机械设计实践-使用弹簧垫圈-探讨

机械设计实践 使用弹簧 垫圈 探讨 记得刚参加工作不久听到两位老工程师争论在螺栓防松设计中是选择一个弹簧垫圈还是选一个平垫圈加一个弹簧垫圈?那个更有效? 我们知道弹簧垫圈(G8/T93-1987)是一种用来锁紧螺母或螺钉的标准紧固件。它是一种传统的防松紧固件在普通机械产品中被广泛地采用。采用弹簧垫圈作为产品防松手段的基本选择至今没有改变。 在机械设计手册(化学工业出版社)对弹簧垫圈工作原理及使用是这样介绍的:依靠弹簧垫圈在压平后产生的弹力及其切口尖角嵌入被联接件及紧固件支承面起防松作用。结构简单、成本低、使用简便。GB/T93、GB/T859和GB/T7244等传统使用的弹簧垫圈由于弹力不均也不十分可靠多用于不甚重要的联接广泛用于经常拆开的联接处。(而机械工程师电子手册对弹簧垫圈介绍是:由于弹力不均也不十分可靠多用于不甚重要的联接。对联接表面不允许划伤和经常拆卸的场合不宜选用。) 机械设计手册是这样介绍平垫圈(G8/T97.1-1985)的:一般用于金属零件以增加支承面遮盖较大的孔眼以及防止损伤零件表面。 前面所提的两位老工程师谁也没说服对方实际上他们的这种争论现在工作中依然经常能听到。在一些机械设备的论坛中也常看到讨论。单弹垫使用论者:弹垫的开口容易嵌入螺母及工件真正起到防松的目的。如果下面增加平垫会大大消减其防松效果。因为加了平垫之后弹簧垫的切口尖角不是嵌入被联接件而是卡在平垫上了如果平垫与工件之间摩擦力不够大更容易松扣了增加了一个摩擦面增加了一个不稳定的因素。 平垫和弹垫使用论者:一起使用能做到不损伤工件表面弹垫可以防松平垫能使产品的受力面积增加来减小零件表面压强。很多公司的产品都是平垫与弹簧垫一起使用的。实践是检验真理的唯一标准。 也有考虑更细的人分类考虑:机械要紧固的话只用弹垫尤其对于硬度较好的黑色金属零件直接用弹簧垫更能防松防逆转(前题是对工件表面损伤无要求);如果螺栓孔比较大可以配合平垫使用。如果被联接件硬度较软(如有色金属零件)也须配合平垫使用以防破坏零件表面(只能用于振动不大的场合);当靠预紧力保证连接时只用平垫圈不用弹簧垫圈。 另外还有一个新的论点就是螺栓联接防松不使用弹簧垫圈甚至不使用平垫。因为发现国外对弹簧垫圈很少使用;一些国外的图纸里面就不用垫圈;有些进口的国外设备不使用弹簧垫圈。 到底弹簧垫圈和平垫圈的防松效果如何?大家可以参考下面的记载有人为验证弹簧垫圈和平垫圈的防松效果进行了振动防松试验。其结果很有意思。(由于振动试验与测试不是按标准进行的结果仅供参考。) 试验结果: 以同时加弹簧垫圈和平垫圈的为最差。带法兰盘螺帽明显优于没有垫圈的但因没有锁紧结构因而锁不死随振动时间的延长预紧力继续下降。 同时加弹簧垫圈和平垫圈不如只加弹簧垫圈 加弹簧垫圈不如加平垫圈 加平垫圈不如不加垫圈。加弹簧垫圈振动次数随着预紧力的增加而急速下降。 以不加垫圈为对比基准发现弹簧垫圈不但不起防松作用反而更容易松动。 试验分析: 接触面大而预紧力保持相同则摩擦力大防松效果好。根据摩擦二项式定律可知当实际接触面积增加时.摩擦力增大.防松效果就好。 以不加垫圈为对比基准每增加一个垫圈就增加一个可松动的活动接触面。钢与钢摩擦系数取0.1-0.3远小于l所以可松动活动接触面易松动.数量越多可松动的几率就越大。 弹簧垫圈防松机理理想的认为是靠垫圈压平后产生的弹力(增加摩擦力)。加弹簧垫圈多了一个可松动的活动接触面;弹簧垫圈支承面面积小;当弹簧垫圈压不平或一旦受冲击振动张开时.接触面发生变化(开口两端接触)支承面减小螺栓接触面很快松动;由于弹簧垫圈支承面面积小不平很容易使承载面划伤和损坏由于接触不良.局部表面压应力很高当受往复载荷、冲击或振动作用时局部表面压应力进一步增大而产生永久变形(压坏)使联接出现间隙预紧力急速下降联接松动。 上面的试验起码说明了使用弹簧垫圈的防松效果有问题。国外在螺母防松上已很少使用加垫圈的方式了(国与国并不一样)。手册、文献上都有明确记载大家可以查一查。 