关于垫圈及弹簧垫圈使用方法及误区分析

关于垫圈及弹簧垫圈使用方法及误区分析

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在一些重载场合,经常会出现过螺栓把垫圈压碎的情况,然后就想选用高强度垫圈,但是螺栓联接副必须选用相适用等级的螺栓、螺母和垫圈,这条原则是必须遵守的。

一、高强垫圈选用

平垫圈的作用一是增加支撑面积,防止损伤零件表而;二是结构要求(如长孔),便于联接。因此,在高强螺栓大预紧力联接中有时为了防止承压面的破坏,在联接中使用平垫圈。

在《GB/T 1230钢结构用高强度垫圈》弹垫中,它的应用参照《GB/T 3632-2008钢结构用扭剪型高强度螺栓联接副》,属于结构钢用螺栓联接副标准之一,只用12mm-30mm几种规格,标准明确适用范围是”本标准适用于GB/T 1228《钢结构用高强度大六角头螺栓》配套使用的钢结构摩擦型高强度螺栓联接副”,应该更适用于建筑、桥梁行业。

还有一种《GB/T 18230.5-2000 栓接结构用平垫圈 淬火并回火》,是一种大六角螺栓联接副用垫圈,也有自己相适用的螺栓、螺母。

至于JB/ZQ 4080,属于机械部重型标准,现在已经不太实用了,此处不考虑。

既然垫圈需要相匹配,其实不用满天下到处找,常用的《GB/T 5783六角头螺栓 全螺纹》对应的《GB/T 97.1-2002平垫圈 A级(ISO 7089:2000,EQV)》其实是按硬度等级分为200HV和300HV级,使用注意事项见下图节选标准内容

关于垫圈及弹簧垫圈使用方法及误区分析

可见我们既然螺栓和螺钉都选用12.9级,自然必须使用300HV的垫圈,硬度范围300HV~370HV,标记方式:垫圈 GB/T 97.1-8-300HV,标记方式可参考标准GB/T 1237-2000,截图如下:

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同时螺母也必须使用相应等级,《GB/T 6170 Ⅰ型六角螺母》材料为钢性能等级分为:6、8、10, 10螺母标记:螺母 GB/T 6170-M12-10,参照标准如图:

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在螺栓联接副中,如果发生事故,人们希望螺栓先失效,这样可以预先观察到,如果螺母失效这样事故就是突然的,所以现有螺母标注等同国际标准ISO4032,是对德标DIN934的改良,强度都是加强的,比螺栓强度等级高一级,这也说明我们选用螺母等级的重要性。

依据以上标准规定,12.9级螺栓或螺钉,必须匹配300HV垫圈和10级螺母,选用是必须明确标示(国标对标记规定比较简略,现有国标大多等同采用ISO标准,国际标准对标记方法有更明确规定,基本类似GB/T 1237。)

二,弹簧垫圈作用

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弹簧垫圈是一种使用非常广泛的机械零件。一般说来它有两方面的功能:一方面是有利于提高联接的疲劳强度,另一方面是有利于联接的防松。迄今为止,有关采用弹簧垫圈有利于疲劳强度的观点只有定性的或者图解形式分析,未见解析证明。而对它的防松功能,越来越多的人也提出了异议。有人基于实验数据,提出了采用垫圈不但不能起到防松作用,反而更易松动的观点。也有人通过建立弹簧垫圈的螺栓联接力学模型,对螺栓联接进行了受力分析,对弹簧垫圈的功能进行了定量分析,得出了”采用弹簧垫圈能提高联接的疲劳强度,但不利于联接的可靠性以及防松”的结论[唐进元 弹簧垫圈功能分析]。

弹簧垫圈依靠弹力及其切口尖角的嵌入起到防松的作用,但由于弹力不均,也不十分可靠,多用于不甚重要的联接,对联接表面不允许划伤和经常拆卸的场合不宜选用。

用力矩法控制预紧力时,防松元件的使用可能使预紧力出现较大的损失,而预紧力的损失,又增加了松动的可能,所以,在一定条件下可以省略防松元件。

在螺栓承受轴向载荷的条件下,对8.8级及其以上的螺栓,其夹紧长度大于螺纹直径的3倍时,可以不采用防松元件。因为在这种情况下,如能比较准确的控制预紧力,即使承受冲击载荷时,一般还能保证足够的剩余预紧力,以阻止螺栓松动。

具体到螺栓类型可参考如下:

高强度螺栓(摩擦型)要施加预拉力,加弹簧垫圈后不利施加预拉力;高强度螺栓在预紧力矩下产生的摩擦力足够防松,所以也不需要额外措施防止松动。故高强度螺栓不应该加弹簧垫圈。

普通螺栓:需要保证螺栓的张紧力从而防止螺栓松动。联接板和螺母之间加弹簧垫圈防松。在螺母施加预紧力后,垫圈被压平而产生弹性反力,使旋合螺纹间压紧,增大摩擦力防松。但是由于弹力不均,在运营过程中,发生的振动冲击载荷,使垫圈的防松效果变的很差,一般用于不甚重要的联接。

查阅弹垫的出处,DIN 127,对于弹垫的使用范围有明确的说明,而在国标中却省略了,如图

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译文:1.应用范围和场合

本标准规定的弹簧垫圈,设计适用于强度等级5.8及以下等级的螺栓连接中,或者是ISO898部分1的明确规定使用的场合。弹垫目的是为了防松(见DIN267第26部分)。在承受交变径向载荷作用时防松效果无效,设计适用于螺栓连接距离较短的情况

通过查找一些文献,即从防松角度讲,螺母下加弹簧垫圈不如加平垫圈,加平垫圈不如不加垫圈[李景林 弹簧垫圈防松]。

弹簧垫圈虽然比较普遍的应用在防松领域,但是实际上防松效果非常不理想,英国螺栓科技公司做过实验,在有横向振动的情况下,加弹簧垫圈的螺母比单独使用螺母松动更快[比尔·伊克赛斯博士 螺母和螺栓为何会松动]。

所以,采用弹簧垫圈来解决高强度螺栓的松动是一种错误的方法。可考虑取消用弹垫或采用其它摩擦或机械式防松措施。

弹垫可用于不重要场合的放松,高强连接不要指望弹垫达到放松效果。

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