防松螺母的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

螺紋緊固件因結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、連接力大、反復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，其在設(shè)備使用中具有較大的優(yōu)越性，確保了機(jī)械系統(tǒng)的可靠與穩(wěn)定性，螺絲緊固件已成為標(biāo)準(zhǔn)化部件之一，廣泛被用天常見(jiàn)的機(jī)械裝備中，如飛機(jī)、高鐵列車(chē)、工程車(chē)輛、船舶等重型或特種機(jī)械裝備領(lǐng)域，傳統(tǒng)螺紋聯(lián)接在靜態(tài)環(huán)境溫度下，自鎖能達(dá)到要求，無(wú)需考慮防松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊或振動(dòng)時(shí)螺紋聯(lián)接預(yù)緊力逐漸降低尤其是在橫向環(huán)形動(dòng)態(tài)載荷的情況下更加明顯，最終導(dǎo)致螺母脫落，在實(shí)際應(yīng)用中這種故障，有時(shí)會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的災(zāi)難性后果，隨著工業(yè)時(shí)代的高速發(fā)展，解決螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)在工作中出現(xiàn)松脫問(wèn)題已成為當(dāng)前必須面對(duì)的重要問(wèn)題之一。設(shè)計(jì)更加安全可靠的螺母尤為重要，常用的防松法主要有加彈簧墊、止動(dòng)墊片、尼龍嵌件螺或打螺紋膠等方式，各種技術(shù)性能參差不齊。文章總結(jié)防松設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，并著重分析和介紹一種新型防松螺母的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 螺母松動(dòng)的原因

   螺母松動(dòng)指的是螺母擰緊后軸向的預(yù)緊力降低。常見(jiàn)的松動(dòng)可能是被聯(lián)接件反復(fù)相對(duì)滑動(dòng)、磨損或螺栓和聯(lián)接零件的塑性變形造成的。螺栓預(yù)緊力在各聯(lián)接零件中起著決定性作用，螺栓預(yù)緊力的降低可直接導(dǎo)致被聯(lián)接零件的功能喪失。產(chǎn)生松動(dòng)的方式有旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)兩種，這兩種都是內(nèi)外螺絲之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生的，螺栓松動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，如聯(lián)接零件的分離、脫落、滑動(dòng)，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件出現(xiàn)位移、碰撞的情況。隨著振動(dòng)幅度增加，剛性下降，螺栓與聯(lián)接件也可能出現(xiàn)疲勞損壞。由此可見(jiàn)，防止螺栓松動(dòng)在零件聯(lián)接中有重要的作用[1]。

2 螺紋緊固的基本原理

   螺紋緊固的基本原理是斜面原理，即當(dāng)物體的放置面與水平面呈現(xiàn)β 角時(shí)，為了推動(dòng)這個(gè)物體，在不考慮斜面摩擦力的情況下，必須施加大于Wsinβ 的力。β 角越小，推力Wsinβ 也越小。

螺栓的擰緊過(guò)程指的是螺母相對(duì)螺栓在斜面上移動(dòng)，通過(guò)施加較小的力Wsinβ 就可以得到較大的螺栓軸向預(yù)緊力W，現(xiàn)實(shí)中斜面必然存在摩擦力，在不考慮斜面摩擦力的情況下，推動(dòng)W 需要的力為Wsinβ+μsWcosβ，如圖1 所示。

圖1 螺栓緊固原理

3 導(dǎo)柱防松的主要因素

3.1 預(yù)緊力的影響

   螺栓栓松動(dòng)的因素有很多。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在較大預(yù)緊力的情況下能夠有效提高螺栓的防松性能，在擰緊的過(guò)程中，螺栓發(fā)生了屈服，螺栓的軸向預(yù)緊力和緊固扭矩不成比例，螺栓用扭矩法擰緊，則必須避免螺栓的屈服。在研究中使用三種螺栓螺母組合進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，在預(yù)緊力過(guò)大的情況下其中一個(gè)組合的疲勞失效過(guò)程如圖2 所示，在測(cè)試過(guò)程中隨著循環(huán)加載次數(shù)的不斷增加，最終導(dǎo)致螺栓失效[2]。

