[发明专利]用于螺纹紧固件的减载垫圈组件

说明书

技术领域

本公开涉及一种用于螺纹紧固件的减载垫圈。更具体地，本公开涉及使用具有互补的阶梯式或槽式(castellated，齿形的有许多缺口的；堞形的)特征的多部分垫圈以选择性地消除螺栓或螺柱中的张紧载荷。

背景技术

卡滞(galling，因磨损而卡死)是在紧固或拆卸螺纹元件时引起的常见问题。卡滞可以对螺纹特征造成损害或卡住所述元件。修理或修补这种损害或卡住通常花费不菲。卡滞是在涉及金属表面的相对运动的操作期间在所述表面之间的粘着磨损和材料传递的形式的。紧固螺纹元件(其中，互锁的螺纹特征在高载荷之下滑动经过彼此)是明显易于或容易卡滞的一种工业操作。卡滞是所述应用中的主要问题，这是因为促进卡滞的相同特征(例如，材料延展性、金属与金属接触、摩擦以及高压紧载荷)不仅存在，而且这些特征实际上是进行操作所需要的特征。

然而，在相对较低的载荷时也可发生卡滞，这是由于局部压力和能量密度大于它们相应的宏观值。这些局部值可造成升高的摩擦，促进材料转移，并且引起相变。在两个金属表面(例如，互补的螺纹)受力在一起时，在每个表面上发现的高点或粗糙处是初始配合点。在施加相对运动时，所述粗糙处能够穿透相对的表面，从而引发所述表面之间的塑性变形以及摩擦力。引起的压力是高度局部化的，并且压力施加于其上的小区域称为接触区域。所述压力提高产生增大的摩擦热和粘合力，从而导致引发材料转移、产生额外突出部、以及所述突出部的生长。此外，由于局部氧化的额外碎屑、外来污染物以及组件润滑的故障、渗漏以及去除，所以在拆卸使用了几年的螺纹紧固件时，尤其可能发生卡滞。

常用的机器螺钉的高延展性可被视为实际材料转移和卡滞的必要特征。摩擦热与包围穿透物体的塑性区域的尺寸、形状以及材料特性极为相关。因此，由于具有小的短暂的塑性区域，所以脆性断裂很少生成大量热量。如果突出部的高度生长得比临界阈值更大，那么突出部可穿透互补配合表面的脆性氧化层。结果，所述突出部可对最初氧化层形成于其上的延展性块状材料造成损坏，从而在所述突出部周围产生塑性流的区域。因此，在滑动期间，突出部的几何形状、载荷状态以及相对运动控制材料流、接触压力以及热剖面。

在螺母扭转的动态滑动接触期间，增大的轴向压紧力与在上述局部系统中的势能和热能的增大成比例地相等。因此，与螺母拧在螺纹配对件上以及脱离螺纹配对件的扭转力关联的高载荷以及相对旋转特别易受卡滞的影响。此外，在螺母进一步转动并且进行滑动时，额外能量供给至该系统。首先，在该系统(接触区域)中具有有限的能量损耗，这是因为在系统边界上，远离接触区域的热传导被用于热传递的较小的横截面区域以及相应较低的传导性显著地限制。结果是，在接触区域内的能量密度和温度相应增大，并且所述能量积聚可损坏接触表面并且改变其塑性特性。而且，直接接触和塑性变形流场的结合可导致构成公共塑性区域，在公共塑性区域中，高能量密度、压力以及温度促进表面间接合。通常，这大幅增大表观粘性以及增大进一步推进或去除螺母所需的力。在某些情况下，这可导致螺母卡在螺纹元件上，并且去除所述螺母需要耗时的或破坏性的技术，例如切割螺母或螺钉。由于系统中的局部势能和摩擦热的减少，所以减少或消除螺母之间的压紧载荷大幅降低了卡滞的可能性。

防止卡滞的一种可能的方法是使用一种张紧系统以在拧下螺母之前伸展螺栓。这种张紧系统的实例包括液压螺栓张紧器和液压螺母。然而，使用这种系统可以具有时间密集性并且通常需要额外的液压机械来产生必要的操作压力。而且，所述张紧方法涉及在拆卸期间暂时增大螺栓元件上的压紧载荷，在某些情况下这是不可取的。在美国专利号4,998,453、5,527,015以及7,673,849中可以获悉液压张紧装置的实例。

防止卡滞的另一种可能的方法是使用多个起重螺栓(jackbolts，调整螺栓、定位螺栓)来机械地张紧和卸载主螺柱或螺栓。与先前描述的液压张紧系统相反，该方法具有在拆卸期间不需要在螺栓元件上增大压紧载荷的优点。然而，这种拆卸方法可以具有时间密集性，这是因为必须为每个主螺柱卸载多个起重螺栓，通常使用一种反复的逐步式卸载方案。可在美国专利号3,618,994、4,338,037以及4,622,730中获悉多个起重螺栓装置的实例。

防止卡滞的又一种方法是通过使用非标准的螺栓或螺母。例如，美国专利号8,206,072描述了一种快速释放螺母，该螺母可以选择性地从紧固件螺纹脱离。然而，通常需要使用标准化紧固件，以便符合行业指南。因此，使用专门的快速释放螺母可能是不可取的。

因此，需要一种消除上述问题的减载垫圈。