高強(qiáng)度螺栓防松性能的影響因素研究

宋慶華

摘要：研究人員通過(guò)對(duì)螺紋聯(lián)接擰緊力矩和松脫力矩計(jì)算模型進(jìn)行分析，尋找出擰緊力矩以及松脫力矩的計(jì)算方法，其中粗牙螺栓的松脫力矩通常達(dá)到了松脫力矩的擰緊力矩的百分之八十上下，細(xì)牙類型螺栓的松脫力矩為松脫力矩?cái)Q緊力矩的百分之八十五上下。據(jù)此，對(duì)螺栓防松性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，闡述了對(duì)螺栓防松性能造成影響的各種因素，希望能夠?qū)Ω邚?qiáng)度螺栓防松性能影響因素的研究做出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：防松性能；高強(qiáng)度；螺栓；彈簧墊圈；頭部結(jié)構(gòu)；預(yù)緊力；表面處理；螺紋；松脫力矩

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.093

1引言

代表著螺紋聯(lián)失去作用表現(xiàn)形式之一就是螺栓松動(dòng)失去了效用。如果螺栓表面的材料分子出現(xiàn)了相互嵌入的問(wèn)題、構(gòu)成材料發(fā)生了蠕變的問(wèn)題、預(yù)緊力較低或者摩擦系數(shù)不合標(biāo)準(zhǔn)，這些因素都會(huì)造成螺栓夾緊力不足問(wèn)題；一旦螺栓在一段時(shí)間內(nèi)為交變載荷的狀態(tài)，或者長(zhǎng)時(shí)間處于高溫的環(huán)境中，這都會(huì)造成螺栓發(fā)生松動(dòng)問(wèn)題。我國(guó)汽車制造行業(yè)中，進(jìn)行螺紋連接設(shè)計(jì)的過(guò)程中，工作人員通常借鑒以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，沒(méi)有對(duì)高強(qiáng)度螺栓的防松性能給予足夠的重視，因此，設(shè)計(jì)人員必須加大對(duì)螺栓防松措施的研究力度，對(duì)螺栓制造、裝配參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，只有這樣才能有效提升螺紋聯(lián)接的穩(wěn)定性和可靠性，增加車輛行駛過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。

本文的主要內(nèi)容是對(duì)螺栓的防松機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，闡述了對(duì)螺栓防松性能造成影響的各種因素，并提出了增加螺栓防松性能的相應(yīng)措施。

2對(duì)螺紋聯(lián)接防松相關(guān)內(nèi)容的簡(jiǎn)要分析

2.1對(duì)螺紋聯(lián)接擰緊力矩以及松脫力矩計(jì)算內(nèi)容的簡(jiǎn)要分析

只有螺栓具有足夠的夾緊力，才能確保螺栓的使用壽命。進(jìn)行裝配螺栓的方法通常為扭矩法，在進(jìn)行擰緊螺栓或者擰松螺栓的過(guò)程中都無(wú)法避免螺紋副間的摩擦力矩和螺母端面同被連接物品表面的摩擦力矩的影響，這里還要注意的是擰緊力矩同松脫力矩不是一個(gè)概念，這是因?yàn)閿Q緊螺紋時(shí)出現(xiàn)的螺紋附間的摩擦力矩同松脫螺紋時(shí)出現(xiàn)的摩擦力矩不是一個(gè)力的。

在這里首先假設(shè)擰緊螺栓通過(guò)擰緊螺栓頭部的操作方式，在這種操作方式下對(duì)擰緊力矩A進(jìn)行計(jì)算：

A=A1+A2

A1=Fd/2 tan（φ+ρv）

A2=1/3fF（D3 0-d3 0/D20-d20）

在上述公式中：A1代表著在進(jìn)行擰緊螺栓時(shí)在螺紋副間存在的摩擦力矩；A2代表著螺栓同被連接物品表面之間的摩擦力矩，螺紋升角為φ=arctan p/πd2螺紋摩擦角為ρv=arctan f/cosβ。

根據(jù)以往的研究可以得出結(jié)論，螺栓松脫時(shí)產(chǎn)生的力矩通常為擰緊時(shí)產(chǎn)生力矩的百分之八十。將普通的六角頭類型的螺栓作為本次研究的例子，假設(shè)螺栓摩擦系數(shù)為0.2，對(duì)松脫力矩同擰緊力矩比值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)上表進(jìn)行分析，粗牙螺紋緊固件松脫力矩達(dá)到了擰緊力矩的百分之八十左右，細(xì)牙螺紋緊固件松脫力矩達(dá)到了擰緊力矩的百分之八十五左右。對(duì)細(xì)牙螺栓和粗牙螺栓進(jìn)行對(duì)比，選擇具有一樣直徑的兩種類型的螺栓緊固件，試驗(yàn)過(guò)程使用同樣程度的夾緊力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)牙類型螺栓的擰緊力矩同粗牙類型的螺栓的擰緊力矩相比要低一些，而且粗牙螺栓具有更大的松脫力矩，隨著夾緊力逐漸增加，這兩種力矩的差值也就隨之增加。高強(qiáng)度螺栓具有較大的扭矩，工作人員可以使用細(xì)牙螺栓來(lái)有效增強(qiáng)高螺栓的松脫力矩。

