塑料和復合材料的螺栓連接

  聚合物和夾芯復合材料在工業應用中日益普及。高強度重量比和強大的耐腐蝕性使它們適用于眾多不同的應用。聚合物和復合材料組件幾乎可以隨處皆有,從汽車、風力渦輪機到飛機。組裝聚合物及復合材料時經常會用到粘合劑。然而使用粘合劑有時會有麻煩—因為有時需要分開粘合部分。所以行業通常選擇螺栓連接,因為更容易維護。但是螺栓連接,也受接頭處新材料和松弛(由于沉降和松弛)的困擾,而且這個問題正變得越來越普遍。
  塑料和復合材料的螺栓連接
  沉降
  用螺栓將材料連接在一起后,壓力會導致不規則表面變平,并在拉緊的小時內發生顯著沉降。
  松弛
  某些材料,如軟金屬、復合材料和聚合物,隨著時間的推移變得更緊湊,從而導致預緊力的額外損耗。
  在螺栓連接處使用纖維增強塑料
  用于高強度應用的材料往往是纖維增強塑料(FRP)。FRP的性能取決于使用什么基質(基體材料)、什么纖維、纖維的使用量(%)和纖維的取向。普通纖維是玻璃,碳或者芳綸。這些纖維的定向常取決于材料需增強的部位。除了3D復合材料,纖維方向一般垂直于孔軸線。這種特性使得復合材料沿孔軸線的性質等同于矩陣性質。
  在螺栓連接中使用FRP的缺點是:實際上基體或樹脂是由聚合物制成。幾乎所有的聚合物都具有粘彈性,這意味著它們的機械性能會隨時間而改變,從而導致蠕變和松弛。如果我們比較:
  兩塊金屬作為夾緊件的螺栓連接。只要基材的屈服點未超過,在螺栓連接的壓力下,金屬將發生彈性變形。當你松開時,你會注意到無任何變形,這僅僅因為是彈性作用。
  讓我們做一個新的螺栓連接,這次采用高分子材料構成的兩個部分。當受壓力時,材料將開始蠕變,即使施加較低的夾緊載荷。蠕變現象會導致螺栓連接的沉降和松弛,接著導致夾緊載荷的降低,終這兩部分不能再被夾緊在一起。
  因為高分子材料比金屬材料柔軟,所以發生松弛的風險會更高,這會給螺栓連接的安全性和可靠性帶來災難性后果。
  攜手洛帝牢的X系列擴展您的設計空間
  對于采用聚合物和復合材料的螺栓連接,如何才能解決這樣的設計挑戰?市場上目前常用的解決方案是在孔中使用金屬嵌件。放置嵌件是為增強孔的強度,使螺栓連接處為純金屬,而被夾緊材料則仍為塑料。這增強了連接強度,但同時制造成本也較高。該解決方案還修改了振動響應(諧振頻率),但它無法安全保證預緊力發生蠕變、松弛和自發松動等現象。
  另一種解決方案是剛剛推出市場的洛帝牢的X系列墊圈。X系列墊圈的圓錐形狀會在螺栓連接處產生彈性效果,用于彌補松弛造成的預緊力損失。彈簧效應與楔形制鎖技術相結合,確保螺栓具有防止自發松動的拉力。它給連接提供了大的安全性,即使在低夾緊載荷的情況下。相比傳統螺栓緊固解決方案,多功能楔形制鎖技術具有許多優點。它確保了螺栓的高安全性,是采用挑戰性材料,設計和/或條件下的應用的理想選擇。
  應用實例—采用橡膠墊的起重機
  彈性體是一種聚合物,是運用在可伸縮設備的一種常見材料。它有巨大的優勢,在懸臂的滑動部分具有更強的靈活性,以及低摩擦系數。該材料也具有抗腐蝕能力。
  近,一個遭遇螺栓嚴重松動的起重機制造商,聯系了洛帝牢的銷售工程師,提出了一個非常典型的問題,即復合材料螺栓面臨的挑戰。他們某個型號的一臺移動式起重機,在客戶處服務數個月之后,將彈性墊固定在伸縮臂內的連接松脫了30%。聚合物、短夾持長度和后油漆層這三種組合因素必然會導致連接處出現沉降和松弛。螺栓的大幅松動使得用戶(客戶)無法操作伸縮臂,并要求制造商在保修范圍內進行快速維修。這耗費了起重機制造商大量的費用,而且其品牌形象已受損害。
  在應用上使用洛帝牢X系列墊圈解決了松動的問題,消除了額外的維修和保修成本。即使應用本身也包含其他的設計問題,包括夾持長度段和多層次(外殼、墊片、墊圈及墊),現在X系列墊圈仍能保障螺栓連接的安全性。采用X系列墊圈以來,懸臂再未發生螺栓松動的現象。因此制造商可以享受彈性墊具備的優勢,同時仍然保證其螺栓連接安全穩固,對于終用戶,則可以保證產品安全可靠。
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