機械設(shè)計實踐-使用彈簧墊圈-探討(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機械設(shè)計實踐 使用彈簧 墊圈 探討 記得剛參加工作不久聽到兩位老工程師爭論在螺栓防松設(shè)計中是選擇一個彈簧墊圈還是選一個平墊圈加一個彈簧墊圈?那個更有效? 我們知道彈簧墊圈(G8/T93-1987)是一種用來鎖緊螺母或螺釘?shù)臉藴示o固件。它是一種傳統(tǒng)的防松緊固件在普通機械產(chǎn)品中被廣泛地采用。采用彈簧墊圈作為產(chǎn)品防松手段的基本選擇至今沒有改變。 在機械設(shè)計手冊(化學(xué)工業(yè)出版社)對彈簧墊圈工作原理及使用是這樣介紹的:依靠彈簧墊圈在壓平后產(chǎn)生的彈力及其切口尖角嵌入被聯(lián)接件及緊固件支承面起防松作用。結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用簡便。GB/T93、GB/T859和GB/T7244等傳統(tǒng)使

2、用的彈簧墊圈由于彈力不均也不十分可靠多用于不甚重要的聯(lián)接廣泛用于經(jīng)常拆開的聯(lián)接處。(而機械工程師電子手冊對彈簧墊圈介紹是:由于彈力不均也不十分可靠多用于不甚重要的聯(lián)接。對聯(lián)接表面不允許劃傷和經(jīng)常拆卸的場合不宜選用。) 機械設(shè)計手冊是這樣介紹平墊圈(G8/T97.1-1985)的:一般用于金屬零件以增加支承面遮蓋較大的孔眼以及防止損傷零件表面。 前面所提的兩位老工程師誰也沒說服對方實際上他們的這種爭論現(xiàn)在工作中依然經(jīng)常能聽到。在一些機械設(shè)備的論壇中也?？吹接懻摗螐棄|使用論者:彈墊的開口容易嵌入螺母及工件真正起到防松的目的。如果下面增加平墊會大大消減其防松效果。因為加了平墊之后彈簧墊的切口尖角不

3、是嵌入被聯(lián)接件而是卡在平墊上了如果平墊與工件之間摩擦力不夠大更容易松扣了增加了一個摩擦面增加了一個不穩(wěn)定的因素。 平墊和彈墊使用論者:一起使用能做到不損傷工件表面彈墊可以防松平墊能使產(chǎn)品的受力面積增加來減小零件表面壓強。很多公司的產(chǎn)品都是平墊與彈簧墊一起使用的。實踐是檢驗真理的唯一標準。 也有考慮更細的人分類考慮:機械要緊固的話只用彈墊尤其對于硬度較好的黑色金屬零件直接用彈簧墊更能防松防逆轉(zhuǎn)(前題是對工件表面損傷無要求);如果螺栓孔比較大可以配合平墊使用。如果被聯(lián)接件硬度較軟(如有色金屬零件)也須配合平墊使用以防破壞零件表面(只能用于振動不大的場合);當(dāng)靠預(yù)緊力保證連接時只用平墊圈不用彈簧墊圈

4、。 另外還有一個新的論點就是螺栓聯(lián)接防松不使用彈簧墊圈甚至不使用平墊。因為發(fā)現(xiàn)國外對彈簧墊圈很少使用;一些國外的圖紙里面就不用墊圈;有些進口的國外設(shè)備不使用彈簧墊圈。 到底彈簧墊圈和平墊圈的防松效果如何?大家可以參考下面的記載有人為驗證彈簧墊圈和平墊圈的防松效果進行了振動防松試驗。其結(jié)果很有意思。(由于振動試驗與測試不是按標準進行的結(jié)果僅供參考。) 試驗結(jié)果: 以同時加彈簧墊圈和平墊圈的為最差。帶法蘭盤螺帽明顯優(yōu)于沒有墊圈的但因沒有鎖緊結(jié)構(gòu)因而鎖不死隨振動時間的延長預(yù)緊力繼續(xù)下降。 同時加彈簧墊圈和平墊圈不如只加彈簧墊圈 加彈簧墊圈不如加平墊圈 加平墊圈不如不加墊圈。加彈簧墊圈振動次數(shù)隨著預(yù)緊

