目前市場上緊固件的特點(diǎn)
緊固件連接的可靠設(shè)計(jì)與應(yīng)用
緊固件連接的特點(diǎn)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(chǎn)生松動(dòng)的原因和提出了防止松動(dòng)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(shí)踐中總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)。
緊固件連接；設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
1 引言
緊固件連接就是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的零（部）件緊密的連接在一起，形成一個(gè)整體的部件或整件。空間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(dòng)、起飛、高空飛行和太空宇宙運(yùn)行及返回地面著陸過程中使用的產(chǎn)品，所以其緊固件連接具有其特有的使用特點(diǎn)和使用要求。所使用的緊固件中任何一個(gè)部位的緊固件松動(dòng)都會(huì)引起電池的故障或失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(shè)計(jì)是非常重要的。
2 空間配套用電池緊固件連接的特點(diǎn)
緊固件連接在空間配套用電池上的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：
�。�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(nèi)法蘭（或內(nèi)襯條）的固定；從電池對外接口——電連接器（插座）到正負(fù)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(shè)計(jì)和生產(chǎn)出適應(yīng)空間配套使用的電池。
�。�2）、承載能力要求高
緊固件連接的結(jié)構(gòu)受力處要能承受航天飛行器從發(fā)射過程中的地面啟動(dòng)、起飛、高空運(yùn)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(dòng)、高強(qiáng)度三維隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)境條件和重力載荷不斷發(fā)生變化及有可能產(chǎn)生共振等力學(xué)環(huán)境條件。為了減輕電池組的重量，電池組在設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)，所以緊固件防止松動(dòng)設(shè)計(jì)尤為重要。
�。�5）、在電池組外殼結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)力外，還要承受剪切力，有時(shí)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(shí)，由于巨大的沖擊產(chǎn)生的剪切力把緊固電池組用的十幾個(gè)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(zhì)量問題歸零后改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，選用了超高強(qiáng)度的不銹鋼緊固螺栓，提高了緊固連接的強(qiáng)度，保障了后續(xù)電池產(chǎn)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(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮連接強(qiáng)度外，要進(jìn)行防止松動(dòng)設(shè)計(jì)，還要考慮緊固連接處的低電阻性。絕不能用因?yàn)榫o固連接而過多增加電池的內(nèi)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(dāng)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(jié)構(gòu)而定。電池組外殼上法蘭盤的固定，內(nèi)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(fù)極極柱或正負(fù)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(jié)構(gòu)受力緊固件連接失效模式
電池上非結(jié)構(gòu)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(dòng)時(shí)可能會(huì)發(fā)生松動(dòng)或松脫。所以連接件的松動(dòng)和松脫是主要的失效形式，一旦發(fā)生松動(dòng)連接就不能保證正常工作，從而導(dǎo)致連接失敗。
�。�2）、結(jié)構(gòu)受力緊固件連接的失效模式
結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(guān)，這些破壞力有時(shí)會(huì)起疊加作用，所以對緊固件連接進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)和緊固件選擇時(shí)一定要考慮緊固件強(qiáng)度的冗余量，進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。
5 空間配套用電池上緊固件連接的可靠性設(shè)計(jì)
要對空間配套電池上緊固件連接進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，首先要考慮連接件的結(jié)構(gòu)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(diǎn)火、起飛、飛行及返回的全過程中，電池組將在三個(gè)互相垂直的軸線方向上承受振動(dòng)、移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)承受，若電池采用的是掛壁式的安裝結(jié)構(gòu)，其緊固件還將承受扭轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)力。
