防松性能（精选6篇）
防松性能 篇1
1 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 127、DIN 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。
2 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
式(1)为安装扭矩,式(2)为拆卸扭矩。式中: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。
2.1 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
由公式(3)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。
2.2 轴向载荷导致的松动
Goodie等人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。
2.3 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。
Junker[2]在1969年发表了这一观点,并发明了如今仍被广泛应用的Junker试验机。在此之后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。
Junker用图1的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。
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,德国标准DIN 25201-4 Design guide for railway vehicles and their components-Bolted joints-Part 4:Securing of bolted joints,同时ISO刚刚颁布的ISO 16130 Aerospace series--Dynamic testing of the locking behavior of bolted connections under transverse loading conditions(vibration test)也是基于此方法。
3 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。
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 127、DIN 128以及DIN 6905等一系列的相关标准。
4 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。
5 结语
大量的实验以及文献都已经证实了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。
摘要：介绍了弹簧垫圈及其各国的标准,通过其松动机理分析和防松性能试验,结合行业应用的情况,证明了弹簧垫圈没有防止松动的作用,建议在实际设计装配中取消弹簧垫圈。
关键词：弹簧垫圈,螺栓,振动,防松
参考文献
[1]Goodier J N and Sweeney R J.Loosening by vibration of threaded fastening[J].Mechanical Engineering,1945,(67):798-802.
[2]Junker G H.New criteria for self-loosening of fastener under vibration[J].SAE,Transactions,1969,(78):314-335.
[3]莫易敏,王赓,满健康.弹簧垫圈在高强度螺栓连接中的防松性能分析[J].制造技术与机床,2014,(9):73-76.
