Ursachen und Lösungen für das Lösen von Schrauben durch den Husker-Ingenieur

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Im Jahr 2011 stürzte eines der fortschrittlichsten unbemannten Luftfahrzeuge Amerikas ab. Im Jahr 2013 kamen bei einem Zugunglück in Paris sieben Menschen ums Leben. Und im Jahr 2016 entgleiste ein Zug der Union Pacific in Mosier, Oregon, wobei 42.000 Gallonen Rohöl ausliefen.

Das sind nur drei dramatische Beispiele dafür, wie eines der ärgerlichsten und am wenigsten verstandenen Phänomene der Grundmechanik – das Lockern von Schrauben im Laufe der Zeit – verheerende Folgen haben kann. Keegan Moore von der University of Nebraska-Lincoln untersucht, wie das passiert und wie es mit einem fünfjährigen Zuschuss in Höhe von 727.410 US-Dollar aus dem Faculty Early Career Development Program der National Science Foundation verhindert werden könnte.

„Lose Schrauben sind nicht nur für aufsehenerregende Katastrophen verantwortlich; sie stellen eine Bedrohung im Alltag dar, von Spielgeräten und Autos bis hin zu biomedizinischen Implantaten und dem James-Webb-Weltraumteleskop“, sagte Moore, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Werkstofftechnik .

Moore sagte, dass trotz der Allgegenwart von Bolzen und Schrauben in Infrastrukturen aller Art wenig darüber verstanden wird, wie die Dynamik einer Struktur deren Lockerung während des normalen Betriebs beeinflussen kann.

„Das Lösen von Schrauben und Verbindungen wird seit der industriellen Revolution untersucht, weil es seitdem ein Problem darstellt“, sagte Moore.

Er hofft, dass seine Forschung einige dieser Fragen beantworten wird. Dabei wird er sich auf Rotationslockerungen konzentrieren, die durch Vibrationen in Bauwerken entstehen.

Sicherungsscheiben werden am häufigsten verwendet, um das Lösen von Schrauben zu verhindern. In vielen Fällen sind sie jedoch wirkungslos oder erhöhen sogar die Lockerungsgeschwindigkeit. Andere Ansätze, darunter Drehmomentmuttern und die Verwendung von zwei Muttern an einer Schraube, scheinen das Lösen bestenfalls zu verzögern, nicht zu verhindern.

Moores Projekt wird die Grenzflächenkontaktbedingungen – die Oberflächen, die der Bolzen zusammenhält – mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Digitalkameras messen, die mit Tausenden von Bildern pro Sekunde filmen. Er glaubt, dass die um den Schraubenkopf oder die Mutter herum gemessenen Dehnungen den Kontaktbedingungen innerhalb der Schnittstelle um das Schraubenloch zugeordnet werden können. Er wird außerdem Modellierungsrahmen erstellen, um die Dynamik der Lockerung zu reproduzieren und zu bestimmen, wie sich die Dynamik einer Struktur auf die Lockerung von Schrauben auswirkt.

„Dies gibt uns hoffentlich einen neuen Einblick in die Vorgänge in der Schnittstelle, den wir noch nie zuvor hatten, und wir können messen, wie sich dadurch die Dynamik ändert, wenn sich die Schraube löst und die Struktur wackelt“, sagte Moore.

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, zu verstehen, welche Auswirkungen eine sich lösende Schraube an anderer Stelle in einer Struktur haben könnte.

„Änderungen an einer Schraube können an anderer Stelle dramatische Veränderungen nach sich ziehen … nicht nur zu Ausfällen, sondern auch zu Veränderungen im Betrieb“, sagte er.

Das Lösen von Schrauben ist ein Aspekt der alternden Infrastruktur Amerikas. Er hofft, dass seine Forschung zu einer vorausschauenden Wartung führen könnte, die sich auf bestimmte wahrscheinliche Problembereiche konzentriert, was effizienter ist als der Versuch, alle Schrauben zu überwachen.

Wie alle CAREER-Stipendien beinhaltet Moore's eine Bildungskomponente. Er plant, bestehende Dynamikkurse im Maschinenbau zu „gamifizieren“, indem er kollaboratives, nicht wettbewerbsorientiertes, spielbasiertes Lernen entwickelt, und ein Virtual-Reality-Dynamiklabor zu schaffen, „um Spannung und Neugier im Klassenzimmer zu wecken und den Austausch von Ideen zu transformieren“. Er plant außerdem die Einrichtung eines neuen Graduiertenkurses zum spielbasierten Lernen.

Mit den NSF CAREER-Preisen werden Lehrkräfte im Lehramtsstudium gefördert, die durch herausragende Forschung, hervorragende Ausbildung und die Integration von Ausbildung und Forschung die Rolle von Lehrkräften verkörpern.