么 雷，王鑫才，魏松陽(yáng)，方 玥

(北京國(guó)華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300)

螺栓是選煤廠機(jī)械設(shè)備、管道及非標(biāo)設(shè)備上最為常用的緊固件。螺栓松動(dòng)問題也一直是機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中長(zhǎng)盛不衰的話題，螺栓松動(dòng)往往會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)異常、部件損壞、壽命縮短，更嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。一般情況下，螺栓的材質(zhì)、擰緊力矩、強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度會(huì)成為分析者判定螺栓斷裂的主要原因。實(shí)際上，螺紋連接的松動(dòng)才是螺栓斷裂的真正原因，進(jìn)一步說(shuō)是由于松動(dòng)而被折斷的。本文在設(shè)定螺栓材質(zhì)沒有問題的前提下，對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為進(jìn)一步提高設(shè)備可靠性及使用壽命提供技術(shù)支持。

1 螺紋連接擰緊力矩的計(jì)算和預(yù)緊力的控制

1.1 擰緊力矩的計(jì)算

為了增強(qiáng)螺紋連接的可靠性，螺紋連接安裝于機(jī)械設(shè)備上時(shí)都需要預(yù)緊。就螺栓連接而言，其擰緊力矩T需要克服以下2種力矩，一是螺紋連接副的阻力矩T1，二是螺母與被連接件間的端面摩擦力矩T2。

擰緊力矩的計(jì)算式為：

T——擰緊力矩，N·mm；

d——螺紋公稱直徑，mm；

F′——預(yù)緊力，N；

d2——螺紋中徑，mm；

φ——螺紋升角；

ρv——螺紋當(dāng)量摩擦角，ρv=arctanμv；

μv——螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)；

μ——螺母與被連接件支撐面間的摩擦因數(shù)；

d0——鉸制孔螺栓受剪處直徑(螺栓無(wú)螺紋或光桿處直徑)，mm；

Dw——六角螺栓的六角頭內(nèi)切圓直徑，mm。

擰緊力矩如圖1所示，預(yù)緊連接結(jié)合面的摩擦因數(shù)μ值見表1，擰緊力矩系數(shù)K見表2。

圖1 擰緊力矩示意

表1 預(yù)緊連接結(jié)合面的摩擦因數(shù)μ值

表2 擰緊力矩系數(shù)K

一般來(lái)講，K值主要取決于2個(gè)摩擦副的摩擦因數(shù)μv和μ。例如：對(duì)于M12～M64的普通粗牙螺紋，其μv=0.10～0.20，選取μ=0.15，則擰緊力矩系數(shù)K在0.1～0.3范圍內(nèi)變動(dòng)。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螺栓來(lái)說(shuō)，尺寸大小對(duì)K值的影響是很小的。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，一般機(jī)械中常假設(shè)μv=μ=μ′(此條件常近似符合工程實(shí)際)，這樣擰緊力矩的公式可簡(jiǎn)化為如下形式：

一般標(biāo)準(zhǔn)六角螺栓

K=1.25μ′

則，擰緊力矩

T=1.25μ′F′d

(2)

小六角螺栓或圓柱頭內(nèi)六角螺釘

K=1.2μ′

則，擰緊力矩

T=1.2μ′F′d

(3)

1.2 預(yù)緊力的控制

預(yù)緊力的大小需根據(jù)螺栓組受力的大小和連接的工作要求決定。設(shè)計(jì)時(shí)首先保證所需的預(yù)緊力，又不應(yīng)使連接結(jié)構(gòu)的尺寸過大。一般規(guī)定擰緊后螺紋連接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料的屈服點(diǎn)σs的80%。

對(duì)于一般連接用鋼制螺栓，推薦的預(yù)緊力F′計(jì)算式如下：

碳素鋼螺栓

F′=(0.6～0.7)σsAs(N)

(4)

合金鋼螺栓

F′=(0.5～0.6)σsAs(N)

