螺紋連接松動(dòng)機(jī)理及防松技術(shù)研究

陳偉婧

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部,吉林 長(zhǎng)春 130062）

引言

螺紋連接因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝拆卸方便、互換性強(qiáng)、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械產(chǎn)品中。在所有連接方式中,螺紋連接在機(jī)械制造行業(yè)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(dòng)、沖擊以及交變溫度等動(dòng)態(tài)載荷時(shí),連接結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)預(yù)緊力下降甚至松動(dòng)、脫落現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中,由于螺紋連接松動(dòng)引發(fā)的各類機(jī)械故障和安全事故也屢見(jiàn)不鮮。所以研究螺紋連接松動(dòng)機(jī)理,分析影響松動(dòng)的因素及各種防松方式的特點(diǎn)和差異,對(duì)指導(dǎo)工程應(yīng)用具有重要意義。

1 螺紋連接自鎖機(jī)理

1.1 螺紋連接受力分析

將螺母簡(jiǎn)化為滑動(dòng)質(zhì)量塊,螺母相對(duì)于螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)可以看作水平力推動(dòng)滑塊沿螺紋斜面運(yùn)動(dòng)。對(duì)于受力最為簡(jiǎn)單的矩形螺紋,將其連接副沿螺紋中徑展開(kāi)可得圖1 所示受力模型。螺母相對(duì)于螺栓的旋緊運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于水平力推動(dòng)滑塊沿斜面向上滑移,受力關(guān)系如圖1a,旋松運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于水平力推動(dòng)滑塊沿斜面向下滑移,受力關(guān)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(yù)緊力,FT- 螺母受到的水平推力,FN- 螺栓對(duì)螺母的法向反力,μ-螺紋副間摩擦系數(shù),μFN- 螺栓與螺母間的滑動(dòng)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(guò)程中,根據(jù)受力平衡關(guān)系可得：

松退螺母時(shí),根據(jù)受力平衡關(guān)系可得：

對(duì)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(duì)螺母的法向反力求解圖

松退螺母時(shí)的水平推力：

1.2 螺紋自鎖條件

由式（3）和式（7）可以看出,當(dāng)φρ 或φρ' 時(shí),FT為負(fù)值,為擰緊螺母方向,表明此時(shí)螺母在施加一定的擰緊力矩的情況也有可能松退；當(dāng)φ≤ρ 或φ≤ρ' 時(shí),FT為零或正值,方向?yàn)樗赏寺菽阜较?表明此時(shí)必須施加松退螺母的外力,螺母才會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。因此,螺紋的自鎖條件為φ≤ρ 或φ≤ρ'。

對(duì)于普通螺紋,牙型角α 為60°,金屬材料的摩擦系數(shù)μ 一般為0.1～0.3。當(dāng)量摩擦系數(shù)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(jiàn),普通螺紋緊固件滿足自鎖條件,即在沒(méi)有松退螺母的外力的情況下,螺母不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。

1.3 擰緊力矩和松退力矩

擰緊或松退螺母時(shí)需要同時(shí)克服螺紋力矩以及螺母與支撐面間的摩擦力矩。

根據(jù)式（6）,擰緊螺母所需力矩為：

根據(jù)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(shù)；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(nèi)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(xiàn)為旋松螺紋連接比擰緊更容易,與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相符。

2 螺紋連接松動(dòng)機(jī)理

螺紋連接松動(dòng)通常是由塑性變形引起的初始松動(dòng)逐漸發(fā)展為預(yù)緊力嚴(yán)重?fù)p失的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。松動(dòng)演變過(guò)程如圖3 所示,表現(xiàn)為部分或全部軸向預(yù)緊力的損失。

圖3 螺紋連接松動(dòng)演變過(guò)程

初始的預(yù)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(guān),主要是由材料表面的嵌入、磨損、蠕變、應(yīng)力松弛等塑性變形引起的。包括以下幾個(gè)過(guò)程：

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

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

（3） 材料在預(yù)緊力和工作載荷的持續(xù)作用下產(chǎn)生塑性應(yīng)變累積,導(dǎo)致預(yù)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(jié)果。

（4） 在預(yù)緊力和工作載荷的作用下,應(yīng)力隨著時(shí)間減小,應(yīng)變則保持不變的應(yīng)力松弛行為造成的預(yù)緊力損失。且應(yīng)力松弛會(huì)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(qū)域受力可能超過(guò)了材料的的屈服極限,從而引發(fā)周期性的塑性變形,導(dǎo)致預(yù)緊力下降。且橫向載荷幅值對(duì)周期性塑性變形損失的影響最為明顯[3]。

在預(yù)緊力和變載、振動(dòng)和沖擊等工作載荷的作用下,由材料塑形變形和擴(kuò)展導(dǎo)致的預(yù)緊力下降,以及接觸面間的磨損、微動(dòng)滑移導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的顯著降低,會(huì)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(zhuǎn)松動(dòng)發(fā)生的更容易。螺紋連接的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力的持續(xù)衰退,甚至使連接結(jié)構(gòu)完全松脫。

3 螺紋連接松動(dòng)的的影響因素

影響緊固件防松性能的因素有牙型、材料、預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、外部載荷等。

3.1 初始預(yù)緊力

初始預(yù)緊力是影響螺紋防松性能的關(guān)鍵因素。增大預(yù)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(guò)高的預(yù)緊力會(huì)加深振動(dòng)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(yīng)力過(guò)大而伸長(zhǎng)或斷裂。所以要將初始預(yù)緊力控制在合理的范圍內(nèi)。螺紋連接結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力一般不得大于緊固件材料屈服極限的80%,對(duì)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(shù)