[4]JG/T 5057.40-1995建筑机械与设备高强度紧固件[S].
双螺母防松振动性能分析与研究 篇2
依其可靠性和拆装的方便,在机械装备中的螺栓联接多采用双螺母防松。众所周知,螺栓联接采用双螺母防松与单螺母防松的原理是一致的,即“自锁”所不同之处在于双螺母防松效果远高于单螺母防松。究其原因是2个对顶螺母拧紧后,在2个螺母与螺栓组成的螺纹副中螺牙侧面受到的轴线方向的压力方向相反,从而当外力使螺纹副中螺牙上的压力减少成为不可能。外力使一方压力减少,而另一方压力必然上升,从而保证了在螺纹副中螺牙上的总压力不变,也即防松总阻力矩不变。“自锁”会得以保证。
双螺母紧固结构使螺栓在旋合段内受拉而螺母受压,构成螺纹联接副纵向压紧。尽管双螺母紧固是一种可靠性较低、质量较重、增加了螺杆长度(增加成本)的防松手段,但是由于其结构简单、便于装卸普;普遍用于低速重载或载荷平稳的场合。为了节约成本,人们通常会使用1个标准螺母+1个薄螺母。某些场合下,人们为了防止装错和保证下面的螺母有足够的强度,则采用1对标准螺母以增加防松可靠性。研究表明:(1)上下螺母的拧紧力矩组合的设置对联接防松性能起到关键作用。(2)先安装薄螺母,再安装标准螺母的装配方式能获得更好的防松性能。
2 双螺母紧固的安装方法
目前国内常规的安装方法为:先用规定拧紧力矩的80%拧紧下螺母,再用100%的拧紧力矩拧紧上螺母。但是,力矩组合的选择并不是固定的,需要通过专门的实验分析来确认的。试验采用M208螺纹紧固件横向振动试验机完成。国外通用的方法是:首先,使用规定拧紧力矩的25%-50%拧紧薄螺母(下螺母)。其次,使用100%的拧紧力矩拧紧标准螺母(上螺母)。注意:在拧紧标准螺母时,请使用扳手固定薄螺母以防止其跟着转动。
需要说明的是:在拧紧标准螺母后薄螺母螺纹上所受应力将减小;这也是我们可为了在发生螺纹锁止现象之前给螺栓加载适当的预紧力,我们必须选择足够的预紧力矩以拧紧薄螺母。接合处的握固长度越大,拧紧薄螺母所需要的初始扭力就要越大。由于众多因素的影响,计算薄螺母的预紧扭力很困难。通常选择总拧紧力矩的25%-50%作为薄螺母的预紧力矩。另外,弹簧锁紧垫圈反而使得紧固件更容易产生松脱,因为预紧力较大时,弹簧锁紧垫圈会产生塑性变形,预紧可能会出现“松弛”现象。
3 双螺母防松振动实验
按照GB10431-89《紧固件横向振动试验方法》的要求与规定,螺母的防松效果应当通过横向振动试验来判断。横向振动试验可以精确地测量紧固件连接在振动试验过程中预紧力的变量,描述试验中预紧力的变化过程,给出预紧力与振动次数(或时间)的关系曲线图,并以预期紧力下降的变量作为衡量紧固件连接松动的准则。我国根据SAE准则规定了国标GB10431—89。从我国制定了这一准则起,在这段时间内,我国科技工作者主要采用通用的振动试验台进行了多次试验,对实验方法和夹具也作了很大的改进。为了准确模拟紧固件在横向载荷作用下所受振动试验条件、获取实验数据,实验设备是完成该课题重要的前提条件。因此,在综合国内外多种试验方法和实验台特点的基础上,对螺纹紧固件横向振动试验机夹具、数据采集系统等进行了适当改造,使其成为试验专用“紧固件横向振动实验台”(以下简称试验台)。该实验台具有体积小、加载准确、操作方便、性能稳定、试验周期短等特点,但是该实验台有些环节使用寿命较低。实践证明,该实验台是较为理想的实验设备。
使用紧固件横向振动试验台,对双螺母的防松性能进行了试验,通过对实验数据的处理和对试验现象的分析研究,得到以下主要结论:
3.1 横向振动试验适合于紧固件防松性能的研究。能使紧固件在短时间内松转失效,所测数据规律性比较明显。
3.2 对双螺母的预紧力之间的关系作了分析,拧紧上螺母时,螺栓所受预紧力变大,随着上螺母预紧力的增大,螺栓所受预紧力变大。但是螺栓所受预紧力并不是上下螺母预紧力的简单相加。双螺母拧紧力矩与变形之间不完全是线性关系。
