螺紋緊固件防松性能影響因素分析

杜 巖

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100144）

0 引言

螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，加之已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，帶來(lái)的是互換性及成本降低，故而廣泛的應(yīng)用于各類機(jī)械結(jié)構(gòu)中。 在承受靜載荷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)普通螺紋連接可靠性高，其螺紋升角小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角，故能滿足自鎖條件[1]，一般不會(huì)發(fā)生松脫現(xiàn)象。 但是長(zhǎng)期處于沖擊振動(dòng)的工作環(huán)境，螺紋緊固件則容易松脫失效，帶來(lái)十分嚴(yán)重的后果。因此，研究螺紋連接防松機(jī)理及其影響因素，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 螺紋連接防松機(jī)理

1.1 螺紋連接力學(xué)模型

如圖1、2 擰緊螺栓時(shí)相當(dāng)于滑塊（代指螺母）沿斜坡（代指螺栓）向上滑移，擰松螺栓時(shí)相當(dāng)于滑塊沿斜坡面向下滑移。

圖1

圖2

1.1.1 螺紋連接受力分析

式中：ρ 摩擦角；φ 螺紋升角

由式（2），當(dāng)ρ≥φ 時(shí)，F(xiàn)1′≥0，表明螺紋需要外力存在時(shí)才能松退，故螺紋自鎖條件為ρ≥φ。

對(duì)于普通螺紋，牙型角α 為60°，以當(dāng)量摩擦系數(shù)μs′代替摩擦系數(shù)μs， 以當(dāng)量摩擦角ρ′代替摩擦角ρ， 可得：

式（4）表明普通螺紋緊固件滿足自鎖條件[2]。

1.1.2 支承面摩擦扭矩

擰入或擰出螺母時(shí)需要克服螺栓或者螺母支承面間的摩擦扭矩。設(shè)螺栓或螺母支承面間的摩擦扭矩為Tb，按式（5）計(jì)算：

式中：D0—支撐面接觸外徑；dh—支撐面接觸內(nèi)徑；μb—支撐面摩擦系數(shù)。

1.1.3 螺紋扭矩

1.1.5 總結(jié)

（1）由式（2），螺紋連接自鎖條件為ρ＞φ，即螺紋摩擦角大于螺紋升角；由式（4），普通螺紋緊固件滿足自鎖條件，須施加外力F 才能使連接松動(dòng)，因此在受到?jīng)_擊振動(dòng)等動(dòng)載荷時(shí)，螺紋螺栓和螺母間的摩擦扭矩會(huì)急速降低，從而發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。

（2）由式（12）可知，由于螺紋升角作用，總有η＜1，表明緊固件松脫時(shí)的扭矩總是小于緊固時(shí)的扭矩， 表現(xiàn)為擰松比擰緊更易，這與實(shí)際裝拆經(jīng)驗(yàn)相吻合。

因此， 針對(duì)螺紋緊固件防松性能及其影響因素的研究就變得非常必要。

1.2 對(duì)螺紋緊固件防松性能影響因素的簡(jiǎn)要說(shuō)明

能夠影響緊固件防松性能的因素有很多， 有內(nèi)在的比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、牙型、表面處理、接觸面粗糙度；有外在的比如預(yù)緊力、振幅等。 本文選取其中較主要的預(yù)緊力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理三個(gè)因素加以理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2.1 預(yù)緊力

預(yù)緊力的大小直接影響高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性、螺紋的疲勞強(qiáng)度、 聯(lián)接副的防松性能和組件在承受載荷后與被連接件間產(chǎn)生相對(duì)滑移的可能性。

大量文獻(xiàn)表明[5]：適當(dāng)?shù)卦黾痈邚?qiáng)度螺栓預(yù)緊力對(duì)提高緊固的可靠性和避免上述因素是有益的， 但過(guò)大的預(yù)緊力卻會(huì)使高強(qiáng)度螺栓在裝配擰緊過(guò)程中因應(yīng)力過(guò)大（過(guò)載）而發(fā)生拉長(zhǎng)或斷裂，所以在裝配時(shí)既要有較高的預(yù)緊力而又要使螺紋連接不發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。