根據(jù)電池組在使用過程中所承受的力學(xué)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(jì)算出會(huì)產(chǎn)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(gè)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(jì)算出每個(gè)緊固件應(yīng)承受的力，考慮到可能出現(xiàn)共振，所傳遞的力會(huì)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(shè)計(jì)
（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(jìn)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(zhì)量問題時(shí)，就要破壞掉鉚釘，當(dāng)電池殼體內(nèi)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(nèi)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(nèi)部使用了金屬襯板也可省去內(nèi)部的平墊圈。
5.2 空間配套用電池組外殼上檐與內(nèi)法蘭框或襯條緊固連接的可靠性設(shè)計(jì)
處于這個(gè)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(nèi)法蘭盤（框）或內(nèi)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(nèi)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(gè)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(shè)計(jì)
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(gè)螺母加一個(gè)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(nèi)法蘭盤或外殼內(nèi)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(shí)現(xiàn)，用金屬螺釘直接旋入法蘭盤或襯條的螺紋孔內(nèi)，以達(dá)到緊固連接的目的。同樣應(yīng)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(gè)沉頭螺釘之間的中心距應(yīng)略小一些，也就是說同一個(gè)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(jié)構(gòu)承力連接。雖然在各種力學(xué)環(huán)境作用下，會(huì)產(chǎn)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(huì)造成緊固件的破壞，而主要是防松動(dòng)和脫落，確保密封。因?yàn)橐_保密封，兩個(gè)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(gè)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(fù)極柱（極孔座）與電池組外殼連接的可靠性設(shè)計(jì)
電連接器（插座）、正負(fù)極柱（極孔座）與電池組外殼的緊固連接屬于非承力結(jié)構(gòu)件的緊固連接，通常采用螺釘、螺母和墊圈來連接，同時(shí)又要保證密封，并采用防松脫的緊固設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)
�。�1）、單體電池間串、并聯(lián)緊固連接的特點(diǎn)
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(jié)構(gòu)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(dòng)力的作用下單體間若發(fā)生上下移動(dòng)，容易使緊固件松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使跨接片斷裂，接線柱上緊固螺母松動(dòng)、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(shè)計(jì)
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(dǎo)線引出線上的焊片緊固連接，形成一個(gè)完整的電路，所以其連接件應(yīng)考慮其應(yīng)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(dòng)、松脫，結(jié)構(gòu)上采用兩個(gè)細(xì)牙螺母、大平墊圈或標(biāo)準(zhǔn)平墊圈，避免使用小平墊圈。
為了更好地防止緊固件的松動(dòng)和跨接片被折斷，在電池組進(jìn)行裝配時(shí)，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(shè)計(jì)出一個(gè)平臺，單體的極柱高度略低于這個(gè)平臺，壓緊單體電池時(shí)，壓在平臺上而不會(huì)壓在極柱緊固件上〔1〕。電池裝配后，單體電池與殼體之間應(yīng)采取措施保證其與殼體之間在外力的作用下，不產(chǎn)生相對位移。
6 空間配套電池的緊固連接的防松設(shè)計(jì)
緊固連接的防松設(shè)計(jì)尤其重要，若單體電池跨接片連接的緊固螺母松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電池組的內(nèi)阻增大，電壓下降，無法正常工作。
6.1 產(chǎn)生緊固件連接松動(dòng)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(dòng)力的作用下，以及高低溫交變的溫度沖擊下很可能會(huì)引起緊固松動(dòng)。由于松動(dòng)，將導(dǎo)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(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致緊固連接的失效。