3.3 通过对受不同预紧力的双螺母连接进行了振动试验,得到了变形量随时间的变化曲线。研究结果表明:(1)下螺母拧紧力矩一定时,双螺母联接的防松效果取决与上螺母拧紧力矩的大小。(2)双螺母联接系统的松弛曲线有三个明显的特征段,实验初期为一个迅速松弛阶段,曲线表明锁紧系统的部分预紧力在短时间内迅速释放,时间大约在10分钟左右,预紧力一般下降10%~20%;随后出现一个相对稳定阶段,在这段时间内预紧力有一个较长的相对稳定期。第三阶段是预紧力急速下降阶段,当损失了相当的预紧力后,摩擦力降至某一临界值,这时,螺母上产生的松退力矩超过了螺旋副中的摩擦力矩,螺母开始反转,预紧力急剧下降。其中第二阶段曲线表现形式在不同条件下有所不同,变形量有时比较平缓下降,有时呈阶梯状下降,这可能与两个螺母之间的摩擦力有关,紧固件系统在振动一段时间后,摩擦力减小,紧固件发生松转,预紧力下降。(3)比较不同预紧力下双螺母联接装置预紧力随时间变化曲线可以得到,当上下螺母拧紧力矩都为18N.m时,紧固件松退时间大约为50分钟,且松退曲线的变化规律与上下螺母拧紧力矩分别为16N.m和20N.m时的曲线基本上吻合,两种情况下螺栓所受预紧力的大小也基本相同。
4 结论
螺栓摩擦及防松研究 篇3
螺纹连接因其成本较低、连接可靠等优点, 成为机械零部件之间应用最广泛的连接之一。但在变载、冲击、振动等动载荷冲击下或工作温度有较大变化时, 可能会引起螺纹联接的松动, 从而造成螺纹联接预紧力的衰减, 使螺纹联接的质量降低, 甚至造成联接失效, 出现设备故障, 甚至引发安全事故。本文从螺栓联接的可靠性分析, 以采取相应的防松措施, 提高螺纹副连接的稳定性。
1、螺栓受力分析
螺栓在拧紧过程中, 自身受轴向拉力作用, 材料形变分为两个区域:弹性区及塑性区, 见图1。
对于国内整机厂对螺栓本身的利用来说, 绝大多数在螺栓拧紧方面均采用控制螺栓在弹性区域的紧固轴力, 通过其力矩进行控制。
1.1 在螺栓弹性区域内紧固
在螺纹的弹性区域内, 螺纹紧固扭矩:
扭矩系数:
螺纹扭矩:
支承面扭矩:
式中:
Tf—紧固扭矩, N.m;Ts—螺纹扭矩, N.m;Tw—支承面扭矩, N.m;
Ff—预紧力, N;Dw—支承面摩擦力矩的等效直径;K—扭矩系数;
d—螺纹公称直径, m;μs—螺纹摩擦系数;μw—支承面摩擦系数。
而在螺栓拧紧过程中, 最终需要得到的是螺栓所施加的预紧力Ff, 在生产现场没有相关设备或检测手段能测量预紧力的大小, 只能通过检测紧固扭矩Tf来控制预紧力Ff。
1.1.1 紧固扭矩Tf
螺纹紧固件拧紧时, 紧固扭矩转化为3个方面的力, 即紧固力、螺纹结合摩擦力及螺栓头端面摩擦力, 见图2。
在拧紧过程中, 摩擦力对夹紧力的影响特别重要, 如对螺纹涂抹润滑油, 降低螺纹的摩擦系数, 导致摩擦力减小, 见图3:
在拧紧力矩相同的情况下, 涂抹润滑油的螺纹副所产生的夹紧力大于未涂抹润滑油的螺纹副所产生的夹紧力。
而此时螺栓所规定的普通要求力矩只能参考, 螺纹副所形成的夹紧力有可能大于螺栓本身的屈服极限, 造成螺栓断裂。
1.1.2 扭矩系数K
通过式 (1) 中分析, 在紧固力矩Tf值一定的情况下, 预紧力Ff受扭矩系数K的影响。而扭矩系数K根据式 (2) 则是受制于螺纹摩擦系数μs、支承面摩擦系数μw及支承面摩擦力矩的等效直径Dw。
螺纹摩擦系数μs、支承面摩擦系数μw则由啮合部位的状态 (表面粗糙度、表面处理、制造精度、润滑等) 影响, 见表1、2。
1.1.3 支承面摩擦力矩的等效直径Dw的影响
当螺纹摩擦系数μs、支承面摩擦系数μw为定值时, 由式 (2) 可得, 扭矩系数K由支承面摩擦力矩的等效直径Dw确定。
接触的支撑面是圆环状时:
式中:dw—接触的支承面外径, m;dh—接触的支承面内径, m;
如在螺纹副拧紧过程中, 为增大支承面扭矩, 就应增大支承面摩擦力矩的等效直径Dw, 通过委托上海兹韦克实验室对公称直径相同的六角法兰面带齿螺栓和六角头螺栓进行“拧紧力矩与夹紧力实验”, 通过实验, 得到以下实验结果, 见图4:
通过上图可知, 在夹紧力相同的条件下, 六角法兰面带齿螺栓的拧紧力矩要大于六角头螺栓的力矩, 产生此种现象的原因就是六角法兰面带齿螺栓支承面摩擦力矩的等效直径更大, 多余的那部分力矩在拧紧过程中转化为螺栓头部的摩擦力矩, 在受横向载荷的情况下, 具有更好的防松功能。
