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论证弹簧垫片无防松作用及解决方法

发表时间: 2019-05-21 16:44:39

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弹簧垫圈是没有防止松动作用的

论证弹簧垫片的防松性能----无防松性能

结论:弹簧垫圈是没有防止松动作用的

  • 因此在工程机械实际的设计和装配过程中可以取消弹簧垫圈,以达到降低成本、提高装配效率的目的。

 

一、弹簧垫圈介绍:

    使用弹簧垫圈的目的是通过增加轴向的回弹力来补偿由于压陷导致的预紧力损失,从而防止螺纹连接的松动。

    目前,国际上关于弹簧垫圈的主要标准有美国的ASME B18.21.1-1999 标准,日本的JIS B1251 标准以及国标的GB/T 93-1987。德国的DIN 127DIN 128 等标准已经召回,其原因是因为经测试弹簧垫圈在任何情况下都没有防止松动的作用。最初这些标准的召回引起了许多机构的批评。这些批评的声音也说明了在自锁紧固件方面的技术水平的发展。


二、松动机理:

    当拧松已有预紧力的螺纹连接时,其扭矩可以按以下公式计算:

Ton=Fm(0.16P+0.58d2uGDk/2uk)      (1)

Toff=Fm(-0.16P+0.58d2uGDk/2uk)     (2)

    (1) 为安装扭矩

    (2) 为拆卸扭矩

    Fm 为预紧力

    P 为螺距

    d2 为螺栓中径

    uG 为螺纹摩擦系数

    uK 为螺栓头部端面摩擦系数

    DK 为螺栓头部有效摩擦直径

对于M10 标准粗牙六角头螺栓,取螺纹摩擦系数uG 与端面摩擦系数uK 均为0.14 时,其松动扭矩约为拧紧扭矩的80%,只要作用在螺栓或者螺母头上的松动扭矩不大于预紧力的80% 时,其连接就不会松动,但实际情况,螺栓或者螺母不转动,预紧力也会降低;螺母即使不受松动扭矩的作用,也可能松动。


三、压陷导致的松动:

    压陷导致的松动主要是由于在预紧或者受力过程中,螺栓头部以及螺牙接触处表面高低不平点塑性平整造成的,这种压陷导致螺栓的弹性变形减少,预紧力降低。关于压陷导致的预紧力损失数值,德国工程师学会(VDI)标准VDI 2230给出了计算公式:

 

由上面的公式可以看出,由于压陷导致的预紧力的损失随着总压陷量成正比,随着螺栓柔度和被连接件的柔度成反比,在实际设计过程中可以增加螺栓的长度来降低由于压陷导致的预紧力损失。


四、轴向载荷导致的松动:

    大量的实验验证了轴向振动对于螺栓松动的影响。其试验结果证明,对于承受轴向载荷的螺纹联接,由于螺牙斜面上的半径方向分力,螺母要产生弹性的径向扩张,由于泊松比的关系,螺栓要产生弹性径向收缩。因此,在螺栓和螺母的接触螺纹面和支撑面间,将有微量的径向滑动。在经过25 000 次循环后,最大松动角度只有6°,这在工程实际中处于可接受的范围内。

    相对于由于轴向载荷产生的松动,轴向载荷对螺栓的疲劳强度影响较大,在设计校核过程中应加以关注。


五、横向载荷导致的松动:

    相对于轴向动态载荷,横向动态载荷更能引起连接的松动,即承受垂直于螺栓轴线载荷的螺纹联接更容易出现松动。大量的研究表明螺栓的松动是由于横向载荷造成的,例如冲击、振动或者循环热载荷。这些载荷导致了预紧力的损失,从而导致连接的失效。

    针对螺纹联接松动的研究也基本转向了横向载荷,引起的螺纹联接松动的研究。图1 简化模型阐述了横向载荷是如何引起螺纹松动这一概念的。物体A 放置于具有一定斜度的平面B 上,当斜面B 倾斜的角度小于摩擦角时,物体A 不会下滑。I 部分中用斜面表示螺纹面,其倾斜角度表示螺旋角;II 部分中的平面则表示螺栓头部或者螺母的接触端面。螺纹联接受轴向动载荷时,相当于此模型中的物体A 承受垂直载荷,而垂直于轴向的载荷则可以用斜面的横向振动S 表示。当物体A 承受交变的垂直方向载荷时,由于摩擦角大于斜面倾斜角(螺旋角),只要物体A 没有脱离斜面B,则两物体之间并不会轻易的产生相对运动,也就是螺纹联接并不会轻易地松动。而当物体A 下面的斜面产生往复横向振动S,使得振动过程中物体A 的惯性力与其重力沿斜面向下的分力的合力超过最大静摩擦力时,物体A 滑动时便有了沿斜面向下的速度分量。也就是说螺纹联接中的螺栓与其他构件之间产生了松动方向上的相对运动。图1 简单地解释了承受轴向载荷的螺纹联接不能引起较大松动的原因,以及侧向载荷作用下的松动的机理。

图(1)松动模型

此观点也是国际上螺栓防松性能测试标准的主要依据,目前主要的防松测试标准有GB/T 10431-2008 紧固件横向振动试验方法;GJB715.3A-2002 紧固件试验方法振动, 以及德国的标准DIN 25201-4


