低頻振動下螺栓防松方式研究

王璐

摘要：螺栓連接在工作狀態(tài)下可能會經受所有類別的變動載荷，包括極為激烈的振動和沖擊載荷。在變動載荷的作用下，螺栓連接的失效通常是由其自身的松動和疲勞破壞所引起的。螺栓連接的失效會影響產品和設備的正常運轉，甚至會造成嚴重的后果。如何防止螺栓連接的松動是研制和設計緊固件的重要任務之一。本文對螺栓防松的重要性進行了分析，并闡述了螺栓松動常見原因以及螺栓固件連接的防松措施。

關鍵詞：螺栓;緊固件;防松;摩擦

引言

機械裝配中的連接形式繁多，包括斷面緊度配合連接、螺栓連接、銷連接、焊接、膠結等。其中，螺栓連接結構應用最為廣泛，且為機械設備中較為薄弱的部位。尤其是在振動環(huán)境下，螺栓連接抗振松的壽命比其材料和結構的疲勞壽命短得多，遠在疲勞破壞之前，就已經出現(xiàn)了因松動而造成螺栓連接的松脫失效，或者出現(xiàn)了因松動而導致連接件和被連接件的過早疲勞破壞。會導致連接部位應力松弛和局部變形，進而導致連接松動和滑移，從而導致系統(tǒng)結構在不同的動載荷下出現(xiàn)一定的非線性特性。緊固件防松技術及防松效果的評價日益得到人們的重視，為此，通過試驗和實踐不斷開發(fā)新的防松技術和防松緊固件產品是從事緊固件研究、生產和使用者的重要任務。

1.螺栓防松的重要性

螺栓是一種用于連接和傳動的機械結構要素，因其具有連接力大，結構緊湊，裝拆方便，連接可靠等優(yōu)點，已經成為目前應用最廣泛的連接方式。螺栓緊固件利用螺紋的特點，通過標準化，實現(xiàn)大批量專業(yè)化集中生產，不僅實現(xiàn)通用互換，而且在提高了產品質量的基礎上大大降低了成本，使之得到更廣泛的應用。在今天，幾乎找不到不使用螺栓緊固件的機器。然而，由于螺栓緊固件品種規(guī)格繁多，大都為專業(yè)化集中生產，使用環(huán)境及要求相差甚遠，所承受載荷復雜，影響因素多而變化無常，給設計使用帶來很大困難。在一些關鍵部位的螺栓連接一旦出現(xiàn)失效，將會帶來不可估量的損失。受螺紋結構原理的限制，松脫是緊固件的失效的一個主要形式，對此需要采取有效的防范措施。

2.螺栓松動原因分析

螺栓松動指的是螺栓在連接時部分或者全部失去沿軸線方向的預緊力，是螺栓失效的一個重要形式。雖然螺栓的螺紋可以達到自鎖的條件，也有摩擦力的存在，但是松動現(xiàn)象還是會出現(xiàn)，造成松動的原因分析如下：

在靜荷載條件的作用下，螺栓僅受到軸向荷載的作用，因為螺紋升角作用，擰松螺母與擰緊螺母所用的扭矩有所不同，通常松動的力矩是擰緊的80%大小，在無附加扭矩情形之下，連接將不會發(fā)生松動。變荷載、沖擊和振動是造成松動的重要原因。許多緊固件被用在有沖擊或者振動的環(huán)境下，由于零件存在慣性，并和其相的零件間有作用力，使得螺紋副與螺母的支承面摩擦力系數嚴重降低，有時甚至摩擦力瞬間消失，從而破壞了原有力的平衡，使得螺紋副無法達到自鎖的條件，出現(xiàn)微量滑動的現(xiàn)象。位移在緊螺母的方向較松螺母的方向要更多地克服阻力，所以，滑動發(fā)生在緊螺母的方向可能性較小。這樣經過反復重復滑動將會致使螺栓發(fā)生松動。螺栓與被連接的零件在較大應力的作用下發(fā)生變形，螺栓相互接觸面（例如各支承面、螺紋牙側面、被連接的零件接觸面）因為表面的波紋度、粗糙度及形位的誤差等因素，發(fā)生局部的塑性變形，且發(fā)生的塑性變形在構件使用過程中可能會繼續(xù)發(fā)展，最終使連接預緊力不斷下降，致使連接副的嚙合面正壓力降低，降低自鎖性能，在外部環(huán)境的作用的情況下，使松動的速度加快。

3.常見的螺栓緊固件連接的防松措施

3.1增加螺栓緊固件之間的摩擦力

通過增大螺栓緊固件之間或者螺母接觸點的摩擦力來防止螺栓緊固件出現(xiàn)松動，它不會受到空間的限制，可以循環(huán)地拆卸使用，是迄今使用最為廣泛的一個措施。

3.2增加機械固定件

可以利用止動墊圈，開口銷等機械固定件來固定和鎖緊螺栓緊固件，在重要的連接位置廣泛采用此種防松措施，可有效避免螺栓連接發(fā)生松動。但是此種方法的生產和安裝工序較為繁瑣，使螺栓固件重量增加。

3.3采用雙螺母

用兩個同一規(guī)格螺母來替代單螺母。此種雙螺母的裝配方式可首先用80%的扭矩來將雙螺母的內螺母擰緊，之后在用100%的扭矩將外螺母擰緊，這種方式可有效增大兩螺母與螺栓螺紋之間的貼合程度，可使螺栓緊固件間的摩擦力明顯的提高，起到防松的效果。然而此種方法會使螺栓緊固件的重量增加，并且該方法對螺栓安裝的空間也提出了更高的要求。

