淺析裝配螺栓松動(dòng)原因及防松措施
2019-06-28 謝雁成
（廣西柳工機(jī)械股份有限公司）
摘 要：針對(duì)裝配工廠中各種常見(jiàn)的螺栓松動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行闡述，并分析了裝配螺栓松動(dòng)的幾種常見(jiàn)的原因以及提出了裝配工廠常用的一些防松措施。
關(guān)鍵詞：螺栓連接；螺栓松動(dòng)；防松；過(guò)程方法
螺栓連接的連接方式廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備、汽車、火車、航天航空等領(lǐng)域，是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于裝配工廠特別是工程機(jī)械裝配工廠而言，螺栓連接具有便于標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、安裝方便、易拆卸等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。設(shè)備在使用過(guò)程中因振動(dòng)、高低荷載變化、沖擊或者長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)時(shí)，螺栓就容易產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象，直接影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能并降低其安全可靠性，輕者影響設(shè)備的正常工作造成經(jīng)濟(jì)損失，重者會(huì)影響人身安全。有鑒于此，筆者在本文中以裝載機(jī)裝配實(shí)際應(yīng)用效果作為研究出發(fā)點(diǎn)，淺談螺栓連接松動(dòng)的原因及防松措施。
1、裝配螺栓松動(dòng)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(gè)零件緊密貼合，同時(shí)為了能夠承受一定的動(dòng)載荷，保證連接零部件的可靠連接和正常運(yùn)行，還需要兩個(gè)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(yù)緊力。根據(jù)此我們分析一下松動(dòng)的原因。
圖1 連接零件之間夾緊力的分析
1.1設(shè)計(jì)上的缺陷
（1）螺栓選用的強(qiáng)度不足
螺栓連接一般采用屈服點(diǎn)擰緊法，即螺栓的預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到接近螺栓材料的屈服強(qiáng)度，考慮安全系數(shù)，一般不得超過(guò)其材料屈服極限的80%，不同材料的螺栓其屈服強(qiáng)度是不一樣的，這也意味著不同材料的螺栓能承受的預(yù)緊力是不一樣的。
在螺栓擰緊過(guò)程中，螺栓預(yù)緊力不斷加大的同時(shí)連接部件之間的夾緊力也在快速的增大，當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)螺栓開(kāi)始塑性變形，隨預(yù)緊力增大夾緊力增量變小甚至不變，再繼續(xù)增加預(yù)緊力其夾緊力逐漸變小直至螺栓產(chǎn)生斷裂。
因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員需要對(duì)連接部件要求的擰緊力矩進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，根據(jù)連接零部件的重量、體積、工作狀態(tài)、工作環(huán)境、安全標(biāo)準(zhǔn)等因素進(jìn)行充分的考慮，選擇合適強(qiáng)度螺栓和螺紋。
?。?）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(dòng)、沖擊等情況下將會(huì)發(fā)生連接的壓緊力和預(yù)緊力逐漸減小甚至消失的現(xiàn)象，反復(fù)多次后造成螺紋連接松動(dòng)，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(yán)重。
因當(dāng)螺栓受到軸向載荷的作用時(shí)，螺栓軸向伸長(zhǎng)，徑向彈性收縮，螺母則徑向擴(kuò)張。微量的相對(duì)徑向滑動(dòng)出現(xiàn)在兩者的接觸面間，在載荷的反復(fù)作用下最終導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)松動(dòng)。當(dāng)螺栓受到反復(fù)橫向力作用時(shí)，螺栓會(huì)產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形，隨著變形的不斷增加，形成了扭轉(zhuǎn)變形的位移，在螺紋的螺旋方向就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力的分量致使螺母回轉(zhuǎn)松動(dòng)。
因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中必須采取有效的防松措施，以避免惡劣的工況導(dǎo)致螺栓或者螺母的松動(dòng)脫落。
1.2裝配過(guò)程的預(yù)緊力不足
螺栓在擰緊過(guò)程中所能達(dá)到的預(yù)緊力直接決定了兩個(gè)連接零件之間夾緊力，預(yù)緊力不足勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致連接螺栓出現(xiàn)松動(dòng)并最終造成連接零部件的松動(dòng)。裝配過(guò)程中一般采用以下兩種方式獲得螺栓的預(yù)緊力。