(5)

式中：σs——螺栓材料的屈服點(diǎn)，MPa；

As——螺栓公稱應(yīng)力截面積，mm2；

式中：d1——外螺紋小徑，mm；

d2——外螺紋中徑，mm；

d3——螺紋的計(jì)算直徑，mm；

H——螺紋的原始三角形高度，mm。

對(duì)于重要的螺紋連接，必須有一套控制和測(cè)量預(yù)緊力的方法，常用的控制方法如下。

(1)經(jīng)驗(yàn)法，即靠操作者在擰緊螺栓時(shí)的經(jīng)驗(yàn)控制擰緊力，如擰緊4.6級(jí)螺栓時(shí)施加在扳手上的擰緊力F如表3所示。該方法最經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，一般認(rèn)為對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的操作者，誤差±40%，用于普通的螺紋連接。

表3 人工擰緊4.6級(jí)螺栓時(shí)施加在扳手上的擰緊力F及操作經(jīng)驗(yàn)

(2)力矩法。用力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力。采用該方法費(fèi)用較低，一般誤差±25%。若表面有涂層、支撐面，螺紋表面質(zhì)量較好，力矩扳手示值準(zhǔn)確，則誤差可顯著減小，有潤(rùn)滑情況的控制效果較好。

(3)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)法。該法適用于螺栓在彈性范圍內(nèi)時(shí)的預(yù)緊力控制，誤差在±3%～±5%，操作繁瑣，費(fèi)用高，用于特殊需要的場(chǎng)合。

(4)螺母轉(zhuǎn)角法。采用此法，需先把螺栓副擰緊到“緊貼”位置，再轉(zhuǎn)過角度θ，誤差在±15%。螺栓預(yù)緊達(dá)到預(yù)緊力F′時(shí)，所需的螺母轉(zhuǎn)角θ由下式求得：

式中：P——螺距，mm；CL——螺栓的剛度，N/mm；

式中：EL——螺栓材料的彈性模量，MPa；

A——螺栓光桿部分截面積，mm2；

AS——螺栓的公稱應(yīng)力截面積，mm2；

L1、L2、L3如圖2所示，鋼螺栓與鋼螺紋孔L3=0.5d；鋼螺栓與鑄鐵螺紋孔L3=0.6d。

圖2 螺栓剛度計(jì)算所用結(jié)構(gòu)示意

(5)液壓拉伸法。用專門的液壓拉伸裝置拉伸螺栓，使其受一定軸向力，擰緊螺母后，除去外力即可得到預(yù)期的預(yù)緊力。

2 抗拉強(qiáng)度對(duì)螺栓斷裂的影響分析

如表4所示，螺栓的最小拉力載荷大約是其自身質(zhì)量的10萬(wàn)倍。實(shí)際使用中，一般只會(huì)用它緊固幾十千克的零部件，也就是說(shuō)，只使用了其最小拉力載荷的幾百分之一或千分之一。因此，對(duì)于螺紋緊固件而言，其抗拉強(qiáng)度是綽綽有余的，不可能因?yàn)槁菟ǖ膹?qiáng)度不夠而導(dǎo)致螺栓斷裂。即，螺栓斷裂的原因不是由于螺栓的抗拉強(qiáng)度不夠造成的。

表4 螺栓M20x80的參數(shù)

3 疲勞強(qiáng)度對(duì)螺栓斷裂的影響分析

在螺紋緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)中，螺紋產(chǎn)生松動(dòng)只需振動(dòng)幾百次，而在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)中卻需要反復(fù)振動(dòng)幾百萬(wàn)次。換言之，螺紋緊固件在使用過程中產(chǎn)生松動(dòng)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度僅使用了萬(wàn)分之一，所以說(shuō)螺紋緊固件松動(dòng)的原因也不在于螺栓疲勞強(qiáng)度。即，螺栓斷裂的原因不是由于螺栓疲勞強(qiáng)度造成的。

