螺栓非正常断裂类型及原因分析

机器或钢结构件是由许多个零件和部件组成,这些零件和部件绝大部分是通过螺纹紧固件连接在一起的。一旦紧固失效将造成机器失灵,严重者甚至出现人员伤亡事故。由于紧固失效的常见性和潜在的严重性,所以我们应认真仔细地分析并找出紧固失效的原因,采取纠正措施,以杜绝紧固失效的发生。紧固失效有两种,一种是螺栓断裂,被紧固零件瞬间分离,这种失效往往会造成严重的后果;还有一种是螺纹副松动和螺栓或螺母滑牙,被紧固零件出现一定范围的相互位移,造成机器部分功能失常。人们发现,及时采取措施可以避免事故的发生。如因未发现任其继续发展,螺栓和螺母终将分离,同样会引发重大安全事故。紧固失效后直观现象是螺栓断裂或螺母与螺栓分离,因此人们一般认为螺栓断裂是螺栓质量有问题,螺母松动是螺母质量不好。大家往往忽略了设计和安装中的问题。本文主要从设计和装配的角度进行螺栓断裂分析。 

一、剪切断裂:

剪切断裂出现在螺栓只受预紧力的连接中(见图1)。剪切断口出现在螺栓杆部,位于两个被紧固零件的结合面处(见图1),断口有小面积的平整光亮剪切面。出现剪切断裂有下列原因:

螺栓非正常断裂类型及原因分析

①、 设计原因:

⑴ 被紧固零件的结合面间摩擦系数太小或螺栓规格不够大造成预紧力F'不够,即:fF'<F ( f-结合面间的摩擦系数 )此时结合面间摩擦力小于横向工作载荷F,被紧固零件出现相对滑移,螺栓承受孔壁的挤压,当挤压力足够大时螺栓被剪切断。在运动部件上因冲击力更大,所以出现的可能性也更大。为了避免这种现象的发生,在设计上可以采用减载件和台阶来承受横向载荷,使螺栓仅起纯连接作用(见图2)。

⑵ 在振动工作环境下工作零件的紧固,未采用具有防松功能的紧固件。在工作一段时间后,紧固件螺纹副出现松动,螺栓夹紧力(预紧力F')下降,此时也将发生上述同样的结果。为了避免因松动而造成紧固失效,设计时应采用具有防松功能的紧固件,如美国施必牢防松螺母、有效力矩螺母。

②、装配原因:

装配时预紧扭矩过小,造成预紧力不够,即F'小,出现上述同样的结果。螺纹紧固件安装时的紧固力矩在钢结构设计、施工和发动机装配上作为一个重要的工艺指标被严格执行。

而在其它行业就常被设计和施工单位疏忽,或是根本就无此概念。笔者在实际工作中常见到螺纹连接失效的实例,究其原因,实际上许多都是因安装扭矩不合适而造成的松脱和螺栓拉断。

螺栓和螺母组成的螺纹副在紧固时,紧固力是通过旋转螺母或螺栓(通常是螺母)而获得的,紧固力与旋转螺母所用的扭矩(安装扭矩)成正比,为了保证达到设计所需的紧固力,就要在工艺文件中规定安装扭矩,并在实际施工中贯彻实施。

安装扭矩通过下式计算确定:

M = KPD

M — 安装扭矩,Nm

K — 扭矩系数

P — 设计期望达到的紧固力,KN

D — 螺栓公称螺纹直径,mm

紧固力一般在设计上选取螺栓屈服强度σs的6 0 ~80%,安全系数约为1.2以上,不同螺纹规格和强度(机械性能)螺栓的屈服载荷可在GB/T3098.1中查取。

扭矩系数是由内外螺纹之间的摩擦系数和螺栓或螺母支撑面与被紧固零件与紧固件接触的承压面的摩擦系数综合而成。它与紧固件的表面处理、强度、形位公差、螺纹精度、被紧固零件承压面粗糙度、刚度等许多因素有关。

其中表面处理是一个关键的因素。不同的表面处理,其扭矩系数相差很大,有时相差近一倍。例如:同螺纹规格,同强度的螺纹副,表面处理为磷化时,扭矩系数约为0.13~0.15,而表面处理为发黑时,扭矩系数可达0.26~0.3。从上式中可知,用同样的安装扭矩安装磷化和发黑的紧固件,其产生的紧固力可能会相差近一倍。

扭矩系数需通过试验获取。紧固件制造商在其产品表面处理时,应严格控制工艺参数,以保证每批产品扭矩系数的统一。紧固件使用方不要轻易更改紧固件的表面处理要求,以免因扭矩系数的变化而出现紧固不够或螺栓拉长或拉断的事故。

二、疲劳断裂:

螺栓非正常断裂类型及原因分析

疲劳断裂也是螺栓常出现的质量问题。疲劳断裂大部分与螺栓的制造有关,如头下圆角过渡处不平滑有折点,螺纹牙底不圆滑,杆部的表面缺陷等因素。但是,我们也不要忽略了装配不当引发安全事故的原因。例如汽车车轮螺栓,装配简图(见图3),设计中车轮螺栓仅承受轴向力(预紧力)而不承受横向力(径向力)。如果螺母紧固扭矩值不够,就会造成紧固力不够,车轮轮毂与半轴结合面之间摩擦力不够,车轮轮毂与半轴产生滑移。当车轮螺栓随轮转动到近地位时(见图4a)螺栓杆部A侧受轮毂螺栓孔壁向B侧的压力,当车轮螺栓随轮转动到远地位时(见图4b)螺栓杆部B侧受轮毂螺栓孔壁向A侧的压力。

随着车轮的高速转动,车轮螺栓就承受着径向高频交变载荷,当交变载荷循环到一定次数时,疲劳断裂就会发生。因此,在车辆运行一段时间后,车轮螺栓发生断裂,分析人员应首先查看断口,初步断定是否疲劳断裂,再进行下一步的分析。

三、过载断裂:

过载断裂是指螺栓所承受的轴向载荷大于螺栓强度所允许载荷时螺栓的断裂。因为螺栓螺纹部位应力面积小,应力较杆部大,所以过载断裂一般发生在螺纹部位。该种断裂可从断裂部位的外形初步判断。8.8级螺栓可发现断裂部位有明显的缩颈现象;10.9级螺栓也可发现断裂部位有缩颈现象,但无8.8级螺栓明显;12.9级螺栓几乎没有缩颈现象。但是8.8级~12.9级螺栓如果因用材不当或热处理不当,其淬火不透芯部硬度没有达标,断口也将出现缩颈,所以,判断是否过载断裂时应注意下列两点:

  1. 对有缩颈现象的断口,应在断裂螺栓上取样,按GB/T3098.1要求检测和判断芯部硬度是否合格,如合格则可确定该螺栓断裂是过载断裂。
  2. 12.9级螺栓只有对断口进行金相分析才可判断其是否过载断裂,因为螺纹部位的表面缺陷和材料缺陷也可造成螺纹部位的断裂。

过载断裂一般出现在受轴向载荷的螺栓连接中,主要有以下三个原因:

  1. 安装时紧固扭矩太大,预紧力超过了螺栓的强度。在安装时即可发现。
  2. 安装时紧固扭矩过大,预紧力接近螺栓的强度,因为机器运行时螺栓除受残余预紧力外还要承受工作载荷,两力之和如果大于螺栓的强度则就出现过载断裂。而残余预紧力与预紧力是有关联的,在工作载荷一定的条件下,预紧力越大残余预紧力也越大。
  3. 设计时选用的螺栓螺纹公称直径不合适。

四、安装不当造成的螺栓断裂

偏载造成的螺栓断裂图5是在安装时发生的断裂钢轨用断裂的高强度接头螺栓样件。从图6~图8螺栓头部实物照片上可以看出螺栓支撑面上有月牙形受力承载痕迹,其面积只有支撑面的1/4~1/3,示意图见图9。螺栓在靠近断口的杆部开始向头部承载痕迹反向方向弯曲(见图10)。

将对应的样件头、杆按断缝对接,螺栓杆部弯曲方向(见图11)。根据样件断口形状、头部支撑面承载痕迹及螺栓的弯曲方向可以断定,螺栓断裂是因为严重偏载造成的折断,偏载是由于被紧固连接板上与螺栓接触的平面处于斜置状态而造成。

螺栓非正常断裂类型及原因分析
图5
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图6
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图7
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图8
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图9
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图10

螺栓偏载有两种原因:

第一种是被紧固零件上与螺栓头部支撑面接触的接触面处于斜置状态造成偏载(见图12)。

第二种是螺栓自身的杆部弯曲(直线度)严重超标而造成偏载。

这两种偏载在支撑面实际承载部位与螺栓断口附近的杆部弯曲方向的相互方位是不一样的。本案例是第一种原因。如是第二种原因,则其实际承载部位就应为图12中的B侧,而不是A侧。

螺栓非正常断裂类型及原因分析
图11
螺栓非正常断裂类型及原因分析
图12

五、总 结

紧固件失效并不一定是紧固件本身的质量问题,一旦紧固件出现断裂和脱扣后,应按下四步过程处理:

  1. 用者应保管好试样,尽量保护好试样断口,避免其锈蚀。
  2. 根据断口形式、试样的外形、试样表面状况(是否有受力痕迹)和使用部位的工作情况,初步判断断裂原因。
  3. 送材料或热处理的专业人士进行材料金相分析,专业人士将根据断口上的信息择位取样进行金相分析。如试样金相符合规范,则说明产品没有质量问题,问题可能出在设计和安装环节;如试样金相不符合规范,则证明试样本身存在质量问题。
  4. 根据最终确定的原因,采取纠正措施,杜绝同类问题的再次出现。

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