方式是采用手動(dòng)工具（如呆扳手、梅花扳手、內(nèi)六角扳手、棘輪扳手等）。螺栓獲得預(yù)緊力的大小取決于操作者臂力的大小以及工具力臂的長(zhǎng)度，一般的手動(dòng)工具都為標(biāo)準(zhǔn)工具，力臂長(zhǎng)度是一定的，而操作者的臂力是有限的，不穩(wěn)定也不可控制的，螺栓獲得的預(yù)緊力也是如此。
第二種方式是采用氣動(dòng)工具或者電動(dòng)工具（如氣動(dòng)沖擊扳手、電動(dòng)沖擊扳手等）。螺栓獲得預(yù)緊力的大小取決于工具本身輸出擰緊力矩和工具運(yùn)行的穩(wěn)定性。氣動(dòng)工具或者電動(dòng)工具除了要根據(jù)都擰緊螺栓所能承受的預(yù)緊力來(lái)選擇合適的工具型號(hào)，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(hù)保養(yǎng)狀態(tài)等影響設(shè)備運(yùn)行的因素，如電源電量不足、氣源壓力不足會(huì)造成工具輸出的擰緊力矩不足，最終螺栓不能達(dá)到要求的預(yù)緊力。
1.3裝配方法的不得當(dāng)
裝配過(guò)程中存在單個(gè)螺栓和多個(gè)螺栓擰緊的狀態(tài)，針對(duì)多個(gè)成組螺栓擰緊的狀態(tài)，尤其是分布有規(guī)律的，螺栓擰緊的方法、方式等極其重要，其直接影響到每個(gè)螺栓實(shí)際獲得預(yù)緊力的大小。
如在裝配過(guò)程中常見(jiàn)的四方形分布的安裝螺栓，當(dāng)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(yù)緊力會(huì)變小，甚至次擰緊的螺栓會(huì)直接出現(xiàn)松動(dòng)。這種情況下一般采用對(duì)角交叉打緊的方式進(jìn)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(shí)必須按照一定的順序，分布、對(duì)稱、逐步的擰緊，否則會(huì)使安裝螺栓松緊不一致出現(xiàn)松動(dòng)，甚至由于受力不均衡使連接零部件出現(xiàn)變形。
1.4連接件安裝孔加工質(zhì)量
兩個(gè)連接件連接時(shí)螺紋孔或者安裝螺栓孔尺寸尤為重要，螺紋孔的螺紋規(guī)格尺寸直接影響螺栓所獲得的預(yù)緊力大小。若螺紋孔過(guò)大或過(guò)小，則螺栓獲得的預(yù)緊力無(wú)法達(dá)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(huì)產(chǎn)生塑性的環(huán)狀壓陷，嚴(yán)重的壓陷會(huì)使螺栓獲得預(yù)緊力減小或喪失預(yù)緊力，從而導(dǎo)致螺母或螺栓的松動(dòng)。
2、常用的螺栓防松方式
螺栓防松是通過(guò)消除（或限制）螺紋副之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或增大相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備實(shí)際工況采取相應(yīng)有效的防松裝置，還需要在裝配過(guò)程中控制好安裝螺栓的擰緊力矩，避免出廠前的螺栓松動(dòng)。由此考慮可把螺栓防松措施大致分為以下兩個(gè)方面：物理裝置防松和過(guò)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(jié)構(gòu)：雙螺母擰緊結(jié)構(gòu)、彈簧墊圈擰緊結(jié)構(gòu)及自鎖螺母擰緊結(jié)構(gòu)。雙螺母擰緊結(jié)構(gòu)：先將下螺母擰緊后再擰緊上螺母，兩螺母對(duì)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(dòng)時(shí)，該摩擦力仍然存在。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置的連接。
圖2 雙螺母擰緊結(jié)構(gòu)防松裝置
彈簧墊圈擰緊結(jié)構(gòu)：彈簧墊圈因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于裝配現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎn)生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊。同時(shí)墊圈斜口的抵住螺栓或者螺母與被聯(lián)接件的支承面也有防松作用。
但這種擰緊結(jié)構(gòu)在振動(dòng)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(jié)構(gòu)：這種擰緊結(jié)構(gòu)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(kāi)槽之后并進(jìn)行收口處理或者是進(jìn)行非圓收口處理，處理之后的螺母螺紋會(huì)出現(xiàn)局部變形，當(dāng)螺母擰緊后，收口漲開(kāi)，利用收口的回彈力使旋合螺紋間壓緊。這類螺母結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)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(gè)非金屬嵌件（一般是尼龍墊圈），螺母擰緊后，本身無(wú)螺紋的尼龍圈會(huì)被旋入壓力擠出螺紋，形成穩(wěn)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(dòng)、多沖擊的環(huán)境中表現(xiàn)尤為良好。
（2）機(jī)械防松裝置
機(jī)械防松方式主要有：六角開(kāi)槽螺母配開(kāi)口銷、串聯(lián)鋼絲結(jié)構(gòu)防松及止動(dòng)墊圈結(jié)構(gòu)防松。
六角開(kāi)槽螺母配開(kāi)口銷：開(kāi)口銷穿過(guò)螺母的槽和螺栓末端的銷孔，并將開(kāi)口銷尾部掰開(kāi)與螺母?jìng)?cè)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(dòng)部位。
