螺紋聯(lián)接防松方法研究

摘 要： 從理論上分析了螺紋松動(dòng)的原因，得到松動(dòng)原因包括接觸面有變形的情況、受到了軸向和橫向的作用力等。對(duì)平常使用的防松方法進(jìn)行了闡述，尤其是對(duì)螺母防松、防松膠、預(yù)緊力等方法的原理展開(kāi)了研究，并對(duì)這些方法的作用結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，得到預(yù)緊力防松方法是當(dāng)前較為適合的方法，對(duì)螺紋間連接的可靠性的提升提供了有益的借鑒。

關(guān)鍵詞： 螺紋聯(lián)接； 預(yù)緊力； 鎖緊螺母； 施必牢螺母； 防松膠

中圖分類號(hào)： TH 131.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2016）03-0100-05

0 引 言

螺紋聯(lián)接由于精度高、裝配方便、零件拆裝便利等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前機(jī)構(gòu)設(shè)備之間的連接應(yīng)用非常廣泛。由于這種方式具有自鎖性等特點(diǎn)，然而，對(duì)于有沖擊力作用、振動(dòng)及溫度突變等環(huán)境下工作，由于支承面的磨損、被連接件的受壓下陷、螺栓的過(guò)載屈服等各種原因可能松動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)緊力下降，使其由擰緊狀態(tài)的緊連接變?yōu)闆](méi)有預(yù)緊力或預(yù)緊力不足的松連接。若出現(xiàn)螺紋間的連接不緊，就會(huì)出現(xiàn)預(yù)緊力下降，嚴(yán)重時(shí)沒(méi)有預(yù)緊力作用，使得螺紋之間的連接質(zhì)量下降，而設(shè)備零件易于損壞，嚴(yán)重時(shí)連接直接分離開(kāi)來(lái)。對(duì)真實(shí)的環(huán)境中，由于聯(lián)接件之間連接不緊或分離，導(dǎo)致人受傷或設(shè)備受損的情況經(jīng)常出現(xiàn)。因此，保持緊固件自身的鎖緊，使其在一定時(shí)間內(nèi)松而不脫，對(duì)防止被連接件因分離而失效至關(guān)重要。

1 螺紋聯(lián)接松動(dòng)原因分析

對(duì)于以螺紋連接的設(shè)備，因兩個(gè)螺紋之間的接觸面會(huì)產(chǎn)生摩擦力、螺紋的支承面與其連接件之間的接觸面也會(huì)產(chǎn)生摩擦力?，F(xiàn)在對(duì)三角形的螺紋作為例子來(lái)進(jìn)行分析，首先對(duì)配合螺紋進(jìn)行受力分析，如圖1所示。圖1（a）為螺母在擰緊過(guò)程中的受力情況，此時(shí)滑塊沿著斜面上升，受到的動(dòng)摩擦力Nf沿斜面向下；圖1（b）為螺母在松脫過(guò)程中的受力情況，此時(shí)滑塊沿著斜面下降，受到的動(dòng)摩擦力沿斜面向上。

圖1中，F(xiàn)f為螺母受到的軸向載荷；FS為螺母受到的橫向推力；Nf為螺母受到的動(dòng)摩擦力；N為螺母受到斜面的支撐力；λ為螺紋升角，等效為λ=p/πd（其中p為螺距，d為螺栓公稱直徑）；ρ為摩擦角，與之對(duì)應(yīng)的是摩擦系數(shù)μ，其關(guān)系為μ=tan ρ。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三角形螺紋：λ的范圍為λ<3°，μ的范圍一般為μ≥0.1，則arctan1.155μ≥arctan0.1155=6.59°；λ-arctan1.155μ<0，則松脫過(guò)程中的推力FS和扭矩TS均為負(fù)值，即只有當(dāng)螺母受到相反方向的外載荷或扭矩，螺母才會(huì)發(fā)生松動(dòng)，否則無(wú)論軸向力多大，螺母都不會(huì)松脫，體現(xiàn)自身的自鎖性[1]。