2、螺纹松动原因
在静载荷和工作温度变化不大时, 紧固螺纹连接不会发生自动松脱的现象, 其连接是非常可靠的。如果螺纹联接工作在冲击、振动、变载荷或高温、温度变化较大下的环境中, 将会发生联接的摩擦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联接松动, 最后失效。
2.1 受轴向载荷影响
当螺纹副受到轴向载荷作用时, 如果预紧力大于所受到的轴向载荷时, 螺栓不会产生松动。
而当预紧力小于轴向载荷时, 大于螺栓屈服紧固轴力, 引起螺栓塑性拉伸变形, 螺纹接触面会产生相对滑动, 导致螺母松动, 连接失效。
为避免螺纹副松动, 在设计过程中, 应选择合适的预紧力, 即选择合适的螺栓。
2.2 受径向载荷影响
当的螺纹副受到垂直于轴线的横向载荷作用时, 在横向力 (交变应力) 的反复作用下, 使螺纹发生弹性的扭转变形或零件接触面之间有垂直于螺纹轴线方向的相对滑移。逐渐累积起的扭转位移, 迫使螺旋副沿螺旋方向下滑, 从而逐渐使预紧力减小, 甚至消失, 进而使螺纹联接出现松动。
在夹紧力一定的情况下, 为提高自锁能力, 需增大螺栓摩擦能力, 在一些限定条件下 (如螺栓公称直径、被连接件表面摩擦系数等已确定) , 只能增加螺纹副摩擦面积及其表面的摩擦系数, 如将六角头螺栓更换为六角法兰面带齿螺栓, 增大螺纹副支承面摩擦力。
2.3 被连接件变形
在螺纹联接中, 被连接件受螺纹副预紧力作用, 而预紧力超过被连接件材料的屈服强度, 在拧紧过程中产生塑性变形, 而这种塑性变形在螺纹联接工作中继续存在, 在某些条件下还会扩大。正是由于这种初始变形的存在导致了螺纹联接发生初始松动。
为避免此种现象出现, 需要从设计上通过计算被连接件的受力情况, 选择合适的被连接件的材料。
3、常用的螺纹副防松措施
通过对被连接件的受力分析, 确定其受到的载荷方式, 如轴向载荷、横向载荷影响等, 选择合适的防松方式。
3.1 增大螺纹副摩擦力矩
现有大多数产品结构, 承受横向载荷的螺纹副结构比较多, 增大螺纹副摩擦力矩这种防松方式应用最广, 例如汽车前簧支架固定螺栓, 在实际工作过程中, 它受到横向载荷作用。
通过上海兹韦克实验室对公称直径相同的六角法兰面带齿螺栓和六角头螺栓进行“拧紧力矩与夹紧力实验”结果证明, 增大螺纹副支承面半径及表面粗糙度可增大摩擦力矩, 当其横向载荷小于摩擦力时, 螺纹副不会产生松动。
3.2 提高螺栓的等级强度
当被连接件外形结构、成本等因素控制时, 螺栓副预紧力达不到设计要求, 可选择提高螺纹副的等级强度, 提高螺纹副的预紧力。避免所需要的预紧力大于螺栓的屈服极限, 引起螺栓塑性变形产生松动。
3.3 机械防松
该类防松方式是利用各种金属止动元件阻止螺母螺栓之间的相对运动。常用的机械防松方法有开口销与六角螺母、止动垫圈、串联钢丝等。此种防松方式适用于较大振动、冲击、高速的场合, 特别是机械内部不易检查的场合, 防松可靠, 但不易拆卸。此种方式不适用我公司。
3.4 破坏运动副关系防松
这是一种永久方式方法。是通过破坏了螺纹副来达到防松目的。常用的破坏运动副关系防松方法有铆合、冲点、钎焊等, 这种方式防松可靠, 但不可重复使用。此种方式不适合我公司。
摘要：简要分析了车辆装配螺栓拧紧过程, 从紧固扭矩、扭矩系数、支承面摩擦力矩的等效直径方面分析提高螺纹防松功能方法, 分析螺纹松动原因主要为受轴向载荷、径向载荷、被连接件变形的影响。指出了常用的几种螺纹防松措施在不同情况中的选择和应用。
机车车辆用防松螺母研制 篇4
1机车车辆用防松螺母研制过程
1.1防松螺母的试制试装
第一阶段,分析NF E25 411带槽全金属六角自锁螺母、E-1-4六角自锁螺母(钢)、E-1-5六角自锁螺母(不锈钢)及ISO 2320有效力矩型钢制六角螺母-机械和力学性能标准和Q/CR 343.1— 2014机车车辆用防松螺母及垫圈第1部分:直槽防松螺母,初步试制、试装。防松螺母结构型式[1]见图1、图2。