圖3 六角開(kāi)槽螺母配開(kāi)銷防松裝置
串聯(lián)鋼絲結(jié)構(gòu)防松：螺母或者螺栓設(shè)計(jì)有保險(xiǎn)孔，將低碳鋼絲穿入其中，將各螺釘串聯(lián)起來(lái)連接為一體，使其相互制動(dòng)，但需注意鋼絲的穿入方向，如圖4所示。該種方法雖然具有的防松能力，但是安裝和拆卸均非常不方便。止動(dòng)墊圈結(jié)構(gòu)防松：將單耳或雙耳止動(dòng)墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的側(cè)面折彎貼緊，即可將螺母鎖住，如圖5所示。若兩個(gè)螺栓需要雙聯(lián)鎖緊時(shí)，可采用雙聯(lián)止動(dòng)墊圈，使兩個(gè)螺母相互制動(dòng)。這種方法防松效果好，使用方便。
圖4 串聯(lián)鋼絲結(jié)構(gòu)防松
圖5 止動(dòng)墊圈結(jié)構(gòu)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(jié)相配的螺紋防止螺紋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)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(xiàn)場(chǎng)涂抹。干式的為提前預(yù)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(shù)不多的裝配部位。
2.2過(guò)程方法防松措施
（1）定扭矩工具防松
在裝配過(guò)程中，為保證螺栓獲得足夠的預(yù)緊力，還要確保其小于螺栓屈服點(diǎn)扭矩，采用定扭矩工具進(jìn)行控制是的方法。定扭工具可以根據(jù)螺栓的標(biāo)準(zhǔn)擰緊力矩來(lái)設(shè)定輸出的力矩，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的擰緊力矩時(shí)發(fā)出信號(hào)或自行終止擰緊，保證穩(wěn)定的力矩輸出。
為了提高效率，定扭工具除了可以單獨(dú)使用外還可以與小扭矩的氣動(dòng)沖擊扳手搭配使用，對(duì)于關(guān)鍵部位可以先用氣動(dòng)定扭扳手進(jìn)行擰緊后再用手動(dòng)定扭扳手進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)，以確保達(dá)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(jì)量器具檢測(cè)規(guī)定進(jìn)行定期的校驗(yàn)。
?。?）培訓(xùn)和訓(xùn)練防松
在螺栓擰緊的過(guò)程中，除了擰緊工具的輸出擰緊力矩影響了螺栓獲得的預(yù)緊力，其裝配方法也是至關(guān)重要的，尤其是針對(duì)多個(gè)成組的分布有規(guī)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(guò)培訓(xùn)和訓(xùn)練提高操作者的技能水平，進(jìn)而提高螺栓防松的能力。
操作者的培訓(xùn)以理論為主，主要學(xué)習(xí)裝配的基礎(chǔ)知識(shí)，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(xùn)練以操作實(shí)踐為主，主要結(jié)合培訓(xùn)的裝配基礎(chǔ)知識(shí)的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際操作的練習(xí)，如建立培訓(xùn)平臺(tái)，讓操作者特別是新入職員工進(jìn)行反復(fù)的訓(xùn)練，掌握了這些基本的操作方法后才能上崗作業(yè)，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)技能的培訓(xùn)和訓(xùn)練減少因裝配方法不正確導(dǎo)致的螺栓松動(dòng)。
?。?）零部件質(zhì)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(yù)緊力，特別是螺紋的規(guī)格，直接關(guān)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(shè)計(jì)圖紙要求，使用標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)工具檢查所用的螺紋連接件規(guī)格、型號(hào)、機(jī)械性能等級(jí)是否符合設(shè)計(jì)要求，螺紋是否有亂扣、裂紋等不合格現(xiàn)象，對(duì)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題要反饋制造方進(jìn)行整改，確保零部件尺寸加工符合設(shè)計(jì)要求，保證螺栓的可靠連接。
3、結(jié)束語(yǔ)
螺栓松動(dòng)的原因多種多樣，不同的設(shè)備不同的工況會(huì)有不一樣的原因，本文主要針對(duì)設(shè)備出廠前的裝配過(guò)程進(jìn)行研究分析，統(tǒng)計(jì)分析出來(lái)幾個(gè)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(xiàn)場(chǎng)也得到了應(yīng)用和推廣，防松效果好。傳統(tǒng)螺紋防松方法有很多，但是面對(duì)具體防松問(wèn)題時(shí)，需要從過(guò)程中找出螺紋連接松動(dòng)的根本原因，并根據(jù)實(shí)際原因選用合理的連接結(jié)構(gòu)，采取合理的防松措施，增強(qiáng)防松能力，提高緊固可靠性。
來(lái)源：《裝備制造技術(shù)》2015年4期
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