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塑料和复合材料的螺栓连接

时间:2020-11-11来源:网络

我要紧固件网整理】聚合物和夹芯复合材料在工业应用中日益普及。高强度重量比和强大的耐腐蚀性使它们适用于众多不同的应用。聚合物和复合材料组件几乎可以随处皆有,从汽车、风力涡轮机到飞机。组装聚合物及复合材料时经常会用到粘合剂。然而使用粘合剂有时会有麻烦— 因为有时需要分开粘合部分。所以行业通常选择螺栓连接,因为更容易维护。但是螺栓连接,也受接头处新材料和松弛(由于沉降和松弛)的困扰,而且这个问题正变得越来越普遍。

沉降
用螺栓将材料连接在一起后,压力会导致不规则表面变平,并在拉紧的第一小时内发生显著沉降。


松弛
某些材料,如软金属、复合材料和聚合物,随着时间的推移变得更紧凑,从而导致预紧力的额外损耗。


在螺栓连接处使用纤维增强塑料

用于高强度应用的材料往往是纤维增强塑料(FRP)。 FRP的性能取决于使用什么基质(基体材料)、什么纤维、纤维的使用量(%)和纤维的取向。普通纤维是玻璃,碳或者芳纶。这些纤维的定向常取决于材料最需增强的部位。除了3D复合材料,纤维方向一般垂直于孔轴线。这种特性使得复合材料沿孔轴线的性质等同于矩阵性质。

在螺栓连接中使用FRP的缺点是:实际上基体或树脂是由聚合物制成。几乎所有的聚合物都具有粘弹性,这意味着它们的机械性能会随时间而改变,从而导致蠕变和松弛。如果我们比较:

两块金属作为夹紧件的螺栓连接。只要基材的屈服点未超过,在螺栓连接的压力下,金属将发生弹性变形。当你松开时,你会注意到无任何变形,这仅仅因为是弹性作用。

让我们做一个新的螺栓连接,这次采用高分子材料构成的两个部分。当受压力时,材料将开始蠕变,即使施加较低的夹紧载荷。蠕变现象会导致螺栓连接的沉降和松弛,接着导致夹紧载荷的降低,最终这两部分不能再被夹紧在一起。

因为高分子材料比金属材料柔软,所以发生松弛的风险会更高,这会给螺栓连接的安全性和可靠性带来灾难性后果。

携手洛帝牢的X系列扩展您的设计空间

对于采用聚合物和复合材料的螺栓连接,如何才能解决这样的设计挑战?市场上目前常用的解决方案是在孔中使用金属嵌件。放置嵌件是为增强孔的强度,使螺栓连接处为纯金属,而被夹紧材料则仍为塑料。这增强了连接强度,但同时制造成本也较高。该解决方案还修改了振动响应(谐振频率),但它无法安全保证预紧力发生蠕变、松弛和自发松动等现象。

另一种解决方案是刚刚推出市场的洛帝牢的X系列垫圈。 X系列垫圈的圆锥形状会在螺栓连接处产生弹性效果,用于弥补松弛造成的预紧力损失。弹簧效应与楔形制锁技术相结合,确保螺栓具有防止自发松动的拉力。它给连接提供了最大的安全性,即使在低夹紧载荷的情况下。相比传统螺栓紧固解决方案,多功能楔形制锁技术具有许多优点。它确保了螺栓的最高安全性,是采用挑战性材料,设计和/或条件下的应用的理想选择。

应用实例 — 采用橡胶垫的起重机

弹性体是一种聚合物,是运用在可伸缩设备的一种常见材料。它有巨大的优势,在悬臂的滑动部分具有更强的灵活性,以及低摩擦系数。该材料也具有抗腐蚀能力。

最近,一个遭遇螺栓严重松动的起重机制造商,联系了洛帝牢的销售工程师,提出了一个非常典型的问题,即复合材料螺栓面临的挑战。他们某个型号的一台移动式起重机,在客户处服务数个月之后,将弹性垫固定在伸缩臂内的连接松脱了30%。聚合物、短夹持长度和后油漆层这三种组合因素必然会导致连接处出现沉降和松弛。螺栓的大幅松动使得用户(客户)无法操作伸缩臂,并要求制造商在保修范围内进行快速维修。这耗费了起重机制造商大量的费用,而且其品牌形象已受损害。

在应用上使用洛帝牢X系列垫圈解决了松动的问题,消除了额外的维修和保修成本。即使应用本身也包含其他的设计问题,包括夹持长度段和多层次(外壳、垫片、垫圈及垫),现在X系列垫圈仍能保障螺栓连接的安全性。采用X系列垫圈以来,悬臂再未发生螺栓松动的现象。因此制造商可以享受弹性垫具备的优势,同时仍然保证其螺栓连接安全稳固,对于最终用户,则可以保证产品安全可靠。

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