選煤機械設備螺栓斷裂的原因分析及防松措施

么 雷，王鑫才，魏松陽，方 玥

(北京國華科技集團有限公司，北京 101300)

螺栓是選煤廠機械設備、管道及非標設備上最為常用的緊固件。螺栓松動問題也一直是機械設計和生產中長盛不衰的話題，螺栓松動往往會引起設備振動異常、部件損壞、壽命縮短，更嚴重還會導致人員傷亡。一般情況下，螺栓的材質、擰緊力矩、強度以及疲勞強度會成為分析者判定螺栓斷裂的主要原因。實際上，螺紋連接的松動才是螺栓斷裂的真正原因，進一步說是由于松動而被折斷的。本文在設定螺栓材質沒有問題的前提下，對螺栓斷裂的原因進行簡要分析，為進一步提高設備可靠性及使用壽命提供技術支持。

1 螺紋連接擰緊力矩的計算和預緊力的控制

1.1 擰緊力矩的計算

為了增強螺紋連接的可靠性，螺紋連接安裝于機械設備上時都需要預緊。就螺栓連接而言，其擰緊力矩T需要克服以下2種力矩，一是螺紋連接副的阻力矩T1，二是螺母與被連接件間的端面摩擦力矩T2。

擰緊力矩的計算式為：

T——擰緊力矩，N·mm；

d——螺紋公稱直徑，mm；

F′——預緊力，N；

d2——螺紋中徑，mm；

φ——螺紋升角；

ρv——螺紋當量摩擦角，ρv=arctanμv；

μv——螺紋當量摩擦因數；

μ——螺母與被連接件支撐面間的摩擦因數；

d0——鉸制孔螺栓受剪處直徑(螺栓無螺紋或光桿處直徑)，mm；

Dw——六角螺栓的六角頭內切圓直徑，mm。

擰緊力矩如圖1所示，預緊連接結合面的摩擦因數μ值見表1，擰緊力矩系數K見表2。

圖1 擰緊力矩示意

表1 預緊連接結合面的摩擦因數μ值

表2 擰緊力矩系數K

一般來講，K值主要取決于2個摩擦副的摩擦因數μv和μ。例如：對于M12～M64的普通粗牙螺紋，其μv=0.10～0.20，選取μ=0.15，則擰緊力矩系數K在0.1～0.3范圍內變動。

對標準螺栓來說，尺寸大小對K值的影響是很小的。為了進一步簡化，一般機械中常假設μv=μ=μ′(此條件常近似符合工程實際)，這樣擰緊力矩的公式可簡化為如下形式：

一般標準六角螺栓

K=1.25μ′

則，擰緊力矩

T=1.25μ′F′d

(2)

小六角螺栓或圓柱頭內六角螺釘

K=1.2μ′

則，擰緊力矩

T=1.2μ′F′d

(3)

1.2 預緊力的控制

預緊力的大小需根據螺栓組受力的大小和連接的工作要求決定。設計時首先保證所需的預緊力，又不應使連接結構的尺寸過大。一般規定擰緊后螺紋連接件預緊應力不得大于其材料的屈服點σs的80%。

對于一般連接用鋼制螺栓，推薦的預緊力F′計算式如下：

碳素鋼螺栓

F′=(0.6～0.7)σsAs(N)

(4)

合金鋼螺栓

F′=(0.5～0.6)σsAs(N)

(5)

式中：σs——螺栓材料的屈服點，MPa；

As——螺栓公稱應力截面積，mm2；

式中：d1——外螺紋小徑，mm；

d2——外螺紋中徑，mm；

d3——螺紋的計算直徑，mm；

H——螺紋的原始三角形高度，mm。

對于重要的螺紋連接，必須有一套控制和測量預緊力的方法，常用的控制方法如下。

(1)經驗法，即靠操作者在擰緊螺栓時的經驗控制擰緊力，如擰緊4.6級螺栓時施加在扳手上的擰緊力F如表3所示。該方法最經濟簡單，一般認為對有經驗的操作者，誤差±40%，用于普通的螺紋連接。

表3 人工擰緊4.6級螺栓時施加在扳手上的擰緊力F及操作經驗

(2)力矩法。用力矩扳手或定力矩扳手控制預緊力。采用該方法費用較低，一般誤差±25%。若表面有涂層、支撐面，螺紋表面質量較好，力矩扳手示值準確，則誤差可顯著減小，有潤滑情況的控制效果較好。

