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浅析装配螺栓松动原因及防松措施
更新时间:2018-08-23

  摘 要

  针对装配工厂中各种常见的螺栓松动现象进行阐述,并分析了装配螺栓松动的几种常见的原因以及提出了装配工厂常用的一些防松措施。

  螺栓连接的连接方式广泛应用于机械设备、汽车、火车、航天航空等领域,是紧固件连接中最基本的一种结构形式,对于装配工厂特别是工程机械装配工厂而言,螺栓连接具有便于标准化大批量生产、构造简单、成本低、安装方便、易拆卸等优点而得到最为广泛的应用。设备在使用过程中因振动、高低荷载变化、冲击或者长期处于工作状态时,螺栓就容易产生松动现象,直接影响设备的运转性能并降低其安全可靠性,轻者影响设备的正常工作造成经济损失,重者会影响人身安全。有鉴于此,笔者在本文中以装载机装配实际应用效果作为研究出发点,浅谈螺栓连接松动的原因及防松措施。

  1、装配螺栓松动的原因分析

  零部件采用螺栓连接的目的是要被连接的两个零件紧密贴合,同时为了能够承受一定的动载荷,保证连接零部件的可靠连接和正常运行,还需要两个连接零件之间具备足够的夹紧力F,如图1 所示。因此就要求连接用的螺栓在拧紧后要具有足够的轴向预紧力。根据此我们分析一下松动的原因。

图1 连接零件之间夹紧力的分析

  1.1 设计上的缺陷

  (1)螺栓选用的强度不足

  螺栓连接一般采用屈服点拧紧法,即螺栓的预紧力应达到接近螺栓材料的屈服强度,考虑安全系数,一般不得超过其材料屈服极限的80%,不同材料的螺栓其屈服强度是不一样的,这也意味着不同材料的螺栓能承受的最大预紧力是不一样的。

  在螺栓拧紧过程中,螺栓预紧力不断加大的同时连接部件之间的夹紧力也在快速的增大,当达到屈服点时螺栓开始塑性变形,随预紧力增大夹紧力增量变小甚至不变,再继续增加预紧力其夹紧力逐渐变小直至螺栓产生断裂。

  因此在产品设计过程中设计人员需要对连接部件要求的拧紧力矩进行准确的分析,根据连接零部件的重量、体积、工作状态、工作环境、安全标准等因素进行充分的考虑,选择合适强度螺栓和螺纹。

  (2)缺少连接的防松

  螺栓连接的零部件在承受载荷有变化、振动、冲击等情况下将会发生连接的压紧力和预紧力逐渐减小甚至消失的现象,反复多次后造成螺纹连接松动,最后失效造成螺栓松脱,螺栓和螺母配合连接的形式尤为严重。

  因当螺栓受到轴向载荷的作用时,螺栓轴向伸长,径向弹性收缩,螺母则径向扩张。微量的相对径向滑动出现在两者的接触面间,在载荷的反复作用下最终导致螺母回转松动。当螺栓受到反复横向力作用时,螺栓会产生弹性扭转变形,随着变形的不断增加,形成了扭转变形的位移,在螺纹的螺旋方向就会出现一个力的分量致使螺母回转松动。

  因此在产品设计过程中必须采取有效的防松措施,以避免恶劣的工况导致螺栓或者螺母的松动脱落。

  1.2 装配过程的预紧力不足

  螺栓在拧紧过程中所能达到的预紧力直接决定了两个连接零件之间夹紧力,预紧力不足势必会导致连接螺栓出现松动并最终造成连接零部件的松动。装配过程中一般采用以下两种方式获得螺栓的预紧力。

  第一方式是采用手动工具(如呆扳手、梅花扳手、内六角扳手、棘轮扳手等)。螺栓获得预紧力的大小取决于操作者臂力的大小以及工具力臂的长度,一般的手动工具都为标准工具,力臂长度是一定的,而操作者的臂力是有限的,不稳定也不可控制的,螺栓获得的预紧力也是如此。

  第二种方式是采用气动工具或者电动工具(如气动冲击扳手、电动冲击扳手等)。螺栓获得预紧力的大小取决于工具本身最大输出拧紧力矩和工具运行的稳定性。气动工具或者电动工具除了要根据都拧紧螺栓所能承受的最大预紧力来选择合适的工具型号,即选择合适的输出拧紧力矩范围外,还需要考虑工具所使用的电源、气源、以及工具的日常维护保养状态等影响设备运行的因素,如电源电量不足、气源压力不足会造成工具输出的拧紧力矩不足,最终螺栓不能达到要求的预紧力。

