機械設計中螺紋防松方法的探討

錢申卿 吉亮

摘 要：在機械設備連接和傳動過程中，螺紋起著非常重要的作用，其具有連接可靠、結構緊湊以及安裝和拆卸方便等多種優勢。通過對螺紋緊固件的大批量生產可以在確保生產質量的基礎之上有效降低生產成本，所以其目前被作為一種主要的連接方式被廣泛應用到工程和機械領域當中。

關鍵詞：機械設計；螺紋；松動原因；防松方法

1 螺紋緊固件防松動原理分析

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 螺紋緊固件連接發生松動的主要原因分析

2.1 螺紋連接的自松動

螺紋連接自松動是眾多原因當中最為常見的一種，結合螺紋緊固件物力特性和實際受力情況，如果一個物體處于斜面上，該物體會受到平行于斜面的摩擦力、向下的重力還有垂直于斜面的支撐力，如果摩擦力比水平分力小的話，物體勢必會向下滑動。同樣的原理，螺紋是在螺栓當中的螺旋斜線是相同距離，那么螺栓所受到的壓力就可以分解為軸向分力和水平分力，在螺栓受到振動的時候，平行分力就會比摩擦力更大，所以螺栓就會沿著螺紋旋斜線方向轉動，長時間使用之后難免會發生一定的連接松動現象。

2.2 螺紋連接的初始松動

在螺紋緊固件安裝好之后，隨著使用時間的不斷推移，螺紋型面、支撐面還有和連接零件之間的接觸面粗糙程度都會逐漸減小，變得越來越光滑，在沖擊和振動環境當中體現地尤為明顯。在此情況下螺紋緊固件的連接狀態就會發生一些微妙的改變，隨著預緊力的不斷減小甚至是消失而逐漸松動。但是這種松動無需立即采取相應的防松動解決對策，只需要在定期檢查維護保養過程中及時發現并對其進行重新緊固，使其預緊力恢復到正常狀態。

3 螺紋防松方法

雖然說螺紋緊固件在實際連接的時候通常情況下都具有一定的自鎖功能，但是還需要和實際工作狀態、作業環境以及所受載荷等多方面因素進行充分結合，在螺紋防松過程中最為主要的一點就是防止和螺栓副之間發生相對運動。

3.1 摩擦力防松

摩擦力防松方法主要是通過壓緊縱向和橫向的螺紋副而產生一定的摩擦力，從而起到有效的防松效果，具體包括如下幾種措施：

一，彈簧墊圈，可以利用其所產生的反彈力有效提升螺紋之間的壓緊力，同時還可以在一定程度上增加螺栓和螺母間的摩擦力，以起到防松作用。但是由于彈簧墊片的反彈力不均勻，所以只能應用在較為普通的緊固件連接當中。二，雙螺母鎖緊。在擰緊之后兩個螺母之間會產生一定的軸向力，增大螺栓牙和螺母牙之間的摩擦力，從而有效防止螺母發生松脫現象，這種方式主要適用于載荷比較平穩或者低速重載的情況。三，雙疊自鎖墊圈。這種裝置主要包括兩片墊圈，里面是斜齒面，外面是凸紋面，在對其進行安裝的時候，你面的齒面處于相對狀態，外面的凸紋面可以和兩側的接觸面之間緊密咬合，在連接件處于振動環境下的時候，螺栓如果有松動趨勢，這兩片墊圈里面的斜齒面就會產生一定的相對錯動而產生抬升張力，這樣也可以起到很好的鎖緊作用。這種防松動方式主要適用于強振動作業環境。四，鎖緊螺母。這種防松動裝置主要是通過螺栓和螺母間所產生的摩擦力實現自鎖，在機械制造行業比較常見，如果將其應用到動載荷環境中其可靠性還存在一定的欠缺。五，緊釘螺釘。這種方式是通過在螺桿上開孔利用螺釘提升螺桿的橫向摩擦力以起到有效的防松動效果，其比較適用于那些空間比較密閉或者狹小的范圍當中。

3.2 機械防松

機械防松其實就是通過止動零件對螺紋相對轉動的阻止來起到防松動的效果，我國目前常見的主要包括開槽螺母加開口銷防松、圓螺母加止動墊圈防松還有止動墊圈防松三大類。圓螺母加止動墊圈防松則是利用在軸槽內部放置止動墊圈，然后將圓螺母擰緊，并將墊圈的外舌向槽內折彎以此達到防松效果。

3.3 破壞性防松

這種防松動方式其實就是將螺紋緊固件之間形成一個不可拆卸的整體裝置，在此過程中需要進行一下操作：首先是黏著劑，我們也可以叫其為耐落膠，在螺栓螺絲防松動過程中比較常見，可以將這種膠體涂抹在螺紋的表面，當擰入螺母的時候就可以和外界空氣進行有效隔絕，從而起到很好的防螺絲脫落效果。在氣缸接頭、導軌固定以及往復桿等一些關鍵性部位的螺栓連接過程中比較常見；其次是鉚接和點焊。這種方法雖然具有較好的緊固效果，但是往往都是一次性的，拆卸之后就無法再次使用。

3.4 合理控制預緊力

合理控制預緊力也是有效防止螺紋緊固件發生松動的一種主要方式，在該方法應用過程中，無需對螺母和螺栓結構做出任何改動，只需要合理利用螺紋自鎖功能對預緊力進行有效的控制以起到很好的防松動作用。如果要求比較高可以在安裝的時候對預緊力實際大小進行準確測量，我國現如今比較常見的有測量螺栓應力和液壓安裝機。這種方式在實際應用過程中需要用到較為專業的設備和技術，所以不可能實現大范圍的推廣和應用。在實際生產生活中人們大多數情況會選擇更為經濟實惠的預緊力控制方式，即間接控制方式，也可以叫作扭矩控制法。其作用原理就是將預緊力很好地轉換成裝配扭矩，然后利用測量扭矩裝配機對扭矩進行有效控制，進一步達到控制預緊力的目的。在此過程中需要專業人員對扭矩系數提前進行準確測量。

結束語

總而言之，在機械設計過程中，螺紋防松動問題需要引起我們足夠的重視，找到緊固件產生松動的原因，結合具體情況選擇最為科學合理的防松動方式，才能更好地確保機械設備運行過程的安全性和可靠性，有效推動機械制造行業的穩健發展。

參考文獻：

[1] 李文鵬.頂緊螺栓的防松螺母安裝位置探討[J].中國特種設備安全，2016，32（08）：59-61.

（作者單位：上海振華重工（股份）有限公司長興分公司）