現(xiàn)代機(jī)械領(lǐng)域常用螺栓螺母防松結(jié)構(gòu)解析

（東芝水電設(shè)備杭州有限公司，浙江 杭州 311504）

1 引言

現(xiàn)代機(jī)械裝配中，零部件采用螺栓連接仍然是最常見(jiàn)也是最廣泛的連接形式，其目的是為了使兩個(gè)被連接的零部件緊密貼合，同時(shí)又根據(jù)所屬工況不同，承受不同形式以及強(qiáng)度的載荷，從而保證被連接的零部件連接可靠并正常運(yùn)行。但是在變載、振動(dòng)、沖擊、工作溫度變化很大時(shí)，螺栓連接則可能產(chǎn)生松動(dòng)，因此，螺栓連接在實(shí)際使用過(guò)程中必須要了解各個(gè)螺栓防松結(jié)構(gòu)的原理，以便更加合理有效地運(yùn)行螺栓螺母的防松部件，達(dá)到防松效果[1]。

2 螺栓螺母緊固時(shí)受力簡(jiǎn)析

螺栓連接的零部件在工作過(guò)程中受到載荷變化、振動(dòng)以及沖擊的作業(yè)下，會(huì)導(dǎo)致連接件之間壓緊力和預(yù)緊力逐漸減小甚至消失。因?yàn)樵诼菟ㄊ艿捷S向載荷作用下，螺栓會(huì)因軸向載荷作用而軸向伸長(zhǎng)，徑向彈性收縮，而連接螺母則向相反徑向擴(kuò)張。兩者接觸面之間會(huì)出現(xiàn)微量的相對(duì)徑向滑動(dòng)，因此在長(zhǎng)期以及多次不良載荷的反復(fù)作用下，最終會(huì)導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)松動(dòng)。同樣的，當(dāng)連接螺栓受到徑向載荷反復(fù)作用下，螺栓會(huì)產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形的趨勢(shì)，隨著變形不斷累積，最終會(huì)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)變形的位移，從而在螺紋螺旋方向上就出現(xiàn)使螺母回旋松動(dòng)的分力。

在使用螺栓螺母進(jìn)行緊固連接時(shí)，首要條件是保證被緊固件之間的預(yù)期夾緊力必須達(dá)到相應(yīng)的大?。▍⒖计胀菟ㄋ擅摿匾话銥閿Q緊時(shí)力矩的80%，細(xì)牙則為85%）。而螺栓螺母主要通過(guò)摩擦力矩保證鎖緊作用，同時(shí)對(duì)摩擦力矩造成的影響的因素有很多，其中主要包括螺栓預(yù)緊力的大小、摩擦系數(shù)的大小、螺栓同連接物品表面接觸的外徑、內(nèi)徑等。普通情況可以用更高強(qiáng)度級(jí)別或者細(xì)牙螺栓螺母來(lái)達(dá)到更好的防松效果[2]。但是往往在實(shí)際工況中，僅僅通過(guò)上述選型是達(dá)不到預(yù)期防松效果或者時(shí)效的要求的，可以考慮增加螺栓緊固的夾緊力（一般最大預(yù)緊力不得超過(guò)材料屈服極限強(qiáng)度的80%）或者增加新的力矩來(lái)保證其防止回轉(zhuǎn)松脫的目的，因此可以通過(guò)增加各種形式的防松結(jié)構(gòu)達(dá)到防松目的。

3 常用螺栓防松結(jié)構(gòu)分類

常用螺栓防松結(jié)構(gòu)按拆卸方式可分為可拆卸防松和永久防松。常見(jiàn)永久防松結(jié)構(gòu)有點(diǎn)焊焊接、鉚釘連接、沖點(diǎn)處理以及螺紋膠粘合。永久防松結(jié)構(gòu)需要松動(dòng)時(shí)大多需要進(jìn)行破壞性拆除，因此需要視實(shí)際工況而定。可拆卸防松結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)械防松結(jié)構(gòu)和摩擦防松結(jié)構(gòu)。摩擦防松結(jié)構(gòu)中運(yùn)用摩擦原理進(jìn)行防松的有添加彈簧止動(dòng)墊片、自鎖螺母以及雙螺母防松結(jié)構(gòu)。該類型防松方式工作過(guò)程中受到?jīng)_擊載荷容易松脫，需要用記號(hào)筆進(jìn)行防松標(biāo)示，以便于檢查以及拆卸恢復(fù)。常見(jiàn)的機(jī)械防松結(jié)構(gòu)有開(kāi)口銷加開(kāi)槽螺母結(jié)構(gòu)、止動(dòng)墊片配合螺母防松以及串聯(lián)鋼絲固定結(jié)構(gòu)，由于本身運(yùn)用的防松原理不同，相比較而言機(jī)械防松結(jié)構(gòu)更加可靠，應(yīng)結(jié)合螺栓使用的工況、成本等綜合考慮使用相應(yīng)的防松結(jié)構(gòu)。

