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關閉窗口 緊固件連接的可靠設計與應用
緊固件連接的特點及主要使用類型；分析了緊固件主要受力及其失效的原因；闡述了緊固連接件產生松動的原因和提出了防止松動的有效措施，從而為空間用電池上的緊固件連接可靠性提供了方法，并從實踐中總結了經(jīng)驗。
緊固件連接；設計與應用。
1 引言
緊固件連接就是把兩個或兩個以上的零（部）件緊密的連接在一起，形成一個整體的部件或整件�？臻g用電池不論是單體電池還是電池組都使用了一定數(shù)量的緊固件連接。由于空間用的電池是隨著航天飛行器的地面啟動、起飛、高空飛行和太空宇宙運行及返回地面著陸過程中使用的產品，所以其緊固件連接具有其特有的使用特點和使用要求。所使用的緊固件中任何一個部位的緊固件松動都會引起電池的故障或失效，嚴重時會引起飛行的失敗。所以空間用電池上的緊固件連接的可靠性連設計是非常重要的。
2 空間配套用電池緊固件連接的特點
緊固件連接在空間配套用電池上的應用具有以下特點：
�。�1）、使用數(shù)量相對較大
從單體裝配到單體電池間的串、并聯(lián)連接；從電池組大外殼支腳（支臂）到外殼內法蘭（或內襯條）的固定；從電池對外接口——電連接器（插座）到正負極引出極柱（或極孔座）的安裝及電池組外殼、蓋的連接、密封、固定裝配都使用了較多的緊固件連接。所以沒有緊固件就不可能設計和生產出適應空間配套使用的電池。
（2）、承載能力要求高
緊固件連接的結構受力處要能承受航天飛行器從發(fā)射過程中的地面啟動、起飛、高空運行，太空宇宙飛行及返回地面著陸等工作過程中出現(xiàn)的沖擊、振動、高強度三維隨機振動的環(huán)境條件和重力載荷不斷發(fā)生變化及有可能產生共振等力學環(huán)境條件。為了減輕電池組的重量，電池組在設計上緊固件使用數(shù)量盡可能的少，從而要求緊固件的承載能力和承載強度盡可能的高。
（3）、能承受惡劣氣候條件和自然環(huán)境變化的影響
緊固件連接要能承受高溫、低溫、高低溫交變沖擊，高潮濕，及濕熱等自然氣候條件的影響，并能耐酸、耐堿、耐鹽霧、耐霉菌及耐各種射線輻射的腐蝕。
�。�4）、對連接中防止松動問題要求非常高
由于空間配套用的電池使用環(huán)境決定了電池要具有極高的密封性，這就要求所用緊固件不能松動，所以緊固件防止松動設計尤為重要。
�。�5）、在電池組外殼結構件上的緊固件連接受剪切力作用較大
電池組外殼支腳（支臂）上的緊固件除要承受拉伸、壓縮、扭轉力外，還要承受剪切力，有時瞬間的沖擊剪切力是非常大的，很容易對緊固件的連接造成破壞，使緊固連接失效。曾出現(xiàn)過某航天噐返回著陸時，由于巨大的沖擊產生的剪切力把緊固電池組用的十幾個45號鋼M4螺栓全部從接觸面處剪切斷，造成支腳與電池組分離。質量問題歸零后改進設計時，選用了超高強度的不銹鋼緊固螺栓，提高了緊固連接的強度，保障了后續(xù)電池產品的可靠使用。
電氣連接的低電阻性
空間用的電池組中單體間的連接屬于電氣連接，設計時除了要考慮連接強度外，要進行防止松動設計，還要考慮緊固連接處的低電阻性。絕不能用因為緊固連接而過多增加電池的內阻，而影響電能的輸出。
3 空間配套用電池上所使用緊固連接的類型
常用的緊固件連接主要有三類：鉚釘連接、螺栓（螺釘）連接、銷連接。而在空間用配套電池上主要使用了前兩類，即鉚釘連接和螺栓（螺釘）連接。當然常用的連接還有焊接和膠接，但這不屬于緊固連接的范疇。在電池組外殼與支腳（支臂）的連接，采用鉚接或螺栓連接都可以，視電池組外殼結構而定。電池組外殼上法蘭盤的固定，內襯條的安裝固定多采用鉚釘連接。電池組外殼與電池組蓋子的裝配，密封件的密封，單體電池的接線柱與單體蓋子的緊固連接及單體電池間的串聯(lián)、并聯(lián)連接，電聯(lián)接器（插座）與外殼的裝配連接，正負極極柱或正負極插孔與電池組外殼的緊固連接多采用螺栓（螺釘）式的連接，這有利于電池組的可維修性。