4 螺紋緊固件損壞的原因分析

表5說(shuō)明螺紋緊固件損壞的真正原因是松動(dòng)。

表5 不同受力方式的螺紋緊固件松動(dòng)后被破壞的現(xiàn)象及原理

5 螺紋緊固件松動(dòng)的原因分析

螺紋連接的自鎖條件是螺紋升角不大于當(dāng)量摩擦角。連接用螺紋在受靜載荷作用時(shí)，即使?jié)櫥瑮l件很理想，其摩擦角也始終大于升角，滿足螺紋自鎖條件，螺紋緊固件也就不會(huì)自行松轉(zhuǎn)。但是在沖擊、振動(dòng)、變載荷下、高溫或溫度變化較大時(shí)，螺紋緊固件與被連接件之間的摩擦力會(huì)瞬時(shí)減小或消失，這種現(xiàn)象若反復(fù)出現(xiàn)，連接就可能松動(dòng)。此時(shí)，螺紋連接發(fā)生自行松轉(zhuǎn)。若干次的振動(dòng)循環(huán)耗盡了螺紋連接的防松摩擦阻力，使其從初始的松轉(zhuǎn)直到完全的松脫。

6 螺紋防松原理及常用的防松方法

螺紋連接防松的基本原理是防止螺紋副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。螺紋常用的防松方法大致可分為3種：增大摩擦防松、機(jī)械固定件鎖緊防松、破壞螺紋運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松。增大摩擦防松和機(jī)械固定件鎖緊防松為可拆卸防松，而破壞螺紋運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松為不可拆卸防松，也稱永久防松。

6.1 常用增大摩擦防松方法

常用增大摩擦防松方法如圖3所示，包括彈簧墊圈、鞍形彈簧墊圈、波形彈簧墊圈、錐形鎖緊墊圈、雙螺母、鎖緊螺母等。

圖3 常用增大摩擦防松方法

(1)彈簧墊圈、鞍形彈簧墊圈、波形彈簧墊圈的防松原理及特點(diǎn)：依靠擰緊螺母，把彈簧墊圈壓平之后所產(chǎn)生的縱向彈力及彈簧墊圈與被連接件的支撐面間的摩擦力來(lái)起防松作用。該防松方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便。

(2)錐形鎖緊墊圈的防松原理及特點(diǎn)：依靠齒被壓平產(chǎn)生的回彈力，以及齒與連接件和支撐面產(chǎn)生的摩擦力來(lái)起鎖緊作用。強(qiáng)度較低的齒一般適用于小規(guī)格、低性能等級(jí)的連接；強(qiáng)度較高的齒可適用于較大規(guī)格及性能等級(jí)較高的連接。

(3)雙螺母的防松原理及特點(diǎn)：兩個(gè)螺母對(duì)頂擰緊，使螺栓在旋合段內(nèi)受拉而螺母受壓，構(gòu)成螺紋連接副的縱向壓緊。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量較大。

(4)鎖緊螺母的防松原理及特點(diǎn)：鎖緊螺母包括全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母，對(duì)螺母頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行收壓變形或嵌件處理，當(dāng)螺栓螺紋旋入旋出其變形或嵌件部位時(shí)，螺紋或嵌件產(chǎn)生的變形及彈性變形力對(duì)螺栓螺紋起干涉作用，產(chǎn)生阻止旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的摩擦力矩而達(dá)到鎖緊的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防松性能好，具有較高的承載能力和使用壽命。

6.2 常用機(jī)械固定件鎖緊防松方法

常用機(jī)械固定件鎖緊防松方法如圖4所示，包括螺栓桿帶孔和開槽螺母配開口銷防松、止動(dòng)墊圈防松、鋼絲串接防松等。

圖4 常用機(jī)械固定件鎖緊防松方法

(1)螺栓桿帶孔和開槽螺母配開口銷的防松原理及特點(diǎn)：利用開口銷固定螺母位置進(jìn)而阻止螺紋副的轉(zhuǎn)動(dòng)。該方法防松可靠，多用于變載、有振動(dòng)場(chǎng)合連接處的防松。