分别在公司生产的90号、116~124号机车转向架上进行防松螺母的试装工作。在90号、116号、 117号、118号、119号、120号、121号、122号、 123号共9台机车的转向架上组装第一批次的防松螺母,在组装过程中发现总计有165个轴箱拉杆上安装的M20螺母发生了撸扣现象,不合格率达到了14.3%。在124号机车的493号、494号、495号转向架上组装第二批次的防松螺母,在组装过程中发现总计有43个轴箱拉杆上安装的M20螺母发生了撸扣现象,不合格率达到了44.8%。496号转向架组装上拉杆上安装的8个螺母是第二批次的防松螺母,其中5个防松螺母发生了失效现象。由于第二批次的防松螺母组装问题较多,因此496号转向架的另外24条M20螺母又组装了第一批次的防松螺母,其中有2个螺母发生了撸扣现象。
1.2整改及试验
1.2.1制定整改措施
1)第一批次的螺母硬度值偏低,组装过程中发现有螺母撸扣、变形现象,需要在制作后期改进螺母的热处理工艺,加大抽检频率。第二批次的螺母硬度值偏高(尽管符合相关标准),致使螺栓出现了撸扣现象。鉴于相关标准给定的螺栓及螺母的硬度范围较宽,切槽螺母在国内没有使用经验,螺栓、螺母的硬度匹配还在摸索中,因此应在试制、 组装过程中总结、改进,给出螺栓、防松螺母匹配的硬度范围。
2)安装螺母时不能使用润滑油或润滑脂。使用扭力扳手时不得超过30 r/min,避免扣死。拧紧时,应保证最小拧入到螺母头端3个扣,最大拧入到螺母头端6个扣。
3)为解决螺纹热处理过程中的脱碳问题,采取先热处理再加工螺纹的方法。
1.2.2整改后样件试验
1)按照要求,一个月内将整改后的样件送机械工业通用零部件产品质量监督检测中心,按照标准要求依次做拧入拧出试验、保证载荷试验、夹紧力试验、盐雾试验、金相组织分析试验、硬度试验、螺纹脱碳试验,其中后3项试验由笔者所在公司试验室按照GB/T 3098.9紧固件机械性能有效力矩型钢锁紧螺母的要求来做[2]。
2) 样件试验未发现螺纹脱碳;产品探伤合格。
3)所有防松螺母的第一次拧入力矩都远低于标准规定值,笔者认为其原因是制作样件时为了方便安装、尽可能减小工作量,夹紧扭矩取的是标准给定范围的中间值而不是最大值。第一次拧入力矩和夹紧力达到标准规定值时的扭矩完全符合标准要求。第一次拧出力矩从检测数据来看,每种规格(2个样件)中都有1个样件不符合标准规定。考虑到测试仪器的精度,仪器表盘显示数据没有小数位,只有M20 (8级) 的其中一个样件不符合标准。重新制作样件,再次试验,试验结果合格,符合标准要求。
4)保证载荷试验,施加标准规定的载荷15 s, 被试样件均未出现螺纹脱扣现象。
5) 增加横向振动试验项目,试验按照TB/T 3019—2001变牙型防松螺母中5.1技术要求规定 “振动1 000次,不加弹簧垫圈,紧固扭矩值按附录B,首次测试残余轴力不得小于50%;连续10次松紧后,测试残余轴力不得小于45%”的要求,做横向振动试验,3个样件残余轴力与初始轴力的比值都大于86%,完全符合标准规定,可以满足使用要求[3]。
6) 金相组织分析与硬度试验,在试验室按照标准要求对样件进行分析,试验结果如下:金相组织为回火索氏体,硬度在280 HV左右,符合标准规定的硬度范围250~353 HV,可以满足使用要求。
1.3针对试验问题再整改并装车验证
1)螺母的公差等级按照标准NF E25 411带槽全金属六角自锁螺母中的规定6H级。
2)继续改进防松螺母,尤其是M20规格的性能,使其拧出试验符合标准要求。
3)单直槽防松螺母切槽应从螺母六方面开始切,切槽后剩余两部分厚度尺寸基本一致。双直槽防松螺母仍按原规定制作。
4)协议正式生效后,在供货前三年内每年提供一份合格的试验报告,以后可视情况逐步减少抽检批次,交付的每批产品都应附上产品的探伤记录或探伤报告。
5)建议入厂检验应按热处理批次进行,每规格抽检一个,分别试验其维氏硬度、金相组织及螺纹是否脱碳。