下面是我了解的一些关于使用垫圈的建议和规定: HG/T20646.5-1999化工装置管道材料设计技术规定中规定:垫圈在一般情况时不宜使用只有在金属螺栓(柱)和螺母用于紧固非金属或有色金属连接件时才使用。 管道法兰一般是不使用垫圈的无论是国标、化工、石化标准还是国外标准都是这样规定的。实际上对于压力容器都不用加弹垫。这是因为预紧力很大远远大于弹垫所提供的预紧力(预紧力时会破坏弹垫)。 据报道标准弹簧垫圈(GB/T93)在汽车行业上使用得越来越少了。而齿形弹性垫圈中的连接齿形由于锁紧力大而且均匀在汽车行业中使用较多。 无防松要求安装面平整的场合可以不用垫圈很多精密设备上都不用垫圈就可以证明。 德国在1987年版的弹簧垫圈DIN127适用范围中明确规定该垫圈只适用于5.8级或5.8级以下螺栓的连接。 1987年美国国防部首次发布了米制的国防部标准DODw-70336弹簧垫圈。该标准没有使用范围的限制。日本的标准与之相近。 日本人在机械设计实践一书中认为弹簧垫圈会使零件表面受损而实际起不到什么作用。 对于要求可靠、安全性要求高的产品来说弹簧垫圈是一种不可靠的防松紧固件。下面列出弹簧垫圈存在的缺点: 1.防松可靠性差有资料表明其防松寿命比全金属自锁螺母低20倍比尼龙圈自锁螺母低60倍以上。 2.电镀锌的钢弹簧垫圈会产生氢脆断裂.形成多余物.造成事故。近年来航空产品使用的弹簧垫圈标准紧固件发生过多起氢脆问题主要发生在经过表面镀锌和镀镉,弹簧垫圈上,。 3.垫圈开口处的尖棱易损伤被连接表面。 4.弹簧垫圈有时会出现涨圈现象。(弹簧垫圈在装配过程中或装配后出现开口值m增大超差现象也就是弹簧垫圈的直径变大向外膨胀。这种现象有人称为涨圈。)航空紧固件标委会曾作过试验发现引起弹簧垫圈产生涨圈的主要原因是螺母支承面太小特别是螺母支承面的倒角圆太小。为了避免涨圈应尽量使用选用标准型六角螺母;当必须选用小六角螺母时螺母的支承面不能倒角不选用中径杆螺栓或使用六角法兰面螺母。5.使紧固系统受力偏斜.破坏了螺栓作用力的中心性.使螺纹承受附加的弯曲应力降低螺栓的抗疲劳性能; 6.增加被连接件的柔性.即降低连接件的刚度使紧固系统的抗疲劳性能下降。 基于以上原因在国外的许多产品设计中.早已采用各种新型防松紧固件来替代传统的弹簧垫圈防松。 我们知道有些场台如输电铁塔、桥梁、飞机、船舶、海洋平台、人造卫星等螺栓联接要求很严。尤其是航空工业螺栓松动会造成严重后果对安全性的要求非常严格因而对螺栓联接不但要有理论指导还要进行探索性的试。 下面是航空工业的工程师为了选择弹簧垫圈最佳者替代品所做的防松性能进行了对比试验结果(试验方法按美航天标准NAS3350)。 试验所选用的紧固件有:有(无)预紧力的槽螺母和开口销、尼龙圈自锁螺母、全金属自锁螺母和内(外)齿弹性垫圈等9种。 试验结果表明: 有预紧力的槽螺母加开口销和尼龙圈自锁螺母的抗振寿命最长振动了12多万次后仍无任何松转迹象。其抗振寿命为内齿弹性垫圈的20倍以上比弹簧垫圈高60倍以上。 无预紧力的槽螺母、全金属自锁螺母的抗振寿命也比较长。内齿和外齿弹性垫圈、弹簧垫圈、无锁紧装置的普通螺母抗振寿命最短仅振动了11256000次。 无预紧力的槽螺母的抗振寿命远比有预紧力的槽螺母低这是因为开口销在螺母槽内受到反复冲击而出现早期疲劳断裂。 齿形弹簧和弹簧垫圈除了抗振寿命短、防松可靠性差之外其抗压能力很低无法承受标准规定的装配力矩。由于预紧力不足.又使抗振寿命大为缩短。齿形弹性垫圈是因为其结构形式而无法承受高压力。这些垫圈在重要连接中不宜采用。 齿形弹簧和弹簧垫圈除了抗振寿命短、防松可靠性差之外其抗压能力很低无法承受标准规定的装配力矩。由于预紧力不足.又使抗振寿命大为缩短。齿形弹性垫圈是因为其结构形式而无法承受高压力。这些垫圈在重要连接中不宜采用。 既然弹簧垫圈在重要连接中不宜采用就必须有解决替代弹簧垫圈的方法。除了国家标准有规定的场合有下面几种方法可以采用。 1.