摩擦系數(shù)也是影響螺紋防松性能的重要因素。摩擦系數(shù)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(dòng)試驗(yàn)表明表面處理為鍍鋅的緊固件由于其摩擦系數(shù)大,其防松效果要優(yōu)于發(fā)黑和達(dá)克羅[5]。但在采用相同的緊固力矩的情況下,增大摩擦系數(shù)也會(huì)相應(yīng)減小預(yù)緊力,可能造成初始預(yù)緊力不足,使螺紋連接結(jié)構(gòu)過(guò)早發(fā)生松動(dòng)。可通過(guò)表面處理方式的選擇以及使用潤(rùn)滑膏將摩擦系數(shù)控制在適當(dāng)范圍內(nèi),平衡好連接強(qiáng)度和防松性能的關(guān)系。

3.3 外部載荷

針對(duì)在外部載荷作用下的螺紋連接旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的研究表明[6]：橫向振動(dòng)可以導(dǎo)致嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)行為以及大量的預(yù)緊力損失；縱向振動(dòng)引起的預(yù)緊力衰退主要是非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)行為,很難導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)松動(dòng)；連續(xù)的、高強(qiáng)度的沖擊載荷會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)；當(dāng)承受交變溫度載荷時(shí),連接件與被連接件材料的熱膨脹系數(shù)差異越大,旋轉(zhuǎn)松動(dòng)越明顯。且周期性外部載荷的振幅越大,預(yù)緊力衰退越嚴(yán)重,衰退的持續(xù)時(shí)間也越短。

另外,軟材料制成的墊圈和涂層會(huì)導(dǎo)致更大的蠕變預(yù)緊力損失。牙型角越小時(shí),螺紋連接防松性能越好。

4 防松方法

根據(jù)防松原理可將防松方法分為摩擦防松、預(yù)緊力鎖緊防松、機(jī)械鎖緊防松和永久止動(dòng)防松四種。

摩擦防松是通過(guò)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(lái)達(dá)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(yù)置扭矩螺母等。

棘輪螺母、彈簧墊圈和齒形墊圈是通過(guò)增大支撐面摩擦系數(shù),或通過(guò)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(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。

雙螺母結(jié)構(gòu)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?cái)Q緊下螺母和上螺母,兩個(gè)螺母對(duì)頂卡緊在一起,使旋合段內(nèi)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(dá)到鎖緊狀態(tài),才能表現(xiàn)出良好的防松效果。

圖4 雙螺母

偏心螺母同樣由兩個(gè)螺母組成,上、下螺母呈凹凸配合結(jié)構(gòu),下螺母為偏心結(jié)構(gòu),擰緊上螺母后,下螺母和螺栓的單側(cè)螺紋被擠壓變形,從而實(shí)現(xiàn)防松,結(jié)構(gòu)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(gè)30°的楔形斜面,如圖6,內(nèi)外螺紋的配合由面接觸變?yōu)榫€接觸,這種接觸狀態(tài)使其螺紋間的摩擦力更大和應(yīng)力分布更加均勻,從而具有了優(yōu)異的防松性能。研究結(jié)果表明楔形鎖緊螺母的初始預(yù)緊力是其屈服極限的35%～55%時(shí)具有最佳的防松性能[7]。

圖6 楔形鎖緊螺母

預(yù)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(guò)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(shè)彈簧或預(yù)制非圓形收口等方法,增加螺紋摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)防松作用。

預(yù)緊力鎖緊防松是通過(guò)增加松動(dòng)過(guò)程中的預(yù)緊力來(lái)同時(shí)提高端面和螺紋面的摩擦力矩,從而實(shí)現(xiàn)防松的方法。

常見(jiàn)的預(yù)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(chǔ)存的應(yīng)變能可以抵消螺紋連接的預(yù)緊力松弛,在工作載荷下使預(yù)緊力一直保持較高水平。

楔形墊圈為一對(duì)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(dāng)連接松動(dòng)時(shí),預(yù)緊力上升使松動(dòng)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(shí)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(dòng)時(shí)會(huì)沿使鎖緊螺母擰緊的方向轉(zhuǎn)動(dòng),阻止松動(dòng)進(jìn)行。唐氏螺栓在橫向振動(dòng)載荷作用下可以有效降低預(yù)緊力損失[9]。

圖8 唐氏螺栓

機(jī)械鎖緊防松是利用止動(dòng)元件直接限制內(nèi)、外螺紋的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通常采用的措施有螺桿帶孔和開(kāi)槽螺母配開(kāi)口銷、頭部帶孔螺栓穿金屬絲、止動(dòng)墊圈等,一般與摩擦防松配合使用。

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

5 結(jié)論

本文闡明了緊固件連接自鎖和松動(dòng)機(jī)理,分析總結(jié)了影響松動(dòng)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(dòng)磨損、蠕變及以應(yīng)力松弛等引起的塑形變形及擴(kuò)展導(dǎo)致螺紋連接的摩擦力和預(yù)緊力下降,是螺紋連接松動(dòng)的開(kāi)始。

（3） 影響螺紋連接松動(dòng)的因素中,為了平衡好連接強(qiáng)度和防松性能的關(guān)系,要選取適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力和摩擦系數(shù)；周期性橫向振動(dòng)是導(dǎo)致連接松動(dòng)的主要載荷形式。

（4） 防松方式按防松原理分為摩擦防松、預(yù)緊力鎖緊防松、機(jī)械鎖緊防松和永久止動(dòng)防松。每種防松方式包含不同的防松結(jié)構(gòu),需根據(jù)使用部位的要求和特點(diǎn)選用合適的防松方式和結(jié)構(gòu)。