4 緊固件連接的失效模式
（1）、非結構受力緊固件連接失效模式
電池上非結構受力緊固件連接基本上都屬靜力連接，這種連接件在高頻振動時可能會發(fā)生松動或松脫。所以連接件的松動和松脫是主要的失效形式，一旦發(fā)生松動連接就不能保證正常工作，從而導致連接失敗。
�。�2）、結構受力緊固件連接的失效模式
結構受力緊固件連接在使用過程中要受到多種破壞力的作用，如拉伸、壓縮、彎曲、剪切、擠壓、扭轉等，對于不同的連接，被破壞的形式（受力形式）不一定相同，它與很多因素有關，這些破壞力有時會起疊加作用，所以對緊固件連接進行可靠性設計時和緊固件選擇時一定要考慮緊固件強度的冗余量，進行冗余設計。
5 空間配套用電池上緊固件連接的可靠性設計
要對空間配套電池上緊固件連接進行可靠性設計，首先要考慮連接件的結構形式，其次要考慮連接件的緊固連接的受力和力的傳遞形式。
航天飛行器在發(fā)射點火、起飛、飛行及返回的全過程中，電池組將在三個互相垂直的軸線方向上承受振動、移動和轉動力，電池組緊固件屬于靜態(tài)連接方式，各種力是直接傳遞的，所以緊固連接將要承受擠壓力、拉伸力、剪切力或幾種力同時承受，若電池采用的是掛壁式的安裝結構，其緊固件還將承受扭轉或翻轉力。
根據(jù)電池組在使用過程中所承受的力學環(huán)境條件要求，對電池組可能承受的各種力的綜合分析，計算出會產生破壞力的最大值；根據(jù)電池組外形尺寸，電池重量，確定所需要的緊固件數(shù)量。兩個緊固用的鉚釘或螺釘之間的中心距不能過大或過小，一般（40~50）mm之間較合適。用并聯(lián)系統(tǒng)可靠性方法計算出每個緊固件應承受的力，考慮到可能出現(xiàn)共振，所傳遞的力會增大2~3倍，以此最后確定緊固件的品種、規(guī)格、型號和數(shù)量。
5.1 空間配套用電池組外殼與支腳（支臂）緊固連接的可靠性設計
�。�1）、支腳（支臂）與金屬外殼間的連接
支腳（支臂）與金屬電池組外殼間的緊固件連接通常采用金屬（鋁或鋼）鉚釘進行鉚接連接，這種連接形式可以節(jié)省連接件的品種，但不具有可維修性，若出現(xiàn)質量問題時，就要破壞掉鉚釘，當電池殼體內有足夠空間，并考慮可維修性和方便檢查，也可選擇金屬螺栓（螺釘）連接方式，用螺母緊固連接。
（2）、支腳（支臂）與非金屬外殼間的連接
支腳（支臂）與非金屬電池組外殼的緊固連接，一定要在非金屬外殼內加一塊金屬襯板（襯條），把非金屬電池組外殼夾在金屬支腳與金屬襯板（襯條）中間，再用螺栓、螺母緊固連接（如果體積尺寸要求要盡量的小，也可以用鉚接方式緊固連接）。并在電池組外殼與支腳、金屬襯條接處面間涂上少量的環(huán)氧樹脂膠。內部使用了金屬襯板也可省去內部的平墊圈。
5.2 空間配套用電池組外殼上檐與內法蘭框或襯條緊固連接的可靠性設計
處于這個部位的緊固件所受力不是很大，但也要承受一定的擠壓、拉伸和剪切力。其主要是將電池殼內法蘭盤（框）或內襯條與電池組蓋子的固定和電池組的密封。這部份的緊固連接形式多采用沉頭鉚釘連接。不管其外殼是金屬的還是非金屬的，均采用直接鉚接形式，但也有在襯條或內法蘭上打螺紋孔，用螺栓（螺釘）來連接的。一般來說，鉚接形式作為優(yōu)選。兩個緊固件之間的中心距可以大一些，一般在（45~55）mm之間，連接件多選用鋁鉚釘。
5.3 空間配套用電池組外殼與蓋子的緊固連接可靠性設計
電池組外殼與蓋子的緊固連接主要有兩種形式，一種是電池組外殼帶有外法蘭盤的，這種連接通常采用金屬螺栓、平墊圈、雙螺母（或使用一個螺母加一個特種不銹鋼彈簧墊圈）緊固連接。外殼與蓋之間夾有橡膠密封墊圈,緊固連接除有緊固連接作用外，還有緊固密封作用.
