淺析螺紋緊固件自鎖與防松動(dòng)

侯志林　潘樂　劉洋　李劭恒　杜建強(qiáng)

摘 要：螺紋是一種用于聯(lián)接和傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)要素，螺紋按其截面形狀（牙型）分為三角螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋等。其中梯形、矩形螺紋主要用于傳動(dòng)，三角螺紋主要用于聯(lián)接，三角螺紋分粗牙和細(xì)牙，自鎖性能好，一般聯(lián)接多用粗牙螺紋。螺紋聯(lián)接因便于裝拆、聯(lián)接穩(wěn)定可靠、聯(lián)接力大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的部件聯(lián)接方式。該文分析說明了螺紋緊固件自鎖、防松動(dòng)的原理，介紹了螺紋緊固件常用的防松動(dòng)措施及其他防松動(dòng)措施的原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：螺紋聯(lián)接 自鎖 防松動(dòng)

中圖分類號(hào)：TH131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0054-02

螺紋緊固件規(guī)格繁多，按照強(qiáng)度等級(jí)及材料類型進(jìn)行分類，其所承載類型復(fù)雜，安裝環(huán)境及使用要求差別較大，這些影響因素給部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大障礙。重要部件的螺栓聯(lián)接如果出現(xiàn)失效，將會(huì)帶來嚴(yán)重的安全隱患及重大損失。雖然在理論上分析，螺紋緊固件都具有自鎖的性能，但受其螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)與使用環(huán)境的影響，松動(dòng)仍是目前造成螺紋緊固件失效的主要形式，因此，為了達(dá)到螺紋緊固件防松的目的，各種防松動(dòng)方案也就應(yīng)運(yùn)而生。

1 原理分析

1.1 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊

在目前的產(chǎn)品制造過程中，螺紋緊固件聯(lián)接在裝配時(shí)都必須施加扭矩，使聯(lián)接在受到工作條件載荷之前，提前受到力的作用。這個(gè)預(yù)施加的作用力即稱為扭力。施加預(yù)緊扭力的作用是增強(qiáng)聯(lián)接的穩(wěn)定和可靠性及緊密性，以避免承受工作載荷后與被聯(lián)接件間出現(xiàn)位移或產(chǎn)生縫隙。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：合理地選用較大的扭力對(duì)螺紋聯(lián)接穩(wěn)定性和聯(lián)接部件的使用壽命及疲勞強(qiáng)度都有好的作用，特別對(duì)于穩(wěn)定性要求較高的螺紋聯(lián)接，預(yù)緊扭力顯得尤為重要。但另一方面，加大的扭力會(huì)造成整個(gè)部件聯(lián)接的尺寸變大，使得聯(lián)接部件在組裝或過載時(shí)被拉裂，甚至斷開。因此，為確保部件聯(lián)接所需求的扭力，且螺紋聯(lián)接部件件不會(huì)發(fā)生過載，對(duì)關(guān)鍵的螺紋聯(lián)接部件，在組裝時(shí)要控制扭力。

1.2 螺紋的松動(dòng)

在使用和裝配過程中，緊固件支承面同時(shí)也承受與螺紋相同的軸向力，在擰緊或松退時(shí)，該支承面產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相反的力矩。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中所發(fā)生的松動(dòng)是指部件螺栓聯(lián)接喪失全部或部分軸向扭力，這是螺紋緊固件松動(dòng)的主要原因。但是一般來說螺紋緊固件具有防松動(dòng)作用，那為什么還會(huì)發(fā)生失效松動(dòng)呢？

螺紋聯(lián)接遭受橫向振動(dòng)時(shí)，起初只損失少量的預(yù)緊力，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，損失的預(yù)緊力緩慢地增多。當(dāng)損失了相當(dāng)?shù)念A(yù)緊力后，摩擦力降至某一臨界值，松退力矩超過了螺旋副中的摩擦力矩，螺母開始松退，預(yù)緊力急劇下降，隨著振動(dòng)次數(shù)增加，螺紋緊固件產(chǎn)生松動(dòng)的速度越快。