若有變動(dòng)載荷加載在上面，如受到振動(dòng)力與沖擊力，則緊固件會(huì)出現(xiàn)微小的位移，這個(gè)位移值會(huì)使得摩擦系數(shù)從較大的靜態(tài)值降低為一個(gè)較小的動(dòng)態(tài)值，那么會(huì)在螺紋的軸向出現(xiàn)壓力衰減，螺紋副間的摩擦阻力會(huì)瞬時(shí)減小甚至消失。類似于坡面上有一個(gè)重物因其受到的摩擦力減少甚至沒(méi)有受到摩擦力而出現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)的情況，此現(xiàn)象叫做自松現(xiàn)象[2]。如果這種情況反復(fù)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一定的周期后相互配合的螺紋就會(huì)出現(xiàn)松脫甚至發(fā)生脫落的現(xiàn)象，則螺紋連接就不起作用了。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致螺紋之間連接松動(dòng)主要是下面三類：

（1）因接觸面變形而出現(xiàn)松動(dòng)。這里說(shuō)的接觸面有兩類，螺栓頭和被連接件接觸面以及內(nèi)外螺紋配合面，這兩個(gè)地方的變形都可能引起松動(dòng)。此處出現(xiàn)的松動(dòng)盡管距離較小，然而，它的出現(xiàn)意味著螺紋和支撐面之間緊固力減少，以及標(biāo)志著嚴(yán)重變形的開(kāi)始。因此，這種變形對(duì)松動(dòng)的影響是應(yīng)該得到重視的。

（2）軸向受到外力的影響。若聯(lián)接件受到軸向力，那么就會(huì)使螺栓受到拉伸，則螺紋的牙面上就受到對(duì)應(yīng)的徑向分力，此時(shí)，螺栓與螺母之間也會(huì)出現(xiàn)較小的位移。若作用力持續(xù)增加，那么這個(gè)位移將會(huì)越來(lái)越大，從而螺母松動(dòng)的間隙更大。此外，由于螺母出現(xiàn)松動(dòng)，它和螺桿之間的摩擦力也會(huì)降低，從而使得螺紋之間自鎖不住，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)。

（3）受到橫向力的影響。若橫向力加載時(shí)，螺栓與螺母之間也會(huì)出現(xiàn)較小的位移。若作用力持續(xù)增加，那么這個(gè)位移將會(huì)越來(lái)越大，從而螺母松動(dòng)的間隙更大。此外，由于螺母出現(xiàn)松動(dòng)，甚至完全分離，從而使得螺紋之間自鎖不住，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)。

上述三點(diǎn)原因出現(xiàn)的情況通常是變形、振動(dòng)或外力作用等場(chǎng)景，有時(shí)三者共同出現(xiàn)，有時(shí)三者相互影響，消除了螺旋副中的自鎖摩擦力矩，引起松動(dòng)。由于國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)、鐵路行業(yè)等快速發(fā)展，對(duì)于聯(lián)接件之間的防松也有著更高的要求。最近幾年出現(xiàn)的防松固件也越來(lái)越多，然而對(duì)于使用者而言，重要的是了解緊固件的各種防松方法優(yōu)缺點(diǎn)而選擇合適的防松方式。

2 螺紋聯(lián)接防松方法及應(yīng)用

通過(guò)查詢多種文獻(xiàn)資料，可以知道當(dāng)前已有許多種防松方法與產(chǎn)品，就其防松原理來(lái)進(jìn)行劃分主要有：依賴摩擦力來(lái)防松、機(jī)械防松、涂防松膠、破壞螺紋副防松等[3]。

2.1 摩擦防松

摩擦防松是應(yīng)用最廣的一種防松方式，主要是利用螺紋和螺紋之間產(chǎn)生的摩擦力、螺母和螺桿之間產(chǎn)生的摩擦力，或者將這種情況下產(chǎn)生的摩擦力增大而進(jìn)行固件防松。摩擦防松可以進(jìn)行多次的反裝拆，機(jī)動(dòng)裝配。摩擦防松方式有多種，分別介紹如下。

