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DIN25201


博士工程师 MAX KL?CKER 教授
教学领域:驱动和传输技术,以及 钢结构及结构分析 科隆应用科学技术大学

ALTE VAALSER TRASSE 147 52074 AACHEN 电话:0241/85282

专家鉴定书 评估楔入式锁紧垫圈组(标称尺寸 8 ) 的安全表现
2010 年 04 月 19 日

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委托方 德国海阔(HEICO)紧固技术有限公司 HEICO Befestigungstechinik Ensestra?e 1-9 59469 Ense 目录 1. 概述 1.1 自动松开:松动和松脱的机制 1.2 安全措施:技术说明 2. 测试原因和目的 3. 用于检测楔入式锁紧垫圈组效果的振动测试 4. 实验参数和实验过程 4.1 实验所测试的变量及其安装位置 4.2 强度等级和硬化 4.3 表面 4.4 润滑 4.5 夹紧长度 4.6 预紧力和扭矩 4.7 横向位移值的实验设置和确定 4.8 测试频率 5. 实验结果和结论 6. 引用 该专家鉴定书共有8页

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1. 1.1.

概述 自动松开:螺栓连接松动和松脱的机制

螺栓连接件的功能是利用装配时施加的预紧力来连接零件,并传递作用力。 螺栓连接松动的普遍特征是夹紧力出现损失 /1/。 松动和松脱是有区别的。 在螺栓主要是轴向受力时,由于沉降和蠕变现象而产生的塑性变形导致螺栓松动。常见的螺栓连接设计采 用较高的夹紧力和较长的夹紧长度,可充分补偿这类塑性变形,因而不会出现松动 /2/。 松脱机制通常发生在螺栓连接动态横向受力时。其主要原因是,垂直作用于螺栓轴线的动态横向负载将降 低各个零件之间的摩擦力,最终使其消失。其结果是接触区域出现滑脱。因此,连接的各个零件之间有可 能产生相对位移,包括螺栓和螺母的座面及螺纹面之间。横向刚度影响到螺栓连接中的每个部件。 根据 Blume的理论,在已夹紧的零件出现被迫横向位移时,其螺杆轴的弹性挠曲变形将对螺栓的松脱产生 重要影响 /3/。失效由边界错位来界定。这取决于螺栓的弹性,以及摩擦产生的横向力在螺栓或螺母座面 上的可传递性。Blume认为结构力学等效模型不足以记录真实的变形机制。理论上,在确定松脱的理论位 移界限时,该模型仅考虑螺杆轴的S形变形和螺纹零件受力面上的摩擦力预定值。然而,由于其它实际因 素,该模型不适合用于防松安全性的数学证明 /4/。因此,设计师必须依赖经验、标准中的推荐数据和实 验测试。 为了在振动测试中评估防松安全措施,首先需要进行一次设置实验来确定参考标准,以消除试验台刚度对 测试结果产生的影响:根据 DIN 65151标准 /5/,在振动测试台上,经过特定的振动周期(300次) ,令处 于夹紧状态的未电镀螺栓的预紧力降至0,得出所需要的横向位移值。 然后将该横向位移值和基于防松安 全措施的结果进行对比。 该方法将作为下一版DIN 25201-4标准的附录 /6/。 1.2. 安全措施(技术说明)

在DIN 25201-4标准中有一张松动机制及防松机制的图表: “紧固螺栓连接” (表A1)/6/。该标准中包含了 一份表格形式的概述,针对的是锁紧元件及其功能类型,并给出了应用建议。 DIN 25201-4标准主要作出如下区分: ? 通过扩大接触面来降低接触压力,并且通过锁紧垫圈的悬停对预期的积累值进行补偿的防松。为了能 有效地应用这些安全元件,需要详尽地了解每个紧固件的弹性。 带锁紧或粘结功能元件的安全螺母。锁紧元件要求在安全螺母和螺栓或螺母的受力面及部件之间存在 足够的防滑元件。在第三页列出了材质要求,应通过对锁紧垫圈的恰当设计和硬度差异组合来实现。

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带夹紧元件的紧固装置。通常只有当螺栓连接失去作用时,它们才会起效。它们在增加螺纹摩擦力的 同时增加了松脱扭矩,因此应事先给予其额外的预紧力。此外,这些元件能防止螺栓连接出现最终分 离。

受测的楔入式锁紧垫圈在DIN 25201-4: “铁路车辆及其组件的设计准则-螺栓连接-螺栓连接的安全” /6/ 的表格 A1 中被列入带锁紧元件的安全螺母类别。 2. 测试原因和目的

这项测试的目的是,通过在符合DIN 65151标准的测试设备上进行振动测试,对比未锁紧螺栓连接,以评 估所提交的楔入式锁紧垫圈的安全表现。 3. 用于检测锁紧元件效果的振动测试