  1.3 装配方法的不得当

  装配过程中存在单个螺栓和多个螺栓拧紧的状态,针对多个成组螺栓拧紧的状态,尤其是分布有规律的,螺栓拧紧的方法、方式等极其重要,其直接影响到每个螺栓实际获得预紧力的大小。

  如在装配过程中常见的四方形分布的安装螺栓,当随意拧紧四颗螺栓后,由于存在松紧不一致受力不均衡的情况,随着后面螺栓的拧紧前面拧紧螺栓的预紧力会变小,甚至第一次拧紧的螺栓会直接出现松动。这种情况下一般采用对角交叉打紧的方式进行拧紧,尽量保证螺栓松紧一致受力均衡。

  所以装配成组螺栓时必须按照一定的顺序,分布、对称、逐步的拧紧,否则会使安装螺栓松紧不一致出现松动,甚至由于受力不均衡使连接零部件出现变形。

  1.4 连接件安装孔加工质量

  两个连接件连接时螺纹孔或者安装螺栓孔尺寸尤为重要,螺纹孔的螺纹规格尺寸直接影响螺栓所获得的预紧力大小。若螺纹孔过大或过小,则螺栓获得的预紧力无法达到要求。若安装螺栓孔尺寸偏大,则被连接件的表面在与螺栓或螺母支承面接触处会产生塑性的环状压陷,严重的压陷会使螺栓获得预紧力减小或丧失预紧力,从而导致螺母或螺栓的松动。

  2、常用的螺栓防松方式

  螺栓防松是通过消除(或限制)螺纹副之间的相对运动,或增大相对运动的难度,防止连接松脱,保证连接安全可靠。防松的措施多种多样,除了需要在设计时根据相关标准和设备实际工况采取相应有效的防松装置,还需要在装配过程中控制好安装螺栓的拧紧力矩,避免出厂前的螺栓松动。由此考虑可把螺栓防松措施大致分为以下两个方面:物理装置防松和过程方法防松。

  2.1 物理装置防松措施

  (1)附加摩擦力的防松装置

  附加摩擦力的防松装置主要有三种结构:双螺母拧紧结构、弹簧垫圈拧紧结构及自锁螺母拧紧结构。双螺母拧紧结构:先将下螺母拧紧后再拧紧上螺母,两螺母对顶拧紧后上下两螺母与螺栓螺纹接触面相反,使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用,如图2 所示。工作载荷有变动时,该摩擦力仍然存在。其结构简单,适用于平稳、低速和重载的固定装置的连接。

  图2 双螺母拧紧结构防松装置

  弹簧垫圈拧紧结构:弹簧垫圈因具有结构简单、使用方便、成本低的特点被广泛应用于装配现场,一般与螺栓或者螺母配合使用。螺栓或者螺母拧紧后,靠垫圈压平而产生的弹性反力使旋合螺纹间压紧。同时垫圈斜口的尖端抵住螺栓或者螺母与被联接件的支承面也有防松作用。

  但这种拧紧结构在振动冲击载荷作用下,防松效果较差,一般用于不重要的连接。自锁螺母拧紧结构:这种拧紧结构一般有两类,一类为全金属锁紧螺母。其主要是在金属螺母本体的上端开槽之后并进行收口处理或者是进行非圆收口处理,处理之后的螺母螺纹会出现局部变形,当螺母拧紧后,收口涨开,利用收口的回弹力使旋合螺纹间压紧。这类螺母结构简单,防松可靠,可多次装卸而不降低防松性能。但不适用于高速运行的部位。

  另一类为非金属嵌件锁紧螺母,其主要是在金属螺母本体的上端嵌入了一个非金属嵌件(一般是尼龙垫圈),螺母拧紧后,本身无螺纹的尼龙圈会被旋入压力挤出螺纹,形成稳定并且力矩较大的摩擦力。这类具有非常好的防松能力,尤其是在多振动、多冲击的环境中表现尤为良好。