2.1.1 施加預(yù)緊力防松

若螺紋因外力而出現(xiàn)變形，此時(shí)不會(huì)馬上就松動(dòng)。因兩者的接觸面先出現(xiàn)松動(dòng)，則導(dǎo)致預(yù)緊力降低；因振動(dòng)越頻繁，預(yù)緊力下降越快，其受到的預(yù)緊力和震動(dòng)次數(shù)關(guān)系如圖2所示，由圖2可以看出，預(yù)緊力減少至一定值時(shí)會(huì)急劇下降，可見(jiàn)初始預(yù)緊力是防止螺母松動(dòng)的一個(gè)重要因素。對(duì)于真實(shí)的使用場(chǎng)景下，若還存在一定的預(yù)緊力，則螺母松動(dòng)的現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)，若預(yù)緊力過(guò)大，那么聯(lián)接件易于被破壞。所以，構(gòu)造合適的預(yù)緊力是避免螺母松動(dòng)的前提，需要選擇合適的初始預(yù)緊力值，既不破壞緊固件的聯(lián)接又能最大限度的防止松動(dòng)[4]。

目前螺紋連接通常是使用轉(zhuǎn)矩法來(lái)進(jìn)行裝配，對(duì)于使用這種方法進(jìn)行操作時(shí)，許多設(shè)計(jì)者都是參考的經(jīng)驗(yàn)值，得到合適的螺栓大小及使用的轉(zhuǎn)矩力大小，導(dǎo)致螺栓螺母發(fā)生失效。因此應(yīng)用扭矩法裝配螺栓時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)分析連接部位的受力，選取合適的螺栓尺寸和裝配扭矩值，從而得到合適的預(yù)緊力值，使螺栓既不會(huì)失效又能得到足夠大預(yù)緊力，從而可以避免螺母出現(xiàn)松動(dòng)。通常在控制預(yù)緊力方面，能夠利用方式包括：扳手、轉(zhuǎn)矩裝配機(jī)械等；若預(yù)緊力大小控制要求高的情況，則需要利用裝配機(jī)來(lái)進(jìn)行操作，從而可以測(cè)量其預(yù)緊力的大小，便于實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.1.2 有效力矩鎖緊螺母

通常情況下，有兩類力矩鎖緊螺母，其一為全金屬的自鎖固件，其二為非金屬的嵌件鎖緊固件（俗稱尼龍圈鎖緊螺母）。前者是在普通緊固件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)螺母結(jié)構(gòu)和外形作一定變動(dòng)，此時(shí)，螺紋孔因外力的作用而變成橢圓形或其他開(kāi)關(guān)，這是明顯的開(kāi)槽變形，若螺紋孔的直徑發(fā)生變化，而螺母和螺桿之間的旋合因其口徑變形而出現(xiàn)摩擦力減小導(dǎo)致的固件松動(dòng)。對(duì)于非金屬的緊固件來(lái)說(shuō)，可以在螺桿上回轉(zhuǎn)一個(gè)尼龍圈，然后再將螺母擰上去，此時(shí)，尼龍圈將被擠壓在螺桿的螺紋上，這樣就會(huì)導(dǎo)致螺母和螺桿之間的摩擦力增大，使得聯(lián)接件更加緊固，對(duì)于受到外力作用或振動(dòng)等影響起到較好的緩沖作用。所以，這種非金屬的鎖緊性能要高于全金屬類型的，它的防松效果較好，可靠性高。它的不足之處在于，其不能在較高溫度下工作，不能高于尼龍圈的最大承受溫度。通常其工作溫度范圍是-50～+100℃。各種力矩鎖緊螺母如圖3所示。

Binx螺母的鎖緊作用是由于2個(gè)槽插入了螺母里，可以改變螺母的螺距。當(dāng)擰緊螺栓時(shí)，變化了的螺距可以導(dǎo)致螺母的螺紋緊緊夾住螺栓螺紋的側(cè)面，起到鎖緊作用。