2.2對(duì)高強(qiáng)度螺栓使用過(guò)程中防松性能造成影響因素的簡(jiǎn)要分析

對(duì)摩擦力矩造成影響的因素極多，其中主要包括螺栓預(yù)緊力的大小、摩擦系數(shù)的大小、螺栓同被連接物品表面的接觸外徑、內(nèi)徑等。隨著摩擦力矩不斷增加，螺栓出現(xiàn)松動(dòng)的可能性就變低，即防松性能就會(huì)得到提升。因此，在進(jìn)行裝配的過(guò)程中，工作人員必須對(duì)上述影響給予足夠的重視。

2.2.1對(duì)高強(qiáng)度螺栓頭部結(jié)構(gòu)對(duì)防松性能造成影響的簡(jiǎn)要分析

在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，使用的螺紋緊固件種類非常多，其中主要包括六角頭類型的螺栓構(gòu)件、六角頭法蘭類型的螺栓構(gòu)件、六角頭帶平墊圈組合件類型螺栓等。螺栓頭部具有不同的結(jié)構(gòu)，這就就造成螺栓頭部同被固定物體的接觸外徑也就有所不同，在使用螺栓對(duì)物品進(jìn)行連接的過(guò)程中，如果螺栓頭部外徑有所提升，其同被固定物體的接觸面積就會(huì)有所提升，進(jìn)而提升螺栓的摩擦力矩。

2.2.2對(duì)彈簧墊圈對(duì)螺栓防松性能所造成影響的簡(jiǎn)要分析

在螺栓連接的過(guò)程中，彈簧墊圈會(huì)出現(xiàn)局部連接的問(wèn)題，在這樣的情況下支撐面不足，在開(kāi)口部位就有可能出現(xiàn)壓潰問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓的軸向力削減，彈簧墊圈沒(méi)有足夠的防松性能。除此之外，彈簧墊圈具有彈性，這種彈性作用能夠?qū)B接變形削減的軸向力做出補(bǔ)償，能夠起到一定的防松作用。

2.2.3對(duì)支撐面接觸表面狀態(tài)的簡(jiǎn)要分析

在對(duì)螺栓進(jìn)行裝配的時(shí)候，一旦螺栓零件同被固定的物品表面出現(xiàn)了貼合不合格的問(wèn)題，就會(huì)對(duì)螺栓的載荷分布造成影響。除此之外，如果接觸面較小就會(huì)造成局部應(yīng)力集中問(wèn)題，材料表面還有可能發(fā)生壓潰問(wèn)題，這也會(huì)對(duì)螺栓的預(yù)緊力造成非常嚴(yán)重的影響。螺栓同被連接物品表面摩擦系數(shù)的變化會(huì)對(duì)螺栓的摩擦力矩造成影響，螺栓表面上鍍層、鈍化層處理方式等因素都對(duì)摩擦系數(shù)存在影響。因此，工作人員必須對(duì)摩擦系數(shù)給予足夠的重視，加大對(duì)摩擦系數(shù)的控制力度，防止摩擦系數(shù)出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)高強(qiáng)度螺栓防松性能造成影響。

3對(duì)高強(qiáng)螺栓防松性能造成影響的外界因素的簡(jiǎn)要分析

橫向振動(dòng)同軸向振動(dòng)相比，橫向振動(dòng)對(duì)螺栓造成的影響更大，更容易使螺栓發(fā)生松動(dòng)，因此，主要對(duì)橫向振動(dòng)進(jìn)行研究。

選擇規(guī)格為M10×1.25-8.8級(jí)的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行研究，對(duì)螺栓和螺母進(jìn)行相同的處理方式，螺栓和螺母使用的配合方式為6H/6g，總共十組螺栓、螺母。橫向振動(dòng)試驗(yàn)裝置的振幅是±1毫米，橫向位移測(cè)量誤差控制在±1%之內(nèi)，夾緊力測(cè)量誤差控制在±3%之內(nèi)。整個(gè)研究過(guò)程中在GB/T10431-2008下進(jìn)行。

研究過(guò)程要保證螺栓能夠達(dá)到實(shí)際工作條件的載荷要求，將螺栓初始預(yù)緊力控制在屈服軸向力的百分之六十左右，就能保證螺栓被擰緊。本研究總共試驗(yàn)了百分之五十五，百分之六十五和百分之七十五這三種預(yù)緊力，使用14.6kN，16.5kN，19.7kN的力量將分別螺栓擰緊，再對(duì)具有各種頭部結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行研究，最終得出結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

4結(jié)論

綜上所述，在生產(chǎn)的過(guò)程中必須對(duì)高強(qiáng)度螺栓的防松性能給予足夠的重視，高強(qiáng)度螺栓防松性能的高低對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著非常大的影響，因此，相關(guān)部門(mén)必須加大對(duì)高強(qiáng)度螺栓防松性能的研究力度。

本文首先對(duì)螺栓松動(dòng)情況進(jìn)行了分析，隨后又通過(guò)公式計(jì)算方法對(duì)螺紋聯(lián)接擰緊力矩以及松脫力矩進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，并列取了不同規(guī)格的螺紋緊固件松脫力矩與擰緊力矩的比值。在以上基礎(chǔ)上介紹了高強(qiáng)度螺栓使用的過(guò)程中可能對(duì)螺栓防松性能造成影響的各種因素，其中主要為螺栓頭部結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度螺栓防松性能的影響、彈簧墊圈對(duì)螺栓防松性能的影響，以及支承面接觸表面狀態(tài)對(duì)螺栓防松性能所造成的影響。最后分析可能對(duì)高強(qiáng)度螺栓防松性能造成影響的外界因素，希望能夠?yàn)樯a(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程做出一定的貢獻(xiàn)。

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