高强螺栓防松技术在工程机械的应用

摘要：以山推推耙机为例介绍了高强螺栓在工程机械设备上的应用，对螺栓紧固松动原理进行了理论分析；通过现状调研找出螺栓松动的关键部位，并结合设备施工工况现状方面进行分析找出影响螺栓松动的主要原因；有针对性地阐述几种实用的防松工艺技术在工程机械设备应用的成功案例，有效控制了工程机械用高强螺栓的松动问题。

工程机械是装备工业的重要组成部分，品种繁多，广泛用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域，使用工况相当恶劣。通过对山推工程机械股份有限公司（下称山推）生产的推土机、道路机械、混凝土机械和装载机等系列产品进行分析，螺栓松脱频繁发生，为了避免由于螺栓松动、剪切所导致使用故障的高发生率，目前已把装配使用螺栓提升为高强螺栓10.9 级, 甚至是12.9 级，但在使用过程中螺栓松动现象仍时有发生。以山推推耙机为例，该设备广泛用于港口散装货物的清舱、平舱工作，作业中负荷变化剧烈, 变速和转向频繁，频繁与船舱碰撞致使螺栓松动的问题没有解决。

1 螺栓紧固原理分析

螺栓紧固主要是旋转螺栓或螺母使螺杆受张力拉伸，通过螺杆的伸长产生的夹紧力F 把连接件夹紧，如图1 所示，螺栓主要受轴向工作载荷，并通过研究人员试验发现在螺纹紧固所施的紧固力矩并不只是克服夹紧力，而是符合50-40-10 原理（图2），即通常90% 扭矩被摩擦力所消耗，仅有10% 用于夹紧力。所以在螺纹联接中，拧紧力矩是克服螺纹接触面的摩擦力矩、螺栓头( 螺母) 和支承面间的摩擦力矩以及联接件间产生的轴向预紧力的有效力矩之和，当拧紧力矩与它们摩擦力矩之和相等时，螺栓就开始松动。

2 现状调研及分析

通过对推耙机施工现场螺栓松动进行调研，发现螺栓松动的部位主要有翼板安装螺栓、外壳体安装螺栓、前机罩安装螺栓和发动机前支撑安装螺栓4 处，具体见图3 所示，经过分析频繁松动的螺栓均为承受动载荷部位，连接类型为硬连接螺栓和软连接螺栓2 类。

就推耙机螺栓松脱失效现象而言，主要受结构设计和生产工艺控制两方面起决定性影响，如：①部分部件螺栓安装设计不合理，导致连接件容易串动、碰撞引起螺栓松动甚至断裂；②螺栓安装位置母材材质太软造成螺纹强度不够，紧固时出现弹性变形影响夹紧力；③螺栓和螺纹加工精度不够，造成螺栓与螺纹配合精度不够；④装配过程中螺栓工艺不符合相关要求，导致安装不到位，螺栓拧紧力矩不够等等。

通过静态理论分析高强螺栓远满足工程机械紧固的需要，但当螺栓或被连接件受到振动、冲击和外力作用时，因为各个零件受力大小不同，有可能产生相对的位移，使各接触面的摩擦力由静摩擦力转变为动摩擦力，摩擦力较小，又因受力不均匀，形成了附加力矩合力作用，所以最终还是由于推耙机工况恶劣导致横向动载使螺栓在螺母内摇摆而产生的微量滑移引起的，故避免或减少动向载荷对高强螺栓和连接件的影响是我们防松的关键。

3 防松技术应用

研发人员对推耙机易出现螺栓松动的部位结构进行了优化，加强了螺栓质量控制和装配工艺优化，但效果不明显。通过对螺栓松动的机理深入分析，发现螺栓载荷的均匀性是螺栓是否松动的关键，均匀性取决于螺栓的锁紧方式，现结合国内外连接件防松研究成果和成功应用案例，并结合推耙机工况，阐述几种实用的螺栓防松措施。