Aerotight螺母是自鎖全金屬螺母，設(shè)計(jì)宗旨是在任何程度的振動(dòng)條件下保持固定位置，通過(guò)向下和向內(nèi)緊縮的帶螺紋懸臂來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Coneloc螺母的鎖緊作用是依靠螺母頂端錐，截面的螺紋的局部變形實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)擰緊螺栓時(shí)，螺母的螺紋緊緊夾住螺栓螺紋的側(cè)面。

Coneloc法蘭螺母的法蘭接觸面積大，聯(lián)接處的壓應(yīng)力較小，這對(duì)于鋁制、低碳鋼的高強(qiáng)度螺栓是一個(gè)很重要的性質(zhì)。如果壓應(yīng)力較大，由于螺母端面的塑性變形會(huì)導(dǎo)致夾緊力降低，即使螺栓、螺母不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)也會(huì)松脫。

philidas螺母襯圈處開(kāi)有兩個(gè)槽以保證螺距局部發(fā)生變化。當(dāng)螺母與螺栓擰緊時(shí)，螺紋在螺紋面處嚙合從而達(dá)到自鎖。

尼龍圈鎖緊螺母頂端的尼龍?zhí)畛淙o緊抓住螺栓螺紋進(jìn)而提供一個(gè)有效的力矩來(lái)防松。在安裝螺紋副時(shí)，部署在螺母和螺桿中間的尼龍圈因受到擠壓而出現(xiàn)變形，則安裝完成后，這兩者及尼龍圈幾乎是全接觸的，所以，在這兩者間存在一個(gè)回彈力，此時(shí)不會(huì)有松動(dòng)的情況發(fā)生。

2.1.3 施必牢螺母

這種螺母也叫做楔形螺母，可以稱之為一種不需要采用鎖緊機(jī)械就可以將聯(lián)接機(jī)進(jìn)行緊固的裝置，它的防松能力要比力矩型螺母好得多。它又與一般的螺紋牙型幾乎一樣，其不同之處，它的內(nèi)螺紋上有一個(gè)30°的斜面，如圖4所示。此螺紋配合使用的螺紋是一般的外螺紋。但是這種螺紋與一般的螺紋比較來(lái)看，其受力狀況得到大大提升。一般的螺紋，它的力量通常集中于前兩個(gè)扣上，而這種螺紋的受力會(huì)出現(xiàn)均勻分布的情況，它能夠使內(nèi)螺紋承受能力得到提升。

因施必牢螺紋的結(jié)構(gòu)非常特殊，它的牙尖都是和斜面貼在一起的，并且每個(gè)牙尖上受力都是一致的，其負(fù)載會(huì)均勻分布在各個(gè)面上，從而它的各個(gè)面上出現(xiàn)的摩擦力一樣，在抗擊振動(dòng)力方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[6]。

2.1.4 使用墊圈防松

一般使用到的墊圈有：鎖緊類、彈性類及平墊類，如圖6所示。

若螺母被擰緊后，只可以依賴墊圈的彈性力，使得螺紋和螺桿之間的作用力增大。另外，墊圈的斜口也可以使螺母與聯(lián)接固件被抵住，那么，這種作用力也可以防松。這種緊固件因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于使用而被大量的場(chǎng)合所采用。然而，因墊圈之間的彈力處處并不一樣，當(dāng)被緊固件中受到?jīng)_擊力、振動(dòng)力時(shí)，其防松效果較差，通常在重要的場(chǎng)景不會(huì)使用此方式。

平墊圈一般用在連接件中一個(gè)是軟質(zhì)地的，一個(gè)是硬質(zhì)地較脆的場(chǎng)合，其主要作用是增大接觸面積，分散壓力，防止把質(zhì)地軟的接觸面壓壞。平墊圈起不到防松作用，主要是和彈墊配合使用，防止被連接件表面劃傷。

鎖緊墊圈有內(nèi)齒和外齒兩種，圓周分布的齒形被已擰緊的螺母反向作用時(shí)，那么其齒尖就會(huì)嵌入其表面，此出現(xiàn)防松效果較好，但其接觸面易被破壞。