(2)止動(dòng)墊圈的防松原理及特點(diǎn)：利用單耳或雙耳止動(dòng)墊圈把螺母或釘頭鎖緊。該方法防松可靠，用于連接處有容納彎耳空間的場(chǎng)合。

(3)鋼絲串接的防松原理及特點(diǎn)：用低碳鋼絲穿入一組螺栓頭部的專用孔后使其相互制約。該方法防松可靠，需要注意鋼絲的纏繞方向必須正確(圖4為右旋螺紋螺栓的纏繞繞向)。

6.3 常用永久防松方法

常用永久防松方法如圖5所示，包括鉚接防松、沖點(diǎn)法防松、粘結(jié)防松、點(diǎn)焊防松等。

圖5 常用永久防松方法

(1)鉚接防松的原理及特點(diǎn)：需拉鉚釘專用設(shè)備，在單向力的作用下，拉伸鉚釘并推擠套環(huán)，將內(nèi)部光滑的套環(huán)擠壓到鉚釘螺紋的凹槽，使套環(huán)和鉚釘形成100%的結(jié)合，產(chǎn)生永久性緊固力。該方法連接可靠、抗振、耐沖擊、操作勞動(dòng)強(qiáng)度較大、噪聲較大。

(2)沖點(diǎn)法防松的原理及特點(diǎn)：利用沖點(diǎn)使螺紋發(fā)生變形，限制螺紋連接副的轉(zhuǎn)動(dòng)。但如果所承受的旋轉(zhuǎn)力矩足夠大，使沖點(diǎn)處再發(fā)生變形，螺紋副還是可以旋轉(zhuǎn)的，此時(shí)就會(huì)失去防松作用，螺紋也會(huì)受到一定程度的損傷。

(3)粘結(jié)防松的原理及特點(diǎn)：借助粘結(jié)劑來(lái)限制螺紋連接副的轉(zhuǎn)動(dòng)。該方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效，其防松性能與粘結(jié)劑的選擇直接相關(guān)。

(4)點(diǎn)焊防松的原理及特點(diǎn)：利用焊接對(duì)螺紋連接副進(jìn)行破壞，并將螺紋連接件進(jìn)行焊接固定。此方法操作簡(jiǎn)單、防松可靠，但點(diǎn)焊防松為破壞性防松，需慎重選用。

選煤廠振動(dòng)設(shè)備上的緊固件受振動(dòng)影響極易松動(dòng)，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)性要求，防松方法各不相同。如振動(dòng)篩上激振器使用雙螺母防松、橫梁使用鉚接防松、激振器上軸承壓蓋使用雙耳止動(dòng)墊圈防松、防護(hù)罩及中間傳動(dòng)軸的連接使用鎖緊螺母防松，在此不再過多舉例。掌握了增大摩擦防松、機(jī)械固定件鎖緊防松、破壞螺紋運(yùn)動(dòng)副關(guān)系防松3種防松方法的原理及特點(diǎn)，防松方法的選用就會(huì)變得輕而易舉。

7 結(jié) 語(yǔ)

在設(shè)定螺栓質(zhì)量沒有問題的前提下，對(duì)造成螺栓斷裂的原因進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，得出了螺栓斷裂絕大多數(shù)情況都是因?yàn)槁菁y連接松動(dòng)而斷裂的結(jié)論，具體是由于松動(dòng)而被折斷，并非螺栓的擰緊力矩、螺栓的強(qiáng)度、螺栓的疲勞強(qiáng)度等方面因素造成。也進(jìn)一步對(duì)螺紋連接擰緊力矩、預(yù)緊力的控制、螺紋防松原理及常用防松方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，可為進(jìn)一步提高設(shè)備可靠性及使用壽命提供技術(shù)支持。