机械设计实践使用弹簧垫圈探讨Word文件下载.docx

1、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

2、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。

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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）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

8、;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、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

10、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（

11、-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

12、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

13、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

14、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

15、.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

16、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一所以不允许与螺纹精度较低的螺栓配用。通常要求螺栓螺纹精度应在5h以上。如果与6h的螺栓配用.会影响自锁力矩的稳定性。关于润滑问题。对于靠收口变形获得自锁能力的全金属自锁螺母 润滑是非常重要的.不可缺少的。润滑的主要作用有三:第一 防止螺纹啮合时出现擦伤和卡死;第二.稳定自锁力矩.螺纹润滑能使第一次拧入最大力矩趋小 第15次拧出最小力矩趋大 从而大大提高防松的可靠性;第三 螺纹和螺母支承面的润滑能大大减小接触面摩擦系数的离散度 使紧固系统具有良好的扭-拉关系 从而获得稳定的高预紧力。高预紧力能大大降低外加的应力幅 进一步保证防松的可靠性。