1.2.2 表面處理

摩擦系數(shù)也是防松性能的一大影響因素， 緊固件進(jìn)行不同的表面處理那么其摩擦系數(shù)也不同， 松脫過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦扭矩也不同，對(duì)防松效果的影響顯著，必須引起重視。有研究表明：摩擦系數(shù)越大，防松效果越好；摩擦系數(shù)較小時(shí)，栓接結(jié)構(gòu)易松動(dòng)[6]。 但提高摩擦系數(shù)優(yōu)化表面處理工藝帶來(lái)的是扭矩系數(shù)K 的增大，預(yù)緊力的減小，可能會(huì)不符合裝配預(yù)緊力需求。 由此可見，螺紋緊固件進(jìn)行表面處理時(shí)要平衡好裝配強(qiáng)度要求和防松性能的關(guān)系。

1.2.3 防松形式

防松形式即防止螺紋連接松動(dòng)而采取的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 防松措施按作用原理可分為摩擦防松（包括雙螺母、彈簧墊圈、防松墊圈、楔形螺紋等）、機(jī)械防松（包括開口銷、串聯(lián)鋼絲等）、永久防松（包括焊接、粘結(jié)劑）。 工程實(shí)踐表明：不同的防松形式防松效果差異很大。本文主要對(duì)防松墊圈、楔形螺紋、偏心雙螺母等摩擦防松對(duì)防松性能的影響進(jìn)行分析比較。

2 試驗(yàn)概況及結(jié)果分析討論

2.1 試驗(yàn)概況

本文涉及試驗(yàn)均依據(jù)GB/T 10431—2008 《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行：試驗(yàn)頻率12.5Hz；振幅±1.6；試驗(yàn)次數(shù)1500；每進(jìn)行一個(gè)試樣試驗(yàn)后更換平墊片。

試驗(yàn)借助英制SPS 安布內(nèi)科橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)（見圖3）進(jìn)行Junker 振動(dòng)測(cè)試，以模擬螺紋連接在橫向交變載荷作用下的松動(dòng)過(guò)程。

圖3 SPS 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1.1 預(yù)緊力分析

預(yù)緊力對(duì)防松效果的分析試驗(yàn)擬采取表面處理均為氧化發(fā)黑處理的M16-8 標(biāo)準(zhǔn)普通螺紋螺母及施必牢防松螺母；試驗(yàn)螺栓為氧化發(fā)黑處理M16×100-8.8。

從實(shí)際工況出發(fā)， 一般機(jī)械連接用鋼制螺栓螺母連接副的預(yù)緊力應(yīng)≤0.7 倍的屈服力（70kN），引入四組對(duì)照，所以以105（105%）、90（90%）、70（70%）、50（50%）、30（30%）kN 進(jìn)行四組對(duì)比試驗(yàn)。 然后借助計(jì)算機(jī)記錄整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中殘余預(yù)緊力比，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析：

圖4、 圖5 為兩種螺母橫向振動(dòng)試驗(yàn)的殘余軸力比曲線。 從圖4 可以觀察到當(dāng)施加較高預(yù)緊力即50kN 和70kN 時(shí)，殘余預(yù)緊力比均接近90%，防松效果顯著；當(dāng)施加低的預(yù)緊力30kN 時(shí)，殘余預(yù)緊力比僅為40%，防松效果差；另外90kN 時(shí)，預(yù)緊力衰減明顯，可能是由于施扭過(guò)大，螺紋處磨損嚴(yán)重，外螺紋與楔形內(nèi)螺紋接觸面不僅限于楔形面上，更類似于普通內(nèi)外螺紋接觸，防松性能大打折扣。同時(shí)，施加105kN 過(guò)程中，接觸位置發(fā)生咬合破壞，螺母無(wú)法擰出，試驗(yàn)作廢。