6)由公司供方质量管理部门对其热处理及涂镀的外包商的相关资质进行审核,防松螺母的镀层厚度按照8 μm制作。
7)为确保防松螺母在装车运行过程中的安全可靠,在批量采购前须验证防松螺母的性能质量。 装车验证的要求、参数、内容及执行标准如下:一是仅在公司内验证;二是装车数量为每台车60个M16, 16个M20, 4个M24 ; 三是按照Q/DJ.J. 51.002—2000抽样检验实施方案进行抽样检查;四是拧紧力矩按照Q/DJ.J.13.539—2009紧固件连接用拧紧力矩拧紧螺母;五是装车验证内容为:按照第四步中规定的扭矩拧紧,观察螺栓、螺母的螺纹是否破坏(致使螺母无法正常拧紧);六是验证标准为Q/DJ.J.51.002—2000抽样检验实施方案;七是装车验证的组织与确认形式执行Q/DJ.G05.2813— 2009首件检验管理程序。
2机车车辆用防松螺母研制的结论
一是防松螺母样件满足GB/T 3098.9紧固件机械性能有效力矩型钢锁紧螺母的各项性能试验; 二是保证载荷试验完全符合标准要求;三是扭矩- 夹紧力试验完全符合标准要求;四是横向振动试验完全符合标准要求;五是硬度试验完全符合标准要求;六是螺纹脱碳检验完全符合标准要求(无脱碳);七是金相组织检验结果与进口防松螺母基本一致;八是化学成分分析结果与进口防松螺母基本一致;九是拧入拧出试验基本符合标准要求。综上所述,根据以上试验结果,国产防松螺母性能基本可以达到防松螺母性能标准要求,可以批量装车。
3防松性能及依据
3.1防松性能理论分析
与普通防松螺母相比,适用温度范围为-50~+ 300 ℃,防松效果好,且可重复使用。依据防松螺母技术规范E-1-4六角自锁螺母(钢)、E-1-5六角自锁螺母(不锈钢)、TGLS409869000部件技术规范及标准NF E25 411带槽全金属自锁六角螺母、 GB/T 3098.9 (idt ISO 2320) 紧固件机械性能有效力矩型钢锁紧螺母的规定,笔者任取2种常用规格的防松螺母做分析,分析所用数据均采用原标准中的数据。由于以上2种规格防松螺母具有普遍性, 分析结果可推及此类防松螺母,见表1。
根据以上计算结果可得出如下结论:防松螺母的防松性能随着重复使用次数的增加虽有所降低,但降低值很小。以M20 (8级)螺母为例,每次重复使用所降低的百分数只有0.4%。同时,防松螺母的防松性能的降低并不代表螺母承载性能会降低,即螺母并不会松。因此从理论上说,防松螺母重复使用不存在安全隐患。
(%)
3.2新旧防松螺母防松性能对比
使用未使用过的与HXD2两年检拆下的M20 (10级)防松螺母、M20×120 (10.9级)螺栓组合, 进行拧入扭矩值与拧出扭矩值对比试验,试验结果见表2。
(N·m)
3.3试验结论
1) 由于没有考虑夹紧力,扭力扳手是可调节的,不是带示值的,没有专门的试验装置在工件上操作,因此测试出的数值只能用于对比,不能作为标准数值。
2)使用过的螺栓与防松螺母组合由于长时间承载,螺母的拧入扭矩减小。
3) HXD2两年检拆的防松螺母拧出扭矩值与新防松螺母组合拧出扭矩值的比值如下:最小310/ 410 =75.6% , 平均345/382 =90.3% ,最大360/330=109.1%。
4) 使用拆下的螺栓与防松螺母组合,除螺纹损伤严重的螺纹之外,可以重复使用。
4研制成果
1)解决了防松螺母试制、试验、装车验证过程中出现的问题,实现了防松螺母在机车转向架和电气上的成功应用。
2) 编制了中国铁路总公司企业标准Q/CR 343.1—2014机车车辆用防松螺母及垫圈第1部分:直槽防松螺母。
参考文献
[1]中国铁路总公司铁路建设项目工程试验室.Q/CR 343.1—2014机车车辆用防松螺母及垫圈第1部分:直槽防松螺母[S].北京:中国铁道出版社,2014.
[2]国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.GB/T 3098.9—2010紧固件机械性能有效力矩型钢锁紧螺母[S].北京:中国标准出版社,2011.