(3)測量螺栓伸長法。該法適用于螺栓在彈性范圍內時的預緊力控制，誤差在±3%～±5%，操作繁瑣，費用高，用于特殊需要的場合。

(4)螺母轉角法。采用此法，需先把螺栓副擰緊到“緊貼”位置，再轉過角度θ，誤差在±15%。螺栓預緊達到預緊力F′時，所需的螺母轉角θ由下式求得：

式中：P——螺距，mm；CL——螺栓的剛度，N/mm；

式中：EL——螺栓材料的彈性模量，MPa；

A——螺栓光桿部分截面積，mm2；

AS——螺栓的公稱應力截面積，mm2；

L1、L2、L3如圖2所示，鋼螺栓與鋼螺紋孔L3=0.5d；鋼螺栓與鑄鐵螺紋孔L3=0.6d。

圖2 螺栓剛度計算所用結構示意

(5)液壓拉伸法。用專門的液壓拉伸裝置拉伸螺栓，使其受一定軸向力，擰緊螺母后，除去外力即可得到預期的預緊力。

2 抗拉強度對螺栓斷裂的影響分析

如表4所示，螺栓的最小拉力載荷大約是其自身質量的10萬倍。實際使用中，一般只會用它緊固幾十千克的零部件，也就是說，只使用了其最小拉力載荷的幾百分之一或千分之一。因此，對于螺紋緊固件而言，其抗拉強度是綽綽有余的，不可能因為螺栓的強度不夠而導致螺栓斷裂。即，螺栓斷裂的原因不是由于螺栓的抗拉強度不夠造成的。

表4 螺栓M20x80的參數

3 疲勞強度對螺栓斷裂的影響分析

在螺紋緊固件的橫向振動試驗中，螺紋產生松動只需振動幾百次，而在疲勞強度試驗中卻需要反復振動幾百萬次。換言之，螺紋緊固件在使用過程中產生松動時，其疲勞強度僅使用了萬分之一，所以說螺紋緊固件松動的原因也不在于螺栓疲勞強度。即，螺栓斷裂的原因不是由于螺栓疲勞強度造成的。

4 螺紋緊固件損壞的原因分析

表5說明螺紋緊固件損壞的真正原因是松動。

表5 不同受力方式的螺紋緊固件松動后被破壞的現象及原理

5 螺紋緊固件松動的原因分析

螺紋連接的自鎖條件是螺紋升角不大于當量摩擦角。連接用螺紋在受靜載荷作用時，即使潤滑條件很理想，其摩擦角也始終大于升角，滿足螺紋自鎖條件，螺紋緊固件也就不會自行松轉。但是在沖擊、振動、變載荷下、高溫或溫度變化較大時，螺紋緊固件與被連接件之間的摩擦力會瞬時減小或消失，這種現象若反復出現，連接就可能松動。此時，螺紋連接發生自行松轉。若干次的振動循環耗盡了螺紋連接的防松摩擦阻力，使其從初始的松轉直到完全的松脫。

6 螺紋防松原理及常用的防松方法

螺紋連接防松的基本原理是防止螺紋副的相對運動。螺紋常用的防松方法大致可分為3種：增大摩擦防松、機械固定件鎖緊防松、破壞螺紋運動副關系防松。增大摩擦防松和機械固定件鎖緊防松為可拆卸防松，而破壞螺紋運動副關系防松為不可拆卸防松，也稱永久防松。

6.1 常用增大摩擦防松方法

常用增大摩擦防松方法如圖3所示，包括彈簧墊圈、鞍形彈簧墊圈、波形彈簧墊圈、錐形鎖緊墊圈、雙螺母、鎖緊螺母等。

圖3 常用增大摩擦防松方法

(1)彈簧墊圈、鞍形彈簧墊圈、波形彈簧墊圈的防松原理及特點：依靠擰緊螺母，把彈簧墊圈壓平之后所產生的縱向彈力及彈簧墊圈與被連接件的支撐面間的摩擦力來起防松作用。該防松方法結構簡單、成本低廉、使用方便。

