非標螺紋聯接的預緊以及常用防松方法
非標螺紋聯接的預緊
本文介紹了一般螺紋聯接預緊力的計算方法和控制方法，希望能夠幫助大家理解非標螺紋聯接的預緊，并對某爆炸螺栓聯接預緊進行了詳細分析，總結了非標螺紋聯接中控制預緊力的基本方法，供非標螺紋聯接實際操作參考。下面就跟100唯爾教育網小編一起來了解下非標螺紋聯接的預緊方法吧！
螺紋聯接預緊的作用
預緊能提高螺紋聯接的防松能力和疲勞強度，增強聯接的緊密性和剛性，從而提高聯接的可靠性。
一般情況下，使用標準的工具擰緊螺紋聯接件時，憑操作者的經驗判斷擰緊程度即可，但對于關鍵聯接或實現特殊功能的非標準聯接問題，往往需要進行具體的分析和精確的計算。
根據功能要求正確地進行結構設計，合理地確定預緊力的大小，并采取適當的方法進行控制，來提高連接的可靠性 。
螺紋聯接預緊及其控制方法
在實用上，絕大多數螺紋聯接在裝配時都必須擰緊，使聯接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，這個預加作用力稱為預緊力。預緊的目的在于增強聯接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯接件間出現縫隙或發(fā)生相對滑移。為了保證聯接所需要的預緊力，又不使螺紋聯接件過載，對重要的螺紋聯接，在裝配時要控制預緊力。
通常規(guī)定，擰緊后螺紋聯接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限σs的80%。對于一般聯接用的鋼制螺栓聯接的預緊力F0，推薦按下列關系確定：
碳素鋼螺栓: F0≤(0.6-0.7)σsA1 (1)
合金鋼螺栓： F0≤(0.5-0.6)σsA1 (2)
式中：σs——螺栓材料的屈服極限;
A1——螺栓危險截面的面積，A1≈πd12/4。
控制預緊力的方法很多，通常是借助測力矩扳手(圖1)或定力矩扳手(圖2)，利用控制擰緊力矩的方法來控制預緊力的大小。
(圖1)測力矩扳手
(圖2)定力矩扳手
如圖3所示，由于擰緊力矩T(T=FL)的作用，使螺栓和被聯接件之間產生預緊力F0。對于M10-M64粗牙普通螺紋的鋼制螺栓，螺紋升角ψ=1°42’-3°2’;螺紋中徑d2≈0.9d;螺旋副的當量摩擦角ψv≈arctan1.155f(f為摩擦系數，無潤滑時f=0.1-0.2);螺栓孔直徑d0≈1.1d;螺母環(huán)形支承面的外徑D0=1.5d;螺母與支承面間的摩擦系數fc=0.15，可推導出
T≈0.2F0d (3)
對于一定公稱直徑d的螺栓，當所要求的預緊力F0已知時，即可按式(3)確定扳手的擰緊力矩T0。
圖(3)螺旋副的擰緊力矩
2、螺紋聯接的防松
螺紋聯接件一般采用單線普通螺紋。螺紋升角(ψ=1°42’-3°2’)小于螺旋副的當量摩擦角(ψv≈6.5°-10.5°)。因此，聯接螺紋都能滿足自鎖條件(ψ<ψv)。
螺紋聯接一旦出現松脫，輕者會影響機器的正常運轉，重者會造成嚴重事故。因此，為了防止聯接松脫，保證聯接安全可靠，設計時必須采取有效的防松措施。
防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時發(fā)生相對轉動。防松的方法，按工作原理可分為摩擦防松、機械防松以及鉚沖防松等。一般說，摩擦防松簡單、方便，但沒有機械防松可靠。對于重要聯接，特別是機械內部不易檢查的聯接，應采用機械防松。常用的防松方法見下表。
表1 螺紋聯接常用的防松方法
還有一些特殊的防松方法，例如在旋合螺紋間涂以液體膠粘劑或在螺母末端鑲嵌尼龍環(huán)等。
此外，還可以采用鉚沖方法防松。螺母擰緊后把螺栓末端伸出部分鉚死，或利用沖頭在螺栓末端與螺母的旋合縫處打沖，利用沖點防松。這種防松方法可靠，但拆卸后聯接件不能重復使用。
2.1 螺栓載荷與變形關系
研究一個受軸向載荷的螺栓聯接，先作用預緊力Q，然后承受外拉力F。
螺栓未承受外拉力時，僅受預緊力Q，由于螺栓和被聯接件受力后發(fā)生彈性變形的原因，螺栓承受外拉力F時的總載荷 F'并不等于工作載荷 F與預緊力Q之和，而是工作載荷F與殘余預緊力Q之和，如圖 1所示。
2.2 預緊力的確定
凡承受拉力的螺栓連接，均需要適當預緊以提高連接的可靠性和緊密性。如果預緊力太小，在沖擊、振動、變載荷的作用下，會出現聯接松動，或者在正常承載情況下接合面出現縫隙。如果預緊力過大，螺桿靜載荷增大，導致聯接強度降低，甚至在擰緊時就被拉斷。