3.1 铰制孔螺栓的应用

在工程机械设备上通常采用普通螺栓，其螺杆部分直径比安装孔径一般小0.5～1mm，它靠螺栓的预紧力防止被联接件的相对滑动和运动，当被联接件间有相对滑动时，预紧力便转化为摩擦力，防止其运动，因此需要较大的预紧力；铰制螺栓也能同时承受横向和轴向载荷，横向载荷的承受方法是靠螺栓本身的抗剪强度，防止其运动，因此只需要较小的预紧力，通过横向振动试验机试验也可以验证在同等规格铰制孔螺栓的横向承载能力远高于普通螺栓，而轴向承载能力和普通螺栓相同，所以受振动载荷的需要使用绞制孔螺栓，防止松脱现象发生，如图4 可以看出，铰制孔螺栓与孔壁是紧密贴合的，而普通螺栓与孔壁存在一定缝隙。

旋挖钻机为一种大型基础打桩设备，其动力头托架两侧面的高强紧固螺栓也是一种利用摩擦传力的结构，施工工况比推耙机恶劣数倍，动力头承受最大400kNm 的扭矩，受到频繁正反旋转动载冲击和较大振动载荷，自从采用更换为铰制孔螺栓（靠零件形状传力）以后，此关键部位的问题得到了彻底解决（图5），所以相似工况的推耙机发动机前支撑安装和外壳体等硬连接螺栓处宜采取此种方式进行防松处理，效果较好。

3.2 钢隔套的应用

工程机械在施工时工况较恶劣，普遍承受较大的冲击，高强螺栓松脱与产品结构设计能否吸收或缓冲频繁动载有密切的关系，若结构设计变更困难的情况下，在螺栓紧固时增加螺杆钢隔套即可有效地提高螺栓抗冲击能力，并通过增加螺栓长度，达到增加总弹性变形量的目的，依靠变形量来抵消载荷冲击，保证必要的预紧力，防止高强螺栓的松动（图6)。

钢隔套通常材质为20 钢或45 钢，要求较高的采取40Cr，普遍采取调质热处理，其设计原理为L=(1.25 ～ 2.5)×d，D=(0.9 ～ 1.2)×e

其中，L 为隔套长度；d 为螺栓公称直径；D为隔套外径；e 为螺栓头直径。内径按连接件光孔直径即可，使用方法为：

①单边使用，在螺栓头一侧与连接件面接触；②双面使用时隔套的长度可按较短要求设计，与连接件面直接接触，也可采取平垫圈配合使用，方便螺栓的预紧实施，在推耙机前机罩和翼板安装处均可采取此种防松措施。

3.3 定位销防松技术

在工程机械中定位销是常用的标准件，一般是以导向粗定位、方便安装并提高装配质量而采用，因为其具有限制两连接件出现微量移动的作用，结合螺栓松动的机理，认为其具备防止螺栓松动，减少螺栓横向受力避免造成连接螺栓断裂。在采取定位销防螺栓松动时，为了更好地使定位销起到限制连接件微滑动，定位销孔一般不能采取装配前加工到位，而是采取预留0.3～0.5mm 余量装配时进行配铰方式提高其定位精度，此工艺方法已在推耙机、推土机设备内外壳体装配中成功应用，如图7 所示。

3.4 施必牢紧固技术应用

标准螺纹啮合后，啮合各牙的受力极不均匀，第一牙受力最大，第二牙次之，最后一牙最小甚至是悬浮状态，前两牙受力之和一般是螺栓张力的70％甚至80％。这是一种很不稳定的受力状态，在振动剧烈及温差大的情况下前一牙的应力可能超过屈服点而发生塑性变形，造成松动，也容易导致标准螺纹前牙形磨损及滑牙现象。施必牢紧固件因其独特的结构，从根本上解决了紧固件的松脱问题。在阴螺纹的牙底处有一个30°的楔形斜面，当螺栓螺母相互拧紧时，螺栓的牙尖就紧紧地顶在施必牢螺纹的楔形斜面上，从而产生了很大的锁紧力。由于牙形角度改变，使施加在螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角，而不是像普通螺纹那样的30°角。显然施必牢螺纹法向压力远远大于扣紧压力，因此所产生的防松摩擦力也大大增加（图8），目前该技术广泛用于工程机械设备频繁松脱的零部件上，效果较好。

4 结论

关于高强螺栓松脱失效问题，至今仍是影响工程机械产品质量的棘手问题，上述的螺栓防松技术是根据螺旋副配合的微动磨损机理进行分析，针对螺栓松动原因实施对策，并通过机械设备市场验证的有效工艺方法，具有原理先进、实现简便、联接可靠的特点，且无须更改产品结构，是非常实用的低成本螺栓防松措施，并陆续推广应用到其他工程机械设备上。