浅谈螺纹联接的预紧和防松 篇5
按螺纹联接装配时是否拧紧, 分为松螺栓联接和紧螺联接。实际使用中绝大多数螺栓联接都是紧螺栓联接, 螺栓联接在承受工作载荷之前, 都需要拧紧螺母, 使螺栓联接受到预紧力的作用。螺纹联接的预紧增强了联接的可靠性, 防止联接在工作载荷作用下松动。对有气密性要求的管路、压力容器等联接, 预紧可使被联接件的接合面在工作载荷的作用下, 仍具有足够的紧密性, 避免泄漏。对承受横向载荷的螺栓联接, 预紧力在被联接件的接合面间产生所需的正压力, 使接合面间产生的总摩擦力足以平衡外载荷。由此可见, 预紧在螺纹联接中起着重要的作用。预紧的目的是增加联接刚度、紧密性和提高防松能力。
对于预紧力大小的控制, 一般螺栓联接可凭经验控制, 重要的螺栓联接, 在装配时应严格控制预紧力。预紧力通过拧紧螺母获得, 其大小需根据螺栓联接的要求确定。一般拧紧螺母的力矩T与预紧力F0有如下关系:
T= (0.1～0.3) F0d
式中 T为拧紧力矩 (N·mm) ;F0为预紧力 (N) ;d为螺纹的公称直径 (mm) 。
上式中适用于无润滑状态的M16～M64粗牙螺纹。一般可取T≈0.2 F0d。力矩T可通过测力矩扳手 (如下图) 等工具进行度量。
直径小的螺栓在拧紧时容易过载而被拉断, 因此对于重要螺栓联接不宜选用小于M10～M14的螺栓。为避免拧紧应力过大降低螺栓强度, 在装配时应适当控制拧紧力矩。对于不控制拧紧力矩的螺栓联接, 在计算时应该取较大的安全系数。
对于重要螺栓联接, 应根据联接的紧密要求、载荷性质、被联接件刚度等工作条件, 决定所需拧紧力矩大小, 以便装配时控制。
二、 螺纹联接的防松
联接用的三角形螺纹都具有自锁性, 在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但在冲击, 振动和变载的作用下, 预紧力可能在某一瞬间消失, 联接仍有可能松脱。高温的螺纹联接, 由于温度变形差异等原因, 也可能发生松脱现象, 因此设计时必须考虑防松。
螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。防松的方法很多, 常用几种防松方法见下表。
螺纹防松装置是为防止螺纹副产生相对运动, 按其原理可分为以下3类:
1.利用摩擦力防松
采用各种结构措施使螺纹副中的摩擦力不随联接的外载荷波动而变化, 保持较大的防松摩擦阻力矩。
弹簧垫圈防松:如表所示, 拧紧螺母后, 弹簧垫圈被压平, 其弹力使螺纹副在轴向上张紧, 而且垫圈斜口方向也对螺母起防松作用。这种防松方法简单, 使用方便, 但垫圈弹力不均, 因而防松也不十分可靠, 一般多用于不太重要的联接。
2.机械防松
机械防松是利用防松零件控制螺纹副的相对运动。
槽形螺母与开口销防松:如表所示, 将螺母拧紧后, 把开口销插入螺母槽与螺栓尾部孔内, 并将开口销尾部扳开, 阻止螺母与螺栓的相对转动。它防松可靠, 一般用于受冲击或载荷变化较大的联接。
3.其他防松
一种实现螺栓防松的新型垫片 篇6
随着机械自动化技术的广泛应用, 对产品的可靠性能要求越来越高, 对于一些重要部位 (隐藏在设备内部的) 、有频繁振动影响的需要螺纹联接的零部件, 其可靠性的要求也越来越高。
螺纹联接件一般采用单线普通螺纹, 螺纹升角 (β=1°42′~3°2′) 小于螺纹副的当量摩擦角 (ψ=6°30′~10°30′) 。因此, 联接螺纹基本上都能实现自锁 (β<ψ) 。此外, 拧紧后螺母和螺栓头部等支撑面的摩擦力也有防松作用, 所以在静载荷和工作温度变化不大时, 螺纹不会自动松脱。但在冲击、振动或者交变载荷下, 螺纹副的摩擦力可能减小或者瞬间消失, 这种现象多次发生后, 会使螺纹松脱, 在高温或者温度变化较大时, 由于联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛, 也会使连接中的预紧力和摩擦力逐步减小, 最终导致联接失效。
螺纹联接一旦出现松脱, 会影响设备运转或者造成严重事故, 因此为了防止螺纹松脱, 必须采取有效的防松措施。防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。