另一種是電池組外殼具有內法蘭盤或外殼內四壁處有襯條，這種連接通常采用圓柱頭（或六角頭）螺釘和平墊圈（也可加上特種不銹鋼彈簧墊圈）來實現(xiàn)，用金屬螺釘直接旋入法蘭盤或襯條的螺紋孔內，以達到緊固連接的目的。同樣應在蓋子與法蘭盤或襯條（襯框）之間夾有橡膠密封墊圈。緊固連接仍兼有密封連接的目的，見圖4。
有的電池組由于體積尺寸上的限制，只能采用沉頭螺釘來緊固連接。在這種情況下兩個沉頭螺釘之間的中心距應略小一些，也就是說同一個電池組使用沉頭螺釘緊固連接的螺釘數(shù)量比使用園柱頭或六角頭螺釘要多一些。這兩種連接都不屬于結構承力連接。雖然在各種力學環(huán)境作用下，會產生和傳遞一定的力在緊固件上（各種力如前所述），但都不是很大，不會造成緊固件的破壞，而主要是防松動和脫落，確保密封。因為要確保密封，兩個緊固件之間的中心距選擇（40~50）mm較好。由于緊固件要經(jīng)常拆卸，最好選擇M5~M6的鋼制螺栓（螺釘）。若采用較小的M3～M4螺釘連接，則兩個緊固件之間的中心距最好在（35~40）mm左右。
5.4 電連接器（插座）、正負極柱（極孔座）與電池組外殼連接的可靠性設計
電連接器（插座）、正負極柱（極孔座）與電池組外殼的緊固連接屬于非承力結構件的緊固連接，通常采用螺釘、螺母和墊圈來連接，同時又要保證密封，并采用防松脫的緊固設計。
5.5 空間配套用電池組中單體電池間的串聯(lián)、并聯(lián)連接的可靠性設計
（1）、單體電池間串、并聯(lián)緊固連接的特點
單體電池間的串、并聯(lián)緊固連接屬于電氣連接，是為了確保電能的輸出，屬于靜連接，不屬于承受力的結構緊固連接。但如果單體電池與電池外殼未能緊裝配，在前述的各種力作用下，特別是在高頻振動力的作用下單體間若發(fā)生上下移動，容易使緊固件松動，嚴重時，會使跨接片斷裂，接線柱上緊固螺母松動、脫落，電能無法正常輸出，造成電池失效。
�。�2）、空間配套用電池單體間串、并聯(lián)連接的可靠性設計
空間配套用電池單體間的串、并聯(lián)連接屬于串聯(lián)系統(tǒng)的連接，屬于電氣聯(lián)接，單體電池的極柱與跨接片或與導線引出線上的焊片緊固連接，形成一個完整的電路，所以其連接件應考慮其應具有低電阻性。一般連接件選擇黃銅鍍銀螺母及黃銅鍍銀平墊圈；另外還要考慮其防松動、松脫，結構上采用兩個細牙螺母、大平墊圈或標準平墊圈，避免使用小平墊圈。
為了更好地防止緊固件的松動和跨接片被折斷，在電池組進行裝配時，一定要緊裝配，上部要用非金屬襯墊和蓋子壓緊單體電池。為了既壓緊單體電池又不破壞極柱的緊固連接，最好在氣塞周圍設計出一個平臺，單體的極柱高度略低于這個平臺，壓緊單體電池時，壓在平臺上而不會壓在極柱緊固件上〔1〕。電池裝配后，單體電池與殼體之間應采取措施保證其與殼體之間在外力的作用下，不產生相對位移。
6 空間配套電池的緊固連接的防松設計
