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非标螺纹联接的预紧以及常用防松方法

　　非标螺纹联接的预紧

　

　　本文介绍了一般螺纹联接预紧力的计算方法和控制方法，希望能够帮助大家理解非标螺纹联接的预紧，并对某爆炸螺栓联接预紧进行了详细分析，总结了非标螺纹联接中控制预紧力的基本方法，供非标螺纹联接实际操作参考。下面就跟100唯尔教育网小编一起来了解下非标螺纹联接的预紧方法吧！

　　螺纹联接预紧的作用

　　预紧能提高螺纹联接的防松能力和疲劳强度，增强联接的紧密性和刚性，从而提高联接的可靠性。

　　一般情况下，使用标准的工具拧紧螺纹联接件时，凭操作者的经验判断拧紧程度即可，但对于关键联接或实现特殊功能的非标准联接问题，往往需要进行具体的分析和精确的计算。

　　根据功能要求正确地进行结构设计，合理地确定预紧力的大小，并采取适当的方法进行控制，来提高连接的可靠性 。

　　螺纹联接预紧及其控制方法

　　在实用上，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。为了保证联接所需要的预紧力，又不使螺纹联接件过载，对重要的螺纹联接，在装配时要控制预紧力。

　　通常规定，拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限σs的80%。对于一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力F0，推荐按下列关系确定：

　　碳素钢螺栓: F0≤(0.6-0.7)σsA1 (1)

　　合金钢螺栓： F0≤(0.5-0.6)σsA1 (2)

　　式中：σs——螺栓材料的屈服极限;

　　A1——螺栓危险截面的面积，A1≈πd1²/4。

　　控制预紧力的方法很多，通常是借助测力矩扳手(图1)或定力矩扳手(图2)，利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。

(图1)测力矩扳手

(图2)定力矩扳手

　　如图3所示，由于拧紧力矩T(T=FL)的作用，使螺栓和被联接件之间产生预紧力F0。对于M10-M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓，螺纹升角ψ=1°42’-3°2’;螺纹中径d2≈0.9d;螺旋副的当量摩擦角ψv≈arctan1.155f(f为摩擦系数，无润滑时f=0.1-0.2);螺栓孔直径d0≈1.1d;螺母环形支承面的外径D0=1.5d;螺母与支承面间的摩擦系数fc=0.15，可推导出

　　T≈0.2F0d 　(3)

　　对于一定公称直径d的螺栓，当所要求的预紧力F0已知时，即可按式(3)确定扳手的拧紧力矩T0。

　　图(3)螺旋副的拧紧力矩

　　2、螺纹联接的防松

　　螺纹联接件一般采用单线普通螺纹。螺纹升角(ψ=1°42’-3°2’)小于螺旋副的当量摩擦角(ψv≈6.5°-10.5°)。因此，联接螺纹都能满足自锁条件(ψ<ψv)。

　　螺纹联接一旦出现松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成严重事故。因此，为了防止联接松脱，保证联接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。

　　防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。防松的方法，按工作原理可分为摩擦防松、机械防松以及铆冲防松等。一般说，摩擦防松简单、方便，但没有机械防松可靠。对于重要联接，特别是机械内部不易检查的联接，应采用机械防松。常用的防松方法见下表。

　　表1 螺纹联接常用的防松方法

　　还有一些特殊的防松方法，例如在旋合螺纹间涂以液体胶粘剂或在螺母末端镶嵌尼龙环等。

　　此外，还可以采用铆冲方法防松。螺母拧紧后把螺栓末端伸出部分铆死，或利用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打冲，利用冲点防松。这种防松方法可靠，但拆卸后联接件不能重复使用。

　　2.1螺栓载荷与变形关系

　　研究一个受轴向载荷的螺栓联接，先作用预紧力Q，然后承受外拉力F。

　　螺栓未承受外拉力时，仅受预紧力Q，由于螺栓和被联接件受力后发生弹性变形的原因，螺栓承受外拉力F时的总载荷 F'并不等于工作载荷 F与预紧力Q之和，而是工作载荷F与残余预紧力Q之和，如图 1所示。

　　2.2预紧力的确定

　　凡承受拉力的螺栓连接，均需要适当预紧以提高连接的可靠性和紧密性。如果预紧力太小，在冲击、振动、变载荷的作用下，会出现联接松动，或者在正常承载情况下接合面出现缝隙。如果预紧力过大，螺杆静载荷增大，导致联接强度降低，甚至在拧紧时就被拉断。