圖2 疲勞屈服曲線

3.2 預(yù)緊力與預(yù)緊力矩的關(guān)系

   為了保證螺紋聯(lián)接有效必然存在預(yù)緊力，預(yù)緊力矩是通常是利用控制緊固扭矩來(lái)擰緊螺紋類(lèi)緊固件，常用的工具有扭力扳手這中設(shè)備能有效控制緊固扭矩。預(yù)緊力與預(yù)緊力矩之間存在著復(fù)雜的關(guān)系，受到多種因素的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器可以更方便地確定兩者之間的關(guān)系，同時(shí)測(cè)量出預(yù)緊力在螺絲之間和擰緊過(guò)程中螺紋南與支承面上的陰力信息如圖3所示。

   螺栓的擰緊過(guò)程是一個(gè)克服摩擦的過(guò)程，在這一過(guò)程中存在螺紋副的摩擦及端面摩擦。通常情況下，裝配扭矩約90%都由螺紋副摩擦及端面摩擦消耗掉了，只有約10% 轉(zhuǎn)化為螺栓軸向夾緊力。理論上，螺栓擰緊過(guò)程中擰緊扭矩T、螺栓軸向預(yù)緊力F、摩擦系數(shù)及螺紋形狀等多種因素的影響它們之間的關(guān)系如下。

式中：d2 為螺紋中徑，dω 為支承面等效摩擦直徑，d0 為螺母支承面外徑，dh 為螺栓孔直徑，P 為螺距，F(xiàn) 為螺紋軸向預(yù)緊力。

   螺紋扭矩Ts 和支承面摩擦扭矩Tω 表達(dá)式如下：

4 防松措施

   螺栓和螺母松動(dòng)的原因都是被聯(lián)接件發(fā)生往復(fù)的相對(duì)滑動(dòng)，防止螺栓或螺母旋轉(zhuǎn)松動(dòng)措施是限制被聯(lián)接件之間的相對(duì)滑動(dòng)，主要方法是選用高強(qiáng)度、高韌性的材料避免開(kāi)始階段產(chǎn)生塑性變型，目前的防松技術(shù)主是抑制松動(dòng)即控制滑動(dòng)僅存在低于臨界滑滿范圍內(nèi)[3]。

4.1 雙螺母

   雙螺母是一種常用的應(yīng)對(duì)松動(dòng)的方法，如果正確裝配雙螺母可以產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)阻力矩，如果螺母裝配不正確則是無(wú)用的，正確的裝配擰緊方法如圖5 所示，先擰緊下螺母到指定的扭矩T1，然后擰緊上螺母到規(guī)定的扭矩T2，將上螺母固定在原來(lái)的位置，沿松開(kāi)方向轉(zhuǎn)動(dòng)下螺母直到上下螺母的接觸面相互壓緊為止。

4.2 彈簧墊片

彈簧墊圈的基本作用是在螺母擰緊之后給螺母一個(gè)力，增大螺母和螺栓之間的摩擦力。也就是為了防止運(yùn)行中的設(shè)備震動(dòng)造成緊固螺栓的松動(dòng)，而增加的一種防護(hù)措施。彈簧墊圈的防松原理是在把彈簧墊圈壓平后，彈簧墊圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的彈力，使螺母與螺栓的螺紋連接副持續(xù)保持一個(gè)摩擦力，產(chǎn)生阻力矩，從而防止螺母松動(dòng)。彈簧擴(kuò)墊片只是在低軸向預(yù)緊力范圍是有效的（軸向預(yù)緊力低于彈簧墊片的完全壓縮負(fù)荷），在此范圍內(nèi)，彈簧墊片發(fā)揮彈簧的功能。在正常、適當(dāng)?shù)妮S向預(yù)緊力范圍內(nèi)，它處于安全壓縮狀態(tài)，使得墊片只能發(fā)揮隔離片的功能。

