螺紋連接松動機理及防松技術研究

陳偉婧

（中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉向架研發部,吉林 長春 130062）

引言

螺紋連接因具有結構簡單、安裝拆卸方便、互換性強、可重復使用等優點被廣泛應用于各類機械產品中。在所有連接方式中,螺紋連接在機械制造行業中的占比為68%[1]。然而,在外部載荷的作用下,特別是受到振動、沖擊以及交變溫度等動態載荷時,連接結構容易出現預緊力下降甚至松動、脫落現象。實際應用中,由于螺紋連接松動引發的各類機械故障和安全事故也屢見不鮮。所以研究螺紋連接松動機理,分析影響松動的因素及各種防松方式的特點和差異,對指導工程應用具有重要意義。

1 螺紋連接自鎖機理

1.1 螺紋連接受力分析

將螺母簡化為滑動質量塊,螺母相對于螺栓的轉動可以看作水平力推動滑塊沿螺紋斜面運動。對于受力最為簡單的矩形螺紋,將其連接副沿螺紋中徑展開可得圖1 所示受力模型。螺母相對于螺栓的旋緊運動相當于水平力推動滑塊沿斜面向上滑移,受力關系如圖1a,旋松運動相當于水平力推動滑塊沿斜面向下滑移,受力關系如圖1b。

圖1 矩形螺紋連接副的受力模型

其中,FQ- 螺母與螺栓之間的軸向預緊力,FT- 螺母受到的水平推力,FN- 螺栓對螺母的法向反力,μ-螺紋副間摩擦系數,μFN- 螺栓與螺母間的滑動摩擦力,FR- 摩擦力與法向反力的合力,φ- 螺紋升角,ρ- 摩擦角。

擰緊螺母過程中,根據受力平衡關系可得：

松退螺母時,根據受力平衡關系可得：

對于牙型角α≠0 的非矩形螺紋,如圖2 所示,螺母與螺栓螺紋接觸面的摩擦力為：

圖2 非矩形螺紋螺栓對螺母的法向反力求解圖

松退螺母時的水平推力：

1.2 螺紋自鎖條件

由式（3）和式（7）可以看出,當φρ 或φρ' 時,FT為負值,為擰緊螺母方向,表明此時螺母在施加一定的擰緊力矩的情況也有可能松退；當φ≤ρ 或φ≤ρ' 時,FT為零或正值,方向為松退螺母方向,表明此時必須施加松退螺母的外力,螺母才會產生松動。因此,螺紋的自鎖條件為φ≤ρ 或φ≤ρ'。

對于普通螺紋,牙型角α 為60°,金屬材料的摩擦系數μ 一般為0.1～0.3。當量摩擦系數μ'=μ/cos30°=0.115 5～0.346 4,即tanρ'為0.115 5～0.346 5,ρ'為6.6°～19.1°；螺紋升角φ 一般為2°30′～4°,即φρ'。

可見,普通螺紋緊固件滿足自鎖條件,即在沒有松退螺母的外力的情況下,螺母不會發生松動。

1.3 擰緊力矩和松退力矩

擰緊或松退螺母時需要同時克服螺紋力矩以及螺母與支撐面間的摩擦力矩。

根據式（6）,擰緊螺母所需力矩為：

根據式（7）,松退螺母所需力矩為：

式中：μ- 螺母與被連接件支撐面間的摩擦系數；Dw-螺母與被連接件接觸面外徑；d0- 螺母與被連接件接觸面內徑；d2- 螺紋中徑。

可以看出,Ts/Tj＜1。即由于螺紋升角的存在,松退螺母的力矩總是小于緊固螺母的力矩。表現為旋松螺紋連接比擰緊更容易,與實際經驗相符。

2 螺紋連接松動機理

螺紋連接松動通常是由塑性變形引起的初始松動逐漸發展為預緊力嚴重損失的旋轉松動。松動演變過程如圖3 所示,表現為部分或全部軸向預緊力的損失。

圖3 螺紋連接松動演變過程

初始的預緊力衰減與界面接觸特性、材料特性以及工作載荷密切相關,主要是由材料表面的嵌入、磨損、蠕變、應力松弛等塑性變形引起的。包括以下幾個過程：

（1） 螺紋面和端面的微觀輪廓通常是凹凸不平的,預緊力和工作載荷施加后,微凸體可能被擠壓變平,隨時間積累發生局部塑性變形,引發預緊力下降。

（2） 在周期性載荷的作用下,內外螺紋發生往復的微動滑移,螺紋上的微凸體脫落,造成預緊力損失。隨著螺紋面磨損程度的加劇,預緊力先呈線性趨勢降低,隨后下降速度逐步加快[2]。

