为什么螺栓会松动?

螺栓是多个行业和应用中的首选紧固件,原因很简单,它们易于拆卸。然而,这也使它们易于自行松动和失去预载。

根据应用,螺栓松动会产生深远的影响。一个松动的螺栓可能会使整个生产工厂陷入停顿并使公司损失数千美元,而在其他应用中,松动螺栓会造成严重的安全隐患。那么,螺栓松动的原因是什么?从广义上讲,主要有两个原因:自发松动和松弛。

“失败的主要原因和后果取决于螺栓连接的目的,环境以及通常在工业上,”Siegenia-Aubi KG的Georg Dinger说,他研究了螺栓自松动的原因和影响广泛。

“For example, the petrochemical industry is primarily concerned with corrosion problems, while fatigue and vibration loosening are usually of minor concern. On the other hand, the automotive industry would probably name self-loosening and corrosion as the two main problems. The primary concerns for the structural steel industry are joint slip and corrosion, but self-loosening and leakage are less common. The aerospace industry would probably list fatigue first.”

“在螺纹扭矩的作用下,在刀柄扭矩的影响下,接触面之间的重复相对位移会导致螺栓或螺母逐渐旋转,”Dinger继续说道。“这会导致螺栓预载损失,从而导致螺栓连接失效。这种效果是众所周知的,但预防通常只在发生自我放松事件后通过实验进行。“

主螺栓松动的原因:

• 自发螺栓松动- 冲击,振动,动态载荷
• 松弛- 沉降,蠕动,放松

为了防止自发螺栓松动,需要消除连接部件之间的滑动或至少降低到临界水平以下。这可以通过增加轴向张力,增加夹紧部件之间的摩擦或减小循环载荷(例如,冲击,振动或循环热负荷)来实现。

另一种常见方法是增加螺栓螺纹之间的摩擦力。有许多解决方案可以做到这一点,虽然其中一些是有效的,但它们也有其缺点。胶水或粘合剂可以是有效的基于摩擦的方法,但是当涉及拆卸和移除螺栓时,干燥的胶可能是有问题的。此外,增加螺纹之间的摩擦会降低在特定扭矩水平下可实现的预载荷。锁定线是航空业中常用的方法。

疲劳是螺栓和夹紧部件的永久性损坏或变形。这是由于预紧力的损失导致关节开口。预负荷损失有两种基本机制 - 自发松动和松弛。

当螺栓由于冲击,振动或动态载荷而旋转松动时,自发松动或旋转自松动。即使轻微旋转也足以使螺栓连接失去其所有预载荷。这是螺栓松动的最常见原因。

松弛是由三种机制引起的:沉降,蠕变和松弛。“当动力荷载发生时,沉降是至关重要的。当接头受到动态工作载荷的应力增加时,夹紧材料会发生永久变形,”Nord-Lock集团技术经理Harlen Seow解释道。“如果零件中的应力没有超过屈服强度,螺栓连接的大多数零件将在释放后恢复形状。接触面中的某些材料,如油漆,很可能会永久变形,”他说。

如果材料沉降,即使只是几微米,螺栓的拉伸也会减少,并导致预载荷的损失。

蠕变是一种永久变形,由于长期暴露于低于接头材料屈服强度的高应力水平而发生。在高温应用中它更严重。

松弛是指接头材料中的微观结构重组,在一段时间内将现有的弹性变形转化为塑性变形。与沉降或蠕变不同,夹具长度不会改变,这使得检测更加困难。“测量预载损失的一种方法是在运行一段时间后测量螺栓长度,并在紧固后立即与螺栓长度进行比较,”Seow补充道。“然而,这不会发现放松,这使它更成问题。”

避免疲劳的关键是良好的设计,近年来由于对许多螺栓连接的需求增加和轻质材料的使用增加而变得越来越重要。重要的是不仅要关注螺栓的拉伸能力,因此要忽略其他参数,例如弹性和刚度,这些参数也很重要。

“正确的接头设计是实现高强度摩擦夹持连接的关键,具有高预载水平,因此在整个使用寿命期间具有高防滑性,”Dinger说。“到目前为止,设计工程师一直关注螺栓断裂的失败。随着性能的提高和关节重量的减少,其他失效机制变得越来越重要。在轻量化设计中,预载松弛和自松动的机制越来越普遍。“

根据螺栓和应用以及预加载损失的原因,通常有多种选择来设计更优化的螺栓连接。

“在存在热负荷的情况下,可以通过选择夹紧部件具有相同热膨胀系数的材料来优化接头,”Dinger说。“为了减少沉降并在操作过程中保持较高的预载荷,可以减少接触面之间的粗糙度。细孔直径或齿形表面等措施有助于减少相对位移。“

“一般来说,一个好的螺栓连接由非常有弹性的螺栓和非常坚硬的夹紧部件组成,并且有不同的方法来实现这一点。弹性地改进螺栓的一种方法是具有长的夹紧长度。但是如果你有一个法兰,夹具长度不能太长,你可以用更多但更小的螺栓来改变设计。因此,代替使用五个螺栓,您可以使用十个较小的螺栓,这将产生更有弹性的关节,“Seow说。

总的来说,实现最佳螺栓连接需要考虑多个变量和设计选项。

什么是预加载?

一个在工程中有很多含义的术语。一个是紧固件在最初拧紧时产生的张力(载荷)。随着螺栓伸展,螺栓和螺母之间的部件压缩,从而增加所谓的夹紧负荷,直到紧固过程结束。观看下面有关预载的解释器视频。

容克测试

对螺栓自松动原因的研究已经持续了近60年,然而,它仍然是德国工程师格哈德容克在20世纪60年代的开创性工作,它构成了自我放松预防背后的现代方法和理论的基础。他的测试方法,用于确定紧固件在受到振动时何时开始松动,现在通常被称为Junker测试,并已被采用为国际标准,例如DIN 65151和ISO 16130。

Junker测试被认为是螺栓连接的最严重的振动测试。观看下面的视频,了解如何使用它来比较不同螺栓锁定方法的性能。