目前普遍采用的螺栓防松结构特点是:1) 利用摩擦力防松, 如对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母;2) 利用机械防松, 如开口销六角螺母、止动垫片、串联钢丝;3) 利用非金属嵌件和螺纹部位涂厌氧胶;4) 铆冲方法防松。
这些方法被广泛应用在机械设计中, 但在一些重要场合, 对防松要求特别严格的, 有特殊要求的场合, 就有以下缺点:1) 耐冲击力差, 在振动条件下, 容易松动;2) 结构复杂, 不容易拆卸;3) 不可重复利用, 对预紧力要求精确。
以上不管是采用摩擦力防松或者机械防松都不能从根本上解决螺栓防松问题。
1 新型垫片的结构特点和适用工况
本文为大家介绍一种新型垫片, 该垫片利用自身机械结构锁紧, 而不是利用摩擦力进行锁紧, 新型垫片的内表面为楔形齿, 外表面为放射状锯齿, 放射状锯齿和所接触的母材进行咬合。
1) 2个相同结构的组对垫片, 单个垫片没有弧度, 一面楔形齿, 楔形齿啮合角为α, 另一面是放射状锯齿, 使用时楔形齿相互啮合, 适用于材质较硬、振动较弱的螺纹联接, 如图1。
1.下弧齿2.上弧齿
2) 两个结构不同的组对垫片, 如图2, 一个是上弧齿2, 一个是下弧齿1, 单个垫片具有弧度, 适用于材质较软、振动较为剧烈的螺纹联接。
2 结构原理
如图3所示, 新型防松垫片由一对有相互咬合的齿面的垫片3组成, 互相咬合的角度α大于螺纹副之间的螺纹升角β, 当螺栓4和母材1之间有相对运动的趋势时 (螺栓松动) , 其运动角度 (螺纹升角β) 小于垫片3咬合角度α, 螺纹副沿螺纹方向产生的轴向位移小于垫圈沿厚度方向可扩张的距离, 加上垫片3的齿面牢牢地嵌入螺栓4法兰面和母材2, 当螺纹副有较小的相对位移时, 造成垫片楔形面产生较大的位移, 这时会使垫片的厚度增大, 也就是对螺栓有扩张行为, 进而引发夹紧力的增大, 螺纹副更加难以相对位移, 实现自动锁紧。角度的不同使其不能同步运动, 这样就阻止了螺栓4的松动。
1, 2.母材3.垫片4.螺栓
带有弧度的组对垫片运用于温度引起材料的热胀冷缩;或者剧烈振动引起材料的塑形变形;或者材料本身由于长时间的推移, 会产生材料晶格重组, 也就是蠕变。这些情况都会损失预紧力, 螺纹副之间的摩擦力就会减小产生螺纹松动的趋势。
带有弧度的组对垫圈的运动原理如图4。当施加预紧力时, 垫圈就会被压平, 锯齿就会嵌入接触面, 由于α大于螺纹副之间的螺纹升角β, 螺栓就不会旋转。当遇到材料由于各种原因产生L变形后。垫圈会立刻偏斜且具有弹性效应L1去抵消材料发生的变形L, 补偿了预紧力损失。这种方案应对振动、动力负荷、沉降、松弛极为有效。
3 本产品使用条件和特点
使用条件:1) 必须成对使用, 楔形齿啮合;2) 防松垫片放射形锯齿必须直接和母材接触;3) 母材的硬度必须低于防松垫片的硬度;4) 施加预紧力时, 必须保证螺栓头、母材与放射形锯齿的接触面上有印痕, 如图5。
特点:1) 在高的预紧力和低的预紧力都可以锁紧螺栓, 也就是可以在冲击载荷下保持螺栓不容易松动;2) 在振动工况下, 预紧力损失小, 正是因为螺纹不容易松动, 其施加最大预紧力时的螺栓长度不会变化, 所以预紧力能长时间保持, 见图6。
3) 成对使用的防松垫片可以方便拆卸, 由于齿形垫片咬合角度α的存在, 拆卸后, 垫片可以重复利用。
4 结语
叉车在工作时, 容易产生振动, 在一些关键部位容易产生螺栓松动。特别是变速箱、油缸, 如图7。经过使用防松垫片, 消除了安全隐患, 取得良好的效果, 提高了产品质量。
摘要：介绍一种新型的垫片, 利用垫片本身机械结构, 实现螺栓的防松。这种垫片是成对使用, 一对相互咬合的齿形垫片互相咬合的角度α大于螺纹副之间的螺纹升角β, 这样就有效地阻止螺栓的松动。
关键词：防松,机械结构,预紧力
参考文献
[1]濮良贵.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2001.