一般規(guī)定螺紋聯接的預緊應力σP不超過螺紋聯接件材料屈服極限σs的80%;航空航天工程中按叮σP≈0.35σs控制。
有關確定預緊力大小的螺紋聯接設計準則 ：
a. 對于按強度條件 ( 不變形、不斷裂 ) 設計的螺栓，應保證螺栓承受工作載荷時的應力小于螺栓材料的許用應力 ;
b. 對于受橫向載荷，接合面不允許相對滑動的聯接，要求預緊力要足夠大，以靠摩擦傳遞橫向力;
c. 對于受軸向載荷，接合面不允許出現縫隙的聯接，要求殘余預緊力Q'>0，一般按下面條件確定Q。
2.3 擰緊力矩與預緊力的關系
預緊力確定之后， 可按下式估算擰緊力矩：
式中： M--擰緊力矩，N·m;Q--預緊力，N;d2--螺紋中徑，mm;?--螺紋升角， tg?=P/( d2); p--螺距，mm;f--螺母與被連接件支承面間的摩擦系數;β--為螺紋半角;R--螺母承力面外半徑，R=0.95S/2，S為扳手尺寸，mm;r--螺母承力面內半徑，r=D/2，D為螺紋公稱直徑，mm。
上式中，M1= ( P/2π) Q×10-3是用于產生預緊力Q的有效擰緊力矩，約占10%M;M2=(fd2/2cosβ)Qx10-3。為克服螺紋聯接副螺紋表面的摩擦力矩，約占40%M;M2=[ 2(R3-r3)/3(R2-r2)] Qx10-3 為克服螺紋聯接件與被聯接件表面間的摩擦力矩，約占50%M。
f主要與結合面的質量( 粗糙度、平面度)、墊圈的類型(剛性、塑性)與質量及表面潤滑等因素有關。在同樣的擰緊力矩下，其產生的預緊力受 f的影響相差甚大，誤差可達到±25%。
2.4 控制預緊力的方法
螺紋聯接的預緊方法要根據行業(yè)特點、工程規(guī)模 、螺紋聯接結構形式等來合理選用，“感覺法”主要依賴于操作者的經驗，簡單、經濟但不可靠;“力矩法”普遍使用于一般重要聯接，精度較高;“力矩一轉角法”適用于自動化大量裝配場合;“測量螺栓伸長法”使用費時、費用高，用于特殊要求場合;“螺栓預脹法”用于汽輪機等熱力機械。
不同應用場合對螺紋聯接預緊力精度的要求也有不同，一味追求高精度是不經濟的。航空工程中的一般連接采用“感覺法”即可滿足設計要求，重要的連接部位廣泛采用“力矩法”——根據預緊力Q與擰緊力矩M的關系確定擰緊力矩，借助測力矩扳手或定力矩扳擰緊。
爆炸螺栓聯接預緊力控制
某系統(tǒng)的傘艙--傘筒連接/分離機構( 兩套) 采用了四枚爆炸螺栓。為達到高分離可靠性和低分離沖擊，該螺栓的設計強度受到嚴格限制，并且在使用過程中處于高應力狀態(tài)。該螺栓原設計軸向拉斷力為 600 kgf，在地面試驗階段多次出現“擰斷”問題。為確保飛行試驗階段的連接可靠性，經計算分析，將該螺栓設計軸向拉斷力提高到1500 kgf，并采用“力矩法”對聯接預緊力進行控制，較好地解決了這一問題 。
3.1 爆炸螺栓軸向載荷
根據傘筒在傘艙內的安裝結構設計，爆炸螺栓僅承受軸向拉力。在最大偏航角速度下，傘筒相對傘艙會產生較大的離心加速度;所以確定“最大偏航角速度情況”為爆炸螺栓的最大受力情況，此時離心加速度為：an=l·ω2
式中：an--離心加速度;l--旋轉半徑;ω--最大偏航角速度 。
根據系統(tǒng)參數l和ω得出an=9.4g，則離心力F=m·an 。
按m=40kg，得F=376 kgf，單個爆炸螺栓承受的最大拉力 N=F/2=188kgf。
3.2 預緊力的確定
爆炸螺栓受傘筒在飛行中產生的交變載荷，為確保傘筒在傘艙內的安裝剛性，必須按傘艙--傘筒接合面的緊密性條件來確定Q，取預緊系數v=3.0，則 Q=vN=3x188 =564kgf?？梢姡A緊力已十分接近原設計的拉斷載荷，加之螺栓桿在擰緊過程中受拉扭復合應力作用，在與預緊力相對應的擰緊力矩下就很容易被“擰斷”。
3.3 擰緊力矩的確定
根據改進后的爆炸螺栓及其聯接結構的有關參數，按前面介紹的擰緊力矩計算公式可得擰緊力矩 M=7.12N·m;使用定力扳手按7N·m進行連接工藝控制，最終保證了該重要連接的可靠性。
結論與建議
對于非標設計，其螺紋聯接預緊一般采用感覺法，由具備相應資質和具有實際操作經驗的操作人員來保證;對于重要聯接則宜采用“力矩法”，由設計/工藝人員提出具體的預緊裝配技術要求，采用定力矩扳手來完成。
對需要精確控制的的螺紋聯接件，可以按照螺紋聯接的實際使用條件進行實驗，得到擰緊力矩與預緊力的對應關系，并據此確定擰緊力矩，必將大大提高對預緊力的控制精度。
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