被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2023 年 12 月 22 日 作者简介:陈佳宝(1998),大专,广东史特牢紧扣系统有限公司安全质量部工程师,从事紧固件产品研发与检测工作。-112-被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响 陈佳宝 熊佳豪 王意忠 广东史特牢紧扣系统有限公司,广东 阳江 529568 摘要:摘要:双叠自锁垫圈是一种常用的防松紧固件,其结构特点决定了被夹件硬度会对其防松性能产生影响,但是定量影响规律尚不明确。为定量评价被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响,本文以临界横向力为防松性能的定量评价指标,对 201、301、401 和 501HRC 四种硬度的被夹件条件下的双
2、叠自锁垫圈的防松性能进行了对比测试,获得以下结论:当被夹件硬度为 30HRC 时,双叠自锁垫圈所组成螺纹连接的防松性能最好,硬度过小或过大都会降低防松性能。关键词:关键词:横向振动试验;自锁垫圈;防松;被夹件硬度 中图分类号:中图分类号:U44 1 概述 螺栓连接是机械制造中使用最为广泛的连接方式之一,螺纹紧固件具有结构简单、可靠性高、易装配等特点。在矿山机械、汽车制造、石油化工等领域,螺纹连结有着大量的应用,且一旦发生失效,将可能影响工件的使用寿命及机器的正常运转。目前,因螺纹紧固件连结松动失效所引发的质量安全等问题仍然频频发生,因此防松自锁型紧固件得刀了大量引用,如双叠自锁垫圈(简称自锁垫
3、圈)因其优异的防松性能得到了工业界的广泛使用。双叠自锁垫圈的由两个与被夹件接触面带有放射状(阶梯状)齿形结构的垫圈组成,其垫圈主要形貌如图 1 所示。图 1 自锁垫圈实物图 螺纹连接当发生旋转松动的趋势时,放射状齿形结构能保证上下两个垫圈不会与被夹件或螺母发生错动,而上下两个垫圈相互接触的侧面则会在楔形面的作用下产生相互分离,从而逐渐增大预紧力的趋势,从而抑制旋转松动的进一步发展,将自锁垫圈与弹簧垫圈、齿形垫圈、平垫进行比对1,当横向振动试验发现,自锁垫圈具有很好的防松效果。放射状齿形结构能否楔入被夹件材料内部,且确保不发生错动,是垫圈防松性能的关键。而被夹件的硬度是决定放射状齿形结构楔入效果
4、的首要,它会对垫圈的防松性能产生影响。经验表明,被夹件材料的硬度过大或过小都会对垫圈的防松性能产生不利影响,然而目前实践中缺少相关的定量数据。本文重点讨论防松性能的定量评价方法,且基于横向振动试验定量研究被夹件硬度对自锁垫圈防松性能的影响规律。2 防松性能定量评价方法 2.1 试验方法 基于横向振动试验对自锁垫圈的防松性能进行的研究,而横向振动试验方法是由德国工程师 G.H.Junker 最早提出2,通过该方法验证了螺纹紧固件连接的松动主要原因之一是横向振动载荷。多年后这种试验方法被标准化,常用的标准包括:德国标准 DIN 651513、国际标准 ISO 161304、我国标准 GB/T 10
5、4315。最早符合我国标准 GB/T 10431-2008 要求的横向振动试验设备,也只能对振幅进行开环控制,振动过程中实际振幅和设定偏心量之间的差距往往较大,并不太稳定。为解决这一问题,文献6提出了在横向振动试验中对横向力进行闭环控制的思路,并改进了横向振动试验设备,使之具有横向力闭环控制的功能,新的试验装置结构示意图(如图 2 所示)。文中后续的实验部分都是使用新型的横向振动试验设备进行操作和实验。中国科技期刊数据库 工业 A-113-图 2 新型的横向振动试验设备结构简图6 2.2 评价指标 如何对紧固件(或螺纹连接)的防松性能进行定量评价,应当建立科学的防松性能定量评价指标。基于横向振
6、动试验,文献中7提出如图 3 所示的典型预紧力衰减曲线,其中螺纹紧固件连接的旋转松动显著影响图 3 中第二阶段的斜率。当图 3 所示衰减曲线的第二阶段的斜率为零或略小于零(磨损等非旋转松动因素导致的预紧力缓慢衰减)时,表明其尚未发生旋转而导致松动;当第二阶段斜率明显小于零时,表明发生了其开始旋转并发生松动;当斜率的绝对值越大时,表明其旋转的幅度越大,松动就越厉害。研究8表明:对于横向振动试验中,当螺纹紧固件承受的横向载荷达到某一临界值(临界载荷或称临界横向力)时,其就会发生旋转导致松动,进而发生失效。因此临界载荷可以作为螺纹等紧固件的防松性能的定量评价指标之一,同时可以对紧固件(或螺纹连接)的
7、防松性能进行定量评价6。图 3 典型的螺纹预紧力衰减曲线7 如何定量获取预紧力衰减曲线第二阶段斜率的绝对值,选用文献6提出的斜率分析方法,即先将预紧力衰减曲线按照特定周期数 n 进行分割,共分为 m 段(如图 4 所示),文中 n 值按照实际总振动周期数的四分之一经过圆整后来选取,当某样件的总振动周期数为1556,其四分之一为 389,故在此样件的数据处理过程中向上圆整取 n=400;后基于最小二乘法拟合出每一个小段的斜率绝对值 ai,在所有的斜率绝对值中,选取最小的值 amin作为预紧力衰减曲线第二阶段斜率绝对值,单位为 N/周期。图 4 预紧力衰减曲线分段方法6 为对比不同初始预紧力下螺纹
8、紧固件的防松性能,统一对斜率绝对值进行归一化处理6,并将归一化所得到的数据与其对应的初始预紧力相除,同时乘以 100%,便可得到如式(1)所示公式(公式(1)的单位为%/周期),其中 k 为最终求得的归一化斜率,F0为初始预紧力。%100/),2,1,min(0Fmiaki (1)如何判断螺纹连接是否发生旋转松动,参考文献6提出的斜率阈值 0.01%/周期,并根据文中试验结果,最终选用 0.015%/周期作为评判依据,当衰减曲线第二阶段的归一化斜率 k 大于 0.015%/周期时,可近似认为其已经发生旋转松动。特别说明的是 0.015%/周期是个经验数据,它近似代表磨损等非旋转松动因素导致的缓
9、慢预紧力衰减。用上述方法,可近似找到旋转松动发生时的横向力,即临界横向力,具体流程可参考文献的工作6,这里不再赘述。3 试验方案 3.1 试验样件 本文使用上述的防松性能评价标准和实验方法,设计并测试了 4 种不同被夹件硬度(201、301、401 和 501HRC)下自锁垫圈的防松性能,具体实验参数如表 1 所示,其中六角头螺栓符合 GB/T5782、六角螺母符合 GB/T6170 标准,被夹件材料是 45 钢,通过不同的淬火回火可以获得 201、301、401和 501HRC4 种硬度。样件螺栓和螺母经丙酮超声清洗后,放入 DD611-1 型鼓风干燥箱中烘干,最后安装于试验台上准备测试,其
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