現代機械領域常用螺栓螺母防松結構解析

（東芝水電設備杭州有限公司，浙江 杭州 311504）

1 引言

現代機械裝配中，零部件采用螺栓連接仍然是最常見也是最廣泛的連接形式，其目的是為了使兩個被連接的零部件緊密貼合，同時又根據所屬工況不同，承受不同形式以及強度的載荷，從而保證被連接的零部件連接可靠并正常運行。但是在變載、振動、沖擊、工作溫度變化很大時，螺栓連接則可能產生松動，因此，螺栓連接在實際使用過程中必須要了解各個螺栓防松結構的原理，以便更加合理有效地運行螺栓螺母的防松部件，達到防松效果[1]。

2 螺栓螺母緊固時受力簡析

螺栓連接的零部件在工作過程中受到載荷變化、振動以及沖擊的作業下，會導致連接件之間壓緊力和預緊力逐漸減小甚至消失。因為在螺栓受到軸向載荷作用下，螺栓會因軸向載荷作用而軸向伸長，徑向彈性收縮，而連接螺母則向相反徑向擴張。兩者接觸面之間會出現微量的相對徑向滑動，因此在長期以及多次不良載荷的反復作用下，最終會導致螺母回轉松動。同樣的，當連接螺栓受到徑向載荷反復作用下，螺栓會產生彈性扭轉變形的趨勢，隨著變形不斷累積，最終會導致扭轉變形的位移，從而在螺紋螺旋方向上就出現使螺母回旋松動的分力。

在使用螺栓螺母進行緊固連接時，首要條件是保證被緊固件之間的預期夾緊力必須達到相應的大小（參考普通螺栓松脫力矩一般為擰緊時力矩的80%，細牙則為85%）。而螺栓螺母主要通過摩擦力矩保證鎖緊作用，同時對摩擦力矩造成的影響的因素有很多，其中主要包括螺栓預緊力的大小、摩擦系數的大小、螺栓同連接物品表面接觸的外徑、內徑等。普通情況可以用更高強度級別或者細牙螺栓螺母來達到更好的防松效果[2]。但是往往在實際工況中，僅僅通過上述選型是達不到預期防松效果或者時效的要求的，可以考慮增加螺栓緊固的夾緊力（一般最大預緊力不得超過材料屈服極限強度的80%）或者增加新的力矩來保證其防止回轉松脫的目的，因此可以通過增加各種形式的防松結構達到防松目的。

3 常用螺栓防松結構分類

常用螺栓防松結構按拆卸方式可分為可拆卸防松和永久防松。常見永久防松結構有點焊焊接、鉚釘連接、沖點處理以及螺紋膠粘合。永久防松結構需要松動時大多需要進行破壞性拆除，因此需要視實際工況而定。可拆卸防松結構主要包括機械防松結構和摩擦防松結構。摩擦防松結構中運用摩擦原理進行防松的有添加彈簧止動墊片、自鎖螺母以及雙螺母防松結構。該類型防松方式工作過程中受到沖擊載荷容易松脫，需要用記號筆進行防松標示，以便于檢查以及拆卸恢復。常見的機械防松結構有開口銷加開槽螺母結構、止動墊片配合螺母防松以及串聯鋼絲固定結構，由于本身運用的防松原理不同，相比較而言機械防松結構更加可靠，應結合螺栓使用的工況、成本等綜合考慮使用相應的防松結構。

3.1 雙螺母防松結構

雙螺母防松結構原理可以理解為：如果螺母回轉松動過程需要克服前螺母與被緊固件和前螺母與后螺母兩個摩擦力（第一摩擦力面的預緊力為第二摩擦力面預緊力的80%）。在工作過程中，整體結構在工況中受到沖擊和振動載荷過程中，第一個摩擦力在螺栓螺母在彈性形變過程中逐漸減小甚至消失，但是在此同時，第一個螺母在彈性形變過程中作用至第二個螺母，使第二摩擦力面的摩擦力持續增大。但是螺母回轉松退必須同時克服上述兩個力面的摩擦力，基于上述原理從而達到防松的效果。唐氏雙螺母結構防松效果相比普通雙螺母防松結構更加有效，該防松原理基本和雙螺母防松機構相同，不同的是唐氏雙螺母結構的二個螺母旋向剛好相反，因此前螺母松動回轉過程中產生的力會作用于后螺母產生新的作用力，所以該防松結構形式效果更好。

3.2 自鎖螺母防松結構

自鎖螺母是靠摩擦力進行防松的一種結構，因為普通螺母螺紋在預緊力的作用下，其受力相對集中，主要在螺栓螺紋前端，所以也比較容易發生松脫，而自鎖螺母螺紋上有獨特30°楔形斜面，可以在鎖緊狀態下，使螺母螺紋與螺栓軸線形成60°角，且相對普通螺母，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生回轉松動的趨勢，由于接觸角度的關系，其螺栓螺母徑向作用力遠大于普通螺紋，其發生松動回轉需要克服的摩擦力也遠遠大于普通螺栓螺母需要克服的摩擦力，從而達到了有效防松的目的。當然能達到自鎖目的的螺母結構不單單有這一類型，另外還有通過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。因此在實際工況相對振動、沖擊負載比較多的情況下，可以考慮盡量使用自鎖螺母來實現防松的目的。

