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                  淺析裝配螺栓松動原因及防松措施
                  更新時間:2018-08-23

                    摘 要

                    針對裝配工廠中各種常見的螺栓松動現象進行闡述,并分析了裝配螺栓松動的幾種常見的原因以及提出了裝配工廠常用的一些防松措施。

                    螺栓連接的連接方式廣泛應用于機械設備、汽車、火車、航天航空等領域,是緊固件連接中最基本的一種結構形式,對于裝配工廠特別是工程機械裝配工廠而言,螺栓連接具有便于標準化大批量生產、構造簡單、成本低、安裝方便、易拆卸等優點而得到最為廣泛的應用。設備在使用過程中因振動、高低荷載變化、沖擊或者長期處于工作狀態時,螺栓就容易產生松動現象,直接影響設備的運轉性能并降低其安全可靠性,輕者影響設備的正常工作造成經濟損失,重者會影響人身安全。有鑒于此,筆者在本文中以裝載機裝配實際應用效果作為研究出發點,淺談螺栓連接松動的原因及防松措施。

                    1、裝配螺栓松動的原因分析

                    零部件采用螺栓連接的目的是要被連接的兩個零件緊密貼合,同時為了能夠承受一定的動載荷,保證連接零部件的可靠連接和正常運行,還需要兩個連接零件之間具備足夠的夾緊力F,如圖1 所示。因此就要求連接用的螺栓在擰緊后要具有足夠的軸向預緊力。根據此我們分析一下松動的原因。

                  圖1 連接零件之間夾緊力的分析

                    1.1 設計上的缺陷

                    (1)螺栓選用的強度不足

                    螺栓連接一般采用屈服點擰緊法,即螺栓的預緊力應達到接近螺栓材料的屈服強度,考慮安全系數,一般不得超過其材料屈服極限的80%,不同材料的螺栓其屈服強度是不一樣的,這也意味著不同材料的螺栓能承受的最大預緊力是不一樣的。

                    在螺栓擰緊過程中,螺栓預緊力不斷加大的同時連接部件之間的夾緊力也在快速的增大,當達到屈服點時螺栓開始塑性變形,隨預緊力增大夾緊力增量變小甚至不變,再繼續增加預緊力其夾緊力逐漸變小直至螺栓產生斷裂。

                    因此在產品設計過程中設計人員需要對連接部件要求的擰緊力矩進行準確的分析,根據連接零部件的重量、體積、工作狀態、工作環境、安全標準等因素進行充分的考慮,選擇合適強度螺栓和螺紋。

                    (2)缺少連接的防松

                    螺栓連接的零部件在承受載荷有變化、振動、沖擊等情況下將會發生連接的壓緊力和預緊力逐漸減小甚至消失的現象,反復多次后造成螺紋連接松動,最后失效造成螺栓松脫,螺栓和螺母配合連接的形式尤為嚴重。

                    因當螺栓受到軸向載荷的作用時,螺栓軸向伸長,徑向彈性收縮,螺母則徑向擴張。微量的相對徑向滑動出現在兩者的接觸面間,在載荷的反復作用下最終導致螺母回轉松動。當螺栓受到反復橫向力作用時,螺栓會產生彈性扭轉變形,隨著變形的不斷增加,形成了扭轉變形的位移,在螺紋的螺旋方向就會出現一個力的分量致使螺母回轉松動。

                    因此在產品設計過程中必須采取有效的防松措施,以避免惡劣的工況導致螺栓或者螺母的松動脫落。

                    1.2 裝配過程的預緊力不足

                    螺栓在擰緊過程中所能達到的預緊力直接決定了兩個連接零件之間夾緊力,預緊力不足勢必會導致連接螺栓出現松動并最終造成連接零部件的松動。裝配過程中一般采用以下兩種方式獲得螺栓的預緊力。

                    第一方式是采用手動工具(如呆扳手、梅花扳手、內六角扳手、棘輪扳手等)。螺栓獲得預緊力的大小取決于操作者臂力的大小以及工具力臂的長度,一般的手動工具都為標準工具,力臂長度是一定的,而操作者的臂力是有限的,不穩定也不可控制的,螺栓獲得的預緊力也是如此。

                    第二種方式是采用氣動工具或者電動工具(如氣動沖擊扳手、電動沖擊扳手等)。螺栓獲得預緊力的大小取決于工具本身最大輸出擰緊力矩和工具運行的穩定性。氣動工具或者電動工具除了要根據都擰緊螺栓所能承受的最大預緊力來選擇合適的工具型號,即選擇合適的輸出擰緊力矩范圍外,還需要考慮工具所使用的電源、氣源、以及工具的日常維護保養狀態等影響設備運行的因素,如電源電量不足、氣源壓力不足會造成工具輸出的擰緊力矩不足,最終螺栓不能達到要求的預緊力。

