非金屬墊片對螺栓軸力衰減影響的研究

葉飛

摘要：由于非金屬墊片硬度較低，有一定的回彈性，影響螺栓連接的可靠性，本文通過螺栓緊固的兩連接件之間裝配有無非金屬墊片，從墊片厚度與數量、擰緊力矩及有無彈性墊片等方面分析了非金屬墊片可能對螺栓軸力衰減的影響。

Abstract： Because the hardness of the non-mental gasket is low and the non-mental gasket have some resilience，it will inpact the reliability of the bolt connection. The paper introduced the impact of the non-mental gasket from the thickness， the number， tightening torque and elastic washer.

關鍵詞：非金屬墊片;軸力;衰減

Key words： non-mental gasket;the axial force;decrease

0 ?引言

螺栓連接是工程中最常用的連接方式之一，具有受力性能好、耐疲勞、搞震性能好、連接強度高、施工簡便、可換等優點[1]，但由于經常處于振動與交變負荷下極易產生松脫失效[2]，在發動機的結構中，由于對密封具有一定的要求，非金屬墊片較為普遍應用在螺栓連接中，而在發動機的試驗過程中，也經常會由于螺栓軸力的衰減而導致漏氣漏油等故障，因此，針對非金屬墊片對螺栓軸力的衰減的影響進行試驗研究具有重要意義。

1 ?非金屬墊片的密封原理

非金屬墊片密封是靠外力壓緊密封墊片，使其本身發生彈性變形或塑性變形，以填滿密封面上的微觀凹凸不平來實現，就是利用密封在面上的比壓使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的介質壓力差來實現密封。

墊片密封性能完全依靠理論預測很難真實反映介質通過墊片的復雜泄漏現象，墊片的泄漏一般分為兩種：參透泄漏和界面泄漏。由于材料的更新換代，使得密封材料的性能越來越好了，滲透泄露已不再是問題，絕大多數是界面泄漏[3]，而要減少泄漏故障，首先要求先夾緊墊片，同時要求墊片有一定的回彈力以回彈填滿空隙，理論上，螺栓的預緊力越大，墊片中貯存的彈性應變能也越大，因而補償能力也就越大。因此，螺栓軸力或預緊力是影響墊片密封的重要因素。

2 ?試驗方案

針對在發動機密封面使用的非金屬墊片有不同的厚度，部分位置的螺栓也采用彈簧墊圈配合使用，螺栓需要穿過兩層密封墊，將螺栓單一螺栓空過的墊片數量也作為一個研究因子。

綜上所述，需要考慮的研究因素有：①不同厚度的無石棉墊;②不同螺栓裝配力柜（M8螺栓）;③有無彈簧墊圈;④不同個數的非金屬墊片。

按不同的試驗方案，擰緊螺栓，測量計算得出螺栓的軸力，測量時間分為：裝配完后，5min后，10min后，15min后，20min后，25min后。

根據之前考慮的不同因子設計需要進行的試驗如表1所示。

其中試驗1、2、3對比分析研究不同厚度墊片對螺栓軸力衰減的影響，試驗1、4、5對比分析可研究不同力矩對螺栓軸力衰減的影響，試驗1、6對比分析有無墊片對螺栓軸力衰減的影響，試驗1、7和試驗2、8對比分析有無彈簧墊片對螺栓軸力衰減的影響，試驗1、9對比分析多層墊片和單層墊片對螺栓軸力衰減的影響。

根據試驗方案，制作工裝，試驗所采用的工裝法蘭厚度為8mm，如圖1所示，圖2和圖3分別為單層墊子和雙層墊子試驗工裝示意圖。

3 ?試驗數據分析

試驗測得的各位數據如表2。

將各個試驗的裝配軸力與剩余軸力進行對比分析，如圖4所示。

3.1 時間對螺栓軸力的影響

根據表2中的數據，螺栓軸力隨時間的變化如圖5所示。

從圖5可以清晰看出，螺栓在裝配完成后15min內衰減最快，之后趨于穩定，而針對螺栓發生松脫，軸力變為0的情況，應于發動機運轉過程中振動對其影響有很大關系，從圖5中可以看出不同試驗中裝配完成后螺栓軸力的衰減率不同，通過此次研究可以選擇出這段時間內衰減率最低的方案。從零部件及裝配方面控制螺栓軸力衰減率。