3.3 彈簧墊片式防松結構

在螺栓預緊過程中，彈簧墊片受到作用力產生彈性形變，那么為了克服墊片彈性形變產生一個反作用力于螺母上，產生一個附加的摩擦力，則螺母由于不良負荷的作用發生回轉松動，則需要克服原先摩擦力和附加摩擦力的總合，從而達到防松效果，且彈簧墊片在具備防松作用的同時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以及工藝影響較大，如果材質不達標、熱處理及相關工藝不到位，很容易發生開裂的現象，直接影響其防松能力。因此容易腐蝕彈墊自身材質以及容易發生化學變化的工況，應避免使用。

3.4 開口銷、開槽螺母式防松結構

開槽螺母相對普通螺母在尾部多一處螺母槽，將對應的開口銷依次穿入槽及螺栓尾孔內，并固定開口銷，從而達到防松止動的目的。開口銷通常需要使用優質鋼且彈性好的材料制作而成。因為每個腳需要反復多次彎折，并且彎折部分不能發生斷裂或裂痕。開口銷式防松在機械領域適用面廣、使用方便，但是也存在容易松動、普通材質開口銷容易被腐蝕而失效的問題。因此開口銷作為防松目的使用時，應嚴格對照螺栓螺紋規格正確選用，從而充分達到其使用的價值。

3.5 止動墊片式防松結構

止動墊片與彈簧墊片都是附加形式的防松結構，但是彈簧墊片是給螺栓螺母附加一個力，增加其摩擦力，而止動墊片則是通過直接鎖住螺母回轉，達到防松目的。但是止動墊片受被緊固件外形結構以及作業操作環境影響較大，裝配拆卸相對復雜，但防松效果比較好，特殊情況下可以使用雙聯鎖緊止動墊片，可以達到聯鎖牽制、強化防松的效果。

3.6 串聯鋼絲防松結構

串聯鋼絲防松結構，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）整體通過螺栓尾孔相互串聯起來，使相鄰的兩個螺栓互相牽制鎖定，從而起到互相防松的效果。串聯鋼絲繩必須明確一個原則，就是當任意一枚螺栓有松動回轉的趨勢，則它帶動固定的鋼絲時，必須同時讓相鄰的螺栓有旋緊的趨勢。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生松動回轉，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，從而避免振動，達到防松的目的。其被廣泛應用的原因有：黏著強度變化范圍廣，操作使用方便，且滲透流動性、吸振性以及密封性能好，因此在機械制造類企業內使用非常廣泛。

3.8 其他先進防松結構

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，號稱永遠不會松動的螺母，其原理和結構其實很簡單，就是在雙螺母結構的基礎上進行設計改進。其大致原理是在使用上下“凹”“凸”形狀的兩種螺母。下方呈凸狀的螺母，在加工時中心進行偏心加工。上方呈凹狀的螺母，中心則不偏離心加工，其結構形式在預緊時相當于楔子慢慢楔入，等同于雙螺母加上了自鎖功能，從而達到非常可靠的螺母防松功能。

3.8.2 德國“HEICO-LOCK”防松螺母

德國“HEICO-LOCK”防松螺母原理可簡單理解為通過楔入式的夾緊力而非摩擦力來緊固螺栓。其墊圈外表面為放射狀鋸齒，內表面呈現楔形，在安裝時要成對使用，保持楔形面相對[3]。當被連接件在負載作用下時，使螺栓在軸向上產生一個作用力F，并使螺母產生軸向位移的趨勢，但是由于雙鎖緊墊片與外表面已咬死，因此其相對位移只能發生在兩個墊圈的內齒表面，但是由于墊片內齒的斜角度α大于螺栓螺紋角β，因此在螺母產生的位移量ΔL沒有超過雙鎖緊墊片上下內齒疊加的最大間距的前提下，則作用力F越大，需克服螺母回轉松動趨勢的力越大，從而保證螺母能夠牢牢鎖緊，達到防松的目的。

4 結束語

通過對常用螺栓螺母防松結構的了解，知道不同的結構形式可以達到不同的防松效果。根據不同的使用工況，選用合理有效的螺栓連接防松結構可以延長其使用周期，更好地體現其自身的作用和價值。通過對常用螺栓螺母防松結構的了解，可以更好地運用到實際生產中，也可以通過加深學習改進現有結構，設計出更先進更可靠的防松結構，使其更好地為機械工業領域的發展起到推動作用。