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震的好嗨哦,弹垫真的不防松!

发表时间:2020-2-21 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:5899
写这篇文章主要是因为最近一个同事的疑问,他满脸愁容的问我:弹垫到底能不能防松?在进行非标设计的时候不敢不用弹垫,但是以前在外资高压开关厂的时候有个歪果仁告诉他,弹垫 是他的爷爷辈用的古董,不能防松的。

我寻思弹垫这么寻常的东西有什么难的。随后线下求索《机械设计手册》、《机械装配技术》,线上咨询知网,知乎和维基,发现线下清一色的都是说:弹簧垫圈以及弹性垫圈广泛应用于经常拆开的连接处,靠弹性及斜口摩擦防止紧固件的松动,靠本身的弹性变形压紧紧固件不松动。(以上内容引自机械设计手册)线上的回答则较为复杂,先引维基的观点,比较中肯,写这个词条的人应该也很困惑弹垫是不是不防松,直接把困惑写在了词条里。

知乎的答案和书本的一样,而且看上好像句句都很有道理,有道理!有道理?

再来看看知网上的学者们对于弹垫不防松怎么说的?先请正方辩手——李景林老师,在他的文献中,他的结论是:在申请专利倒锁螺栓联接副的实验中,意外发现弹簧垫圈不但不起防松作用,反而更易松动这一现象,与传统认识是恰恰相反的。

再来看看知网上的学者们对于弹垫不防松怎么说的?先请正方辩手——李景林老师,在他的文献中,他的结论是:在申请专利倒锁螺栓联接副的实验中,意外发现弹簧垫圈不但不起防松作用,反而更易松动这一现象,与传统认识是恰恰相反的。
再请反方辩手——傅德明老师,他在李景林老师发表论文三个月后,立马写了一篇自己的论文进行反驳,他的结论是:尽管使用弹簧垫圈防松时效果是否比不用弹簧垫圈时还要差这一点上有不同看法,尚需用正确的试验给予证明,但是从防松角度看,这并不是一种好的防松方法,应该寻找一种简单易行的比较理想的靠增加摩擦阻力矩的防松方法。
时间来到18年后,航天科工集团赵蕴懿老师研究螺钉合理的拧紧力矩时,做了一个更详细的实验,当年李老师只做了M16螺母的实验,赵老师直接把M1.6到M10全做了。
直接看赵老师结论:使用弹平垫防松方法,一般用于不重要的螺纹副连接。所以,若是要用弹平垫防松的螺纹连接,那么紧固力矩要严格控制。

除了以上内容,还有一个简单而浅显的道理,请看此图:

根据文献[5]建立拧紧力矩和轴线力的模型
M= K*d*Fx10-3
式中:M——拧紧力矩,单位N·m;
F——轴向力,即设计时确定的预紧力
K——拧紧力矩系数;
d——螺纹公称直径,单位mm;
以10.9级的M8螺母为例,摩擦系数取0.1(无润滑,两个钢件的接触表面),拧紧力矩在30N·m时的装配预紧力是27000N[6],而把标准型M8弹垫完全压平的力只需要500N,只占到2%都不到,对于防松所起的作用确实是微乎其微的。
总结,早在30多年前,在航天工业的前辈们就针对弹垫是否防松展开过,通过实验验证,理论模型分析,并对实验内容的不完善进行否定(缺少冲击,疲劳方面的实验),随后又否定之否定,得到目前比较完善的结论。这才是大国工匠精神!
到此基本可以判断:弹垫是不防松的,对于冲击和疲劳的工况有效性也无法验证。本着存在即是合理的观点,发扬“阳明格竹”的精神,来看看歪果仁是怎么“盘”弹垫防松的。
直接看视频中的实验曲线:

可以明显看出,在振动过程中,不同防松类型的预紧力下降速率以及稳定后的预紧力大小是不同的:

继续总结:不管是单个螺母,加弹垫螺母还是双螺母的防松结构,在松动之后是完全没有预紧力的,全金属六角锁紧螺母和六角尼龙锁紧螺母松动后仍有部分预紧力;双螺母的防松结构在这五种类型的防松结构中,预紧力的下降速率是最小的,也就是防松能力强。加弹垫的防松能力相对不加弹垫的防松能力可以忽略。
再来看看Boltscience的研究结论

实验对象是M8的螺母,通过视频中的容克振动实验,弹垫在防止松动方面与不加弹垫比是无效的。写到这里,有些小伙伴们肯定想到很多非标自动化的设计并不像航空航天,内燃机,外燃机等具有周期振动或随机振动的环境下的,没有那么高的防松要求。是的,如果只是普通的锁紧两个零件,那么加不加弹垫没有多大的影响,只要不是碰到了氢脆的弹垫,装配时能控制好涨圈。
这里科普下涨圈和氢脆的概念:

涨圈是指在装配过程中出现弹垫开口值增大超差的现象,是在施加较大安装力矩的情况下发生的,轻型弹簧垫圈和标准型弹簧垫圈都可能发生涨圈,涨圈的发生往往由于装配精度低、平垫圈或螺母选用不当等。
氢脆(HydrogenEmbrittlement)是指金属材料在冶炼、加工、热处理、酸洗和电镀等过程中,或在含氢介质中长期使用时,材料由于吸氢或氢渗而造成机械性能严重退化,发生脆断的现象(无明显塑性变形)。由于氢脆的原因很多,而且对于氢脆的认识也不够透彻,所以现在还无法完全防止氢脆。氢脆就像是悬在工程师头顶上的达摩克利斯之剑,挥之不去,一直笼罩着我们。
弹垫不防松,使用需严控;缺点还有二,涨圈和氢脆。
用事实说话,机械在于实践。
不忘初心,方得始终。就像傅德明老师说的,加弹垫不是好的防松方式。要求严格的地方都不能使用弹垫。其实,还有很多紧固的结构以及防松方式,例如NordLock的防松垫圈,NBK的偏心锁紧螺母,施必牢螺母,乐泰的螺纹紧固剂等等,这些高可靠螺纹技术的发展和应用必然会大大提高设备,工程的质量。
写到这里发现,我们不应该局限于弹垫到底防不防松,而是更应该关注自己的设计是在一个什么样的环境下——振动,冲击,高温,电磁等等,我们的设计需要达到一个什么样的要求。

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