六、试验介绍

    武汉理工大学的莫易敏教授[3] 通过GB/T10431-2008 实验证明,螺栓加弹簧垫圈的防松效果不如螺栓不加弹簧垫圈的效果,如图2 所示。

219.5 kN预紧力下振动轴力衰减曲线对比图

    德国标准化通报通过研究螺栓自松动的行为,证实了弹簧垫圈的无效,如图3 所示,其解释为:作为锁紧元件的弹簧垫圈的目的是防止由于嵌入导致的松动,但这些锁紧元件在较低的夹紧力的情况下就会被压平。他们失去了弹性的功能,导致作为防止嵌入的功能无效,同时考虑到增加的分界面而变得有害。德国标准化学会在2003 年召回了DIN 127DIN 128 以及DIN 6905 等一系列的相关标准。

图(3 螺栓+弹簧垫片的自松行为

七、行业对比:

    美国航空航天局紧固件设计手册建议不使用弹簧垫圈,其解释为:当螺栓被完全拧紧后,垫圈通常就被压平了,其作用和普通垫圈相同,同时其锁紧功能不存在了,总而言之,此种类型的弹性垫圈对于锁紧是没有作用的。中国建筑机械行业标准[4] 规定,8.8 级、10.9 级螺栓一般不允许使用弹垫防松。日本小松公司挖掘机上基本不使用弹簧垫圈。

      

实验已经证实了弹簧垫圈是没有防止松动作用

因此在工程机械实际的设计和装配过程中可以取消弹簧垫圈,以达到降低成本、提高装配效率的目的。

八、解决松动的方法:柔性防松技术

    经过多年研究拥有柔性防松技术的抗振防松弹簧螺母,在持续振动使用中以及高温差的环境中以优异的表现得到了行内外的认可与使用。

    艺精工国际技术创新(深圳)有限公司经过20年多的探索和研究,发明了具有优良防松性能的柔性防松技术。柔性是指物体受力后发生局部形变,作用力失去后,物体自身能够恢复原来形状的一种物理性质。利用弹簧的柔性弹力,使得螺母和螺栓在锁紧的过程中,通过弹簧式的防松环产生轴向的包紧力,抵制振动以及冲击而产生的松脱力,彻底解决螺纹松动的问题。弹性的包紧力在螺纹部位发挥足够的防松效果 ,使得螺母变成了永久的防松螺母。这种以柔克刚的防松理念,彻底解决了螺母由于振动而发生的松脱现象。螺纹连接将不再发生松动、自旋、松脱的现象。

这种新型防松螺母为柔性防松机构,较传统螺母的硬性结构是一个很大的改进。螺母之所以能够承受外力,则取决于螺母内螺纹与螺杆外螺纹接触面积的大小,接触面积越大,同时,螺母松动的力度也就越大。艺精工的防松螺母是由螺母与弹簧的组合结构,这种结构一部分采用螺母内螺纹与螺杆外螺纹连接,另一部分采用弹簧与螺杆外螺纹结合的方式,在最大限度的增加螺纹的受力面积,同时弹簧具有弹性的包紧力。因而要让螺母变松在径向和轴向都存在足够大的阻力,阻止螺母在震动中出现松动。

  • 艺精工防松螺母的夹紧力测试结果:

从上面的艺精工防松螺母的夹紧力测试结果中,我们可以清楚的看到其夹紧力随着振动时间增加,没有出现衰减,仍然可以保持着良好的夹紧力。可以说是完全实现了自锁防松的效果。彻底的改变了传统意义上防松技术,完全是一种技术革命。

抗振防松螺母的优点:

  1. 可以在任意位置单向定位自锁。
  2. 可以在任意位置双向定位自锁。
  3. 具有可靠的防松定位紧固性能。
  4. 可以大大提高螺母和螺栓的使用寿命。
  5. 不受外部环境温度的影响,应用范围非常广泛。
  6. 自由旋转,方便拆卸。
  7. 尺寸规格不受限制。
  8. 可以与普通标准外螺纹随意匹配。
  9. 不需要借助任何辅助锁紧元件(弹簧止动垫片等)。
  10. 可以在螺栓的任何位置进行防松锁紧。
  11. 对较软材料的滑牙问题有显著效果。
  12. 不会损失工件表面的镀层,从而不会降低工件的防腐性

    这种螺母在外观上完全与普通螺母一样,在安装和拆卸的过程中,不需要任何特殊的工具,非常便于高空作业。结构简单、操作方便的机械式螺栓、螺母防松机构,有效地解决了长久以来困扰大型机械设备的螺栓、螺母松动问题,而且在养护维修中或拆解调整后,螺栓螺母能够继续使用,大大降低使用成本。为大型机械设备的耐久性、安全性、少维护作出贡献。此螺纹连接机构的防松效果显著,可以大幅度减少大型机械设备养护部门的维修工作量。最值得肯定的是可以完全避免因为防松而造成的多领域重大人身伤亡安全事故的发生,大大降低了经济损失。


     电话:13602635301

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