3.2 非金屬墊片對螺栓軸力衰減的影響

對比分析試驗1、6的最終螺栓軸力的衰減率，如圖6所示。

從圖6可以看出，不裝非金屬墊片，螺栓軸力最終衰減為14%，裝非金屬墊片，螺栓軸力衰減率達21.29%，較不裝墊片多衰減50.7%，可以說明裝配非金屬墊片對螺栓軸力有較大影響。

3.3 非金屬墊片厚度對螺栓軸力衰減的影響

對比分析試驗1、2、3的最終螺栓軸力的衰減率，如圖7所標。通過對比分析可以發現2mm墊片對應的螺栓衰減最大，剩余軸力也最小，1mm墊片對應的螺栓軸力衰減率最小，剩余軸力最大。1.5mm墊片對應螺栓多衰減16.2%，2mm墊片對應螺栓多衰減83.5%，說明在相同的力矩下，越厚的非金屬墊片對于螺栓輛力的衰減影響越大，越薄的墊片剩余軸力值也越大。

3.4 不同力矩對螺栓軸力衰減的影響

對比分析試驗1、4、5最終螺栓軸力的衰減率，如圖8所示。

從圖8可以看出相同厚度墊片，不同力矩的螺栓軸力衰減率不同，30Nmr螺栓軸力衰減率最低，25Nm擰緊螺栓軸力衰減率多衰減2.5%，而20Nm擰緊力知衰減率較30Nm多衰減47.2%，可以說明擰緊力矩越大，衰減后的剩余軸力越大，在保證墊片不發生壓潰的情況下，對于密封可能性更好。

3.5 彈簧墊圈對螺栓軸力衰減的影響

對比分析試驗1、7的螺栓軸力衰減率，如圖9所示。

從圖9可以看出，裝有彈簧墊圈的螺栓軸力衰減率為16.67%，要明顯低于未裝彈性墊圈的21.29%，未裝彈性墊圈比裝彈性墊圈多衰減27.7%，可以說裝配彈性墊圈對抑制螺栓軸力衰減具有一定作用。

3.6 多層非金屬墊對螺栓軸力衰減的影響

對比分析試驗1、7的螺栓軸力衰減率，如圖10所示。

從圖10可以看出，同一螺栓緊固兩個非金屬墊片的螺栓軸力衰減率達到31.94%，而螺栓緊固單一墊片的軸力衰減率為21.29%，二者相比，雙層墊子多衰減50%，可以說明單一螺栓緊因的非金屬墊片越多，螺栓軸力衰減的越明顯。

4 ?結束語

綜上所述：①螺栓軸力衰減是正常現像，剛性連接也會有一定的衰減，而非金屬墊片會使得螺栓軸力的衰減量增大，相比剛性連接會多衰減50.7%。②螺栓軸力衰減主要發生在裝配完成后的很短的一段時間內（30min之內），螺栓短時間內衰減較快，之后趨于平緩。③不同厚度的非金屬墊對螺栓軸力衰減的影響不同，越厚的墊片，螺栓軸力衰減越大。④在確保非金屬墊片不被壓潰破壞及螺栓可承載的前提下，螺栓力矩越大，螺栓軸力殘余值越大，對密封和緊固更有利。⑤單一螺全緊固多層非金屬墊片，墊片數量越多，螺栓軸力衰減越大。

參考文獻：

[1]張明遠.微粒子噴丸對螺紋緊固抗松動性能影響研究[D]. 成都：西南交通大學，2015.

[2]王勝霞，竇松柏，李艷萍，等，螺栓連接失效分析[J].失效分析與預防，2009，4（4）：225-228.

[3]謝蘇江.壓縮非石棉密封板材蠕變松弛性能的理論和試驗研究[D].武漢：武漢工程大學，2018.