我们使用符合DIN 65151 标准 /5/的测试设备来测试锁紧元件的效果。它包括几个可横向移动的支座,将 需要测试的螺栓和螺母夹紧在一起。在支座之间有一个导辊装置,用于阻止夹紧零件之间的摩擦,将测 。 试集中在螺栓连接件的松脱过程上。支座的横向位移由一台可调节的偏心驱动装置完成(图1)

图1:测试设计要点和采集测量的变量

将需要评估的锁紧垫圈和未锁紧螺栓连接进行对比。在所有测试参数都相同的条件下,对夹紧状态下的 未锁紧螺栓连接进行设置试验,令其在300次负载周期之后松脱(预紧力 = 0 N) ,确定所使用的横向位移 值。保留该横向位移值用于锁紧垫圈测试,与未锁紧设置直接对比其安全性和扭矩保持力。图2是一个示 例,表明了松脱过程可通过所测量的变量(夹紧力、横向位移、横向负载、负载周期数)沿时间轴的变 化来描述。测试中所采用的失效指标是通过检测负荷变化而获得的预紧力损失数据。此外,还将在实验 过程中持续测量预加的横向负载及横向位移。 本测试程序和实验参数源于一项企业资助研究项目,由科隆应用科学技术大学和德雷斯顿IMA材料研究和 应用中心共同开发和验证 /7/。它将被列入下一版DIN 25201-4标准 /6/的附录。

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图 2:振动测试过程的主要测试数据:预紧力(1)、横向负载(2)和横向位移(3) 根据当前试验 /7/标准,委托方同意: 通过:2000次负载周期后的剩余预紧力大于安装时预紧力的80%。为了量化地对比通过的情况,需要测量 2000次负载周期后剩余预紧力的百分比,并纳入结果汇总。 失败:2000次负载周期后的剩余预紧力小于安装时预紧力的80%。为了量化地对比失败的情况,需要测量 产生低于80%指标的负载周期数,并纳入结果汇总。

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4.

实验参数和实验过程

与委托方海阔(HEICO)紧固技术有限公司确认如下:

4.1.

实验所测试的变量及其安装位置 ? ? ? 对未锁紧螺栓的设置试验(3至5次) 采用M8x2.5的窄外径楔入式锁紧垫圈组锁紧螺栓进行测试 经过12 次测试以确定其可再现性。

测试时的安装位置:将装有楔入式锁紧垫圈组的测试螺栓,从顶部装入支座,由一个偏心顶部支座驱动。 螺栓伸入固定式下支座的通孔中,并与安装在此处的一颗同类型(强度等级、表面处理)的螺母拧紧。楔 入式锁紧垫圈置于一片ISO 7093-1(硬度200HV)的平垫上。每次测试都将更换螺母和垫片。

4.2.

强度等级和硬化

螺栓标记为 8.8 和 GFD,螺母为 8。 对应螺母强度,DIN 7093-1垫片的硬度为200HV。

4.3.

表面

每个螺栓的表面涂层为 ? 锌片涂覆 480h-L

(如包装标签) 楔入式锁紧垫圈组的涂层如下: ? 窄外径垫圈: Delta涂层(KL100)

DIN 7093-1垫片经过磨平和抛光处理。 润滑

4.4.

样品的螺栓接触面和螺纹使用二硫化钼润滑。

4.5.

夹紧长度

夹紧长度(测试中接触面之间的距离)为标称直径的1.7倍。

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4.6.

预紧力和扭矩:

使用专用扳手拧紧测试螺栓。预紧力如下: ? M8: 9.1 kN

如强度等级定为10.9(对应的测试螺母强度等级10) ,摩擦系数定为0.14,基于90%的屈服点利用率,这些 数值对应VDI 2230给出预紧力的80%。使用专门的扳手可测量和评估对应的扭矩。 表 2 源自 ZEV-Rail Glasers Annalen 132,2008年5月 /7/。 表中所给出的预紧力数值为VDI 2230 [8]给出数值的50%。 单位 8.8 VRP0.2 = 1.0 50 % a) 75 % a) 100 % a) 10.9 VRP0.2 = 1.0 50 % a) 75 % a) 100 % a) A2-70 VRP0.2 = 1.0 50 % a) 75 % a) 100 % a) A4-80 VRP0.2 = 1.0 50 % a) 75 % a) 100 % a) Ripp VRP0.2 = 1.0b) 50 % c) 75 % c) 100 % c) kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN kN M8 20.1 9.1 13.6 18.1 29.6 13.3 20.0 26.6 14.2 6.4 9.6 12.7 18.9 8.5 12.7 17.0 23.2 11.6 17.4 23.2 M 10 M 12 RP0.2 = 640 N/mm? 32.0 46.6 14.4 21.0 21.6 31.5 28.8 42.0 47.0 21.2 31.7 42.3 22.5 10.1 15.2 20.3 30.0 13.5 20.3 27.0 37.0 18.5 27.8 37.0 68.5 30.8 46.2 61.7 32.8 14.8 22.1 29.5 43.7 19.7 29.5 39.4 54.0 27.0 40.5 54.0 M 16 87.7 39.5 59.2 78.9 M 20 141 64 95 127 M 24 M 30 RP0.2 = 660 N/mm? 203 325 92 146 137 219 183 292 290 130 196 261 463 208 312 417 M36 475 214 320 427 676 304 456 609