3.1 雙螺母防松結(jié)構(gòu)

雙螺母防松結(jié)構(gòu)原理可以理解為：如果螺母回轉(zhuǎn)松動(dòng)過(guò)程需要克服前螺母與被緊固件和前螺母與后螺母兩個(gè)摩擦力（第一摩擦力面的預(yù)緊力為第二摩擦力面預(yù)緊力的80%）。在工作過(guò)程中，整體結(jié)構(gòu)在工況中受到?jīng)_擊和振動(dòng)載荷過(guò)程中，第一個(gè)摩擦力在螺栓螺母在彈性形變過(guò)程中逐漸減小甚至消失，但是在此同時(shí)，第一個(gè)螺母在彈性形變過(guò)程中作用至第二個(gè)螺母，使第二摩擦力面的摩擦力持續(xù)增大。但是螺母回轉(zhuǎn)松退必須同時(shí)克服上述兩個(gè)力面的摩擦力，基于上述原理從而達(dá)到防松的效果。唐氏雙螺母結(jié)構(gòu)防松效果相比普通雙螺母防松結(jié)構(gòu)更加有效，該防松原理基本和雙螺母防松機(jī)構(gòu)相同，不同的是唐氏雙螺母結(jié)構(gòu)的二個(gè)螺母旋向剛好相反，因此前螺母松動(dòng)回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的力會(huì)作用于后螺母產(chǎn)生新的作用力，所以該防松結(jié)構(gòu)形式效果更好。

3.2 自鎖螺母防松結(jié)構(gòu)

自鎖螺母是靠摩擦力進(jìn)行防松的一種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠胀菽嘎菁y在預(yù)緊力的作用下，其受力相對(duì)集中，主要在螺栓螺紋前端，所以也比較容易發(fā)生松脫，而自鎖螺母螺紋上有獨(dú)特30°楔形斜面，可以在鎖緊狀態(tài)下，使螺母螺紋與螺栓軸線形成60°角，且相對(duì)普通螺母，螺栓螺紋接觸受力更加均勻，因此如果螺栓螺母受不良載荷作用下發(fā)生回轉(zhuǎn)松動(dòng)的趨勢(shì)，由于接觸角度的關(guān)系，其螺栓螺母徑向作用力遠(yuǎn)大于普通螺紋，其發(fā)生松動(dòng)回轉(zhuǎn)需要克服的摩擦力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺栓螺母需要克服的摩擦力，從而達(dá)到了有效防松的目的。當(dāng)然能達(dá)到自鎖目的的螺母結(jié)構(gòu)不單單有這一類型，另外還有通過(guò)鑲嵌尼龍圈增加摩擦力的、更改螺母收緊口增加力矩的，等等。因此在實(shí)際工況相對(duì)振動(dòng)、沖擊負(fù)載比較多的情況下，可以考慮盡量使用自鎖螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)防松的目的。

3.3 彈簧墊片式防松結(jié)構(gòu)

在螺栓預(yù)緊過(guò)程中，彈簧墊片受到作用力產(chǎn)生彈性形變，那么為了克服墊片彈性形變產(chǎn)生一個(gè)反作用力于螺母上，產(chǎn)生一個(gè)附加的摩擦力，則螺母由于不良負(fù)荷的作用發(fā)生回轉(zhuǎn)松動(dòng)，則需要克服原先摩擦力和附加摩擦力的總合，從而達(dá)到防松效果，且彈簧墊片在具備防松作用的同時(shí)也具有較好的抗振效果，且制造成本不高，安裝也和普通平墊一樣方便。但是其受到自身材質(zhì)以及工藝影響較大，如果材質(zhì)不達(dá)標(biāo)、熱處理及相關(guān)工藝不到位，很容易發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象，直接影響其防松能力。因此容易腐蝕彈墊自身材質(zhì)以及容易發(fā)生化學(xué)變化的工況，應(yīng)避免使用。

3.4 開(kāi)口銷、開(kāi)槽螺母式防松結(jié)構(gòu)

開(kāi)槽螺母相對(duì)普通螺母在尾部多一處螺母槽，將對(duì)應(yīng)的開(kāi)口銷依次穿入槽及螺栓尾孔內(nèi)，并固定開(kāi)口銷，從而達(dá)到防松止動(dòng)的目的。開(kāi)口銷通常需要使用優(yōu)質(zhì)鋼且彈性好的材料制作而成。因?yàn)槊總€(gè)腳需要反復(fù)多次彎折，并且彎折部分不能發(fā)生斷裂或裂痕。開(kāi)口銷式防松在機(jī)械領(lǐng)域適用面廣、使用方便，但是也存在容易松動(dòng)、普通材質(zhì)開(kāi)口銷容易被腐蝕而失效的問(wèn)題。因此開(kāi)口銷作為防松目的使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格對(duì)照螺栓螺紋規(guī)格正確選用，從而充分達(dá)到其使用的價(jià)值。

3.5 止動(dòng)墊片式防松結(jié)構(gòu)

