非金属垫片对螺栓轴力衰减影响的研究

叶飞

摘要：由于非金属垫片硬度较低，有一定的回弹性，影响螺栓连接的可靠性，本文通过螺栓紧固的两连接件之间装配有无非金属垫片，从垫片厚度与数量、拧紧力矩及有无弹性垫片等方面分析了非金属垫片可能对螺栓轴力衰减的影响。

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.

关键词：非金属垫片;轴力;衰减

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

0  引言

螺栓连接是工程中最常用的连接方式之一，具有受力性能好、耐疲劳、搞震性能好、连接强度高、施工简便、可换等优点[1]，但由于经常处于振动与交变负荷下极易产生松脱失效[2]，在发动机的结构中，由于对密封具有一定的要求，非金属垫片较为普遍应用在螺栓连接中，而在发动机的试验过程中，也经常会由于螺栓轴力的衰减而导致漏气漏油等故障，因此，针对非金属垫片对螺栓轴力的衰减的影响进行试验研究具有重要意义。

1  非金属垫片的密封原理

非金属垫片密封是靠外力压紧密封垫片，使其本身发生弹性变形或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现，就是利用密封在面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。

垫片密封性能完全依靠理论预测很难真实反映介质通过垫片的复杂泄漏现象，垫片的泄漏一般分为两种：参透泄漏和界面泄漏。由于材料的更新换代，使得密封材料的性能越来越好了，渗透泄露已不再是问题，绝大多数是界面泄漏[3]，而要减少泄漏故障，首先要求先夹紧垫片，同时要求垫片有一定的回弹力以回弹填满空隙，理论上，螺栓的预紧力越大，垫片中贮存的弹性应变能也越大，因而补偿能力也就越大。因此，螺栓轴力或预紧力是影响垫片密封的重要因素。

2  试验方案

针对在发动机密封面使用的非金属垫片有不同的厚度，部分位置的螺栓也采用弹簧垫圈配合使用，螺栓需要穿过两层密封垫，将螺栓单一螺栓空过的垫片数量也作为一个研究因子。

综上所述，需要考虑的研究因素有：①不同厚度的无石棉垫;②不同螺栓装配力柜（M8螺栓）;③有无弹簧垫圈;④不同个数的非金属垫片。

按不同的试验方案，拧紧螺栓，测量计算得出螺栓的轴力，测量时间分为：装配完后，5min后，10min后，15min后，20min后，25min后。

根据之前考虑的不同因子设计需要进行的试验如表1所示。

其中试验1、2、3对比分析研究不同厚度垫片对螺栓轴力衰减的影响，试验1、4、5对比分析可研究不同力矩对螺栓轴力衰减的影响，试验1、6对比分析有无垫片对螺栓轴力衰减的影响，试验1、7和试验2、8对比分析有无弹簧垫片对螺栓轴力衰减的影响，试验1、9对比分析多层垫片和单层垫片对螺栓轴力衰減的影响。

根据试验方案，制作工装，试验所采用的工装法兰厚度为8mm，如图1所示，图2和图3分别为单层垫子和双层垫子试验工装示意图。

3  试验数据分析

试验测得的各位数据如表2。

将各个试验的装配轴力与剩余轴力进行对比分析，如图4所示。

3.1 时间对螺栓轴力的影响

根据表2中的数据，螺栓轴力随时间的变化如图5所示。

从图5可以清晰看出，螺栓在装配完成后15min内衰减最快，之后趋于稳定，而针对螺栓发生松脱，轴力变为0的情况，应于发动机运转过程中振动对其影响有很大关系，从图5中可以看出不同试验中装配完成后螺栓轴力的衰减率不同，通过此次研究可以选择出这段时间内衰减率最低的方案。从零部件及装配方面控制螺栓轴力衰减率。

3.2 非金属垫片对螺栓轴力衰减的影响

对比分析试验1、6的最终螺栓轴力的衰减率，如图6所示。

从图6可以看出，不装非金属垫片，螺栓轴力最终衰减为14%，装非金属垫片，螺栓轴力衰减率达21.29%，较不装垫片多衰减50.7%，可以说明装配非金属垫片对螺栓轴力有较大影响。

3.3 非金属垫片厚度对螺栓轴力衰减的影响

对比分析试验1、2、3的最终螺栓轴力的衰减率，如图7所标。通过对比分析可以发现2mm垫片对应的螺栓衰减最大，剩余轴力也最小，1mm垫片对应的螺栓轴力衰减率最小，剩余轴力最大。1.5mm垫片对应螺栓多衰减16.2%，2mm垫片对应螺栓多衰减83.5%，说明在相同的力矩下，越厚的非金属垫片对于螺栓辆力的衰减影响越大，越薄的垫片剩余轴力值也越大。

3.4 不同力矩对螺栓轴力衰减的影响

对比分析试验1、4、5最终螺栓轴力的衰减率，如图8所示。

从图8可以看出相同厚度垫片，不同力矩的螺栓轴力衰减率不同，30Nmr螺栓轴力衰减率最低，25Nm拧紧螺栓轴力衰减率多衰减2.5%，而20Nm拧紧力知衰减率较30Nm多衰减47.2%，可以说明拧紧力矩越大，衰减后的剩余轴力越大，在保证垫片不发生压溃的情况下，对于密封可能性更好。

3.5 弹簧垫圈对螺栓轴力衰减的影响

对比分析试验1、7的螺栓轴力衰减率，如图9所示。

从图9可以看出，装有弹簧垫圈的螺栓轴力衰减率为16.67%，要明显低于未装弹性垫圈的21.29%，未装弹性垫圈比装弹性垫圈多衰减27.7%，可以说装配弹性垫圈对抑制螺栓轴力衰减具有一定作用。

3.6 多层非金属垫对螺栓轴力衰减的影响

对比分析试验1、7的螺栓轴力衰减率，如图10所示。

从图10可以看出，同一螺栓紧固两个非金属垫片的螺栓轴力衰减率达到31.94%，而螺栓紧固单一垫片的轴力衰减率为21.29%，二者相比，双层垫子多衰减50%，可以说明单一螺栓紧因的非金属垫片越多，螺栓轴力衰减的越明显。

4  结束语

综上所述：①螺栓轴力衰减是正常现像，刚性连接也会有一定的衰减，而非金属垫片会使得螺栓轴力的衰减量增大，相比刚性连接会多衰减50.7%。②螺栓轴力衰减主要发生在装配完成后的很短的一段时间内（30min之内），螺栓短时间内衰减较快，之后趋于平缓。③不同厚度的非金属垫对螺栓轴力衰减的影响不同，越厚的垫片，螺栓轴力衰减越大。④在确保非金属垫片不被压溃破坏及螺栓可承载的前提下，螺栓力矩越大，螺栓轴力残余值越大，对密封和紧固更有利。⑤单一螺全紧固多层非金属垫片，垫片数量越多，螺栓轴力衰减越大。

参考文献：

[1]张明远.微粒子喷丸对螺纹紧固抗松动性能影响研究[D]. 成都：西南交通大学，2015.

[2]王胜霞，窦松柏，李艳萍，等，螺栓连接失效分析[J].失效分析与预防，2009，4（4）：225-228.

[3]谢苏江.压缩非石棉密封板材蠕变松弛性能的理论和试验研究[D].武汉：武汉工程大学，2018.