(2)錐形鎖緊墊圈的防松原理及特點：依靠齒被壓平產生的回彈力，以及齒與連接件和支撐面產生的摩擦力來起鎖緊作用。強度較低的齒一般適用于小規格、低性能等級的連接；強度較高的齒可適用于較大規格及性能等級較高的連接。

(3)雙螺母的防松原理及特點：兩個螺母對頂擰緊，使螺栓在旋合段內受拉而螺母受壓，構成螺紋連接副的縱向壓緊。該方法結構簡單、成本低廉、重量較大。

(4)鎖緊螺母的防松原理及特點：鎖緊螺母包括全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母，對螺母頂部結構進行收壓變形或嵌件處理，當螺栓螺紋旋入旋出其變形或嵌件部位時，螺紋或嵌件產生的變形及彈性變形力對螺栓螺紋起干涉作用，產生阻止旋轉松動的摩擦力矩而達到鎖緊的目的。該方法結構簡單、防松性能好，具有較高的承載能力和使用壽命。

6.2 常用機械固定件鎖緊防松方法

常用機械固定件鎖緊防松方法如圖4所示，包括螺栓桿帶孔和開槽螺母配開口銷防松、止動墊圈防松、鋼絲串接防松等。

圖4 常用機械固定件鎖緊防松方法

(1)螺栓桿帶孔和開槽螺母配開口銷的防松原理及特點：利用開口銷固定螺母位置進而阻止螺紋副的轉動。該方法防松可靠，多用于變載、有振動場合連接處的防松。

(2)止動墊圈的防松原理及特點：利用單耳或雙耳止動墊圈把螺母或釘頭鎖緊。該方法防松可靠，用于連接處有容納彎耳空間的場合。

(3)鋼絲串接的防松原理及特點：用低碳鋼絲穿入一組螺栓頭部的專用孔后使其相互制約。該方法防松可靠，需要注意鋼絲的纏繞方向必須正確(圖4為右旋螺紋螺栓的纏繞繞向)。

6.3 常用永久防松方法

常用永久防松方法如圖5所示，包括鉚接防松、沖點法防松、粘結防松、點焊防松等。

圖5 常用永久防松方法

(1)鉚接防松的原理及特點：需拉鉚釘專用設備，在單向力的作用下，拉伸鉚釘并推擠套環，將內部光滑的套環擠壓到鉚釘螺紋的凹槽，使套環和鉚釘形成100%的結合，產生永久性緊固力。該方法連接可靠、抗振、耐沖擊、操作勞動強度較大、噪聲較大。

(2)沖點法防松的原理及特點：利用沖點使螺紋發生變形，限制螺紋連接副的轉動。但如果所承受的旋轉力矩足夠大，使沖點處再發生變形，螺紋副還是可以旋轉的，此時就會失去防松作用，螺紋也會受到一定程度的損傷。

(3)粘結防松的原理及特點：借助粘結劑來限制螺紋連接副的轉動。該方法簡單、經濟、有效，其防松性能與粘結劑的選擇直接相關。

(4)點焊防松的原理及特點：利用焊接對螺紋連接副進行破壞，并將螺紋連接件進行焊接固定。此方法操作簡單、防松可靠，但點焊防松為破壞性防松，需慎重選用。

選煤廠振動設備上的緊固件受振動影響極易松動，由于設備結構性要求，防松方法各不相同。如振動篩上激振器使用雙螺母防松、橫梁使用鉚接防松、激振器上軸承壓蓋使用雙耳止動墊圈防松、防護罩及中間傳動軸的連接使用鎖緊螺母防松，在此不再過多舉例。掌握了增大摩擦防松、機械固定件鎖緊防松、破壞螺紋運動副關系防松3種防松方法的原理及特點，防松方法的選用就會變得輕而易舉。

7 結 語

在設定螺栓質量沒有問題的前提下，對造成螺栓斷裂的原因進行了簡要分析，得出了螺栓斷裂絕大多數情況都是因為螺紋連接松動而斷裂的結論，具體是由于松動而被折斷，并非螺栓的擰緊力矩、螺栓的強度、螺栓的疲勞強度等方面因素造成。也進一步對螺紋連接擰緊力矩、預緊力的控制、螺紋防松原理及常用防松方法進行了簡單介紹，可為進一步提高設備可靠性及使用壽命提供技術支持。