論證彈簧墊片無防松作用及解決方法

論證彈簧墊片的防松性能----無防松性能

結論：彈簧墊圈是沒有防止松動作用的

• 因此在工程機械實際的設計和裝配過程中可以取消彈簧墊圈，以達到降低成本、提高裝配效率的目的。
  

一、彈簧墊圈介紹：

    使用彈簧墊圈的目的是通過增加軸向的回彈力來補償由于壓陷導致的預緊力損失，從而防止螺紋連接的松動。

    目前，國際上關于彈簧墊圈的主要標準有美國的ASME B18.21.1-1999 標準，日本的JIS B1251 標準以及國標的GB/T 93-1987。德國的DIN 127、DIN 128 等標準已經召回，其原因是因為經測試彈簧墊圈在任何情況下都沒有防止松動的作用。最初這些標準的召回引起了許多機構的批評。這些批評的聲音也說明了在自鎖緊固件方面的技術水平的發展。

二、松動機理：

    當擰松已有預緊力的螺紋連接時，其扭矩可以按以下公式計算：

Ton=Fm(0.16╳P+0.58╳d2╳uG╳Dk/2╳uk)      (1)

Toff=Fm(-0.16╳P+0.58╳d2╳uG╳Dk/2╳uk)     (2)

?    式(1) 為安裝扭矩

?    式(2) 為拆卸扭矩

?    Fm 為預緊力

?    P 為螺距

?    d2 為螺栓中徑

?    uG 為螺紋摩擦系數

?    uK 為螺栓頭部端面摩擦系數

?    DK 為螺栓頭部有效摩擦直徑

對于M10 標準粗牙六角頭螺栓，取螺紋摩擦系數uG 與端面摩擦系數uK 均為0.14 時，其松動扭矩約為擰緊扭矩的80%，只要作用在螺栓或者螺母頭上的松動扭矩不大于預緊力的80% 時，其連接就不會松動，但實際情況，螺栓或者螺母不轉動，預緊力也會降低；螺母即使不受松動扭矩的作用，也可能松動。

三、壓陷導致的松動：

    壓陷導致的松動主要是由于在預緊或者受力過程中，螺栓頭部以及螺牙接觸處表面高低不平點塑性平整造成的，這種壓陷導致螺栓的彈性變形減少，預緊力降低。關于壓陷導致的預緊力損失數值，德國工程師學會（VDI）標準VDI 2230給出了計算公式:

由上面的公式可以看出，由于壓陷導致的預緊力的損失隨著總壓陷量成正比，隨著螺栓柔度和被連接件的柔度成反比，在實際設計過程中可以增加螺栓的長度來降低由于壓陷導致的預緊力損失。

四、軸向載荷導致的松動：

    大量的實驗驗證了軸向振動對于螺栓松動的影響。其試驗結果證明，對于承受軸向載荷的螺紋聯接，由于螺牙斜面上的半徑方向分力，螺母要產生彈性的徑向擴張，由于泊松比的關系，螺栓要產生彈性徑向收縮。因此，在螺栓和螺母的接觸螺紋面和支撐面間，將有微量的徑向滑動。在經過25 000 次循環后，最大松動角度只有6°，這在工程實際中處于可接受的范圍內。

    相對于由于軸向載荷產生的松動，軸向載荷對螺栓的疲勞強度影響較大，在設計校核過程中應加以關注。

五、橫向載荷導致的松動：

    相對于軸向動態載荷，橫向動態載荷更能引起連接的松動，即承受垂直于螺栓軸線載荷的螺紋聯接更容易出現松動。大量的研究表明螺栓的松動是由于橫向載荷造成的，例如沖擊、振動或者循環熱載荷。這些載荷導致了預緊力的損失，從而導致連接的失效。

    針對螺紋聯接松動的研究也基本轉向了橫向載荷，引起的螺紋聯接松動的研究。圖1 簡化模型闡述了橫向載荷是如何引起螺紋松動這一概念的。物體A 放置于具有一定斜度的平面B 上，當斜面B 傾斜的角度小于摩擦角時，物體A 不會下滑。I 部分中用斜面表示螺紋面，其傾斜角度表示螺旋角；II 部分中的平面則表示螺栓頭部或者螺母的接觸端面。螺紋聯接受軸向動載荷時，相當于此模型中的物體A 承受垂直載荷，而垂直于軸向的載荷則可以用斜面的橫向振動S 表示。當物體A 承受交變的垂直方向載荷時，由于摩擦角大于斜面傾斜角（螺旋角），只要物體A 沒有脫離斜面B，則兩物體之間并不會輕易的產生相對運動，也就是螺紋聯接并不會輕易地松動。而當物體A 下面的斜面產生往復橫向振動S，使得振動過程中物體A 的慣性力與其重力沿斜面向下的分力的合力超過最大靜摩擦力時，物體A 滑動時便有了沿斜面向下的速度分量。也就是說螺紋聯接中的螺栓與其他構件之間產生了松動方向上的相對運動。圖1 簡單地解釋了承受軸向載荷的螺紋聯接不能引起較大松動的原因，以及側向載荷作用下的松動的機理。

圖（1）松動模型

此觀點也是國際上螺栓防松性能測試標準的主要依據，目前主要的防松測試標準有GB/T 10431-2008 緊固件橫向振動試驗方法；GJB715.3A-2002 緊固件試驗方法振動， 以及德國的標準DIN 25201-4。