选用尼龙圈自锁螺母替代部分弹簧垫圈防松 这是一种有效力矩型的嵌件型自锁螺母螺母的防松能力来自于嵌件即尼龙圈与螺栓啮合时所产生的强大摩擦阻力。尼龙圈的材料采用工程尼龙66这种材料除了具有强度高、弹性好(包括良好复原性和反复使用性)等优点外它对外来的冲击、振动还有良好的吸收和阻尼作用。所以这种螺母具有很高的防松可靠性。这种螺母的优点较全面其唯一的弱点是使用温度受一定限制(-50+100).只能用于常温和低温不适用于高温。 十分优良的防松能力。优良的防松能力是因为螺母具有非常稳定而可靠的自锁力矩其锁紧性能是各种自锁螺母中最优的一种即第一次拧入最大力矩能保持最小第15次拧出最小力矩能保持最大。其抗振寿命是各紧固件中首屈一指的。 良好的反复使用性和对螺栓螺纹公差的适用性。由于尼龙材料的良好特性使这种螺母可以在不需要润滑的情况下拧入拧出50次甚至100次后仍能保持很高的防松能力。用高、低限螺栓多次拧入拧出后螺母不变形并仍能保持非常稳定的自锁力矩。 适用范围宽广。适用于从低强度到高强度、从低螺纹精度到高螺纹精度的各种螺栓。 尼龙圈的防老化性能好。中国曾经进行了尼龙圈自锁螺母的老化试验。将螺母(其尼龙圈材料是未加防老化剂的尼龙66)装在空军的飞机上然后按空军常规进行飞行作业选七年之久.再将螺母拆下测定其最大拧出力矩和第15次最小拧出力矩试验结果完全符合标准规定的性能指标。这说明尼龙圈自锁螺母的防老化性能是能够满足型号要求的。 机械工程师电子手册对非金属嵌件六角锁紧螺母介绍是:GB/T889889.2-2000和GB/T6182-2000锁紧螺母和GB/T6183.16183-2000非法兰面锁紧螺母锁紧部分是嵌装在螺母体上没有内螺纹的尼龙圈。当外螺纹件拧入后,由于尼龙材料良好的弹性产生锁紧力达到锁紧。该类螺母由于尼龙熔点的限制,一般最高工作温度应小于120,以100以下为宜。如遇特殊需要,改换材料可达240由于尼龙属惰性物质,不受工业中常用化学产品的腐蚀,但受无机酸、弱酸与强碱的腐蚀。理论与实践表明该种螺母经拧紧、松退400次以上时其性能基本稳定。适用于经常拆装的场合且不易损坏外螺纹;又由于在没有预紧力的条件下亦有保证的松退力矩;故在振动不大的情况下还可用于调整位置的场合。经热老化的试验研究证明热老化以后尼龙圈失去弹性锁紧力反而倍增直至拧碎才可松退螺母。所以设计中不必考虑老化问题。 安装时应注意: 1.尼龙圈内孔上的螺纹在螺栓拧入时挤压形成而不得预先用丝锥攻出螺纹; 2.适当增大拧紧力矩; 3.选配适当长度的螺栓一般以螺栓末端外露23牙为宜; 4.螺杆上不得有开口销孔及毛刺以免拧坏尼龙圈;螺母拧紧后少量尼龙丝挤出圈外不影响防松效果。为便于装配可加润滑油(脂)但锁紧性能略有降低。) 2.用涂胶来锁紧螺纹紧固件 涂胶锁紧的优点是防松可靠性很高。用厌氧胶锁紧的螺母、螺拴连接件其抗振寿命高达10小时而仍未失效比齿形弹性垫圈的抗振寿命高100倍以上。在抗振试验后拆卸该连接件时拧出M10螺母的瞬间拧动力矩高达31Nm可见其防松能力极佳。凡是要求高可靠而且装配后不再拆卸的螺纹连接部位应尽可能采用涂胶锁紧。 3有条件的话选用全金属自锁螺母替代弹簧垫圈防松 这种螺母之所以能防松是因为在螺母体上的某一部分进行收口变形.使螺纹孔径小于螺栓栓径.当螺栓与螺母啮合时螺纹的干涉配合便产生了强大的摩擦阻力从而防止紧固件的松转。 这种螺母的特点是在保证锁紧性能的条件下体积和质量都可以做得很小.螺母壁厚也可以很薄.而且可用于较高的温度。所以.它是使用广泛的一种自锁螺母。在飞机、火箭、导弹的壳体和各种重要结构上应用非常广泛。 美国早在50、60年代就制定了MIL-N-25027和NAS3350全金属自锁螺母标准。目前美、英、加等国在航天器上仍然实施这些标准选用了大量的全金属自锁螺母特别在要求高强度、高可靠的重要结构上也大量采用。 在选用全金属自锁螺母时应注意如下几个问题。 由于螺母强度较高(低强度无法保证弹性自锁所需的强度特性)所以不允许与低强度螺栓配用否则啮合时会破坏螺拴的螺牙。 由于这种螺母对螺栓螺纹公差适应性要求很严