對(duì)于普通螺栓聯(lián)接，所用的螺紋升角通常小于當(dāng)量摩擦角，所以聯(lián)接螺紋都能符合自鎖要求。其次，施加預(yù)緊后的螺母與支撐面間產(chǎn)生的摩擦力也有防松動(dòng)的效果，因此在載荷、工作溫度變化不明顯時(shí)，螺栓緊固件不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。但是隨著工作環(huán)境的改變，螺栓聯(lián)接部件會(huì)受到振動(dòng)、外部變化載荷、高溫條件等外部環(huán)境因素的影響，會(huì)導(dǎo)致緊固件螺紋聯(lián)接接觸面的摩擦力變小或消失，當(dāng)多次發(fā)生這種現(xiàn)象后，就使聯(lián)接發(fā)生松動(dòng)，最后導(dǎo)致聯(lián)接失效。

2 防松動(dòng)措施

2.1 常用的防松動(dòng)措施

防松動(dòng)的關(guān)鍵就是防止螺旋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。常用的防松動(dòng)措施可分為摩擦防松動(dòng)、機(jī)械防松動(dòng)和永久止動(dòng)防松動(dòng)3種。

2.1.1 摩擦防松動(dòng)

雙層螺母：螺母從不同的方向擰緊后，是聯(lián)接螺紋之間產(chǎn)生了持久的壓力和摩擦力，提升了防松動(dòng)效果。鎖緊螺母：在螺母的一端進(jìn)行收口設(shè)計(jì)，在收口端嵌入金屬或者非金屬嵌件，當(dāng)螺紋擰入時(shí)嵌件發(fā)生破壞嵌入螺紋中產(chǎn)生了防松效果。彈墊：緊固聯(lián)接部位擰緊后，彈墊被壓平，彈墊產(chǎn)生反作用力使螺紋聯(lián)接部位處于壓緊狀態(tài)，螺紋連接間的摩擦力也增大，防松效果明顯[1]。

2.1.2 永久止動(dòng)防松動(dòng)

沖點(diǎn)鉚住或釬焊：強(qiáng)迫螺栓、螺母螺紋副局部塑形變形，阻止其松轉(zhuǎn)。粘結(jié)：在旋合表面涂螺紋緊固劑，緊固劑固化后即可防松動(dòng)。

2.2 其他防松動(dòng)措施

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)水平的提升，常規(guī)的螺紋防松動(dòng)措施已無法滿足要求，如軌道交通裝備的制造中，已經(jīng)采用的防松動(dòng)措施就有楔形防松動(dòng)螺紋等新型防松動(dòng)措施[2]。

楔形防松動(dòng)螺母的防松動(dòng)取決于它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，首先在內(nèi)螺紋的牙底設(shè)計(jì)了一個(gè)30°的楔形面，當(dāng)緊固件相互擰緊時(shí)，螺栓外徑的牙尖就壓緊在自鎖螺紋的楔形面上，由此產(chǎn)生很大的鎖緊力。當(dāng)螺紋牙形的角度發(fā)生改變，使得緊固件螺紋接觸面間產(chǎn)生的法向力與螺栓軸向?yàn)?0°，緊固件間的螺紋法向壓力大于扣緊壓力，緊固件接觸面間的防松動(dòng)摩擦力大大增加。

除上述介紹的防松動(dòng)螺紋外，還有液壓防松動(dòng)螺母，在螺紋徑間隙之間填充防松動(dòng)材料等防松動(dòng)措施。

2.3 防松動(dòng)性能檢驗(yàn)

