聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力和防松

1、聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力和防松關(guān)鍵詞聯(lián)接螺栓；預(yù)緊力；防松摘要通過對普通聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力和防松問題進(jìn)行研究分析，得出可靠的確定螺栓預(yù)緊力和螺栓防松的方法，對于船舶設(shè)計有較好實用價值。0引言當(dāng)今世界，隨著微電子、航空航天等新興技術(shù)的崛起，它們引起了傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)如機(jī)械制造行業(yè)的劇烈變化，對最基本的機(jī)械零件之一緊固件的發(fā)展也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。螺栓，作為最常用的緊固件之一，在新興技術(shù)的沖擊下，順應(yīng)著時代的潮流，也不斷地更新和發(fā)展。眾所周知，螺栓連接是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，有著構(gòu)造簡單、成本低、安裝方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。常見的螺栓連接一般都是緊螺栓連接，即安裝時需要將螺栓螺母擰緊，只

2、有少數(shù)如飛機(jī)操縱拉桿的鉸鏈螺栓連接等是松螺栓連接。緊螺栓連接時，必須考慮螺栓的預(yù)緊力問題和防松動問題，這兩方面的問題都直接關(guān)系到設(shè)備的正常運行，不容小視。目前，船舶設(shè)計行業(yè)中，船級社對于軸系傳動裝置中聯(lián)軸器接合面處的螺栓、對聯(lián)接螺栓的直徑尺寸都有具體要求。聯(lián)接螺栓采用緊配螺栓(即鉸配螺栓)，一般無預(yù)緊力要求；對于聯(lián)接螺栓采用非緊配螺栓的，則要求“該螺栓安裝時的預(yù)緊力需提交審查批準(zhǔn)”。至于該預(yù)緊力的計算，船級社并未給出具體的指導(dǎo)性意見。此外，對于船舶上重要的機(jī)械設(shè)備，如主機(jī)、齒輪箱、高彈性聯(lián)軸器等，船廠也希望設(shè)計方能給出聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力。本文旨在給出一個比較可行的、比較合理的螺栓預(yù)緊力選取標(biāo)準(zhǔn)，

3、供各位船舶設(shè)計人員參考。1螺栓連接的預(yù)緊1.1預(yù)緊的目的預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。事實上，大量的試驗和使用經(jīng)驗證明：較高的預(yù)緊力對于連接的可靠性和被連接的壽命都是有益的，特別對有密封要求的連接更為必要。當(dāng)然，俗話說得好，“物極必反”，過高的預(yù)緊力，如若控制不當(dāng)或者偶然過載，也常會導(dǎo)致連接的失效。因此，準(zhǔn)確確定螺栓的預(yù)緊力是非常重要的。1.2預(yù)緊力QP的確定普通螺栓的連接，在螺母擰緊時會受到兩種應(yīng)力：一種是由預(yù)緊力引起的拉應(yīng)力；另一種是由螺紋力矩引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。有關(guān)文獻(xiàn)計算表明，當(dāng)預(yù)緊應(yīng)力P達(dá)到螺栓屈服極限s的0.78倍時，螺栓的外螺紋溝底

4、開始破壞。也就是說，選取P時首先必須滿足的第一個前提條件是P<0.78s；其次，為了能充分發(fā)揮螺栓連接的潛力和保證連接的可靠性，我們應(yīng)當(dāng)盡量取較高值。在實踐中，還有許多影響P選取的因素，如：受拉螺栓還是受剪螺栓，螺栓是否承受變載荷，對連接有無密封要求，安裝工具和方法的精確程度，連接所在部位是否便于安裝等等。這些因素都是確定預(yù)緊力指標(biāo)應(yīng)該考慮的重要因素。對于受拉螺栓連接，有這樣一組結(jié)論可供我們較準(zhǔn)確地選取P值：·在一般機(jī)械上，P=(0.50.7)S；·在航空航天機(jī)械上，P0.35S；·在特殊連接如高強(qiáng)度螺栓摩擦連接，P0.75S。一般機(jī)械連接，鋼螺栓所用的預(yù)緊

5、力在考慮上述因素的基礎(chǔ)上可以參考表1的數(shù)據(jù)來選擇。表1 一般機(jī)械連接用鋼螺栓的預(yù)緊力對于重要的螺栓連接，在產(chǎn)品裝配圖樣中應(yīng)注明預(yù)緊力或擰緊力矩指標(biāo)，安裝時要采取措施嚴(yán)格控制。1.3擰緊力矩在螺紋連接體中，施加在螺母上的擰緊力矩Tf等于螺母與被連接件或墊圈支承面間的摩擦力矩與螺紋副的摩擦力矩之和。經(jīng)簡化后得到同時適用于粗牙和細(xì)牙螺紋的表達(dá)式，如下：Tf=0.12×s×As×d式中s螺栓屈服極限； As螺栓螺紋有效截面面積；d螺紋的公稱直徑。在實踐中，一般采用指針式扭力扳手(測力扳手)通過控制擰緊力矩來實現(xiàn)控制預(yù)緊力，這種方法簡單、易實施，而且成本也低。ISO標(biāo)準(zhǔn)中有

6、給出公制螺紋用扭矩扳手?jǐn)Q緊時需要的的擰緊力矩指示值，這些數(shù)值是按照上面給出的擰緊力矩計算公式得出的，如表2所示。在船舶行業(yè)，一些技術(shù)力量強(qiáng)大的設(shè)備公司都用自己的一套標(biāo)準(zhǔn)來選取連接螺栓的擰緊力矩。如專業(yè)從事高彈性聯(lián)軸器及傳動軸產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)的德國VULKAN和CENTA公司，會給用戶提供相應(yīng)產(chǎn)品螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力矩。本文表3所示的，就是CENTA公司給出的螺栓聯(lián)接的擰緊力矩值。通過對表3所示的數(shù)值進(jìn)行演算和驗證，發(fā)現(xiàn)其Tf值也是基本按照前面給出的擰緊力矩計算公式得來的，只是在選用s的值時，是按照ISO標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)螺栓的機(jī)械性能等級規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度(s或0.2)來選取的，并留有8%的安全余量。這是

