螺紋緊固件新型抗振防松解決方案

霍永久

（東莞市貫虹五金科技有限公司，廣東 東莞 523532）

螺紋連接廣泛應用于各類機械結構中，它由于連接可靠、結構簡單以及裝拆便捷等優點，是最常用的緊固方式之一。緊固件其品質對機械裝備主機水平和品質具有重要影響[1]。螺紋緊固件通過內外螺紋的旋合夾緊，可實現零部件的快速連接，且可以拆卸、螺紋緊固件還具有良好的互換性及低廉的成本。然而，它們也是出現機械和其他失效問題的一個重要來源。造成這些問題的部分原因是，它們在使用中出現自松問題。

有許多機制可能導致螺紋緊固件松動，這些機制可分為：旋轉和非旋轉松動。在絕大多數應用中，螺紋緊固件都是要進行擰緊的，以便在連接副接頭中施加預緊力。松動可以定義為擰緊完成后的預緊力損失，它可以通過兩種方法中的任何一種方法發生。旋轉松動，通常稱為自松，是指緊固件在外部載荷作用下發生相對轉動。非旋轉松動是指內螺紋和外螺紋之間沒有相對轉動，但會發生預加載損失。實際工況條件表明，一般螺紋可滿足自鎖條件，在靜載下螺紋不會松脫；而實際使用中的交變載荷、振動和沖擊是造成螺紋連接副松動的主要原因之一[2]。

由于國內機械裝備的品質提升及汽車、高鐵、航空、電力、建筑等產業的全面發展，對緊固件的防松性能日益苛刻。近年來涌現出各類新型防松緊固件，但對于使用者怎樣選擇合適的防松緊固件，面臨的是一個新的課題。如今緊固件作為機械基礎件，其趨勢是從結構緊固件向功能緊固件方向發展[3]。螺紋連接副的主要功能是保證被連接結構之間可靠地傳遞力或運動；螺紋連接松動是最主要的失效形式，而失效標志是螺栓張緊力的降低，螺紋連接失效輕則產生異響，重則導致重大安全事故。為此，探討研究螺紋連接的松動及防松機理均具有重要的工程應用價值及理論價值意義。

1 螺紋緊固件常規防松方法

螺紋連接副防松實質在于防止工作時螺栓與螺母的相對轉動，常規的防松方法和防松措施卻有很多種。對機械連接的螺紋緊固件由于安裝部位的工況不同，對螺紋連接副的防松性能也不一致，考慮可靠性、經濟性、可維護性等因素，在實際的機械連接的螺紋緊固件中，采用多種不同的緊固件防松措施。幾十年來，工程師們采取各種措施來防止螺紋緊固件的松動問題。例如，止退墊片、彈簧墊圈、開口銷、涂膠、雙螺母、尼龍螺母、全金屬有效力矩螺母等。但是，這些措施還是不能徹底解決松動問題。下面我們就從防松原理，緊固性能與裝配方便性以及防腐性能，制造可靠性諸多方面對防松緊固件進行探討比較。

目前常用的防松形式[4]有以下四類：

一是摩擦防松。如采用彈性墊圈、雙螺母、自鎖螺母和尼龍嵌件鎖緊螺母等防松方式，以產生一個可以阻止連接副相對轉動的摩擦力。不隨外力變化的此正壓力可通過軸向或同時兩向壓緊連接副來實現防松。

二是機械防松。使用止動件開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等防松方式，直接限制連接副的相對轉動，由于止動件沒有預緊力，當螺母松退到止動位置時防松止動才能起作用，這實際上不防松而是防止脫落的方式。

三是鉚沖防松。當連接副擰緊后采用焊接、沖點和粘接等方法，使螺紋失去運動特性而成為不可拆連接。此方式的缺點明顯的是栓桿只能使用一次，拆卸也非常困難，必須破壞連接副方可拆卸，不可重復使用。

四是結構防松。它是利用螺紋連接副的自身結構，防松可靠，可重復使用，拆裝方便[5]。

前三種防松技術主要依靠第三者力進行防松，主要是利用摩擦力，而第四種是新型防松技術，只單單依靠自身結構。

2 螺紋連接松動與防松探討

由于螺紋連接抗振防松的壽命比其材料和結構的疲勞壽命短得多，而在疲勞破壞之前，就已經出現了因松動而造成螺紋連接的松脫失效，或因松動而導致螺紋連接副的早期疲勞破壞。

螺紋連接在工作狀態下可能會經受所有類別的變動載荷，包括極為激烈的振動和沖擊載荷。在變動載荷的作用下，螺紋連接的失效通常是由其自身的松動和疲勞破壞所引起的。研究表明，傳統螺紋在鎖緊時，往往80% 以上的載荷作用是在鎖緊面的前兩牙或三牙，如圖1 所示。