RP0.2 = 940 N/mm? 128.8 201 58.0 91 86.9 136 115.9 181 RP0.2 = 450 N/mm? 61.7 96.3 27.7 43.4 41.6 65.0 55.5 86.7 RP0.2 = 600 N/mm? 82.2 128.5 37.0 57.8 55.5 86.7 74.0 115.6

市场上没有此种螺纹尺 寸!

市场上没有此种螺纹尺 寸!

RP0.2 = 940 N/mm? 102.0 市场上没有此种螺纹尺寸! 51.0 76.5 102.0

a) 百分比参照所允许的屈服点利用率 RP2.0 为90 % b) 依照 Acument公司文件所允许的预紧力 c) 百分比参照Acument公司文件

4.7.

横向位移值的设置试验和确定

所有测试中所设定的横向位移值,应该是从未锁紧螺栓的设置试验中获得的,设置试验应使用章节 4.6 中 所述的预紧力。 夹紧状态下的横向位移值如下: ? M8 +/- 0.06mm +/- (0.098mm无应力)。

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4.8.

测试频率

横向位移的测试频率根据DIN 65151设为12.5Hz。

5.

检测结果和结论

从下表中可以清楚地看见所测楔入式锁紧垫圈的安全表现。

M8-8.8,窄外径

实验编号 KVO08_100415_73-11-35-81_1-P1 KVO08_100415_73-11-35-81_1-P2 KVO08_100415_73-11-35-81_1-P3 KVO08_100415_73-11-35-81_1-P4 KVO08_100415_73-11-35-81_1-P5 KVO08_100415_73-11-35-81_2-P1 KVO08_100415_73-11-35-81_2-P2 KVO08_100415_73-11-35-81_2-P3 KVO08_100415_73-11-35-81_2-P4 KVO08_100415_73-11-35-81_2-P5 KVO08_100415_73-11-35-81_3-P1 KVO08_100415_73-11-35-81_3-P1

Fv [kN] 8.98 9.08 9.08 9.03 8.98 9.08 9.03 9.20 9.08 8.94 9.03 9.08

80% Fv [kN] 7.18 7.26 7.26 7.22 7.18 7.26 7.22 7.36 7.26 7.15 7.22 7.26

负载周期 80% Fv > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000 > 2000

2000次负载周 2000次负载周 期时剩余-Fv 期时剩余-Fv [kN] [%] 7.76 86.41 7.92 87.22 7.77 85.57 7.56 83.72 7.70 85.75 7.91 87.11 7.87 87.15 7.81 84.89 7.78 85.68 7.65 85.57 7.74 85.71 7.88 86.78

总体评价: 在章节4中所描述的试验条件下,所有受测楔入式锁紧垫圈组在经过2000次负载周期之后,其剩余夹紧力无 一例外地都大于安装时预紧力的 80% 。 根据这一量化的测试结果,受测楔入式锁紧垫圈组的锁紧效应可评估为完全有效。 该检测的过程极其细致,依据诚实和良知出具该专家鉴定书。然而并不能排除出现错误的可能性。 原则上,该结果的使用者在特定情况下不能免除所述锁紧元件的可用性测试。本专家不承担相应的法律责 任或担保责任。

(博士工程师 MAX KL?CKER 教授)

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引用 /1/ Ilgner, K.H.; Esser, J.: 螺栓简明教程第九版,Textron紧固系统有限公司,OHG Neuwied, 拉希出版社 2001, ISBN 3-935326-46-7. VDI 2230, 第一页:高强度螺栓连接系统的计算方法。2001年10月。 Blume, D.:何时必须加固螺栓连接?紧固技术1(1969)第4期,第 25-30 页。 Kl?cker, M.; Hufschmidt, K. 螺栓连接自动松开及其实际测试的影响量。DVM-会议报告,编号 1644,柏林 2004 年 。2002年2月。 DIN 65151: 横向负载条件下紧固件的锁定特性的动态试验(振动试验) DIN 25201-4: 铁道车辆及其组件的设计准则 螺栓连接 -第4部分:螺栓连接的安全。2004年6月。 Franke, R.; G?rtner, E.; Kl?cker, M.:铁路车辆上带锁紧元件螺栓连接的功能可靠性。

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