螺栓多次使用的問題…

許多製造企業都明確要求部件在拆卸後,其螺栓不能重複使用。表面上看,這種策略是在增加備件的售價。可是,到底是什麼因素決定了螺栓是否可以重複使用呢?

在大多數應用中,關於螺栓重複使用問題,有三點需要著重考慮:

1、 螺栓的強度會不會因為初次緊固而下降?再者說,初次緊固螺栓會不會導致第二次緊固螺栓時,其強度下降呢?

2、 從審美的角度上看,螺栓的腐蝕程度是不是已經影響到了最終用戶對螺栓副連接質量的信心了呢?

3、 如果二次緊固螺栓,其力矩法中的扭矩係數是否需要調整呢?

這篇文章著重探討上述的第3點,即:重複使用螺栓對力矩係數(扭拉關係)的影響。在許多應用中,這一點是決定螺栓是否能夠重複使用的關鍵。

在絕大多數螺栓緊固中,螺栓預緊力(軸力)都是被間接控制的,譬如:力矩法。扭拉關係中巨大的不確定性存在於螺母端面和螺紋處的摩擦係數。即便使用同樣的力矩值,任何對於摩擦係數的改變都會對螺栓軸力有著巨大的影響。

螺栓副的有效性是由其螺栓的軸力所決定的。在大多數情況中,螺栓的軸力是靠力矩來間接控制的。此力矩要麼從試驗中獲得,要麼從試驗加計算的方式獲得。無論使用何種方式,所得出的力矩值通常都是為了初次緊固螺栓而定的。

當螺栓被緊固時,齧合的接觸面在高應力的條件下互相摩擦、滑動。這通常會在螺母端面、被夾持物表面、螺紋接觸面上帶來一定程度的損傷。

當螺栓被再次緊固的時候,這種損傷會變得更加惡劣,通常意義上,會導致摩擦係數的增大。因為摩擦係數的增大,對於一定的力矩,所帶來的螺栓軸力就會降低。

螺栓多次使用的問題…

緊固10次後的螺紋表面

螺栓多次使用的問題…

緊固5次後的螺紋表面(放大50倍)

為了評估螺栓重複使用對扭拉關係的影響,我們組織了一系列試驗,所採用的樣本為M12的鍍鋅螺栓。試驗是在完全受控的條件下進行的,電鏡也被用來研究多次緊固螺栓其螺紋齧合處表面的情況。上面圖片(50倍放大)顯示的是在十次緊固後的螺紋情況;可以看到鋅已經成雪花狀分佈在表面上;這種磨損在螺栓初次緊固後就發生了,會隨著後續的多次緊固而越來越惡化。對於五次緊固的螺紋,放大500倍看看,圖片已經顯示螺紋表面已經出現開裂現象,磨損的碎末如下圖所示。

螺栓多次使用的問題…

在螺紋表面的鍍層鋅的碎屑(放大500倍後)

對於初次緊固,電鍍鋅的螺紋會帶來一個比較高的摩擦係數(介於0.2至0.3之間)。如同前面所論述的那樣,磨損情況會影響摩擦,也就是說,更嚴重的磨損會帶來更高的摩擦係數。當表面發生磨損的時候,摩擦係數會增大。在系列實驗中,我們發現十次重複緊固後的螺栓,其摩擦係數已經比初次緊固的摩擦係數大了一倍。其最直接的影響就是:在固定力矩設定值的條件下,螺栓軸力只是原來的一半了。螺栓軸力和力矩之間及螺栓重複使用次數的關係,參見下圖。

螺栓多次使用的問題…

初次緊固和第10次緊固的扭拉關係

減小摩擦係數,就意味著減小磨損率。當螺栓被重複使用的時候,非常建議通過試驗的方式確定每次緊固的力矩值。通過增加潤滑可以減小摩擦係數,而獲得一個相對穩定的扭拉關係。可是,就算是使用了潤滑劑,磨損也不能完全避免,依舊建議通過試驗來確定每次使用的力矩值。系列試驗使用了很多種潤滑劑,以來研究它們對多次使用螺栓的扭拉關係所存在的影響,參見下圖:

螺栓多次使用的問題…

潤滑劑對於螺栓多次使用扭拉關係的影響

通過上圖可以清楚地看到:在固定力矩下重複使用螺栓對螺栓軸力的影響。在一些關鍵部位、關鍵應用的螺栓,重複使用螺栓會帶來嚴重的後果。


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