（3） 材料在預緊力和工作載荷的持續作用下產生塑性應變累積,導致預緊力下降。它是螺栓、螺母、墊圈、被連接件和涂層等綜合蠕變的結果。

（4） 在預緊力和工作載荷的作用下,應力隨著時間減小,應變則保持不變的應力松弛行為造成的預緊力損失。且應力松弛會隨著溫度升高而加速。

（5） 在周期性外部載荷的作用下,螺紋連接的部分區域受力可能超過了材料的的屈服極限,從而引發周期性的塑性變形,導致預緊力下降。且橫向載荷幅值對周期性塑性變形損失的影響最為明顯[3]。

在預緊力和變載、振動和沖擊等工作載荷的作用下,由材料塑形變形和擴展導致的預緊力下降,以及接觸面間的磨損、微動滑移導致的摩擦系數的顯著降低,會使螺紋副和螺母支撐面處的摩擦阻力矩急劇降低甚至消失,破壞了螺紋連接的自鎖條件,使得旋轉松動發生的更容易。螺紋連接的旋轉松動會導致預緊力的持續衰退,甚至使連接結構完全松脫。

3 螺紋連接松動的的影響因素

影響緊固件防松性能的因素有牙型、材料、預緊力、摩擦系數、外部載荷等。

3.1 初始預緊力

初始預緊力是影響螺紋防松性能的關鍵因素。增大預緊力可以增加螺紋副和支撐端面的摩擦力矩,有效提升防松性能。但過高的預緊力會加深振動工況下螺紋的塑性變形累積[4],甚至造成被連接件端面壓潰,使螺栓因應力過大而伸長或斷裂。所以要將初始預緊力控制在合理的范圍內。螺紋連接結構的預緊力一般不得大于緊固件材料屈服極限的80%,對于鋼制螺栓,推薦為0.5～0.7 倍的螺栓材料的屈服極限。

3.2 摩擦系數

摩擦系數也是影響螺紋防松性能的重要因素。摩擦系數越大,松脫連接所需克服的端面和螺紋副間的摩擦力矩越大,防松效果越好。橫向振動試驗表明表面處理為鍍鋅的緊固件由于其摩擦系數大,其防松效果要優于發黑和達克羅[5]。但在采用相同的緊固力矩的情況下,增大摩擦系數也會相應減小預緊力,可能造成初始預緊力不足,使螺紋連接結構過早發生松動。可通過表面處理方式的選擇以及使用潤滑膏將摩擦系數控制在適當范圍內,平衡好連接強度和防松性能的關系。

3.3 外部載荷

針對在外部載荷作用下的螺紋連接旋轉松動的研究表明[6]：橫向振動可以導致嚴重的旋轉松動行為以及大量的預緊力損失；縱向振動引起的預緊力衰退主要是非旋轉松動行為,很難導致旋轉松動；連續的、高強度的沖擊載荷會誘發嚴重的旋轉松動；當承受交變溫度載荷時,連接件與被連接件材料的熱膨脹系數差異越大,旋轉松動越明顯。且周期性外部載荷的振幅越大,預緊力衰退越嚴重,衰退的持續時間也越短。

另外,軟材料制成的墊圈和涂層會導致更大的蠕變預緊力損失。牙型角越小時,螺紋連接防松性能越好。

4 防松方法

根據防松原理可將防松方法分為摩擦防松、預緊力鎖緊防松、機械鎖緊防松和永久止動防松四種。

摩擦防松是通過增大螺紋副及連接件與被連接件接觸面間的摩擦力,提高摩擦阻力矩來達到防松的目的。采用方式有彈簧墊圈、齒形墊圈、棘輪螺母、雙螺母、偏心螺母、楔形鎖緊螺母和預置扭矩螺母等。