3.4采用彈性墊圈

彈性墊圈包括：彈簧墊圈、鞍形墊圈、波形墊圈及齒形墊圈等多種類型，彈性墊圈的使用原理是用墊圈自身彈簧帶有的的外彈力或翹齒摩擦來避免螺栓連接發(fā)生松動，給予螺栓緊固件連接緊鎖的作用。需要介紹的是帶切口的彈簧墊圈防松，此種防松方法主要依靠彈簧經壓平后所產生的回彈力以及切口的尖角嵌入到緊固件的支撐面，從而到達防松效果，具有代表性的彈墊包括GB/T859、GB/T93及GB/T7244 等，然而由于其彈簧產生彈力不夠均勻，使用使可靠度不高，多用在不重要構件聯(lián)接，對需經常進行拆卸和不允許劃傷的情況不適合使用。

彈性墊圈連接較簡單，使用成本較低，安裝簡便，因此該種防松方法被廣泛采用。但需要注意彈性墊圈的材料易氫脆，其防松效果不夠突出，在有強烈沖擊或振動的部位不宜使用彈墊防松，重要的螺栓連接不能單獨使用彈性墊圈防松。

3.5采用雙疊鎖緊墊圈

此種墊圈是由兩片組成，外側是帶有放射狀凸紋面，而內側為斜齒面。其獨特的嵌入式結構改變了傳統(tǒng)墊圈主要通過摩擦力來達到防松的方式，而是采用國際最為先進的防松技術，利用兩墊片之間的張力來達到防松和制緊的雙重效果。雙疊墊圈是一對有楔入制鎖功能的墊圈，它采用了一種利用膨脹力取代摩擦力的獨特制鎖方法。利用凸齒之間抬升的方式來制鎖，這遠比利用螺栓螺距的摩擦力制鎖方式要好得多。另外，在墊圈的對立面上有輻射狀的齒牙。這種墊圈是以凸齒面對凸齒面的方式成對安裝的。當螺栓和螺母被擰緊時，齒牙卡緊了嚙合面。墊圈被固定后僅僅允許在交叉于凸齒面方向錯動，所產生的膨脹力使得螺栓或螺母自鎖，因而不可能錯動;相互配合的凸齒產生楔入作用，從而增加了螺栓的拉力，這樣就不允許連接件旋轉松動。在應對各類振動作業(yè)或者動態(tài)負載的連接點上鎖緊墊圈徹底地制鎖了緊固零件。此種防松墊圈安裝簡單，只需將兩片墊圈內側斜齒面相對，置于螺母和連接材料之間即可。螺母被擰緊后，防松墊圈外側放射狀凸紋面與兩端接觸面成咬合狀態(tài)，且墊圈內側斜齒面坡斜角度大于螺栓的螺紋角度。

3.6采用自鎖螺母

自鎖螺母按功能分類的類型有嵌尼龍圈的、帶頸收口的、加金屬防松裝置的。它們都屬于有效力矩型防松螺母，被廣泛使用在各種重要連接部位。

3.7采用雙變牙型防松螺母

雙變牙型防松螺母具有防松系數高，抗震防松性能好，防松性能可靠，可重復使用，不受溫度變化及環(huán)境酸堿度影響的特點，應用環(huán)境范圍廣泛。尺寸規(guī)格同國標螺母，與標準外螺紋匹配無需任何輔助鎖緊元件，如彈簧墊圈止動墊片等，安裝沒有方向性，安裝拆卸所用工具同國標螺母，適合所有國標螺母及特殊的外形要求。變牙型、雙變牙型屬于結構防松，只改變了螺紋牙型，適合于普通外螺紋，螺母所用材質同普通國標螺母一樣。

3.8破壞運動副關系

通過使用沖頭使螺栓和螺母的螺紋局部變形，偏離原牙型輪廓，使其局部不能與正常螺紋向嚙合，破壞原運動副的運動關系，形成不可重復使用的連接，如欲拆卸，須使用較大的扭矩將螺母擰出或將其破壞，這種方法目前已很少使用。

3.9粘結

粘結是將螺栓和螺母與被連接件粘結在一起，達到防松的目的。用于大批量生產的粘結螺栓，一般是在緊固件制造廠將厭氧膠涂在零件上并經干燥處理，形成微膠囊，這種微膠囊表面干燥，沒有粘感，裝配時，微膠囊受擠壓破裂，膠液溢出，將螺栓和螺母粘結牢固。拆卸時只要施加足夠的力矩即可，一般情況下，在一定的期限內，可以重復使用有限次數。

4.結語

為了合理有效的增加螺栓連接的緊固效果，防止螺栓連接在使用過程中脫落，除了以上所闡述的幾種方法以外，使用者需要緊密結合螺栓使用的具體情景，科學分析各類螺栓連接的防松措施的優(yōu)缺點，正確合理地選擇螺栓連接的防松方式。另外，需要在實踐的過程中不斷的積累螺栓連接的防松經驗，對于各類由于螺栓連接的松動所造成的生產事故要追根究底，發(fā)現(xiàn)螺栓松動的根本原因，從源頭解決螺栓的松動問題。

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