                    1.3 裝配方法的不得當

                    裝配過程中存在單個螺栓和多個螺栓擰緊的狀態,針對多個成組螺栓擰緊的狀態,尤其是分布有規律的,螺栓擰緊的方法、方式等極其重要,其直接影響到每個螺栓實際獲得預緊力的大小。

                    如在裝配過程中常見的四方形分布的安裝螺栓,當隨意擰緊四顆螺栓后,由于存在松緊不一致受力不均衡的情況,隨著后面螺栓的擰緊前面擰緊螺栓的預緊力會變小,甚至第一次擰緊的螺栓會直接出現松動。這種情況下一般采用對角交叉打緊的方式進行擰緊,盡量保證螺栓松緊一致受力均衡。

                    所以裝配成組螺栓時必須按照一定的順序,分布、對稱、逐步的擰緊,否則會使安裝螺栓松緊不一致出現松動,甚至由于受力不均衡使連接零部件出現變形。

                    1.4 連接件安裝孔加工質量

                    兩個連接件連接時螺紋孔或者安裝螺栓孔尺寸尤為重要,螺紋孔的螺紋規格尺寸直接影響螺栓所獲得的預緊力大小。若螺紋孔過大或過小,則螺栓獲得的預緊力無法達到要求。若安裝螺栓孔尺寸偏大,則被連接件的表面在與螺栓或螺母支承面接觸處會產生塑性的環狀壓陷,嚴重的壓陷會使螺栓獲得預緊力減小或喪失預緊力,從而導致螺母或螺栓的松動。

                    2、常用的螺栓防松方式

                    螺栓防松是通過消除(或限制)螺紋副之間的相對運動,或增大相對運動的難度,防止連接松脫,保證連接安全可靠。防松的措施多種多樣,除了需要在設計時根據相關標準和設備實際工況采取相應有效的防松裝置,還需要在裝配過程中控制好安裝螺栓的擰緊力矩,避免出廠前的螺栓松動。由此考慮可把螺栓防松措施大致分為以下兩個方面:物理裝置防松和過程方法防松。

                    2.1 物理裝置防松措施

                    (1)附加摩擦力的防松裝置

                    附加摩擦力的防松裝置主要有三種結構:雙螺母擰緊結構、彈簧墊圈擰緊結構及自鎖螺母擰緊結構。雙螺母擰緊結構:先將下螺母擰緊后再擰緊上螺母,兩螺母對頂擰緊后上下兩螺母與螺栓螺紋接觸面相反,使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用,如圖2 所示。工作載荷有變動時,該摩擦力仍然存在。其結構簡單,適用于平穩、低速和重載的固定裝置的連接。

                    圖2 雙螺母擰緊結構防松裝置

                    彈簧墊圈擰緊結構:彈簧墊圈因具有結構簡單、使用方便、成本低的特點被廣泛應用于裝配現場,一般與螺栓或者螺母配合使用。螺栓或者螺母擰緊后,靠墊圈壓平而產生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊。同時墊圈斜口的尖端抵住螺栓或者螺母與被聯接件的支承面也有防松作用。

                    但這種擰緊結構在振動沖擊載荷作用下,防松效果較差,一般用于不重要的連接。自鎖螺母擰緊結構:這種擰緊結構一般有兩類,一類為全金屬鎖緊螺母。其主要是在金屬螺母本體的上端開槽之后并進行收口處理或者是進行非圓收口處理,處理之后的螺母螺紋會出現局部變形,當螺母擰緊后,收口漲開,利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊。這類螺母結構簡單,防松可靠,可多次裝卸而不降低防松性能。但不適用于高速運行的部位。

                    另一類為非金屬嵌件鎖緊螺母,其主要是在金屬螺母本體的上端嵌入了一個非金屬嵌件(一般是尼龍墊圈),螺母擰緊后,本身無螺紋的尼龍圈會被旋入壓力擠出螺紋,形成穩定并且力矩較大的摩擦力。這類具有非常好的防松能力,尤其是在多振動、多沖擊的環境中表現尤為良好。

