历锐
佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002
摘 要：采用在普通螺栓连接中增加绝缘平垫和绝缘套管的绝缘结构易于制造、安装维护简单。但是由于加工制造、材质性能、结构尺寸等原因，导致一般只起到表面摩擦和隔离功能的垫圈受到较大的应力，出现损坏和失效。本文介绍了因大孔配小螺栓、垫圈材质硬度过高等原因导致的损坏问题，并进行了分析。
Abstract: The insulation structure of adding insulating flat pad and insulating sleeve in common bolt connection is easy to manufacture, installation and maintenance. However, due to manufacturing, material properties, structural dimensions and other reasons, the gasket which only plays the function of surface friction and isolation is subject to greater stress, resulting in damage and failure. This paper introduces the causes of the damage of small bolt due to high hardness.
关键词：垫圈，绝缘结构，损坏
Key words: Washer，Insulation structure，damage
0.引 言
在电动机等用电设备的结构设计中，设备内部的一些零部件因为需要有对地绝缘，因此这些零部件的螺栓连接一般设有绝缘结构。绝缘结构通常采用在普通螺栓连接中增加绝缘平垫和绝缘套管，这种绝缘方法易于制造、安装维护简单。但是在一些结构较为特殊的部位，由于加工制造难度大，螺栓安装平面粗糙度及平面度不易保证，在这种情况下，带绝缘结构的螺栓连接中垫圈容易损坏或变形，导致紧固件实效。本文以采用推力轴承的电机中推力头与镜板之间的连接紧固件为例，分析垫圈的损坏原因，以便对其它具有相同特点的结构件的设计和分析提供思路。
1.紧固件失效和垫圈损坏现象
采用推力轴承结构的电动机，其推力头与镜板之间通常需要设有绝缘结构。常规方法是在推力头与镜板之间设有绝缘垫片，由于推力头与镜板之间需要螺栓紧固连接，因此螺栓连接的部位也要设绝缘，一般是采用在螺栓和紧固件之间增加绝缘垫圈、在螺栓与螺栓孔之间增加绝缘套管的方法，如下图所示。
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在研制试验时，用力矩扳手按照规定的力矩拧紧螺栓，经拆检后发现，绝缘垫圈出现开裂损坏，金属垫圈出现变形。
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垫圈具有承载表面的功能，当螺栓或螺母支承面不足以充分覆盖被连接件时，垫片提供更大的承载表面。同时，当支承面面积过小和支承面的压力过高时，垫片降低支承面的压力或使其更均匀，起到优化表面压力分布的作用。
2.垫圈损坏原因分析
经过拆检和测量，发现被紧固件的平面度和粗糙度不好。初步怀疑是由于绝缘垫圈和金属垫圈与被紧固件之间接触不好，导致受力不均，使垫圈损坏和变形。
发现上述问题后，对结构件进行了更改和处理：
1）对被紧固件的螺栓安装平面重新加工，提高粗糙度和平面度要求。
2）更改绝缘垫圈材质，采用强度更好的绝缘材料，提高了绝缘垫圈的强度。
3）更改金属垫圈材质，金属垫圈材质由碳钢Q235改为合金钢42CrMo，提高了金属垫圈的强度。
经过上述处理后，用力矩扳手按照规定的力矩紧固螺栓，然后再次拆检。此次检查发现，绝缘垫圈出现明显压痕，金属垫圈开裂。
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检查发现垫圈问题后，展开了分析和检验，垫圈的开裂情况如图5所示，垫圈的开裂表观呈现出花瓣状，开裂成5至7瓣，断口比较整齐。首先怀疑垫圈的材质问题，并对垫圈进行了材质和性能的检验。由于垫圈出现断裂的情况很少见，并且垫圈在结构中一般只起到表面摩擦和隔离功能，主要为连接结构提供支撑面、减少承压面积和使受力均匀的作用，不容易出现损坏问题，因此对此零部件的结构重新检查，并找到如下问题：
1）42CrMo垫圈热处理不当，材质硬度过高、材质变脆。
2）由于绝缘结构，螺栓外侧设有绝缘套管，因此螺栓孔较大，出现大孔配小螺栓的问题，导致螺栓拧紧后垫圈受到剪切作用。
通过与相关文献案例的对比和分析，垫圈开裂的现象属于延迟开裂，这种开裂方式容易发生在大螺栓孔被一个小支承面螺栓拧紧的硬垫圈上。在大螺栓孔和小的螺栓支承面组合的条件下，在垫片表面产生一个较大的拉应力，导致硬度高的垫片容易发生延迟开裂。如果设备的螺栓紧固好之后，经过一段时间的放置，螺栓突然发生断裂的现象称为“延迟断裂”，这种断裂的断口形貌是典型的脆性断裂，既不是由于过度拧紧或过载导致的静态失效，也不是由于交变载荷引起的疲劳断裂。这种损坏与材料的硬度、结构的应力集中情况、使用环境和结构变形情况均有关系。
找到原因后，采取的进一步解决方案是：
1）42CrMo垫圈重新热处理，保证强度的同时也要保证硬度适中。
2）重新制作非标螺栓，将螺栓头部直径加大，使其大于螺栓孔直径，防止垫圈收到较大的剪切作用。
通过上述改进后，重新进行了试验验证，试验效果较好，垫圈损坏的问题得到了有效解决。
3.结束语
螺栓连接几乎被应用在所有的机械设备上，在使用螺栓连接时，应该清楚的知道螺栓所处的受力条件，正确的选择结构件的材质和尺寸规格，避免连接的失效和结构件的损坏。在使用垫圈时，应选用合适的垫圈形式和材质。当被连接件的螺栓孔较大，为了保护被连接件，宜采用厚度较厚硬度适宜的垫片，使得表面应力分布均匀合理，避免应力集中发生损坏。
垫圈的主要功能有支承表面摩擦、提供有效支承面，减小支承面压力、使载荷均匀，同时能够稳定支承面的摩擦系数，起到一定的放松作用，有效的减少旋转松动。
在一些结构较为特殊的部位，如带有绝缘结构的螺栓连接中，尤其是加工制造工艺不易保证的情况下，螺栓连接中的主要受力部件和位置可能发生改变，因此应该对结构设计和材料选用给予重视，并加以分析或验证，以保证设备的安全可靠。
参考文献
[1] 酒井智次. 螺纹紧固件联接工程[M]. 机械工业出版社, 2016
[2] 孙智，任耀剑，隋艳伟. 失效分析基础与应用[M]. 机械工业出版社, 2017
作者简介：历锐，男，1982年生，高级工程师，佳木斯电机股份有限公司工作