圖1 螺紋連接在工作狀態

螺紋緊固件的松脫問題，主要是由螺紋結構造成的。螺紋緊固件在咬合時存在橫向間隙，當有振動時，螺紋的基本要素“螺紋升角”就變成了“螺紋松角”。因此，重新設計螺紋的幾何形狀，才能從根本上解決了緊固件的松脫問題，如圖2 所示。

市場上的傳統楔形螺紋，是通過內牙尖角處與軸線成30°角以提高螺紋自鎖能力。其優點是從根本上解決了螺紋配合時的橫向間隙，提高了防松性能。其缺點則是荷載不平衡。根據受力角度分析，螺紋在受力時側向力大，特別是受力初始階段，如下圖3 所示。單一牙紋的局部應力很大，造成緊固件承載力不均衡，因此無法達到緊固件最優鎖緊效果。

圖2 螺紋緊固松動公式參數

圖3 螺紋展示圖

在提升螺紋自鎖能力的同時，如何提高緊固件連接副的壽命？鎖緊力分配得越均勻，緊固件壽命越好。為此，我們設想把鎖緊力轉化為對外螺紋的下壓力，這樣可以減小螺紋拉力。下壓力通過螺紋傳導到外螺紋緊固件的桿徑，使緊固件受力更均勻。

3 R型螺紋的設計原理

現有的防松方法或者工藝復雜，或者使用不便，或者成本高昂。如何找到一種安全可靠、方便高效、成本經濟的解決方案。為此，筆者針對一種R 型螺紋新型專利產品的設計原理進行深入研究，并把R 型螺紋特質與常規防松方法進行分析對比。

R 型螺紋的設計是結構防松的一種形式。R 型螺紋是楔形螺紋的優化設計，傳統楔形螺紋鎖緊配合時角度不可變，R 型螺紋鎖緊配合時隨著配合面的受力變化實現多角度配合，是可變楔形。當螺紋緊固件與R 型螺紋緊固件相互擰緊時，螺紋緊固件的牙尖就緊緊地頂在R 型面上，并傳導到螺紋以下緊固件“身部”，從而產生很大的鎖緊力。

通過橫向振動試驗表明，R 型的設計使緊固件連接時的應力分配更合理，每一牙紋受力更穩定，如下圖4 所示。

圖4 R 型螺紋設計展示圖

R 型螺紋在螺紋的牙底處設計一個R 型面，當外螺紋緊固件與R 型螺紋緊固件相互預緊時，外螺紋緊固件的牙尖輕微內收頂在R 型面上，這樣可以有效的保護外螺紋的牙尖，如下圖6.7所示。

圖5 螺紋受力分析圖

圖6 螺紋受力分析

圖7 R 型螺紋受力圖

4 R型螺紋的特質

R 型螺紋的鎖緊過程是結構防松形式，它是通過一個力的轉移過程，當在受力的初始階段，螺栓的螺紋配合部分會輕微內收，將力沿著螺紋的牙尖向兩側傳導，形成相對穩定的下壓力（這對于鎖緊后的均勻負載至關重要）；隨著鎖緊力的增加，下壓力逐漸深入到螺栓螺紋以下的部分，這樣的應力能更好地保護螺紋，所以R 型螺紋是真正可以多次鎖進鎖出仍具備防松性能的螺紋。而普通螺紋和傳統楔形螺紋都存在較大的側向力，側向力越大，螺紋耗損越嚴重。

R 型螺紋特質與常規防松方法對比見表1。

表1 R 型螺紋與常規防松方法對比

目前國內外普遍采用兩種標準的試驗方法來評定緊固件的防松性能，有加速振動試驗方法和緊固件橫向振動試驗方法，即 GJB715.3A-2002《緊固件試驗方法振動》、GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》。防松試驗中 GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》，其中 GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》應用較為普遍。R 型螺紋防松試驗符合DIN65151 標準和GB/T10431-2008 標準；防松試驗結果滿足ISO16130-2015 標準要求；R 型螺紋緊固件產品性能滿足DIN25201-1-2004 標準中風險等級H 級防控要求；螺紋摩擦系數滿足DIN25201-2-2004 標準要求。

在對R 型螺紋及影響螺紋連接防松性能的因素進行了橫向振動試驗結果表明：不同的防松方式防松性能優劣不同，而R型螺紋有效力矩型鎖緊螺母附加了阻止螺紋轉動的摩擦力矩，具有良好的防松性能，屬一種可變楔形螺紋。

5 結束語

綜上所述，R 型螺紋設計是通過螺紋的結構起到防松功能的。與常規防松方法對比，R 型螺紋設計使緊固件連接時的應力分配更合理，每一牙紋受力更穩定。R 型螺紋設計制造的可靠性（質量保證能力或過程能力）決定了產品性能質量。R 型螺紋標準化程度高，安裝、維護成本低，安全系數高，是螺紋緊固件防松提供了又一種安全可靠的解決方案。