　　一般规定螺纹联接的预紧应力σP不超过螺纹联接件材料屈服极限σs的80%;航空航天工程中按叮σP≈0.35σs控制。

　　有关确定预紧力大小的螺纹联接设计准则：

　　a. 对于按强度条件 ( 不变形、不断裂 ) 设计的螺栓，应保证螺栓承受工作载荷时的应力小于螺栓材料的许用应力 ;

　　b. 对于受横向载荷，接合面不允许相对滑动的联接，要求预紧力要足够大，以靠摩擦传递横向力;

　　c. 对于受轴向载荷，接合面不允许出现缝隙的联接，要求残余预紧力Q'>0，一般按下面条件确定Q。

　　2.3拧紧力矩与预紧力的关系

　　预紧力确定之后， 可按下式估算拧紧力矩：

　　式中： M--拧紧力矩，N·m;Q--预紧力，N;d2--螺纹中径，mm;ɻ--螺纹升角， tgɻ=P/( d2); p--螺距，mm;f--螺母与被连接件支承面间的摩擦系数;β--为螺纹半角;R--螺母承力面外半径，R=0.95S/2，S为扳手尺寸，mm;r--螺母承力面内半径，r=D/2，D为螺纹公称直径，mm。

　　上式中，M1= ( P/2π) Q×10-3是用于产生预紧力Q的有效拧紧力矩，约占10%M;M2=(fd2/2cosβ)Qx10-3。为克服螺纹联接副螺纹表面的摩擦力矩，约占40%M;M2=[ 2(R3-r3)/3(R2-r2)] Qx10-3 为克服螺纹联接件与被联接件表面间的摩擦力矩，约占50%M。

　　f主要与结合面的质量( 粗糙度、平面度)、垫圈的类型(刚性、塑性)与质量及表面润滑等因素有关。在同样的拧紧力矩下，其产生的预紧力受 f的影响相差甚大，误差可达到±25%。

　　2.4控制预紧力的方法

　　螺纹联接的预紧方法要根据行业特点、工程规模 、螺纹联接结构形式等来合理选用，“感觉法”主要依赖于操作者的经验，简单、经济但不可靠;“力矩法”普遍使用于一般重要联接，精度较高;“力矩一转角法”适用于自动化大量装配场合;“测量螺栓伸长法”使用费时、费用高，用于特殊要求场合;“螺栓预胀法”用于汽轮机等热力机械。

　　不同应用场合对螺纹联接预紧力精度的要求也有不同，一味追求高精度是不经济的。航空工程中的一般连接采用“感觉法”即可满足设计要求，重要的连接部位广泛采用“力矩法”——根据预紧力Q与拧紧力矩M的关系确定拧紧力矩，借助测力矩扳手或定力矩扳拧紧。

　　爆炸螺栓联接预紧力控制

　　某系统的伞舱--伞筒连接/分离机构( 两套) 采用了四枚爆炸螺栓。为达到高分离可靠性和低分离冲击，该螺栓的设计强度受到严格限制，并且在使用过程中处于高应力状态。该螺栓原设计轴向拉断力为 600 kgf，在地面试验阶段多次出现“拧断”问题。为确保飞行试验阶段的连接可靠性，经计算分析，将该螺栓设计轴向拉断力提高到1500 kgf，并采用“力矩法”对联接预紧力进行控制，较好地解决了这一问题 。

　　3.1爆炸螺栓轴向载荷

　　根据伞筒在伞舱内的安装结构设计，爆炸螺栓仅承受轴向拉力。在最大偏航角速度下，伞筒相对伞舱会产生较大的离心加速度;所以确定“最大偏航角速度情况”为爆炸螺栓的最大受力情况，此时离心加速度为：an=l·ω2

　　式中：an--离心加速度;l--旋转半径;ω--最大偏航角速度 。

　　根据系统参数l和ω得出an=9.4g，则离心力F=m·an 。

　　按m=40kg，得F=376 kgf，单个爆炸螺栓承受的最大拉力 N=F/2=188kgf。

　　3.2预紧力的确定

　　爆炸螺栓受伞筒在飞行中产生的交变载荷，为确保伞筒在伞舱内的安装刚性，必须按伞舱--伞筒接合面的紧密性条件来确定Q，取预紧系数v=3.0，则 Q=vN=3x188 =564kgf。可见，预紧力已十分接近原设计的拉断载荷，加之螺栓杆在拧紧过程中受拉扭复合应力作用，在与预紧力相对应的拧紧力矩下就很容易被“拧断”。

　　3.3拧紧力矩的确定

　　根据改进后的爆炸螺栓及其联接结构的有关参数，按前面介绍的拧紧力矩计算公式可得拧紧力矩 M=7.12N·m;使用定力扳手按7N·m进行连接工艺控制，最终保证了该重要连接的可靠性。

　　结论与建议

　　对于非标设计，其螺纹联接预紧一般采用感觉法，由具备相应资质和具有实际操作经验的操作人员来保证;对于重要联接则宜采用“力矩法”，由设计/工艺人员提出具体的预紧装配技术要求，采用定力矩扳手来完成。

　　对需要精确控制的的螺纹联接件，可以按照螺纹联接的实际使用条件进行实验，得到拧紧力矩与预紧力的对应关系，并据此确定拧紧力矩，必将大大提高对预紧力的控制精度。