螺紋緊固件的防松動(dòng)性能的檢驗(yàn)主要有以下2種方法。

2.3.1 套筒橫向沖擊法

將試驗(yàn)件擰緊固定在試驗(yàn)套筒內(nèi)，同時(shí)在試驗(yàn)件和套筒上標(biāo)記出位置，將完成標(biāo)記的套筒放置在試驗(yàn)架的滑槽內(nèi)隨試驗(yàn)架運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)套筒能夠在滑槽內(nèi)進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)；試驗(yàn)開啟后試驗(yàn)架開始來回運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)套筒在滑槽內(nèi)不斷地撞擊滑槽的兩側(cè)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊導(dǎo)致試驗(yàn)件發(fā)生松動(dòng)；通過記錄試驗(yàn)件的位置變化并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行記錄，依據(jù)記錄結(jié)果（包括位移變化及時(shí)間特性）來分析試驗(yàn)件的防松動(dòng)性能。此種檢驗(yàn)方法目前在國(guó)內(nèi)的航天系統(tǒng)仍有使用，其標(biāo)準(zhǔn)符合GJB 715.3A《緊固件試驗(yàn)方法——振動(dòng)》。

2.3.2 橫向振動(dòng)法

首先準(zhǔn)備好聯(lián)接的試驗(yàn)件，試驗(yàn)件的緊固件作用良好，將試驗(yàn)件擰緊在橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)的試驗(yàn)件與試驗(yàn)機(jī)之間產(chǎn)生了壓緊力；試驗(yàn)啟動(dòng)后試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)件的兩聯(lián)接板之間產(chǎn)生了有規(guī)律的橫向位移，試驗(yàn)機(jī)重復(fù)運(yùn)動(dòng)后造成了聯(lián)接件之間的壓緊力慢慢變小，直到完全松動(dòng)；在試驗(yàn)的過程中記錄聯(lián)接件從緊固狀態(tài)到產(chǎn)生松動(dòng)的時(shí)間，依據(jù)產(chǎn)生松動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)來評(píng)估試驗(yàn)件的防松動(dòng)性能。

目前，橫向振動(dòng)法是普遍采用的試驗(yàn)方法且已被制定為檢測(cè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，隨著我國(guó)緊固螺紋件的廣泛應(yīng)用，以及對(duì)緊固件防松檢測(cè)的需求，國(guó)內(nèi)也發(fā)布實(shí)施了GB/T 10431《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》。

3 結(jié)語(yǔ)

由上可知，螺紋聯(lián)接的預(yù)緊力將對(duì)螺栓的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。過大或過小的預(yù)緊力均有害。預(yù)緊力具有離散性，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況對(duì)預(yù)緊力加以控制。同時(shí)，螺紋聯(lián)接產(chǎn)生松動(dòng)的主要原因是：螺紋聯(lián)接發(fā)生松弛、接觸面變形及振動(dòng)。但這3個(gè)方面的原因歸結(jié)到最后就是預(yù)緊力的減小，甚至消失。

隨著防松動(dòng)螺紋技術(shù)在航天航空、高速鐵路、汽車工業(yè)等先進(jìn)裝備制造上的廣泛應(yīng)用，以往的防止螺紋產(chǎn)生松動(dòng)而采用的頂絲、插銷、防轉(zhuǎn)塊、連接鋼絲等防松措施已經(jīng)變得不適用，其最大的缺點(diǎn)就是耗費(fèi)大量的人力，工作效率低下。但是在采用該文所論述的新的防松方法后，部件間的螺紋聯(lián)接變得更加可靠且易于操作，對(duì)提升產(chǎn)品的使用壽命、降低產(chǎn)品的維護(hù)成本和故障率起到重要的作用[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寶業(yè).摩擦在螺紋防松動(dòng)上的機(jī)理及實(shí)踐[J].機(jī)械工程師，2005（8）：113-114.

[2] 趙勇，楊剛雷，尚海紅，等.螺紋聯(lián)接的防松[J].煤礦機(jī)械，2009，30（12）：163-165.

[3] 陳靜.螺紋緊固件防松動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].機(jī)電信息，2017（24）：95-96.