非標螺紋聯(lián)接的預(yù)緊以及常用防松方法
非標螺紋聯(lián)接的預(yù)緊
本文介紹了一般螺紋聯(lián)接預(yù)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(lián)接的預(yù)緊，并對某爆炸螺栓聯(lián)接預(yù)緊進行了詳細分析，總結(jié)了非標螺紋聯(lián)接中控制預(yù)緊力的基本方法，供非標螺紋聯(lián)接實際操作參考。下面就跟100唯爾教育網(wǎng)小編一起來了解下非標螺紋聯(lián)接的預(yù)緊方法吧！
螺紋聯(lián)接預(yù)緊的作用
預(yù)緊能提高螺紋聯(lián)接的防松能力和疲勞強度，增強聯(lián)接的緊密性和剛性，從而提高聯(lián)接的可靠性。
一般情況下，使用標準的工具擰緊螺紋聯(lián)接件時，憑操作者的經(jīng)驗判斷擰緊程度即可，但對于關(guān)鍵聯(lián)接或?qū)崿F(xiàn)特殊功能的非標準聯(lián)接問題，往往需要進行具體的分析和精確的計算。
根據(jù)功能要求正確地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，合理地確定預(yù)緊力的大小，并采取適當?shù)姆椒ㄟM行控制，來提高連接的可靠性 。
螺紋聯(lián)接預(yù)緊及其控制方法
在實用上，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊，使聯(lián)接在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的在于增強聯(lián)接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移。為了保證聯(lián)接所需要的預(yù)緊力，又不使螺紋聯(lián)接件過載，對重要的螺紋聯(lián)接，在裝配時要控制預(yù)緊力。
通常規(guī)定，擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊應(yīng)力不得超過其材料的屈服極限σs的80%。對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力F0，推薦按下列關(guān)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(yù)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(yù)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(lián)接件之間產(chǎn)生預(yù)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(shù)，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(shù)fc=0.15，可推導(dǎo)出
T≈0.2F0d (3)
對于一定公稱直徑d的螺栓，當所要求的預(yù)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(lián)接的防松
螺紋聯(lián)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(lián)接螺紋都能滿足自鎖條件(ψ<ψv)。
螺紋聯(lián)接一旦出現(xiàn)松脫，輕者會影響機器的正常運轉(zhuǎn)，重者會造成嚴重事故。因此，為了防止聯(lián)接松脫，保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)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(zhuǎn)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(lián)接，特別是機械內(nèi)部不易檢查的聯(lián)接，應(yīng)采用機械防松。常用的防松方法見下表。
表1 螺紋聯(lián)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(lián)接件不能重復(fù)使用。
2.1 螺栓載荷與變形關(guān)系
研究一個受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，先作用預(yù)緊力Q，然后承受外拉力F。
螺栓未承受外拉力時，僅受預(yù)緊力Q，由于螺栓和被聯(lián)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(yù)緊力Q之和，而是工作載荷F與殘余預(yù)緊力Q之和，如圖 1所示。
2.2 預(yù)緊力的確定
凡承受拉力的螺栓連接，均需要適當預(yù)緊以提高連接的可靠性和緊密性。如果預(yù)緊力太小，在沖擊、振動、變載荷的作用下，會出現(xiàn)聯(lián)接松動，或者在正常承載情況下接合面出現(xiàn)縫隙。如果預(yù)緊力過大，螺桿靜載荷增大，導(dǎo)致聯(lián)接強度降低，甚至在擰緊時就被拉斷。
一般規(guī)定螺紋聯(lián)接的預(yù)緊應(yīng)力σP不超過螺紋聯(lián)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(guān)確定預(yù)緊力大小的螺紋聯(lián)接設(shè)計準則 ：
a. 對于按強度條件 ( 不變形、不斷裂 ) 設(shè)計的螺栓，應(yīng)保證螺栓承受工作載荷時的應(yīng)力小于螺栓材料的許用應(yīng)力 ;
b. 對于受橫向載荷，接合面不允許相對滑動的聯(lián)接，要求預(yù)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(xiàn)縫隙的聯(lián)接，要求殘余預(yù)緊力Q'>0，一般按下面條件確定Q。
2.3 擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系
預(yù)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(yù)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(shù);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(nèi)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(chǎn)生預(yù)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(lián)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(lián)接件與被聯(lián)接件表面間的摩擦力矩，約占50%M。
f主要與結(jié)合面的質(zhì)量( 粗糙度、平面度)、墊圈的類型(剛性、塑性)與質(zhì)量及表面潤滑等因素有關(guān)。在同樣的擰緊力矩下，其產(chǎn)生的預(yù)緊力受 f的影響相差甚大，誤差可達到±25%。
2.4 控制預(yù)緊力的方法
螺紋聯(lián)接的預(yù)緊方法要根據(jù)行業(yè)特點、工程規(guī)模 、螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式等來合理選用，“感覺法”主要依賴于操作者的經(jīng)驗，簡單、經(jīng)濟但不可靠;“力矩法”普遍使用于一般重要聯(lián)接，精度較高;“力矩一轉(zhuǎn)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(yù)脹法”用于汽輪機等熱力機械。
不同應(yīng)用場合對螺紋聯(lián)接預(yù)緊力精度的要求也有不同，一味追求高精度是不經(jīng)濟的。航空工程中的一般連接采用“感覺法”即可滿足設(shè)計要求，重要的連接部位廣泛采用“力矩法”——根據(jù)預(yù)緊力Q與擰緊力矩M的關(guān)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(lián)接預(yù)緊力控制
某系統(tǒng)的傘艙--傘筒連接/分離機構(gòu)( 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(shè)計強度受到嚴格限制，并且在使用過程中處于高應(yīng)力狀態(tài)。該螺栓原設(shè)計軸向拉斷力為 600 kgf，在地面試驗階段多次出現(xiàn)“擰斷”問題。為確保飛行試驗階段的連接可靠性，經(jīng)計算分析，將該螺栓設(shè)計軸向拉斷力提高到1500 kgf，并采用“力矩法”對聯(lián)接預(yù)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(jù)傘筒在傘艙內(nèi)的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)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(zhuǎn)半徑;ω--最大偏航角速度 。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)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(yù)緊力的確定
爆炸螺栓受傘筒在飛行中產(chǎn)生的交變載荷，為確保傘筒在傘艙內(nèi)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(yù)緊系數(shù)v=3.0，則 Q=vN=3x188 =564kgf。可見，預(yù)緊力已十分接近原設(shè)計的拉斷載荷，加之螺栓桿在擰緊過程中受拉扭復(fù)合應(yīng)力作用，在與預(yù)緊力相對應(yīng)的擰緊力矩下就很容易被“擰斷”。
3.3 擰緊力矩的確定
根據(jù)改進后的爆炸螺栓及其聯(lián)接結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)，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(jié)論與建議
對于非標設(shè)計，其螺紋聯(lián)接預(yù)緊一般采用感覺法，由具備相應(yīng)資質(zhì)和具有實際操作經(jīng)驗的操作人員來保證;對于重要聯(lián)接則宜采用“力矩法”，由設(shè)計/工藝人員提出具體的預(yù)緊裝配技術(shù)要求，采用定力矩扳手來完成。
對需要精確控制的的螺紋聯(lián)接件，可以按照螺紋聯(lián)接的實際使用條件進行實驗，得到擰緊力矩與預(yù)緊力的對應(yīng)關(guān)系，并據(jù)此確定擰緊力矩，必將大大提高對預(yù)緊力的控制精度。
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