緊固連接的防松設計尤其重要，若單體電池跨接片連接的緊固螺母松動會導致電池組的內阻增大，電壓下降，無法正常工作。
6.1 產生緊固件連接松動的原因
螺紋緊固與鉚接緊固相比，其不足之處在于在變載、沖擊、振動力的作用下，以及高低溫交變的溫度沖擊下很可能會引起緊固松動。由于松動，將導致緊固連接的予緊力減少，甚至于喪失，從而不能保證緊固連接的緊密性，造成緊固連接的松脫或連接中各連接件過早的產生疲勞破壞，導致緊固連接的失效。
在靜載荷下，緊固連接都能保證不會松動，螺母在開始松動時要克服螺紋力矩和螺母支承面力矩的阻礙，只要作用在螺母或螺栓頭部的松動力矩不大于擰緊的螺栓邊接力矩的0.8時，緊固連接就不會發(fā)生松動。但在變載、沖擊、振動等作用下螺紋幅的摩擦系數(shù)急劇下降，且螺紋副和螺母的支承面處的摩擦阻力瞬時消失。螺紋幅不再滿足自鎖要求條件，當有微量相對滑動時，螺母對于螺栓回轉的切向滑動很容易產生，這種現(xiàn)象反復多次的重復將會導致螺栓緊固連接的松動。
螺母和螺栓（螺釘）頭部與被連接件或平墊圈的支承面由于壓強過大而產生塑性環(huán)狀壓陷，在電池的使用過程中這種塑性變形還可能會繼續(xù)發(fā)生，結果使緊固連接的予緊力減少，也可能會造成螺栓緊固連接的松動。
由于螺栓緊固連接中相互接觸面（如螺紋牙側面，各支承面、連接件間相互接觸面等）的粗糙度波紋、形狀等誤差，在緊固擰緊時，會產生局部變形，在電池的使用中外力積累的作用下，有部分變形繼續(xù)發(fā)展，也會導至螺栓緊固連接的松動。
螺栓連接的松動可能是多種因素引起的，針對各個因素采取措施，分清主次，抓主要因素，從根本上防止其松動。
6.2 空間配套用電池防止緊固件連接松動的方法
�。�1）、增大予緊力防松：增大予緊力是有效的防松措施；
（2）、采用大平墊圈防松：采用大平墊圈以減小壓強，可防止塑性變形引發(fā)的松動；
（3）、經(jīng)常維護防松：在緊固連接工作一段時間后（每次試驗后）補擰螺母也可以減少松動；
（4）、增大磨擦防松：在螺紋幅之間產生一個不隨外力變化的正壓力，以產生一可以阻止螺紋副相對轉動的的摩擦力，這種正壓力可通過軸向或橫向或同時兩向壓緊螺紋幅來實現(xiàn)；
（5）、用止動件直接鎖住防松：用止動件直接限制螺紋副的相對轉動。如自鎖螺母就是一種很好的自鎖防松緊固件；
（6）、破壞螺紋運動幅關系來防止螺栓緊固連接松動：在擰緊緊固件后采用沖點、焊接、涂膠粘結等到方法，使螺紋幅失去運動副特性，這時的緊固連接成為不可拆連接，會失去維修性、可更換性。對不需要拆卸的緊固件連接可以選用此方法；
�。�7）、采用細牙螺紋可以對螺栓緊固連接防止松動：采用細牙螺紋，利用其升角小而更容易達到防松效果；也可以采取兩種或兩種以上的防止螺栓連接松動的方法，來實現(xiàn)防止松動；
�。�8）、使用耐螺扣螺絲防止松動：耐螺扣螺絲是以特殊技術使特殊的工程樹脂材料永久粘復在螺牙上，利用工程樹脂材料的反彈性，使螺栓和螺母在鎖緊過程中通過擠壓工程樹脂材料產生的磨擦力，達到對震動及沖擊的絕對阻力，實現(xiàn)防松目地。這是近幾年來提出的新的螺栓連接防止松動的方法。