5、力的增加而急速下降。 以不加墊圈為對比基準發(fā)現(xiàn)彈簧墊圈不但不起防松作用反而更容易松動。 試驗分析: 接觸面大而預(yù)緊力保持相同則摩擦力大防松效果好。根據(jù)摩擦二項式定律可知當(dāng)實際接觸面積增加時.摩擦力增大.防松效果就好。 以不加墊圈為對比基準每增加一個墊圈就增加一個可松動的活動接觸面。鋼與鋼摩擦系數(shù)取0.1-0.3遠小于l所以可松動活動接觸面易松動.數(shù)量越多可松動的幾率就越大。 彈簧墊圈防松機理理想的認為是靠墊圈壓平后產(chǎn)生的彈力(增加摩擦力)。加彈簧墊圈多了一個可松動的活動接觸面;彈簧墊圈支承面面積小;當(dāng)彈簧墊圈壓不平或一旦受沖擊振動張開時.接觸面發(fā)生變化(開口兩端接觸)支承面減小螺栓接觸面很快松

6、動;由于彈簧墊圈支承面面積小不平很容易使承載面劃傷和損壞由于接觸不良.局部表面壓應(yīng)力很高當(dāng)受往復(fù)載荷、沖擊或振動作用時局部表面壓應(yīng)力進一步增大而產(chǎn)生永久變形(壓壞)使聯(lián)接出現(xiàn)間隙預(yù)緊力急速下降聯(lián)接松動。 上面的試驗起碼說明了使用彈簧墊圈的防松效果有問題。國外在螺母防松上已很少使用加墊圈的方式了(國與國并不一樣)。手冊、文獻上都有明確記載大家可以查一查。 下面是我了解的一些關(guān)于使用墊圈的建議和規(guī)定: HG/T20646.5-1999化工裝置管道材料設(shè)計技術(shù)規(guī)定中規(guī)定:墊圈在一般情況時不宜使用只有在金屬螺栓(柱)和螺母用于緊固非金屬或有色金屬連接件時才使用。 管道法蘭一般是不使用墊圈的無論是國標、

7、化工、石化標準還是國外標準都是這樣規(guī)定的。實際上對于壓力容器都不用加彈墊。這是因為預(yù)緊力很大遠遠大于彈墊所提供的預(yù)緊力(預(yù)緊力時會破壞彈墊)。 據(jù)報道標準彈簧墊圈(GB/T93)在汽車行業(yè)上使用得越來越少了。而齒形彈性墊圈中的連接齒形由于鎖緊力大而且均勻在汽車行業(yè)中使用較多。 無防松要求安裝面平整的場合可以不用墊圈很多精密設(shè)備上都不用墊圈就可以證明。 德國在1987年版的彈簧墊圈DIN127適用范圍中明確規(guī)定該墊圈只適用于5.8級或5.8級以下螺栓的連接。 1987年美國國防部首次發(fā)布了米制的國防部標準DODw-70336彈簧墊圈。該標準沒有使用范圍的限制。日本的標準與之相近。 日本人在機械設(shè)

8、計實踐一書中認為彈簧墊圈會使零件表面受損而實際起不到什么作用。 對于要求可靠、安全性要求高的產(chǎn)品來說彈簧墊圈是一種不可靠的防松緊固件。下面列出彈簧墊圈存在的缺點: 1.防松可靠性差有資料表明其防松壽命比全金屬自鎖螺母低20倍比尼龍圈自鎖螺母低60倍以上。 2.電鍍鋅的鋼彈簧墊圈會產(chǎn)生氫脆斷裂.形成多余物.造成事故。近年來航空產(chǎn)品使用的彈簧墊圈標準緊固件發(fā)生過多起氫脆問題主要發(fā)生在經(jīng)過表面鍍鋅和鍍鎘,彈簧墊圈上,。 3.墊圈開口處的尖棱易損傷被連接表面。 4.彈簧墊圈有時會出現(xiàn)漲圈現(xiàn)象。(彈簧墊圈在裝配過程中或裝配后出現(xiàn)開口值m增大超差現(xiàn)象也就是彈簧墊圈的直徑變大向外膨脹。這種現(xiàn)象有人稱為漲圈。