六、試驗介紹

    武漢理工大學的莫易敏教授[3] 通過GB/T10431-2008 實驗證明，螺栓加彈簧墊圈的防松效果不如螺栓不加彈簧墊圈的效果，如圖2 所示。

圖2：19.5 kN預緊力下振動軸力衰減曲線對比圖

    德國標準化通報通過研究螺栓自松動的行為，證實了彈簧墊圈的無效，如圖3 所示，其解釋為：作為鎖緊元件的彈簧墊圈的目的是防止由于嵌入導致的松動，但這些鎖緊元件在較低的夾緊力的情況下就會被壓平。他們失去了彈性的功能，導致作為防止嵌入的功能無效，同時考慮到增加的分界面而變得有害。德國標準化學會在2003 年召回了DIN 127、DIN 128 以及DIN 6905 等一系列的相關標準。

圖（3） 螺栓+彈簧墊片的自松行為

七、行業對比：

    美國航空航天局緊固件設計手冊建議不使用彈簧墊圈，其解釋為：當螺栓被完全擰緊后，墊圈通常就被壓平了，其作用和普通墊圈相同，同時其鎖緊功能不存在了，總而言之，此種類型的彈性墊圈對于鎖緊是沒有作用的。中國建筑機械行業標準[4] 規定，8.8 級、10.9 級螺栓一般不允許使用彈墊防松。日本小松公司挖掘機上基本不使用彈簧墊圈。

結      論

實驗已經證實了彈簧墊圈是沒有防止松動作用

因此在工程機械實際的設計和裝配過程中可以取消彈簧墊圈，以達到降低成本、提高裝配效率的目的。

八、解決松動的方法：柔性防松技術

    經過多年研究擁有柔性防松技術的抗振防松彈簧螺母，在持續振動使用中以及高溫差的環境中以優異的表現得到了行內外的認可與使用。

    藝精工國際技術創新（深圳）有限公司經過20年多的探索和研究，發明了具有優良防松性能的柔性防松技術。柔性是指物體受力后發生局部形變，作用力失去后，物體自身能夠恢復原來形狀的一種物理性質。利用彈簧的柔性彈力，使得螺母和螺栓在鎖緊的過程中，通過彈簧式的防松環產生軸向的包緊力，抵制振動以及沖擊而產生的松脫力，徹底解決螺紋松動的問題。彈性的包緊力在螺紋部位發揮足夠的防松效果 ，使得螺母變成了永久的防松螺母。這種以柔克剛的防松理念，徹底解決了螺母由于振動而發生的松脫現象。螺紋連接將不再發生松動、自旋、松脫的現象。

這種新型防松螺母為柔性防松機構，較傳統螺母的硬性結構是一個很大的改進。螺母之所以能夠承受外力，則取決于螺母內螺紋與螺桿外螺紋接觸面積的大小，接觸面積越大，同時，螺母松動的力度也就越大。藝精工的防松螺母是由螺母與彈簧的組合結構，這種結構一部分采用螺母內螺紋與螺桿外螺紋連接，另一部分采用彈簧與螺桿外螺紋結合的方式，在最大限度的增加螺紋的受力面積，同時彈簧具有彈性的包緊力。因而要讓螺母變松在徑向和軸向都存在足夠大的阻力，阻止螺母在震動中出現松動。

• 藝精工防松螺母的夾緊力測試結果：
  

從上面的藝精工防松螺母的夾緊力測試結果中，我們可以清楚的看到其夾緊力隨著振動時間增加，沒有出現衰減，仍然可以保持著良好的夾緊力?？梢哉f是完全實現了自鎖防松的效果。徹底的改變了傳統意義上防松技術，完全是一種技術革命。

抗振防松螺母的優點：

1. 可以在任意位置單向定位自鎖。
   
2. 可以在任意位置雙向定位自鎖。
   
3. 具有可靠的防松定位緊固性能。
   
4. 可以大大提高螺母和螺栓的使用壽命。
   
5. 不受外部環境溫度的影響，應用范圍非常廣泛。
   
6. 自由旋轉，方便拆卸。
   
7. 尺寸規格不受限制。
   
8. 可以與普通標準外螺紋隨意匹配。
   
9. 不需要借助任何輔助鎖緊元件（彈簧止動墊片等）。
   
10. 可以在螺栓的任何位置進行防松鎖緊。
    
11. 對較軟材料的滑牙問題有顯著效果。
    
12. 不會損失工件表面的鍍層，從而不會降低工件的防腐性 。
    

    這種螺母在外觀上完全與普通螺母一樣，在安裝和拆卸的過程中，不需要任何特殊的工具，非常便于高空作業。結構簡單、操作方便的機械式螺栓、螺母防松機構，有效地解決了長久以來困擾大型機械設備的螺栓、螺母松動問題，而且在養護維修中或拆解調整后，螺栓螺母能夠繼續使用，大大降低使用成本。為大型機械設備的耐久性、安全性、少維護作出貢獻。此螺紋連接機構的防松效果顯著，可以大幅度減少大型機械設備養護部門的維修工作量。最值得肯定的是可以完全避免因為防松而造成的多領域重大人身傷亡安全事故的發生，大大降低了經濟損失。