4.3 鐵基SMA 螺母防松

   鐵基形狀記憶合金防松螺母的防松是通過(guò)增大自鎖摩擦力矩防松和阻尼防松兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該螺母利用鐵基形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)，可將螺母內(nèi)螺紋加工成略小于螺栓外螺紋的尺寸，然后擴(kuò)孔變形至標(biāo)準(zhǔn)螺母內(nèi)螺紋的尺寸，因?yàn)樵诖诉^(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，按規(guī)定力矩?cái)Q緊后，對(duì)螺母加熱，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體發(fā)生逆相變，受到螺栓的約束作用，螺母會(huì)產(chǎn)生巨大徑向回復(fù)力，該回復(fù)力轉(zhuǎn)化為自鎖摩擦力矩，能有效增大螺旋副之間的鎖緊力矩，從而防止螺旋副出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到防松目的。

4.4 施必牢防松螺紋

   在內(nèi)螺紋的牙底處有一個(gè)30°的楔形斜面，當(dāng)螺栓螺母相互擰緊時(shí)，螺栓的牙尖就緊緊地頂在施必牢螺紋的楔形斜面上，從而產(chǎn)生了很大的鎖緊力。牙形的角度改變使施加在螺紋間接觸所產(chǎn)生的法向力與螺栓軸成60°，而不是像普通螺紋那樣的30°。顯然施必牢螺紋法向壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于扣緊壓力，所產(chǎn)生的防松摩擦力也就必然大幅度增加了。

4.5 Hard Lock 防松螺紋

   Hard Lock 螺母的構(gòu)思十分簡(jiǎn)單，就是在螺母與螺絲之間揳入楔子以發(fā)揮防止松動(dòng)的作用。在一個(gè)螺絲釘上使用呈“凹”“凸”形狀的兩種螺母。下方呈凸?fàn)畹穆菽?，在加工時(shí)中心稍許錯(cuò)動(dòng)（偏心加工），起到楔子的作用。上方呈凹

狀的螺母，則不作偏離中心的加工（圓形加工），于是形成了錘子揳打楔子的功能。

4.6 一種新型防松螺母

   該新型防松螺母，是通過(guò)主螺母內(nèi)的彈性螺母產(chǎn)生預(yù)緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)防松，螺母內(nèi)的彈性螺母正常處于變形即無(wú)預(yù)緊力的狀態(tài)下，當(dāng)卸力螺母松開(kāi)后彈性螺母形變產(chǎn)生預(yù)緊力抓緊螺絲從而實(shí)現(xiàn)主螺母防松，如需要拆卸時(shí)先通卸力螺母壓緊彈性螺母消除預(yù)緊即可拆下主螺母。

5 結(jié)束語(yǔ)

   螺紋緊固件在日常生活中普遍存在，為了防此結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松、脫、掉等聯(lián)接失效問(wèn)題，導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故時(shí)常發(fā)生，抑制松動(dòng)第一步首先則是選擇使用高強(qiáng)度、高韌性的材料和高精度的加工技術(shù)，避免材料在早期就出現(xiàn)自松動(dòng)的現(xiàn)象，第二步是摩擦防松。這是應(yīng)用最廣的一種防松方式，這種方式在螺紋副之間產(chǎn)生一不隨外力變化的正壓力，以產(chǎn)生一可以阻止螺紋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力。這種正壓力可通過(guò)軸向或同時(shí)兩向壓緊螺紋副來(lái)實(shí)現(xiàn)。如采用彈性墊圈、雙螺母、自鎖螺母和尼龍嵌件鎖緊螺母等。這種防松方式對(duì)于螺母的拆卸比較方便，但在沖擊、振動(dòng)和變載荷的情況，一開(kāi)始螺栓會(huì)因松弛導(dǎo)致預(yù)緊力下降，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，損失的預(yù)緊力緩慢地增多，最終將會(huì)導(dǎo)致螺母松脫、螺紋聯(lián)接失效，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該隔絕使用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生松動(dòng)的源頭，盡量避免螺紋機(jī)構(gòu)受到外力沖擊、循環(huán)載荷特別是橫向循環(huán)載荷的作用力，在實(shí)際應(yīng)用中可選用預(yù)緊力大、摩擦系數(shù)較大的螺母提升防松性能。從而避免給生產(chǎn)和生活帶來(lái)安全隱患。