螺紋緊固件防松方法研討

杜佳霖

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

1 導(dǎo)言

機(jī)械化程度權(quán)衡一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)展的水平。機(jī)械設(shè)備越復(fù)雜、機(jī)械化程度越高，給我們的生活帶來的便利越大。但是機(jī)械化程度越高，發(fā)生故障的可能性就越大。緊固件松動(dòng)作為機(jī)械故障中最常見和最普遍的問題，必須得到廣泛的關(guān)注和解決。隨著國內(nèi)外防松技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，螺紋緊固件的防松取得了長足的進(jìn)步。

2 緊固件松動(dòng)的危害及原因[2-5]

2.1 緊固件松動(dòng)造成的危害

緊固件不僅起連接的作用，更是起到了設(shè)備固定和保護(hù)的作用。緊固件的松動(dòng)后部件或設(shè)備振動(dòng)加劇、相對(duì)運(yùn)動(dòng)加大、間隙加大，久而久之造成緊固件斷裂、工件損壞，甚至引發(fā)人員傷亡等安全事故。

2.2 緊固件松動(dòng)的原因

如圖1 所示，為了增強(qiáng)螺紋連接的可靠性，必須預(yù)先給螺紋緊固并施加擰緊力矩，以獲得預(yù)緊力F0，防止連接件在受到工作載荷后出現(xiàn)縫隙或相對(duì)滑移。由于反復(fù)的振動(dòng)或沖擊，造成螺紋緊固件的松動(dòng)，當(dāng)松動(dòng)量達(dá)到一定程度后，預(yù)緊力就會(huì)消失，失去了預(yù)緊力的保護(hù)，螺紋就會(huì)受到來自連接件各個(gè)方向的剪切力F，使用壽命和連接可靠性會(huì)大大降低，從而引發(fā)各種危害。

圖1 緊固件受到的力

3 緊固件防松方法

由于不同的機(jī)械設(shè)備以及不同的作業(yè)環(huán)境，緊固件的易松程度會(huì)有差異。機(jī)械設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合不同，在螺紋緊固件防松方法的選擇上會(huì)有諸多不同。對(duì)比多種機(jī)械設(shè)備不同螺紋緊固件使用場(chǎng)合，加上長期經(jīng)驗(yàn)積累，筆者總結(jié)了以下幾種緊固件防松方法。

3.1 點(diǎn)焊防松法

點(diǎn)焊式螺紋緊固件防松方法，是在需要螺紋永久性防松的前提下，將螺栓或螺母焊接從而達(dá)到破壞螺紋來防松的目的。具體方法：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)螺紋擰緊力矩對(duì)螺紋擰緊后，使用電焊將螺紋周邊進(jìn)行點(diǎn)焊，這樣螺紋的螺旋線被破壞，螺紋將無法松動(dòng)，如圖2 所示。該方法防松強(qiáng)度高，使用壽命長，主要應(yīng)用在緊固件無需重復(fù)利用和拆卸的場(chǎng)合。

圖2 點(diǎn)焊防松示意圖

3.2 螺紋緊固膠防松法

螺紋緊固膠是一種膠粘劑，能夠在室溫氧氣存在下保存，當(dāng)隔絕空氣時(shí)表面會(huì)很快固化形成牢固膠接層[6]，通過緊固膠的固化、粘連作用，達(dá)到防松的目的。操作方法是先在螺栓的螺紋上滴入幾滴螺紋緊固膠，然后再將螺栓按照規(guī)定的擰緊力矩進(jìn)行擰緊即可。緊固膠防松法存在許多優(yōu)點(diǎn)：使用方便、收縮率低、密封性好、無毒、可拆卸也可永久緊固。但膠粘劑是以丙烯酸雙醋或特殊丙烯酸醋為基料，在使用過程中阻礙的是螺栓等鐵器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其使用壽命和強(qiáng)度肯定會(huì)隨著螺栓的震動(dòng)慢慢失效，因此該方法一般應(yīng)用到防松要求不高或震動(dòng)不是很劇烈的場(chǎng)合。