耐螺扣螺絲具有可反復使用，不怕汽油、機油、黃油、溶劑，止漏等特點，其反復使用的次數(shù)越多，越能發(fā)揮其防松效力；耐螺扣螺絲在螺紋處理處做360°處理后，利用特殊工程樹脂材料之彈性，起到對震動及沖擊的絕對阻力，實現(xiàn)提高抗沖擊、振動能力的目的。
6.3 不同形式的螺栓緊固連接抗振防松能力的比較
不同形式的螺栓緊固連接抗震防松能力的比較，這是相對的，因為緊固件的尺寸，材料、涂層、制造與裝配質量等因素都對緊固連接的抗松動能力有影響。
7 體會和建議
（1）、非金屬材料的電池組外殼與支腳（支臂）緊固連接后，最好在外殼內部的連接件襯板（襯條）外再罩上一個非金屬的絕緣罩，再用環(huán)氧膠粘接上壓條，這樣既加固了緊固連接件又提高了密封性，并保證了絕緣要求。
（2）、為了不產生松動，如果不需要拆卸的緊固連接盡量采用鉚接連接或者采用焊接。
�。�3）、從對產品的可維修性和提倡反復使用的角度看，采用螺栓緊固連接是易于實現(xiàn)的。
（4）、為了提高空間配套用電池的抗振能力及緊固件連接的防松能力，在螺栓緊固連接中盡量采用大平墊圈、細牙螺母的緊固件和雙螺母的緊固連接。為了減輕電池組的質量（重量）在使用雙螺母的情況下也可使用小平墊圈。
�。�5）、使用雙螺母緊固連接操作時，第一個螺母擰緊后再擰緊第二個螺母，不能兩個螺母一起擰。
（6）、為確保金屬材料的電池組外殼與支腳緊固連接后的電絕緣要求，緊固件不被腐蝕性氣體、腐蝕性液體的腐蝕，緊固連接后在電池組外殼的內部噴涂絕緣性好的涂料或噴塑，必要時在緊固連接處再涂環(huán)氧膠。
�。�7）、在不要求可拆卸的螺栓（螺釘）緊固連接處，螺釘頭部可先沾少許環(huán)氧膠液再將螺釘旋擰到螺孔內或螺母上。
�。�8）、對仍在使用彈簧墊圈和單螺母緊固連接的電池組，建議去掉彈簧墊圈，改用雙螺母緊固連接�？臻g配套用電池嚴禁使用具有氫脆隱患的彈簧墊圈；盡可能不使用彈簧墊圈，以免因彈簧墊圈斷裂給使用上帶來危害。
�。�9）、盡量不選用沉頭類螺釘緊固連接，若條件不允許，可選用其他類的緊固件，建議選用耐螺扣沉頭螺釘或對不要求拆卸的沉頭螺釘沾少量的膠再緊固。
�。�10）、對有密封要求并又要求可拆卸的緊固件連接可以在螺釘?shù)穆菁y處纏上少量的聚四氟乙稀生膠帶協(xié)助緊固密封。
8 結束語
由于新材料在不斷的出現(xiàn)，技術上在不斷的創(chuàng)新，緊固件的品種也在不斷的增多，具有高強度，性能優(yōu)異、緊固可靠的緊固件不斷出現(xiàn)，所以設計人員，工程技術人員不斷學習進取，不斷創(chuàng)新，盡可能把安全可靠的緊固件應用到空間配套的電池中去，從而進一步提高空間用電池的先進性、安全性和可靠性。
空間配套用電池上緊固件連接的可靠性設計技術也可以推廣應用到其它領域里使用的配套電池的設計上。