止動(dòng)墊片與彈簧墊片都是附加形式的防松結(jié)構(gòu)，但是彈簧墊片是給螺栓螺母附加一個(gè)力，增加其摩擦力，而止動(dòng)墊片則是通過(guò)直接鎖住螺母回轉(zhuǎn)，達(dá)到防松目的。但是止動(dòng)墊片受被緊固件外形結(jié)構(gòu)以及作業(yè)操作環(huán)境影響較大，裝配拆卸相對(duì)復(fù)雜，但防松效果比較好，特殊情況下可以使用雙聯(lián)鎖緊止動(dòng)墊片，可以達(dá)到聯(lián)鎖牽制、強(qiáng)化防松的效果。

3.6 串聯(lián)鋼絲防松結(jié)構(gòu)

串聯(lián)鋼絲防松結(jié)構(gòu)，顧名思義，就是將所要防松的螺栓使用特定的鋼絲繩（必須采用低碳鋼絲繩）整體通過(guò)螺栓尾孔相互串聯(lián)起來(lái)，使相鄰的兩個(gè)螺栓互相牽制鎖定，從而起到互相防松的效果。串聯(lián)鋼絲繩必須明確一個(gè)原則，就是當(dāng)任意一枚螺栓有松動(dòng)回轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，則它帶動(dòng)固定的鋼絲時(shí)，必須同時(shí)讓相鄰的螺栓有旋緊的趨勢(shì)。這樣才能保證起到防松的作用。

3.7 螺紋鎖固膠防松

螺紋鎖固膠就是一種按一定比例配比而成的厭氧膠。由于螺栓和螺母預(yù)緊后，螺母部分不能完全緊密接觸，受到不良載荷后就容易發(fā)生松動(dòng)回轉(zhuǎn)，而螺紋鎖固膠可以利用其厭氧固化的特性，緊密填滿螺紋間隙，使螺栓緊固不松動(dòng)，從而避免振動(dòng)，達(dá)到防松的目的。其被廣泛應(yīng)用的原因有：黏著強(qiáng)度變化范圍廣，操作使用方便，且滲透流動(dòng)性、吸振性以及密封性能好，因此在機(jī)械制造類企業(yè)內(nèi)使用非常廣泛。

3.8 其他先進(jìn)防松結(jié)構(gòu)

3.8.1 日本“Hard-Lock”防松螺母

日本“Hard-Lock”防松螺母全稱為哈德洛克偏心式自鎖螺母，號(hào)稱永遠(yuǎn)不會(huì)松動(dòng)的螺母，其原理和結(jié)構(gòu)其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在雙螺母結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。其大致原理是在使用上下“凹”“凸”形狀的兩種螺母。下方呈凸?fàn)畹穆菽?，在加工時(shí)中心進(jìn)行偏心加工。上方呈凹狀的螺母，中心則不偏離心加工，其結(jié)構(gòu)形式在預(yù)緊時(shí)相當(dāng)于楔子慢慢楔入，等同于雙螺母加上了自鎖功能，從而達(dá)到非?？煽康穆菽阜浪晒δ?。

3.8.2 德國(guó)“HEICO-LOCK”防松螺母

德國(guó)“HEICO-LOCK”防松螺母原理可簡(jiǎn)單理解為通過(guò)楔入式的夾緊力而非摩擦力來(lái)緊固螺栓。其墊圈外表面為放射狀鋸齒，內(nèi)表面呈現(xiàn)楔形，在安裝時(shí)要成對(duì)使用，保持楔形面相對(duì)[3]。當(dāng)被連接件在負(fù)載作用下時(shí)，使螺栓在軸向上產(chǎn)生一個(gè)作用力F，并使螺母產(chǎn)生軸向位移的趨勢(shì)，但是由于雙鎖緊墊片與外表面已咬死，因此其相對(duì)位移只能發(fā)生在兩個(gè)墊圈的內(nèi)齒表面，但是由于墊片內(nèi)齒的斜角度α大于螺栓螺紋角β，因此在螺母產(chǎn)生的位移量ΔL沒(méi)有超過(guò)雙鎖緊墊片上下內(nèi)齒疊加的最大間距的前提下，則作用力F越大，需克服螺母回轉(zhuǎn)松動(dòng)趨勢(shì)的力越大，從而保證螺母能夠牢牢鎖緊，達(dá)到防松的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)常用螺栓螺母防松結(jié)構(gòu)的了解，知道不同的結(jié)構(gòu)形式可以達(dá)到不同的防松效果。根據(jù)不同的使用工況，選用合理有效的螺栓連接防松結(jié)構(gòu)可以延長(zhǎng)其使用周期，更好地體現(xiàn)其自身的作用和價(jià)值。通過(guò)對(duì)常用螺栓螺母防松結(jié)構(gòu)的了解，可以更好地運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，也可以通過(guò)加深學(xué)習(xí)改進(jìn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出更先進(jìn)更可靠的防松結(jié)構(gòu)，使其更好地為機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起到推動(dòng)作用。