圖4 變牙型螺母殘余預(yù)緊力對(duì)比曲線

由圖5 可看出： 當(dāng)施加預(yù)緊力較高（50kN、70kN、90kN），防松性能表現(xiàn)良好；但當(dāng)施加低預(yù)緊力（30kN）和施加過(guò)高預(yù)緊力（105kN）時(shí)，預(yù)緊力損失嚴(yán)重，不能達(dá)到防松效果。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)普通螺母殘余軸力對(duì)比曲線

綜上：合理的提高螺紋緊固件預(yù)緊力，能有效的提高防松性能，但過(guò)高或過(guò)低的預(yù)緊力容易導(dǎo)致連接松動(dòng)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)普通螺母，預(yù)緊力控制在（0.3～0.9）倍的屈服力間，均能起到一定程度的防松效果，但并不可靠，并且0.9 倍屈服條件裝配存在安全隱患；對(duì)于楔形螺紋螺母，預(yù)緊力控制在（0.5～0.7）倍的屈服力間最好。

2.1.2 表面處理分析

表面處理對(duì)緊固件防松效果的影響試驗(yàn)采用M16×90-8.8，普通六角頭螺栓和M16-8 普通六角螺母，表面處理為鍍鋅、發(fā)黑和達(dá)克羅，摩擦系數(shù)分別為0.23、0.20、0.15，試驗(yàn)初始預(yù)緊力為40kN。 然后在SPS 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)， 借助計(jì)算機(jī)記錄整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中殘余軸力比，得出殘余預(yù)緊力百分比曲線，見圖6。

圖6 三種不同表面處理殘余預(yù)緊力百分比曲線

三種表面處理工藝中， 摩擦系數(shù)更大的鍍鋅處理防松性能表現(xiàn)更優(yōu)異，軸力衰減百分比為25%；摩擦系數(shù)最小的達(dá)克羅螺栓螺母連接防松效果差，軸力僅在前300個(gè)周期即衰減了53%，后1200 個(gè)周期衰減至15%，連接明顯松動(dòng)。 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試樣經(jīng)過(guò)不同的表面處理后，摩擦系數(shù)越高，防松效果越好；但對(duì)于某些特殊防松結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其自身摩擦系數(shù)本就偏高， 若為提高防松效果進(jìn)行摩擦系數(shù)較高的表面處理， 可能會(huì)由于過(guò)高的摩擦系數(shù)導(dǎo)致扭矩系數(shù)K 偏大， 造成初始預(yù)緊力不足不能滿足緊固要求，對(duì)緊固件防松也有害。

2.1.3 防松形式分析

本文研究的防松形式主要有雙疊自鎖防松墊圈、彈性墊圈、偏心雙螺母、尼龍嵌件鎖緊螺母、施必牢防松螺母，試驗(yàn)所需的配栓、配母均采用M16 規(guī)格，螺栓采用8.8 級(jí)，螺母采用8 級(jí)，施加預(yù)緊力為45kN。 在橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)記錄的殘余預(yù)緊力，提取第300、600、900、1200、1500 個(gè)周期時(shí)殘余預(yù)緊力值，計(jì)算并繪制如下對(duì)比表格。

由表1 可知，經(jīng)過(guò)120s 橫向振動(dòng)試驗(yàn)，防松性能優(yōu)劣排序：施必牢防松螺母（試驗(yàn)結(jié)果參考圖4）＞雙疊自鎖防松墊圈＞偏心雙螺母＞尼龍嵌件鎖緊螺母＞彈性墊圈。