3.3 “8”字防松法

“8”字防松法（見圖3）是最常用的一種防松方法，需要用到頭部帶孔的螺栓[7]。具體操作方法是利用一根鐵絲依次穿過緊固后的螺栓頭部的鐵絲孔，使相鄰的兩組或兩組以上的螺栓間連接達(dá)到相互關(guān)聯(lián)的“8”字環(huán)。該“8”字環(huán)需要達(dá)到的機(jī)理是相互鎖定，即通過“8”字環(huán)連接的一組螺栓中，當(dāng)其中一個(gè)螺栓朝著松動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺栓頭部穿過的鐵絲會(huì)拉住另一個(gè)螺栓，由于該螺栓已經(jīng)通過擰緊力矩進(jìn)行防松固定，因此會(huì)釋放一種反作用力，來制約松動(dòng)螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鐵絲的拉力使螺栓保證一定的拉緊力，相互制約同一組通過“8”字環(huán)纏繞的螺栓，阻礙螺栓組相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到防松的目的。

圖3 “8”字防松示意圖

該方法原理簡單，被大量運(yùn)用在機(jī)械螺栓防松結(jié)構(gòu)上，但是該方法存在一定的局限性：首先，使用該方法，需要在緊固件頭部加工鐵絲孔；同時(shí)該固定方法需要操作工捆綁，完全依賴于操作工的熟練程度和捆綁技巧，如沒有掌握捆綁技巧，將難以達(dá)到預(yù)期的相互制約的效果；此外由于螺栓頭部孔大小的限制。選用的鐵絲一般不會(huì)太粗，鐵絲強(qiáng)度也會(huì)受到限制，因此，當(dāng)該方法應(yīng)用到震動(dòng)強(qiáng)烈或防松效果要求極高的地方時(shí)，需要謹(jǐn)防鐵絲斷裂。

3.4 特制螺栓和墊片防松法

該方法利用螺栓和墊片特殊的配合結(jié)構(gòu)，來達(dá)到相互配合和鎖緊的目的，其原理主要是在螺母和墊片之間注入一種相互制約的作用力，當(dāng)螺栓或螺母在發(fā)生松動(dòng)時(shí)，與之配合的墊片會(huì)產(chǎn)生一種制約力，來阻礙該螺栓或螺母的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到防松效果。

3.4.1 開槽螺母與開口銷配合防松法

該方法如圖4 所示，需要特制螺栓，并在螺栓螺紋固定位置鉆孔，該孔的目的是穿開口銷，配合開槽螺母使用。這種防松方法效果顯著，一旦固定，螺栓很難松動(dòng)，但由于螺栓鉆孔的位置的確定，取決于固定的工件高度，為了確保該方法能夠被準(zhǔn)確應(yīng)用，螺母在通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的擰緊力矩?cái)Q緊后，螺栓鉆孔的位置能夠正好露出，并穿過開口銷，因此該方法存在一定的局限性。該方法一般應(yīng)用在特殊加工的工件螺紋防松上。

圖4 開槽螺母防松

3.4.2 特制鎖緊墊圈防松法

該方法如圖5 所示，其原理是在螺母擰緊時(shí)配合特制鎖緊墊圈，將墊圈對(duì)角折起，并將折起部分緊扣六角螺母的一個(gè)邊，從而限制螺母轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到防松的目的。該方法的特點(diǎn)在于操作簡單，防松效果顯著，被廣泛應(yīng)用到各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊固件連接防松上。弊端在于：該止動(dòng)墊圈會(huì)由應(yīng)用場(chǎng)景的不同，來定制關(guān)聯(lián)孔的孔間距，單個(gè)使用的墊圈也需要進(jìn)行特制，因此加工成本可能較高。

圖5 鎖緊墊圈防松示意圖

3.4.3 NORD-LOCK 鎖定墊圈防松法

NORD-LOCK 鎖定墊圈最先是由瑞典一家公司發(fā)明的，采用了獨(dú)特的多功能設(shè)計(jì)，該墊圈具有楔入制鎖功能，即一種利用張力代替摩擦力的獨(dú)特方法，可防止螺栓連接的自發(fā)性松動(dòng)。特點(diǎn)是：由兩個(gè)相同齒形的墊片組成，不僅融合了新夾芯復(fù)合材料技術(shù)，并結(jié)合了幾何形狀原理和楔形獨(dú)特功能，能抵擋住自發(fā)螺栓松動(dòng)從而解決了螺母松動(dòng)的問題。

