淺析螺紋緊固件自鎖與防松動

侯志林　潘樂　劉洋　李劭恒　杜建強

摘 要：螺紋是一種用于聯接和傳動的機械結構要素，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，三角螺紋主要用于聯接，三角螺紋分粗牙和細牙，自鎖性能好，一般聯接多用粗牙螺紋。螺紋聯接因便于裝拆、聯接穩定可靠、聯接力大等優點，已經成為應用最廣泛的部件聯接方式。該文分析說明了螺紋緊固件自鎖、防松動的原理，介紹了螺紋緊固件常用的防松動措施及其他防松動措施的原理和應用。

關鍵詞：螺紋聯接 自鎖 防松動

中圖分類號：TH131.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0054-02

螺紋緊固件規格繁多，按照強度等級及材料類型進行分類，其所承載類型復雜，安裝環境及使用要求差別較大，這些影響因素給部件結構設計帶來很大障礙。重要部件的螺栓聯接如果出現失效，將會帶來嚴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，但受其螺紋聯接結構與使用環境的影響，松動仍是目前造成螺紋緊固件失效的主要形式，因此，為了達到螺紋緊固件防松的目的，各種防松動方案也就應運而生。

1 原理分析

1.1 螺紋聯接的預緊

在目前的產品制造過程中，螺紋緊固件聯接在裝配時都必須施加扭矩，使聯接在受到工作條件載荷之前，提前受到力的作用。這個預施加的作用力即稱為扭力。施加預緊扭力的作用是增強聯接的穩定和可靠性及緊密性，以避免承受工作載荷后與被聯接件間出現位移或產生縫隙。試驗驗證結果表明：合理地選用較大的扭力對螺紋聯接穩定性和聯接部件的使用壽命及疲勞強度都有好的作用，特別對于穩定性要求較高的螺紋聯接，預緊扭力顯得尤為重要。但另一方面，加大的扭力會造成整個部件聯接的尺寸變大，使得聯接部件在組裝或過載時被拉裂，甚至斷開。因此，為確保部件聯接所需求的扭力，且螺紋聯接部件件不會發生過載，對關鍵的螺紋聯接部件，在組裝時要控制扭力。

1.2 螺紋的松動

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

目前，工業生產中所發生的松動是指部件螺栓聯接喪失全部或部分軸向扭力，這是螺紋緊固件松動的主要原因。但是一般來說螺紋緊固件具有防松動作用，那為什么還會發生失效松動呢？

螺紋聯接遭受橫向振動時，起初只損失少量的預緊力，隨著振動次數的增加，損失的預緊力緩慢地增多。當損失了相當的預緊力后，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，預緊力急劇下降，隨著振動次數增加，螺紋緊固件產生松動的速度越快。

對于普通螺栓聯接，所用的螺紋升角通常小于當量摩擦角，所以聯接螺紋都能符合自鎖要求。其次，施加預緊后的螺母與支撐面間產生的摩擦力也有防松動的效果，因此在載荷、工作溫度變化不明顯時，螺栓緊固件不會發生松動。但是隨著工作環境的改變，螺栓聯接部件會受到振動、外部變化載荷、高溫條件等外部環境因素的影響，會導致緊固件螺紋聯接接觸面的摩擦力變小或消失，當多次發生這種現象后，就使聯接發生松動，最后導致聯接失效。

2 防松動措施

2.1 常用的防松動措施

防松動的關鍵就是防止螺旋副的相對轉動。常用的防松動措施可分為摩擦防松動、機械防松動和永久止動防松動3種。

2.1.1 摩擦防松動

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

2.1.2 永久止動防松動

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

2.2 其他防松動措施

隨著國內工業水平的提升，常規的螺紋防松動措施已無法滿足要求，如軌道交通裝備的制造中，已經采用的防松動措施就有楔形防松動螺紋等新型防松動措施[2]。

楔形防松動螺母的防松動取決于它的設計結構，首先在內螺紋的牙底設計了一個30°的楔形面，當緊固件相互擰緊時，螺栓外徑的牙尖就壓緊在自鎖螺紋的楔形面上，由此產生很大的鎖緊力。當螺紋牙形的角度發生改變，使得緊固件螺紋接觸面間產生的法向力與螺栓軸向為60°，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摩擦力大大增加。

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

2.3 防松動性能檢驗

螺紋緊固件的防松動性能的檢驗主要有以下2種方法。

2.3.1 套筒橫向沖擊法

將試驗件擰緊固定在試驗套筒內，同時在試驗件和套筒上標記出位置，將完成標記的套筒放置在試驗架的滑槽內隨試驗架運動，試驗套筒能夠在滑槽內進行橫向運動；試驗開啟后試驗架開始來回運動，試驗套筒在滑槽內不斷地撞擊滑槽的兩側，此時會產生很大的沖擊導致試驗件發生松動；通過記錄試驗件的位置變化并在規定時間內進行記錄，依據記錄結果（包括位移變化及時間特性）來分析試驗件的防松動性能。此種檢驗方法目前在國內的航天系統仍有使用，其標準符合GJB 715.3A《緊固件試驗方法——振動》。

2.3.2 橫向振動法

首先準備好聯接的試驗件，試驗件的緊固件作用良好，將試驗件擰緊在橫向振動試驗機上進行測試，此時的試驗件與試驗機之間產生了壓緊力；試驗啟動后試驗機在試驗件的兩聯接板之間產生了有規律的橫向位移，試驗機重復運動后造成了聯接件之間的壓緊力慢慢變小，直到完全松動；在試驗的過程中記錄聯接件從緊固狀態到產生松動的時間，依據產生松動的時長來評估試驗件的防松動性能。

目前，橫向振動法是普遍采用的試驗方法且已被制定為檢測的國際標準，隨著我國緊固螺紋件的廣泛應用，以及對緊固件防松檢測的需求，國內也發布實施了GB/T 10431《緊固件橫向振動試驗方法》。

3 結語

由上可知，螺紋聯接的預緊力將對螺栓的總載荷、聯接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產生影響。過大或過小的預緊力均有害。預緊力具有離散性，應根據具體應用情況對預緊力加以控制。同時，螺紋聯接產生松動的主要原因是：螺紋聯接發生松弛、接觸面變形及振動。但這3個方面的原因歸結到最后就是預緊力的減小，甚至消失。

隨著防松動螺紋技術在航天航空、高速鐵路、汽車工業等先進裝備制造上的廣泛應用，以往的防止螺紋產生松動而采用的頂絲、插銷、防轉塊、連接鋼絲等防松措施已經變得不適用，其最大的缺點就是耗費大量的人力，工作效率低下。但是在采用該文所論述的新的防松方法后，部件間的螺紋聯接變得更加可靠且易于操作，對提升產品的使用壽命、降低產品的維護成本和故障率起到重要的作用[3]。

參考文獻

[1] 張寶業.摩擦在螺紋防松動上的機理及實踐[J].機械工程師，2005（8）：113-114.

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

[3] 陳靜.螺紋緊固件防松動技術應用研究[J].機電信息，2017（24）：95-96.