7、不難理解的。因為高彈性聯(lián)軸器除了有效地傳遞扭矩外，還要吸收振動(尤其是扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的交變扭矩)，補(bǔ)償軸向和徑向位移。而表3所示的擰緊力矩值明確允許有±5%的誤差，這是由于連接件和被連接件的表面質(zhì)量(包括粗糙度、螺紋精度、潤滑、鍍層等)和擰緊速度等有所差別而造成的。這±5%的許用誤差給用戶增加了可操作性。VULKAN公司也同樣在他們的產(chǎn)品說明書中給出了螺栓擰緊力矩一覽表，通過與CENTA公司提供的擰緊力矩值對比，發(fā)現(xiàn)與CENTA公司給出的擰緊力矩值差別微小，都在同一個數(shù)量級范圍內(nèi)。多年來，我所船舶設(shè)計的工程實踐經(jīng)驗(尤其是高性能船的設(shè)計工程實踐)證明，VULKAN和CENTA

8、公司給出的擰緊力矩值，對于高彈性聯(lián)軸器工作的可靠性是有足夠保證的。因此，本文在這里向各位船舶設(shè)計人員鄭重推薦選用表3給出的擰緊力矩值作為設(shè)計的依據(jù)。同樣，對于主機(jī)、齒輪箱等重要船舶設(shè)備，其底腳螺栓擰緊力矩也可按表3來選取。對于船舶上重要設(shè)備的聯(lián)接螺栓，一般都選用的性能等級為8.8級(相應(yīng)地，與其相配的螺母性能等級選8級)；螺栓的性能等級一般不高于10.9級(事實上，船舶規(guī)范中就明確規(guī)定：螺栓材料的抗拉強(qiáng)度的計算值不高于1000N/mm2)。如果選用的螺栓性能等級小于8.8級，則可按表2所示，再留有8%的余量來選取。當(dāng)然，船用機(jī)械中特殊的機(jī)械設(shè)備連接也必須特殊對待，例如我所設(shè)計的某型氣墊船上，導(dǎo)

9、管、主機(jī)、主減和推減的基座均由航空設(shè)備單位設(shè)計，其基座與船體間的聯(lián)接螺栓的擰緊力矩就應(yīng)該按照航空標(biāo)準(zhǔn)(HB6586292螺栓螺紋擰緊力矩)來選取。表2 ISO公制螺紋的機(jī)螺釘類、螺柱和螺母用扭矩扳手?jǐn)Q緊時的擰緊力矩(N·m)需要指示值表3 德國CENTA公司螺栓擰緊力矩一覽表2螺栓連接的防松螺紋連接在變載荷、振動和沖擊作用下，以及工作溫度變化很大時可能松動。松動后會引起預(yù)緊力減小甚至喪失，從而無法保證連接的緊密性，造成連接件過早產(chǎn)生疲勞破壞，最后導(dǎo)致發(fā)生故障。2.1松動原理一般說來，以扭矩Tf擰緊的螺紋聯(lián)接體，只要作用在螺母或螺栓頭上的松動扭矩不大于0.8Tf，就不會發(fā)生松動。但實際

10、上，螺母即使不回轉(zhuǎn)松動，預(yù)緊力也會下降；螺母即使不受松動扭矩作用，也可能會發(fā)生松動回轉(zhuǎn)。2.1.1支承面壓陷引起的松動螺栓頭或螺母支承面的接觸壓強(qiáng)大時，被聯(lián)接件的表面與螺栓頭或螺母支承面接觸處有環(huán)狀壓陷。繼續(xù)使用過程中，由于塑性變形繼續(xù)發(fā)生，緊固長度內(nèi)螺栓的拉伸力減小，螺母不回轉(zhuǎn)，聯(lián)接的預(yù)緊力也會降低。2.1.2螺母自動回轉(zhuǎn)引起的松動在變載、振動和沖擊作用下，螺紋副的摩擦系數(shù)急劇降低，且螺紋副和螺母支承面處的摩擦力會瞬時消失，螺紋副無法滿足自鎖條件而使螺紋副間產(chǎn)生相對滑動，導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)，多次重復(fù)以后就會產(chǎn)生松動。2.2防松方法(1)采用細(xì)牙螺紋與粗牙螺紋相比，細(xì)牙螺紋的升角小，相對的摩擦系數(shù)也小，自鎖條件有可能得到保證。(2)雙螺母用兩個等高螺母，先用擰緊力矩的80%擰緊下面的螺母，再用100%的擰緊力矩擰緊上面的螺母。這樣，在螺栓螺母旋合的部分保持了牢固的壓緊，螺母就不易松動。(3)有效力矩型非金屬嵌件鎖緊螺母螺母體上接近螺栓伸出端處嵌入尼龍環(huán)，其內(nèi)徑等于螺紋小徑，環(huán)上不制螺紋。當(dāng)螺母擰上螺栓后，尼龍環(huán)的彈性形成一個緊箍螺栓的高彈性橫向壓緊。以上三種方法都是目前比較可靠、值得推薦的防松方法，還有其他許多方法如用止動墊圈、串連鋼絲、沖點鉚接、釬焊、開口銷和開槽螺母等都是比較可靠的防