表1 殘余預(yù)緊力/初始預(yù)緊力對(duì)比表

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 初步判斷借助尼龍嵌件螺母和彈性墊圈具有一定的防松脫能力，但用在振動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)防松性能要求較高的關(guān)鍵連接部位并不可靠 （兩者殘余預(yù)緊力/初始預(yù)緊力接近60%～65%）；而施必牢楔形螺紋、偏心雙螺母、雙疊自鎖防松墊圈防松效果優(yōu)異，為對(duì)三者性能進(jìn)行深入分析，每組再進(jìn)行8 個(gè)實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)分析方式據(jù)GB/T 10431-2008[6]借助計(jì)算機(jī)計(jì)算三組試樣在各采樣點(diǎn)殘余預(yù)緊力/初始預(yù)緊力平均值，繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)內(nèi)，橫坐標(biāo)為振動(dòng)次數(shù)，縱坐標(biāo)為殘余夾緊力與初始夾緊力的比值，同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到結(jié)果見圖7 和圖8。

圖7 施必牢螺母防松性能分析曲線

圖8 雙疊自鎖墊圈防松性能分析曲線

圖7、 圖8 為施必牢螺母和雙疊自鎖墊圈的防松性能分析曲線，圖中上方曲線為各采樣點(diǎn)的平均值，兩者經(jīng)1500 次橫向振動(dòng)后，殘余夾緊力百分比在93%～95%之間，夾緊力衰減比非常低，連接牢靠；下方曲線為各采樣點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)差，兩者整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)差基本≤3.5%，說(shuō)明一組（8 件）試驗(yàn)件一致性好，防松性能穩(wěn)定可靠，值得推薦。

值得注意的是：施必牢螺母裝配時(shí)需要嚴(yán)格控制預(yù)緊力，據(jù)前文（0.5～0.7）倍的屈服力時(shí)防松效果較好，過(guò)高的預(yù)緊力容易發(fā)生咬合，破壞防松結(jié)構(gòu)；本次試驗(yàn)雙疊自鎖墊圈為合金鋼制造，硬度達(dá)（45～55）HRC，搭配試驗(yàn)機(jī)平墊片硬度約為30HRC。 試驗(yàn)完成拆卸后可在平墊片和螺母支撐面上觀察到明顯放射狀壓痕，說(shuō)明墊圈兩側(cè)的徑向細(xì)齒嵌入了螺母和墊片中，這是能起到防松效果的前提。 所以使用時(shí)應(yīng)平衡好基材和該類防松墊圈硬度關(guān)系。

圖9 是偏心雙螺母防松性能分析曲線，經(jīng)1500 次橫向振動(dòng)后，殘余預(yù)緊力百分比約為83%，預(yù)緊力衰減較明顯，防松性能一般；殘余預(yù)緊力百分比的標(biāo)準(zhǔn)差接近5%，如圖10，同組試樣防松性能表現(xiàn)最好與最差殘余預(yù)緊力百分比差值達(dá)13%，差異性明顯。這可能與該型螺母結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜加工處理難以做到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一有關(guān)。

圖9 偏心雙螺母防松性能分析曲線

圖10 偏心雙螺母殘余預(yù)緊力對(duì)比曲線

3 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建螺紋連接的力學(xué)模型， 分析了螺紋自鎖條件，驗(yàn)證了普通螺紋的自鎖效應(yīng)，并根據(jù)公式得出：松緊扭矩/擰緊扭矩＜1，并由此分析了螺紋連接松脫原因。

對(duì)影響螺紋緊固件防松性能的主要影響因素 （包括夾緊力、表面處理、防松形式）進(jìn)行了理論分析和討論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，得出：

保證不發(fā)生屈服條件下適當(dāng)提高預(yù)緊力， 對(duì)防松性能有益，但從安全性、可靠性考慮，建議一般機(jī)械連接預(yù)緊力不超過(guò)0.7 倍屈服力。 對(duì)于楔形螺紋預(yù)緊力應(yīng)控制在（0.5～0.7）倍屈服力。

試樣經(jīng)過(guò)不同的表面處理后，摩擦系數(shù)越高，防松效果越好，但要注意預(yù)緊力的大小。

不同的防松結(jié)構(gòu)，防松效果差異性較大，比較得出施必牢楔形螺紋和雙疊自鎖墊圈防松性能優(yōu)異，可應(yīng)用于松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高的重要連接部位。