9、)航空緊固件標委會曾作過試驗發(fā)現(xiàn)引起彈簧墊圈產(chǎn)生漲圈的主要原因是螺母支承面太小特別是螺母支承面的倒角圓太小。為了避免漲圈應(yīng)盡量使用選用標準型六角螺母;當(dāng)必須選用小六角螺母時螺母的支承面不能倒角不選用中徑桿螺栓或使用六角法蘭面螺母。5.使緊固系統(tǒng)受力偏斜.破壞了螺栓作用力的中心性.使螺紋承受附加的彎曲應(yīng)力降低螺栓的抗疲勞性能; 6.增加被連接件的柔性.即降低連接件的剛度使緊固系統(tǒng)的抗疲勞性能下降。 基于以上原因在國外的許多產(chǎn)品設(shè)計中.早已采用各種新型防松緊固件來替代傳統(tǒng)的彈簧墊圈防松。 我們知道有些場臺如輸電鐵塔、橋梁、飛機、船舶、海洋平臺、人造衛(wèi)星等螺栓聯(lián)接要求很嚴。尤其是航空工業(yè)螺栓松動會造

10、成嚴重后果對安全性的要求非常嚴格因而對螺栓聯(lián)接不但要有理論指導(dǎo)還要進行探索性的試。 下面是航空工業(yè)的工程師為了選擇彈簧墊圈最佳者替代品所做的防松性能進行了對比試驗結(jié)果(試驗方法按美航天標準NAS3350)。 試驗所選用的緊固件有:有(無)預(yù)緊力的槽螺母和開口銷、尼龍圈自鎖螺母、全金屬自鎖螺母和內(nèi)(外)齒彈性墊圈等9種。 試驗結(jié)果表明: 有預(yù)緊力的槽螺母加開口銷和尼龍圈自鎖螺母的抗振壽命最長振動了12多萬次后仍無任何松轉(zhuǎn)跡象。其抗振壽命為內(nèi)齒彈性墊圈的20倍以上比彈簧墊圈高60倍以上。 無預(yù)緊力的槽螺母、全金屬自鎖螺母的抗振壽命也比較長。內(nèi)齒和外齒彈性墊圈、彈簧墊圈、無鎖緊裝置的普通螺母抗振壽命

11、最短僅振動了11256000次。 無預(yù)緊力的槽螺母的抗振壽命遠比有預(yù)緊力的槽螺母低這是因為開口銷在螺母槽內(nèi)受到反復(fù)沖擊而出現(xiàn)早期疲勞斷裂。 齒形彈簧和彈簧墊圈除了抗振壽命短、防松可靠性差之外其抗壓能力很低無法承受標準規(guī)定的裝配力矩。由于預(yù)緊力不足.又使抗振壽命大為縮短。齒形彈性墊圈是因為其結(jié)構(gòu)形式而無法承受高壓力。這些墊圈在重要連接中不宜采用。 齒形彈簧和彈簧墊圈除了抗振壽命短、防松可靠性差之外其抗壓能力很低無法承受標準規(guī)定的裝配力矩。由于預(yù)緊力不足.又使抗振壽命大為縮短。齒形彈性墊圈是因為其結(jié)構(gòu)形式而無法承受高壓力。這些墊圈在重要連接中不宜采用。 既然彈簧墊圈在重要連接中不宜采用就必須有解決

12、替代彈簧墊圈的方法。除了國家標準有規(guī)定的場合有下面幾種方法可以采用。 1.選用尼龍圈自鎖螺母替代部分彈簧墊圈防松 這是一種有效力矩型的嵌件型自鎖螺母螺母的防松能力來自于嵌件即尼龍圈與螺栓嚙合時所產(chǎn)生的強大摩擦阻力。尼龍圈的材料采用工程尼龍66這種材料除了具有強度高、彈性好(包括良好復(fù)原性和反復(fù)使用性)等優(yōu)點外它對外來的沖擊、振動還有良好的吸收和阻尼作用。所以這種螺母具有很高的防松可靠性。這種螺母的優(yōu)點較全面其唯一的弱點是使用溫度受一定限制(-50+100).只能用于常溫和低溫不適用于高溫。 十分優(yōu)良的防松能力。優(yōu)良的防松能力是因為螺母具有非常穩(wěn)定而可靠的自鎖力矩其鎖緊性能是各種自鎖螺母中最優(yōu)的

13、一種即第一次擰入最大力矩能保持最小第15次擰出最小力矩能保持最大。其抗振壽命是各緊固件中首屈一指的。 良好的反復(fù)使用性和對螺栓螺紋公差的適用性。由于尼龍材料的良好特性使這種螺母可以在不需要潤滑的情況下擰入擰出50次甚至100次后仍能保持很高的防松能力。用高、低限螺栓多次擰入擰出后螺母不變形并仍能保持非常穩(wěn)定的自鎖力矩。 適用范圍寬廣。適用于從低強度到高強度、從低螺紋精度到高螺紋精度的各種螺栓。 尼龍圈的防老化性能好。中國曾經(jīng)進行了尼龍圈自鎖螺母的老化試驗。將螺母(其尼龍圈材料是未加防老化劑的尼龍66)裝在空軍的飛機上然后按空軍常規(guī)進行飛行作業(yè)選七年之久.再將螺母拆下測定其最大擰出力矩和第15次