                    (2)機械防松裝置

                    機械防松方式主要有:六角開槽螺母配開口銷、串聯鋼絲結構防松及止動墊圈結構防松。

                    六角開槽螺母配開口銷:開口銷穿過螺母的槽和螺栓末端的銷孔,并將開口銷尾部掰開與螺母側面貼緊,將螺母和螺栓鎖緊,如圖3 所示。這種方法防松可靠,可用于激烈的沖擊、振動部位。

                  圖3 六角開槽螺母配開銷防松裝置

                    串聯鋼絲結構防松:螺母或者螺栓設計有保險孔,將低碳鋼絲穿入其中,將各螺釘串聯起來連接為一體,使其相互制動,但需注意鋼絲的穿入方向,如圖4 所示。該種方法雖然具有極佳的防松能力,但是安裝和拆卸均非常不方便。止動墊圈結構防松:將單耳或雙耳止動墊圈分別向螺母和被聯接件的側面折彎貼緊,即可將螺母鎖住,如圖5 所示。若兩個螺栓需要雙聯鎖緊時,可采用雙聯止動墊圈,使兩個螺母相互制動。這種方法防松效果好,使用方便。

                  圖4 串聯鋼絲結構防松

                  圖5 止動墊圈結構防松裝置

                    (3)粘接防松裝置

                    在旋合螺紋間涂以厭氧膠粘劑,擰緊螺母后,膠粘劑硬化、固著,可牢固地粘結相配的螺紋防止螺紋副的相對運動,達到鎖緊防松的效果。厭氧膠粘劑分為液式和干式兩種。液式一般用于現場涂抹。干式的為提前預涂并烘干,便于操作。厭氧膠粘劑一般用于不需要拆卸或需要拆卸次數不多的裝配部位。

                    2.2 過程方法防松措施

                    (1)定扭矩工具防松

                    在裝配過程中,為保證螺栓獲得足夠的預緊力,還要確保其小于螺栓屈服點扭矩,采用定扭矩工具進行控制是最有效的方法。定扭工具可以根據螺栓的標準擰緊力矩來設定輸出的力矩,達到預先設定的擰緊力矩時發出信號或自行終止擰緊,保證穩定的力矩輸出。

                    為了提高效率,定扭工具除了可以單獨使用外還可以與小扭矩的氣動沖擊扳手搭配使用,對于關鍵部位可以先用氣動定扭扳手進行擰緊后再用手動定扭扳手進行檢測確認,以確保達到理想的扭矩值。采用這種防松方式必須保證定扭矩工具的精度,所有定扭矩工具必須按照計量器具檢測規定進行定期的校驗。

                    (2)培訓和訓練防松

                    在螺栓擰緊的過程中,除了擰緊工具的輸出擰緊力矩影響了螺栓獲得的預緊力,其裝配方法也是至關重要的,尤其是針對多個成組的分布有規律的安裝螺栓。擰緊工具和裝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響了螺栓擰緊的效果,因此可以通過培訓和訓練提高操作者的技能水平,進而提高螺栓防松的能力。

                    操作者的培訓以理論為主,主要學習裝配的基礎知識,包括擰緊工具的操作方法,螺栓擰緊的裝配方法等。操作者的訓練以操作實踐為主,主要結合培訓的裝配基礎知識的內容進行實際操作的練習,如建立培訓平臺,讓操作者特別是新入職員工進行反復的訓練,掌握了這些基本的操作方法后才能上崗作業,通過對基礎技能的培訓和訓練減少因裝配方法不正確導致的螺栓松動。

                    (3)零部件質量控制防松

                    零部件的加工尺寸也直接影響到了螺栓獲得的預緊力,特別是螺紋的規格,直接關系到連接部件的相互作用,因此裝配前必須檢查所需安裝的零部件是否符合設計圖紙要求,使用標準的檢測工具檢查所用的螺紋連接件規格、型號、機械性能等級是否符合設計要求,螺紋是否有亂扣、裂紋等不合格現象,對出現的質量問題要反饋制造方進行整改,確保零部件尺寸加工符合設計要求,保證螺栓的可靠連接。

                    3、結束語

                    螺栓松動的原因多種多樣,不同的設備不同的工況會有不一樣的原因,本文主要針對設備出廠前的裝配過程進行研究分析,統計分析出來幾個方面的原因,并給出一些有效的螺紋防松方法,這些方法在現場也得到了應用和推廣,防松效果好。傳統螺紋防松方法有很多,但是面對具體防松問題時,需要從過程中找出螺紋連接松動的根本原因,并根據實際原因選用合理的連接結構,采取合理的防松措施,增強防松能力,提高緊固可靠性。

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