法兰螺栓，为什么取代垫片设计？
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">垫片，传统上用于在拧紧过程中保护接头表面不受损坏，并在螺栓头和螺母下分配负载，防止接触面产生压溃。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">近年来，垫片开始被法兰头紧固件所取代，今天，螺丝君跟大家一起讨论这些原因。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">在讨论原因之前，让我们先了解一些背景知识。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-axegupay5k/45bea855200f48839f56d1bb031cc745~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=ZB1%2FVMjRfM1VTbhTV4VhJoWh6P0%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 1</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">利用扭矩间接控制螺栓的夹紧力是目前最常用的控制紧固方法。这是由于它的简单性和被大多数工程师所理解。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">将螺栓紧固到特定夹紧力所需的扭矩可以从标准表格中确定，或者通过使用扭矩与产生的夹紧力之间的关系进行计算，还可以通过测试确定。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">众所周知，作用于螺栓螺纹和螺栓头下的摩擦消耗了大部分紧固扭矩。对于一个自由旋转的螺栓，实际上只有大约15%的扭矩用于产生夹紧力，(如图2)。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/c8d4c9d9fd3e4d0882cad5907591aa3d~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=WB2X5L4tmLQWrASuQlKadQOUnGI%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 2</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">法兰螺栓（螺母）可以消除使用垫片所引起的缺陷。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">通常，标准垫片比使用它们的螺栓（螺母）硬度稍低，在承受的高应力下会发生塑性变形。对于强度较高的紧固件，可能会导致垫片的压溃，从而导致夹紧力损失。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">图3显示了这样一个垫片的示例。而法兰螺栓（螺母）则不会受到这种影响，因为支撑面与紧固件保持一样的整体硬度。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/4bc9c733d52a445ab627c9261d1d02e0~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=3R1yAg4wwWKlMyqAaBZ4tB0PDh0%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 3</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">解决压痕问题，可以使用特殊的硬化垫片，但这种垫片成本较高。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">研究表明，由于垫片中的间隙孔，可能会发生偏心加载，从而导致非常高的局部应力。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">为了避免螺栓头下过渡圆弧产生干涉，垫片需要有一个比较大的间隙孔。这种间隙可能导致垫片拧紧时中心偏离螺栓轴线上，导致局部负荷集中，增加压痕和接头损伤的风险。这种情况如图所示4。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/bd743adb0f9d46bb8420fb35e6ec3658~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=yr2nyRtA50SjN8NdtI5Gr3GN0GU%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 4</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">另一个影响是垫片的跟转。有时当螺栓被拧紧时，垫片开始在接头表面旋转。也就是说，螺母和垫片作为一个整体旋转。其效果如图5所示。施加的扭矩和螺栓夹紧力之间的关系发生了改变。对于给定的施加扭矩，这可能导致螺栓夹紧力的显著损失。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">除非在拧紧过程中进行仔细观察，否则无法判断是否发生了这种效应。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/58ec6d4110ec426a85dd0b94fcdca863~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=X5nbWCwas16hBbLPxpI94WPudp0%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 5</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">使用垫片的最后一个影响是增加了表面的嵌入。在显微镜下看，看似平坦的表面根本不是平坦的。镀锌垫片表面的照片如图6所示。当这个表面与另一个表面接触时，只有表面的顶部接触。</span></p>
<div style="text-align: left; margin-bottom: 10px;"><img src="https://p3-sign.toutiaoimg.com/tos-cn-i-6w9my0ksvp/5a4d9eaac5264a61b7fb6b534c4f8b22~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1713409914&x-signature=t%2B33HiA7snggfLxgy%2Fe%2FNE7bm90%3D" style="width: 100%; margin-bottom: 20px;"></div>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">▲ 图 6</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">嵌入是发生在螺栓面下、接头面和螺纹的局部塑性变形，是表面粗糙度塑性变平的结果。在某种程度上，当两个表面接触并加载时，这种情况就会发生。当接头中的零件第一次接触压紧时，大部分嵌入损失发生。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">对于每个金属与金属表面，损失量通常在0.002至0.006mm之间，在涂过漆的表面上，这种效果会更明显。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">使用垫片会增加接头内的接触面数量。由于每个面都将承受嵌入损失，使用垫片会加剧这种影响，从而导致的螺栓夹紧力的损失。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">尤其在在使用夹紧长度相对较短的接头上，这种额外的嵌入效果会特别明显，夹紧力降低高达50%是很正常的。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">综上所述，可以解释为什么法兰螺栓（螺母）比带垫片螺栓（螺母）的设计更可取。可行的做法是可用法兰紧固件替换相同的规格的带垫片紧固件，需要注意的是，原来的安装扭矩需要通过计算或测试进行调整。</span></p>
<p style="font-size: 18px; line-height: 40px; text-align: left; margin-bottom: 30px;"><span style="color: green;">今天的话题，就分享到这里，不当之处，欢迎批评指正；若您有任何疑问或建议，或需要进群交流的小伙伴，可关注螺丝君微信公众号：GAF螺丝君（GAF-luosijun）</span></p>
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