14、最小擰出力矩試驗結(jié)果完全符合標準規(guī)定的性能指標。這說明尼龍圈自鎖螺母的防老化性能是能夠滿足型號要求的。 機械工程師電子手冊對非金屬嵌件六角鎖緊螺母介紹是:GB/T889889.2-2000和GB/T6182-2000鎖緊螺母和GB/T6183.16183-2000非法蘭面鎖緊螺母鎖緊部分是嵌裝在螺母體上沒有內(nèi)螺紋的尼龍圈。當(dāng)外螺紋件擰入后,由于尼龍材料良好的彈性產(chǎn)生鎖緊力達到鎖緊。該類螺母由于尼龍熔點的限制,一般最高工作溫度應(yīng)小于120,以100以下為宜。如遇特殊需要,改換材料可達240由于尼龍屬惰性物質(zhì),不受工業(yè)中常用化學(xué)產(chǎn)品的腐蝕,但受無機酸、弱酸與強堿的腐蝕。理論與實踐表明該種螺母經(jīng)擰緊

15、、松退400次以上時其性能基本穩(wěn)定。適用于經(jīng)常拆裝的場合且不易損壞外螺紋;又由于在沒有預(yù)緊力的條件下亦有保證的松退力矩;故在振動不大的情況下還可用于調(diào)整位置的場合。經(jīng)熱老化的試驗研究證明熱老化以后尼龍圈失去彈性鎖緊力反而倍增直至擰碎才可松退螺母。所以設(shè)計中不必考慮老化問題。 安裝時應(yīng)注意: 1.尼龍圈內(nèi)孔上的螺紋在螺栓擰入時擠壓形成而不得預(yù)先用絲錐攻出螺紋; 2.適當(dāng)增大擰緊力矩; 3.選配適當(dāng)長度的螺栓一般以螺栓末端外露23牙為宜; 4.螺桿上不得有開口銷孔及毛刺以免擰壞尼龍圈;螺母擰緊后少量尼龍絲擠出圈外不影響防松效果。為便于裝配可加潤滑油(脂)但鎖緊性能略有降低。) 2.用涂膠來鎖緊螺紋

16、緊固件 涂膠鎖緊的優(yōu)點是防松可靠性很高。用厭氧膠鎖緊的螺母、螺拴連接件其抗振壽命高達10小時而仍未失效比齒形彈性墊圈的抗振壽命高100倍以上。在抗振試驗后拆卸該連接件時擰出M10螺母的瞬間擰動力矩高達31Nm可見其防松能力極佳。凡是要求高可靠而且裝配后不再拆卸的螺紋連接部位應(yīng)盡可能采用涂膠鎖緊。 3有條件的話選用全金屬自鎖螺母替代彈簧墊圈防松 這種螺母之所以能防松是因為在螺母體上的某一部分進行收口變形.使螺紋孔徑小于螺栓栓徑.當(dāng)螺栓與螺母嚙合時螺紋的干涉配合便產(chǎn)生了強大的摩擦阻力從而防止緊固件的松轉(zhuǎn)。 這種螺母的特點是在保證鎖緊性能的條件下體積和質(zhì)量都可以做得很小.螺母壁厚也可以很薄.而且可用于較高的溫度。所以.它是使用廣泛的一種自鎖螺母。在飛機、火箭、導(dǎo)彈的殼體和各種重要結(jié)構(gòu)上應(yīng)用非常廣泛。 美國早在50、60年代就制定了MIL-N-25027和NAS3350全金屬自鎖螺母標準。目前美、英、加等國在航天器上仍然實施這些標準選用了大量的全金屬自鎖螺母特別在要求高強度、高可靠的重要結(jié)構(gòu)上也大量采用。 在選用全金屬自鎖螺母時應(yīng)注意如下幾個問題。 由于螺母強度較高(低強度無法保證彈性自鎖所需的強度特性)所以不允許與低強度螺栓配用否則嚙合時會破壞螺拴的螺牙。 由于這種螺母對螺栓螺紋公差適應(yīng)性要求很嚴一所以不允許與螺