2.2 螺紋緊固膠的使用

這種技術(shù)就是將一些固體膠放置到螺紋與螺紋之間，從而讓其相互粘連，從而達(dá)到防松的目的[7]。根據(jù)膠的反應(yīng)類型不同分為物理性防松和化學(xué)性防松，區(qū)別在于是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。物理性防松膠主要是尼龍膠，化學(xué)性防松膠主要是厭氧膠。

厭氧膠由于暴露于空氣中時(shí)，其存在方式為液體狀，隔絕空氣時(shí)，其存在方式為固件狀，所以它被叫做“厭氧膠”。依據(jù)使用方式分為預(yù)涂式和點(diǎn)涂式。預(yù)涂式是預(yù)先涂在螺紋上，烘干后變成一種有彈性、粘附牢固的螺紋密封劑，特別適用于工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)樗鼈兪∪チ嗽谏a(chǎn)線上涂膠過(guò)程，提高了裝配的速度，并確保了質(zhì)量。點(diǎn)涂法就是將厭氧膠均勻的涂在螺栓的圓周方向上，當(dāng)螺栓或螺帽緊固以后，膠水被激活，24 h后將硬化形成為具有彈性膠層，從而起到密封的作用。此膠可以將螺紋進(jìn)行緊固，隨著扭矩的增加，能夠避免螺栓發(fā)生移動(dòng)，也使得螺栓的防松效果得到增加，從而滿足防松的具體要求。

2.3 機(jī)械防松

對(duì)于螺紋件和連接設(shè)備之間的緊固或螺紋和螺紋之間緊固，避免有松動(dòng)的情況出現(xiàn)。此方式的可靠性依賴于緊固件的強(qiáng)度。其不足之處在于緊固件的質(zhì)量，在安裝過(guò)程中相對(duì)較難，機(jī)動(dòng)操作難以使用。一般的機(jī)械防松方式有：六角開(kāi)槽螺帽與開(kāi)口銷、串連鋼絲、止動(dòng)墊圈等。

2.4 解除摩擦副的運(yùn)動(dòng)關(guān)系防松

若采用某些方式使螺紋副不能運(yùn)動(dòng)而達(dá)到緊固的目的，如使用焊牢、鉚接等方法，從而將原來(lái)可以拆裝的螺紋變?yōu)樗缆菁y，此方式防松比較可靠。但其不足之處在于，緊固后的聯(lián)接件不能再被利用了，并且操作比較復(fù)雜，對(duì)于某些需要防松但不會(huì)再次使用的場(chǎng)景比較適合采用。此方法主要有沖點(diǎn)方法、鉚接方法、螺帽開(kāi)槽法等。

3 結(jié)束語(yǔ)

螺紋連接接觸面的微滑移將引起初始預(yù)緊力的下降，這是導(dǎo)致螺紋聯(lián)接松動(dòng)的主要原因，尤其在變載、沖擊、振動(dòng)等機(jī)械作用下，松動(dòng)現(xiàn)象更頻繁。為了防止緊固件松動(dòng)，首先從設(shè)計(jì)上選擇合適的螺栓尺寸和裝配扭矩值，從而得到足夠的預(yù)緊力值，在防松上特別重要；在制造中降低螺栓和與被聯(lián)接件接觸表面的表面粗糙度和形狀誤差，減少螺紋接觸面的變形；對(duì)于重要部位的緊固件，要在對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景上，采用與之相關(guān)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，并輔以對(duì)應(yīng)的防松手段，可以使整個(gè)聯(lián)接裝置的防松性能得到提升，也大大增加了整個(gè)設(shè)備的可靠性。

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Abstract： This paper theoretically analyzes the causes of threaded joints looseness. The looseness of threaded joint happened under the condition of initial deformation of the contact surface， the axial load and lateral load.The effective methods to prevent loosing of threaded joint are introduced， especially the principle of the preload locking， locking nut， Spiralock nuts and anti？鄄loose adhesive， and made a brief evaluation of their application results.In engineering application，selecting reasonable pre？鄄tight force and prevent loosing method will effectively enhance the reliability of threaded joint.

Keywords： thread joint； pre？鄄tight force； lock nut； spiralock nut； anti-loose adhesive

（責(zé)任編輯：徐興華）