  (2)机械防松装置

  机械防松方式主要有:六角开槽螺母配开口销、串联钢丝结构防松及止动垫圈结构防松。

  六角开槽螺母配开口销:开口销穿过螺母的槽和螺栓末端的销孔,并将开口销尾部掰开与螺母侧面贴紧,将螺母和螺栓锁紧,如图3 所示。这种方法防松可靠,可用于激烈的冲击、振动部位。

图3 六角开槽螺母配开销防松装置

  串联钢丝结构防松:螺母或者螺栓设计有保险孔,将低碳钢丝穿入其中,将各螺钉串联起来连接为一体,使其相互制动,但需注意钢丝的穿入方向,如图4 所示。该种方法虽然具有极佳的防松能力,但是安装和拆卸均非常不方便。止动垫圈结构防松:将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧,即可将螺母锁住,如图5 所示。若两个螺栓需要双联锁紧时,可采用双联止动垫圈,使两个螺母相互制动。这种方法防松效果好,使用方便。

图4 串联钢丝结构防松

图5 止动垫圈结构防松装置

  (3)粘接防松装置

  在旋合螺纹间涂以厌氧胶粘剂,拧紧螺母后,胶粘剂硬化、固着,可牢固地粘结相配的螺纹防止螺纹副的相对运动,达到锁紧防松的效果。厌氧胶粘剂分为液式和干式两种。液式一般用于现场涂抹。干式的为提前预涂并烘干,便于操作。厌氧胶粘剂一般用于不需要拆卸或需要拆卸次数不多的装配部位。

  2.2 过程方法防松措施

  (1)定扭矩工具防松

  在装配过程中,为保证螺栓获得足够的预紧力,还要确保其小于螺栓屈服点扭矩,采用定扭矩工具进行控制是最有效的方法。定扭工具可以根据螺栓的标准拧紧力矩来设定输出的力矩,达到预先设定的拧紧力矩时发出信号或自行终止拧紧,保证稳定的力矩输出。

  为了提高效率,定扭工具除了可以单独使用外还可以与小扭矩的气动冲击扳手搭配使用,对于关键部位可以先用气动定扭扳手进行拧紧后再用手动定扭扳手进行检测确认,以确保达到理想的扭矩值。采用这种防松方式必须保证定扭矩工具的精度,所有定扭矩工具必须按照计量器具检测规定进行定期的校验。

  (2)培训和训练防松

  在螺栓拧紧的过程中,除了拧紧工具的输出拧紧力矩影响了螺栓获得的预紧力,其装配方法也是至关重要的,尤其是针对多个成组的分布有规律的安装螺栓。拧紧工具和装配方法都是由操作者在使用,那么操作者的技能水平也直接影响了螺栓拧紧的效果,因此可以通过培训和训练提高操作者的技能水平,进而提高螺栓防松的能力。

  操作者的培训以理论为主,主要学习装配的基础知识,包括拧紧工具的操作方法,螺栓拧紧的装配方法等。操作者的训练以操作实践为主,主要结合培训的装配基础知识的内容进行实际操作的练习,如建立培训平台,让操作者特别是新入职员工进行反复的训练,掌握了这些基本的操作方法后才能上岗作业,通过对基础技能的培训和训练减少因装配方法不正确导致的螺栓松动。

  (3)零部件质量控制防松

  零部件的加工尺寸也直接影响到了螺栓获得的预紧力,特别是螺纹的规格,直接关系到连接部件的相互作用,因此装配前必须检查所需安装的零部件是否符合设计图纸要求,使用标准的检测工具检查所用的螺纹连接件规格、型号、机械性能等级是否符合设计要求,螺纹是否有乱扣、裂纹等不合格现象,对出现的质量问题要反馈制造方进行整改,确保零部件尺寸加工符合设计要求,保证螺栓的可靠连接。

  3、结束语

  螺栓松动的原因多种多样,不同的设备不同的工况会有不一样的原因,本文主要针对设备出厂前的装配过程进行研究分析,统计分析出来几个方面的原因,并给出一些有效的螺纹防松方法,这些方法在现场也得到了应用和推广,防松效果好。传统螺纹防松方法有很多,但是面对具体防松问题时,需要从过程中找出螺纹连接松动的根本原因,并根据实际原因选用合理的连接结构,采取合理的防松措施,增强防松能力,提高紧固可靠性。

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