全封闭式声屏障的螺纹连接副防松需求

   

全封闭式声屏障的螺纹连接形式

   

以浙江省某市轨交高架段的全封闭式声屏障为例进行分析。该声屏障主要由钢筋混凝土基础和预埋底座、钢立柱、钢梁、连接檩条、侧面屏体和顶面屏体组成,各模块之间多通过螺纹连接副装配固定。预埋底座与钢立柱之间和钢立柱与钢梁之间采用10.9级高强度螺栓刚性连接;钢结构与檩条和屏体之间采用8.8级不锈钢螺栓连接。

图1 某项目中的全封闭式声屏障螺栓用量统计结果

图2 常见的全封闭式声屏障门架结构示意图

声屏障连接件除了承担屏体重量、结构自重和风压雨雪载荷以外,还需克服车辆通过时产生的结构振动和行车脉动风压,这些振动的周期和幅度均不稳定,会给声屏障的连接节点带来额外的冲击负荷,导致连接螺栓松动、变形和脱落。

由于声屏障多安装在汽车、火车、地铁和轻轨等交通工具的运行线路上,当零件掉落时,极有可能侵入车辆限界,引发短路,损坏线缆设备或因高空坠落而引发事故,带来生命和财产损失。因此,必须在连接件上采取稳定、可靠、易检修的防松止退措施。

   

螺纹连接副失效形式

   

螺纹连接副的失效形式主要包括螺杆断裂、螺牙脱落、表面疲劳、松动和化学腐蚀等。螺栓出现松动通常包括2个阶段,其中:第一阶段是材料出现塑性变形,螺纹的有效载荷变小,螺母与螺栓的相对移动很小;第二阶段是螺母与螺杆沿着螺纹出现明显的相对滑动,使得张紧力和静摩擦力减小。此外,金属结构损坏也会引起螺栓松动。通过进一步分析可得出引发螺栓松动失效的主要原因。

   

螺栓防松措施在全封闭声屏障中的应用

   

对顶双螺母是一种常用的螺栓防松结构，上下螺母安装完成之后与螺杆之间的相对关系见图3,通过垫圈、下螺母和上螺母彼此对顶,并双向咬紧螺杆丝牙,使得每个摩擦面都能获得额外的摩擦力和预紧力，从而取得更好的防松动效果。

对顶双螺母对安装工艺敏感，若上、下螺母扭矩设计错误会严重影响防松性能，甚至低于普通螺栓，且目前暂无行业共识性最优安装方案。

某企业对顶双螺母安装工艺：先安装下螺母,旋紧至其施拧扭矩达到设计扭矩的80%;随后固定下螺母并安装上螺母,旋紧至其施拧扭矩达到设计紧固扭矩的100%。

图3 对顶双螺母结构示意图

楔形锁紧垫圈的内侧具有楔形表面，外侧具有射线脊状条纹。选择楔形形状使表面角度总大于螺纹角度。当螺栓或螺母锁紧时，锁紧垫圈的径向脊以阻力方式自动嵌入配对件表面。配对垫圈牢固的嵌入其中，只能在楔形表面之间运动。振动期间螺栓的微小转动会导致由楔形效应引起预紧力的增加-螺栓可自行锁紧。

楔形锁紧垫圈比双螺母防松效果好些，但成本会较高，且在使用过程中对于被连接件表面形成压痕，在一定程度上对被连接件表面有所损伤。

图4 楔形锁紧垫圈使用模型示意图

尼龙嵌件自锁螺母内圈镶嵌有尼龙弹性环,当将其旋紧时,尾部尼龙嵌体随着螺母滑动,套在螺杆外螺纹上;在螺母使用寿命期内,受预紧力持续挤压的影响,尼龙环会轻微变形,抱死螺纹丝牙并增大金属之间的摩擦因数,形成有效锁紧力矩,同时利用自身弹性吸收多余的冲击能量,起到阻尼振动的效果;当螺母受冲击振动和有松动倾向时,受螺纹结构的机械特性的影响,嵌体内的尼龙材料会与螺纹缝隙面发生摩擦,使螺母逆转所需的力矩急剧增大,起到止退的效果。

尼龙嵌件自锁螺母属于摩擦防松，防松性能中等，其在旋入时由于尼龙嵌件会存在干涉，需使用扭矩扳手将螺母从头逐渐旋入在一定程度上会影响施工效率；且其适用于螺纹露出端比较短的情况，否则会影响嵌件的防松扭矩；

图5 尼龙嵌件自锁螺母

为了防止高处的螺栓连接发生螺母脱落事故,采用机械式防松法,在螺母外端面加工出槽口,并配合开口销(即六角开槽螺母),在螺母松动的情况下达到防脱落的目的。在安装之前,根据机械设备或工程结构的设计尺寸,在螺栓的对应位置钻出细孔;在螺母施拧到位之后。调整螺母的槽口,使其与细孔对准,用尺寸合适的开口销贯穿细孔,使螺母只能在很小的角度内旋动。

六角开槽螺母防松作用几乎没有主要功能是防止螺母脱落，在安装和拆卸时都比较繁琐。

图6 配有开口销的开槽螺母螺栓组

昊宇睿联研发的Oclas系列防松垫圈，通过特殊结构设计，使核心区域发生挤压弹塑性变形，在双螺母结构中间形成机械互锁，表现出超高的防松性能，同时具备使用寿命长的特点。

应用于各种振动频率较大、对防松需求高且不需要频繁拆卸的场景。

对比上述几种防松措施，Oclas防松垫圈特点如下:

参考文献

[1] 顾人吉.全封闭式声屏障的螺纹连接副防松措施[J].上海船舶运输科学研究所学报.2023,46(4):63-69.

[2] 王传华.螺栓连接结构松脱特性分析与试验研究[D].大连:大连理工大学,2018.

[3] 侯世远,廖日东.螺纹联接松动过程的研究现状与发展趋势[J].强度与环境,2014,41(2):39-52.