在靜載荷下，緊固連接都能保證不會(huì)松動(dòng)，螺母在開始松動(dòng)時(shí)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(dòng)力矩不大于擰緊的螺栓邊接力矩的0.8時(shí)，緊固連接就不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。但在變載、沖擊、振動(dòng)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(shí)消失。螺紋幅不再滿足自鎖要求條件，當(dāng)有微量相對滑動(dòng)時(shí)，螺母對于螺栓回轉(zhuǎn)的切向滑動(dòng)很容易產(chǎn)生，這種現(xiàn)象反復(fù)多次的重復(fù)將會(huì)導(dǎo)致螺栓緊固連接的松動(dòng)。
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(qiáng)過大而產(chǎn)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(huì)繼續(xù)發(fā)生，結(jié)果使緊固連接的予緊力減少，也可能會(huì)造成螺栓緊固連接的松動(dòng)。
由于螺栓緊固連接中相互接觸面（如螺紋牙側(cè)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(shí)，會(huì)產(chǎn)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(huì)導(dǎo)至螺栓緊固連接的松動(dòng)。
螺栓連接的松動(dòng)可能是多種因素引起的，針對各個(gè)因素采取措施，分清主次，抓主要因素，從根本上防止其松動(dòng)。
6.2 空間配套用電池防止緊固件連接松動(dòng)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(qiáng)，可防止塑性變形引發(fā)的松動(dòng)；
�。�3）、經(jīng)常維護(hù)防松：在緊固連接工作一段時(shí)間后（每次試驗(yàn)后）補(bǔ)擰螺母也可以減少松動(dòng)；
�。�4）、增大磨擦防松：在螺紋幅之間產(chǎn)生一個(gè)不隨外力變化的正壓力，以產(chǎn)生一可以阻止螺紋副相對轉(zhuǎn)動(dòng)的的摩擦力，這種正壓力可通過軸向或橫向或同時(shí)兩向壓緊螺紋幅來實(shí)現(xiàn)；
�。�5）、用止動(dòng)件直接鎖住防松：用止動(dòng)件直接限制螺紋副的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)幅關(guān)系來防止螺栓緊固連接松動(dòng)：在擰緊緊固件后采用沖點(diǎn)、焊接、涂膠粘結(jié)等到方法，使螺紋幅失去運(yùn)動(dòng)副特性，這時(shí)的緊固連接成為不可拆連接，會(huì)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(xì)牙螺紋可以對螺栓緊固連接防止松動(dòng)：采用細(xì)牙螺紋，利用其升角小而更容易達(dá)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(dòng)的方法，來實(shí)現(xiàn)防止松動(dòng)；
�。�8）、使用耐螺扣螺絲防止松動(dòng)：耐螺扣螺絲是以特殊技術(shù)使特殊的工程樹脂材料永久粘復(fù)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(chǎn)生的磨擦力，達(dá)到對震動(dòng)及沖擊的絕對阻力，實(shí)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(dòng)的方法。
耐螺扣螺絲具有可反復(fù)使用，不怕汽油、機(jī)油、黃油、溶劑，止漏等特點(diǎn)，其反復(fù)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(dòng)及沖擊的絕對阻力，實(shí)現(xiàn)提高抗沖擊、振動(dòng)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?yàn)榫o固件的尺寸，材料、涂層、制造與裝配質(zhì)量等因素都對緊固連接的抗松動(dòng)能力有影響。
7 體會(huì)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(nèi)部的連接件襯板（襯條）外再罩上一個(gè)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(chǎn)生松動(dòng)，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(chǎn)品的可維修性和提倡反復(fù)使用的角度看，采用螺栓緊固連接是易于實(shí)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(xì)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(zhì)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(shí)，第一個(gè)螺母擰緊后再擰緊第二個(gè)螺母，不能兩個(gè)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(nèi)部噴涂絕緣性好的涂料或噴塑，必要時(shí)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(nèi)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(yán)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?qū)Σ灰蟛鹦兜某令^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(jié)束語
由于新材料在不斷的出現(xiàn)，技術(shù)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(qiáng)度，性能優(yōu)異、緊固可靠的緊固件不斷出現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)人員，工程技術(shù)人員不斷學(xué)習(xí)進(jìn)取，不斷創(chuàng)新，盡可能把安全可靠的緊固件應(yīng)用到空間配套的電池中去，從而進(jìn)一步提高空間用電池的先進(jìn)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(shè)計(jì)技術(shù)也可以推廣應(yīng)用到其它領(lǐng)域里使用的配套電池的設(shè)計(jì)上。
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