棘輪螺母、彈簧墊圈和齒形墊圈是通過增大支撐面摩擦系數,或通過表面嵌入直接增大支撐面摩擦力矩,使連接件與被連接件之間不容易產生相對滑動。

雙螺母結構如圖4 所示,分別使用全部緊固力矩的25%～50%和全部緊固力矩擰緊下螺母和上螺母,兩個螺母對頂卡緊在一起,使旋合段內螺栓受拉而螺母受壓形成軸向壓緊。雙螺母只有正確安裝并達到鎖緊狀態,才能表現出良好的防松效果。

圖4 雙螺母

偏心螺母同樣由兩個螺母組成,上、下螺母呈凹凸配合結構,下螺母為偏心結構,擰緊上螺母后,下螺母和螺栓的單側螺紋被擠壓變形,從而實現防松,結構如圖5。

圖5 偏心螺母

楔形鎖緊螺母在普通螺紋60°斜面的根部增加了一個30°的楔形斜面,如圖6,內外螺紋的配合由面接觸變為線接觸,這種接觸狀態使其螺紋間的摩擦力更大和應力分布更加均勻,從而具有了優異的防松性能。研究結果表明楔形鎖緊螺母的初始預緊力是其屈服極限的35%～55%時具有最佳的防松性能[7]。

圖6 楔形鎖緊螺母

預置扭矩螺母包括非金屬嵌件鎖緊螺母、彈簧鎖緊螺母、端部非圓形收口螺母等。這類緊固件通過在螺母上端嵌入尼龍圈等非金屬材料、在螺紋爪片外圈增設彈簧或預制非圓形收口等方法,增加螺紋摩擦力來實現防松作用。

預緊力鎖緊防松是通過增加松動過程中的預緊力來同時提高端面和螺紋面的摩擦力矩,從而實現防松的方法。

常見的預緊力鎖緊防松有碟形墊圈、波形墊圈、楔形墊圈和唐氏螺栓。

碟形墊圈和波形墊圈被壓平后儲存的應變能可以抵消螺紋連接的預緊力松弛,在工作載荷下使預緊力一直保持較高水平。

楔形墊圈為一對雙面均為齒狀的墊圈的組合,兩片墊圈接觸面為相互咬合的階梯式大齒面,相互咬合的角度'α'大于螺紋的升角'β',如圖7 所示。當連接松動時,預緊力上升使松動減弱直至停止。楔形角、墊圈外徑和材料剛度越大,楔形墊圈的防松性能越好[8]。

圖7 楔形墊圈

唐氏螺栓的螺紋型式為左、右兩種不同旋向的外螺紋交替排列而成。安裝時配合普通右旋螺母（緊固螺母）和左旋螺母（鎖緊螺母）使用,如圖8。緊固螺母在松動時會沿使鎖緊螺母擰緊的方向轉動,阻止松動進行。唐氏螺栓在橫向振動載荷作用下可以有效降低預緊力損失[9]。

圖8 唐氏螺栓

機械鎖緊防松是利用止動元件直接限制內、外螺紋的相對轉動。通常采用的措施有螺桿帶孔和開槽螺母配開口銷、頭部帶孔螺栓穿金屬絲、止動墊圈等,一般與摩擦防松配合使用。

永久止動防松是采用沖點、鉚接、焊接、粘接等方法使螺紋副失去運動特性,從而使螺紋連接成為不可拆或不易拆分的連接。

5 結論

本文闡明了緊固件連接自鎖和松動機理,分析總結了影響松動的因素以及目前常用的防松方法。

（1） 普通螺紋連接在不承受松退力矩的情況下滿足自鎖條件。但由于螺紋升角的存在,使得松退螺紋連接比旋緊螺紋連接更加容易。

（2） 端部支撐面及螺紋副由于表面嵌入、微動磨損、蠕變及以應力松弛等引起的塑形變形及擴展導致螺紋連接的摩擦力和預緊力下降,是螺紋連接松動的開始。

（3） 影響螺紋連接松動的因素中,為了平衡好連接強度和防松性能的關系,要選取適當的預緊力和摩擦系數；周期性橫向振動是導致連接松動的主要載荷形式。

（4） 防松方式按防松原理分為摩擦防松、預緊力鎖緊防松、機械鎖緊防松和永久止動防松。每種防松方式包含不同的防松結構,需根據使用部位的要求和特點選用合適的防松方式和結構。