Ao controlar com precisão a deformação do cabeçote a frio para reduzir a tensão interna do material, combinado com tratamento segmentado de têmpera e revenimento, a uniformidade do desempenho do parafuso é melhorada e a taxa de refugo no processo de produção é reduzida.
5.3 Melhoria da Simulação Numérica e Sistema de Teste
Com a ajuda da tecnologia de análise de elementos finitos (FEA), estabeleça um modelo numérico de ciclo de vida completo de parafusos, desde "instalação e cisalhamento" até "suporte de carga", simule a lei de degradação de desempenho de parafusos sob diferentes temperaturas e ambientes de corrosão e forneça base teórica para seleção em cenários especiais; ao mesmo tempo, melhorar o sistema de pesquisa de testes. Além dos testes convencionais de tração e cisalhamento, adicione "testes de vida à fadiga" e "testes de acoplamento por corrosão-fadiga" e estabeleça um método de avaliação da vida útil do parafuso baseado na teoria da confiabilidade, quebrando a limitação atual de confiar em dados empíricos e fornecendo mais suporte técnico científico para aplicações de engenharia.
6. Conclusão
Parafusos torcidos-de alta resistência-do tipo cisalhamento são fixadores de conexão estrutural eficientes que integram "aperto preciso, alta resistência e alta resistência sísmica". Sua principal vantagem é obter controle preciso da força de pré-{3}}aperto por meio de uma estrutura especial de torção-cisalhamento, resolvendo os principais pontos problemáticos das conexões aparafusadas tradicionais. Atualmente, eles têm sido amplamente utilizados em áreas como construção, pontes e máquinas pesadas, tornando-se componentes essenciais para garantir conexões de alta-carga e alta-confiabilidade.
No futuro, as principais direções de desenvolvimento de parafusos de torção-tipo cisalhamento de alta resistência-serão alcançar "maior resistência + melhor resistência à corrosão" por meio da atualização do material, melhorar a eficiência da instalação e a estabilidade do rolamento por meio da otimização estrutural e de processos, e melhorar o sistema de avaliação de desempenho por meio de simulação numérica e pesquisa de testes. Com o avanço dessas tecnologias, seus cenários de aplicação serão expandidos ainda mais para campos mais severos, como engenharia naval e aeroespacial, fornecendo garantias de conexão mais confiáveis para fabricação de equipamentos-de alta tecnologia e grandes construções de engenharia.