這種防松墊圈由兩片相同的墊圈組成一套，每片的上、下面帶有不同鋸齒，一面為凸輪狀大齒，其斜坡角度α 大于螺栓螺紋角β，另一面為較密小齒。墊圈安裝時(shí)，要大齒面相對(duì)，成對(duì)安裝。小齒面分別與螺母和被緊固件接觸。擰緊螺栓連接緊固件后，振動(dòng)發(fā)生時(shí)，大齒面會(huì)錯(cuò)動(dòng)抬升，并由α 角大于β 角的原理來鎖住螺栓，使之不能松動(dòng)。

目前由該墊圈引出的X 系列，如圖6 所示，更是采用獨(dú)特的多功能設(shè)計(jì)，兼具優(yōu)異的NORD-LOCK 楔形效應(yīng)和特殊的彈簧效應(yīng)。楔形效應(yīng)可以防止由振動(dòng)和動(dòng)態(tài)載荷引起的螺栓松動(dòng)，彈簧效應(yīng)（Fs）抵消螺栓的衰減變化，防止螺栓連接的預(yù)緊力損失。因此，該鎖定墊圈可在極端條件下提供安全保障。使用NORD-LOCK 鎖定墊圈防松效果顯著，優(yōu)點(diǎn)很多，例如：確保螺栓連接不松動(dòng)，補(bǔ)償沉降和松弛造成的預(yù)緊力損失；在規(guī)定的、始終不變的摩擦力下，達(dá)到更精確的預(yù)緊力；已標(biāo)準(zhǔn)化，有多種規(guī)格可供選擇（公制和英制）；可重復(fù)使用等等。

圖6 NORD-LOCK 鎖定墊圈防松示意圖

4 各類防松法的比較

（1）焊接式防松法。作為一種永久且無重復(fù)利用的緊固件防松方法，其應(yīng)用場(chǎng)景特殊，主要應(yīng)用在永久固定且不需要拆卸的場(chǎng)合，焊接后，螺紋防松強(qiáng)度非常高，但由于破壞了螺紋結(jié)構(gòu)，后期無法拆卸。

（2）螺紋緊固膠防松法。運(yùn)用的原理是在螺紋配合間隙中，添加一種凝固劑，達(dá)到固定螺紋的目的。這種防松方法操作簡單，效果顯著，可以實(shí)現(xiàn)螺栓二次復(fù)用。但由于該凝固劑的使用壽命會(huì)隨著螺栓震動(dòng)頻率產(chǎn)生的疲勞而逐步降低，因此，該防松方法一般應(yīng)用在震動(dòng)不強(qiáng)烈、防松效果要求不嚴(yán)格的普通場(chǎng)合。

（3）“8”字防松法。原理是利用鐵絲穿過頭部帶孔螺栓，纏繞并形成逆向的“8”字環(huán)，通過鐵絲產(chǎn)生的拉力，實(shí)現(xiàn)多個(gè)螺栓相互鎖定，達(dá)到防松的目的。該方法依賴于操作工的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技巧，存在一定的工作量，安裝效率較低。

（4）特制螺栓和墊片防松法。作為目前為止使用最普遍的防松方法，被大量應(yīng)用到各個(gè)機(jī)械領(lǐng)域的緊固件防松上，尤其是在重要場(chǎng)合或防松要求極高的部位。該方法有安裝簡單、防松效果顯著、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是NORDLOCK 鎖定墊圈，已經(jīng)在英制和公制上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，在選取上非常方便。

幾種常用防松方法特點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 幾種常用防松方法特點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，大量的機(jī)械化代替了人工勞動(dòng)，機(jī)械化程度越高，故障率也隨之增大。常見而又普遍的緊固件松動(dòng)問題，無論在何種場(chǎng)合，都應(yīng)該被重視。參考文獻(xiàn)【8】、【9】分別闡述了機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域以及煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域的某設(shè)備，其故障的產(chǎn)生和緊固件松動(dòng)有著直接的關(guān)聯(lián)。本文列舉了幾種常用的機(jī)械螺紋緊固件防松方法，可為解決螺紋松動(dòng)問題提供參考方案和選用依據(jù)。