螺栓为何松动?

螺栓是各行各业应用中的紧固件首选,原因很简单,因为它们易于拆卸。然而,这也使它们易于产 生自发松动而失去预紧力的问题。

根据不同的应用,螺栓松动会产生严重的后果。一颗螺栓松动可能会致使整套生产设备陷入停滞状态,并使公司损失巨大,甚至在一些应用中,松动的螺栓会导致严重的安全危害。那么,螺栓松动的主要原因是什么?一般来说,有两个主要原因:震动引起的松动和材料变形引起的松动

“失效的主要原因和后果具体取决于螺栓连接的目的、应用环境,而且通常取决于应用的行业,”Siegenia-Aubi KG公司的Georg Dinger说,他对螺栓自行松动的原因和影响进行了大量的研究。

例如,石油化工行业主要关注腐蚀问题,而对疲劳和震动松动通常并不十分重视。另一方面,汽车行业可能会将自行松动和腐蚀视为两大主要问题。结构钢行业主要关注的是接头滑动和腐蚀问题,但自行松动和泄漏则较少见。航空航天业可能会将疲劳列为首位”。

“由于受到螺纹副内的扭矩的影响,会使接触面间产生相对的位移,从而导致螺栓或螺母的逐渐松动,”Dinger继续说道。“这会导致失去预紧力,进而丧失螺栓连接的功能。这种影响是众所周知的,但是采取的对应措施通常是在自发松动现象发生之后做一些试验”。

螺栓松动的主要原因:

  • 震动引起的松动—冲击、震动、动态负载
  • 材料变形引起的松动—沉降、蠕变、弛豫

为了防止震动引起的松动,需要消除连接部件之间的滑动,或者至少降低到临界水平以下。要实现这一目的,可以增加轴向预紧力、增加夹紧部件之间的摩擦力、或减少循环负
荷,例如冲击、震动或循环热负荷。

另一种常见的方法是增加螺栓螺纹之间的摩擦力。有很多解决方案可以做到这一点,虽然其中一些比较有效,但也存在着不足之处。胶水或粘合剂可能是一种基于摩擦力的有效方法,但胶水干了之后,在拆卸和拆除螺栓时可能会产生问题。

此外,增加螺纹之间的摩擦力在特定扭矩水平下会降低可实现的预紧力。锁线是航空业中常用的方法。

疲劳是指螺栓和夹紧部件的永久性损坏或变形。这是由于失去预紧力而导致接头开口造成的。失去预紧力有两种基本机制 —— 震动引起的松动和材料变形引起的松动。

由于冲击、震动或动态载荷等原因,震动引起的松动或旋转自行松动基本上发生在螺栓旋转松动的时候。即使轻微的旋转也足以使螺栓连接失去所有的预紧力。这是最常见的螺栓松动原因。材料变形引起的松动是由三种机制引起的:沉降、蠕变和弛豫。

由于动态载荷而发生沉降时是非常危急的现象。洛帝牢集团技术经理Harlen Seow解释说,沉降是指当连接部位经受动态工作载荷的应力增加情况时,夹紧材料会发生永久变形。“如果部件中的应力没有超过屈服强度,螺栓连接的大部分部件在松开后都会恢复原形。接触面中的某些材料(例如油漆)很可能会永久变形,”他继续说道。

“如果材料沉降,即使只有几微米,螺栓的伸长量也会减少,并会导致预紧力减小”。

蠕变是指由于接头材料长期在屈服强度下承受高水平应力而发生的永久变形。在高温应用中这种情况更为严重。

弛豫是指接头材料中的微观结构重组之后,经过一段时间将现有的弹性变形转变为塑性变形。与沉降或蠕变不同,夹紧长度不变,因此更加难以检测。“测量预紧力是否失去的一种方法是,在运行一段时间后测量螺栓长度,并在拧紧后立即与螺栓长度进行比较,”Seow补充说。“但是,这不会检测到弛豫情况,因此更成问题”。

避免疲劳的关键在于良好的设计,近年来,由于需要的螺栓连接越来越多,以及轻型材料应用的增长,设计的重要性日益凸显出来。重要一点在于,不能只是关注螺栓的抗拉强度,而忽略其他参数,例如弹性和刚度,这些参数也非常重要。

“正确的接头设计通过高预紧力来夹紧工件,使被夹紧的工件之间有非常大的摩擦力来防止相对滑动,从而使其在用寿命期间安全可靠。”Dinger说。“到目前为止,设计工程师的重点关注的一直是螺栓断裂失效。随着性能的提高和接头重量的减轻,其它失效机制变得越来越常见。在轻量化设计中,预紧力损失和自行松动的情况越来越普遍”。

根据螺栓和应用情况以及预紧力的原因,通常有多种选择来设计出更优化的螺栓连接。

“如果存在热负荷,夹紧部件可以选择热膨胀系数相同的材料来优化接头,”Dinger说。“为了最大限度地减少沉降并在运行过程中保持高预紧力,可以降低接触表面之间的粗糙度。诸如细孔直径或齿形表面等措施有助于最大限度地减少相对位移”。

“一般而言,”Seow说,“优质的螺栓连接是由非常弹性的螺栓和非常具有刚性的夹紧部件组成的,而且有不同的方法可以实现这一点。改进螺栓弹性的一种方法就是具有较长的夹紧长度。但是,如果是法兰的话,那么夹紧长度就不能太长,但可以使用更多而且更小的螺栓来改变设计。因此,使用五颗螺栓的替代方案是,可以使用十颗小一些的螺栓,这会形成更具弹性的接头”。

总而言之,实现最佳螺栓连接需要考虑多种变量和设计选项。

 

什么是预紧力?

这一术语在工程中存在很多含义。一种含义是紧固件初始紧固时产生的张力(负载)。随着螺栓拉伸,螺栓和螺母之间的部件压缩,因此夹紧载荷增加,直到拧紧过程结束。

容克测试

对自行松动原因的研究已经持续了近60年,但仍然是德国工程师格哈德·容克(Gerhard Junker)在20世纪60年代的开创性工作构成了现代自行松动预防方法和理论的基础。他用自己的测试方法来确定紧固件在受到震动时旋转松动的点,这一方法称为容克测试,现在已众所周知并已被采纳为国际标准,例如DIN 65151。

对六种基于摩擦力的螺栓连接解决方案进行容克测试,其结果显示出预紧力松动所需的时间。这项测试在法国里昂的洛帝牢集团技术中心进行,并在洛帝牢集团的官方YouTube频道上提供视频播放(中国地区可在优酷网站上观看。 )

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