螺纹连接松动机理及防松技术研究

陈伟婧

（中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心转向架研发部,吉林 长春 130062）

引言

螺纹连接因具有结构简单、安装拆卸方便、互换性强、可重复使用等优点被广泛应用于各类机械产品中。在所有连接方式中,螺纹连接在机械制造行业中的占比为68%[1]。然而,在外部载荷的作用下,特别是受到振动、冲击以及交变温度等动态载荷时,连接结构容易出现预紧力下降甚至松动、脱落现象。实际应用中,由于螺纹连接松动引发的各类机械故障和安全事故也屡见不鲜。所以研究螺纹连接松动机理,分析影响松动的因素及各种防松方式的特点和差异,对指导工程应用具有重要意义。

1 螺纹连接自锁机理

1.1 螺纹连接受力分析

将螺母简化为滑动质量块,螺母相对于螺栓的转动可以看作水平力推动滑块沿螺纹斜面运动。对于受力最为简单的矩形螺纹,将其连接副沿螺纹中径展开可得图1 所示受力模型。螺母相对于螺栓的旋紧运动相当于水平力推动滑块沿斜面向上滑移,受力关系如图1a,旋松运动相当于水平力推动滑块沿斜面向下滑移,受力关系如图1b。

图1 矩形螺纹连接副的受力模型

其中,FQ- 螺母与螺栓之间的轴向预紧力,FT- 螺母受到的水平推力,FN- 螺栓对螺母的法向反力,μ-螺纹副间摩擦系数,μFN- 螺栓与螺母间的滑动摩擦力,FR- 摩擦力与法向反力的合力,φ- 螺纹升角,ρ- 摩擦角。

拧紧螺母过程中,根据受力平衡关系可得：

松退螺母时,根据受力平衡关系可得：

对于牙型角α≠0 的非矩形螺纹,如图2 所示,螺母与螺栓螺纹接触面的摩擦力为：

图2 非矩形螺纹螺栓对螺母的法向反力求解图

松退螺母时的水平推力：

1.2 螺纹自锁条件

由式（3）和式（7）可以看出,当φρ 或φρ' 时,FT为负值,为拧紧螺母方向,表明此时螺母在施加一定的拧紧力矩的情况也有可能松退；当φ≤ρ 或φ≤ρ' 时,FT为零或正值,方向为松退螺母方向,表明此时必须施加松退螺母的外力,螺母才会产生松动。因此,螺纹的自锁条件为φ≤ρ 或φ≤ρ'。

对于普通螺纹,牙型角α 为60°,金属材料的摩擦系数μ 一般为0.1～0.3。当量摩擦系数μ'=μ/cos30°=0.115 5～0.346 4,即tanρ'为0.115 5～0.346 5,ρ'为6.6°～19.1°；螺纹升角φ 一般为2°30′～4°,即φρ'。

可见,普通螺纹紧固件满足自锁条件,即在没有松退螺母的外力的情况下,螺母不会发生松动。

1.3 拧紧力矩和松退力矩

拧紧或松退螺母时需要同时克服螺纹力矩以及螺母与支撑面间的摩擦力矩。

根据式（6）,拧紧螺母所需力矩为：

根据式（7）,松退螺母所需力矩为：

式中：μ- 螺母与被连接件支撑面间的摩擦系数；Dw-螺母与被连接件接触面外径；d0- 螺母与被连接件接触面内径；d2- 螺纹中径。

可以看出,Ts/Tj＜1。即由于螺纹升角的存在,松退螺母的力矩总是小于紧固螺母的力矩。表现为旋松螺纹连接比拧紧更容易,与实际经验相符。

2 螺纹连接松动机理

螺纹连接松动通常是由塑性变形引起的初始松动逐渐发展为预紧力严重损失的旋转松动。松动演变过程如图3 所示,表现为部分或全部轴向预紧力的损失。

图3 螺纹连接松动演变过程

初始的预紧力衰减与界面接触特性、材料特性以及工作载荷密切相关,主要是由材料表面的嵌入、磨损、蠕变、应力松弛等塑性变形引起的。包括以下几个过程：

（1） 螺纹面和端面的微观轮廓通常是凹凸不平的,预紧力和工作载荷施加后,微凸体可能被挤压变平,随时间积累发生局部塑性变形,引发预紧力下降。

（2） 在周期性载荷的作用下,内外螺纹发生往复的微动滑移,螺纹上的微凸体脱落,造成预紧力损失。随着螺纹面磨损程度的加剧,预紧力先呈线性趋势降低,随后下降速度逐步加快[2]。

（3） 材料在预紧力和工作载荷的持续作用下产生塑性应变累积,导致预紧力下降。它是螺栓、螺母、垫圈、被连接件和涂层等综合蠕变的结果。

（4） 在预紧力和工作载荷的作用下,应力随着时间减小,应变则保持不变的应力松弛行为造成的预紧力损失。且应力松弛会随着温度升高而加速。

（5） 在周期性外部载荷的作用下,螺纹连接的部分区域受力可能超过了材料的的屈服极限,从而引发周期性的塑性变形,导致预紧力下降。且横向载荷幅值对周期性塑性变形损失的影响最为明显[3]。

在预紧力和变载、振动和冲击等工作载荷的作用下,由材料塑形变形和扩展导致的预紧力下降,以及接触面间的磨损、微动滑移导致的摩擦系数的显著降低,会使螺纹副和螺母支撑面处的摩擦阻力矩急剧降低甚至消失,破坏了螺纹连接的自锁条件,使得旋转松动发生的更容易。螺纹连接的旋转松动会导致预紧力的持续衰退,甚至使连接结构完全松脱。

3 螺纹连接松动的的影响因素

影响紧固件防松性能的因素有牙型、材料、预紧力、摩擦系数、外部载荷等。

3.1 初始预紧力

初始预紧力是影响螺纹防松性能的关键因素。增大预紧力可以增加螺纹副和支撑端面的摩擦力矩,有效提升防松性能。但过高的预紧力会加深振动工况下螺纹的塑性变形累积[4],甚至造成被连接件端面压溃,使螺栓因应力过大而伸长或断裂。所以要将初始预紧力控制在合理的范围内。螺纹连接结构的预紧力一般不得大于紧固件材料屈服极限的80%,对于钢制螺栓,推荐为0.5～0.7 倍的螺栓材料的屈服极限。

3.2 摩擦系数

摩擦系数也是影响螺纹防松性能的重要因素。摩擦系数越大,松脱连接所需克服的端面和螺纹副间的摩擦力矩越大,防松效果越好。横向振动试验表明表面处理为镀锌的紧固件由于其摩擦系数大,其防松效果要优于发黑和达克罗[5]。但在采用相同的紧固力矩的情况下,增大摩擦系数也会相应减小预紧力,可能造成初始预紧力不足,使螺纹连接结构过早发生松动。可通过表面处理方式的选择以及使用润滑膏将摩擦系数控制在适当范围内,平衡好连接强度和防松性能的关系。

3.3 外部载荷

针对在外部载荷作用下的螺纹连接旋转松动的研究表明[6]：横向振动可以导致严重的旋转松动行为以及大量的预紧力损失；纵向振动引起的预紧力衰退主要是非旋转松动行为,很难导致旋转松动；连续的、高强度的冲击载荷会诱发严重的旋转松动；当承受交变温度载荷时,连接件与被连接件材料的热膨胀系数差异越大,旋转松动越明显。且周期性外部载荷的振幅越大,预紧力衰退越严重,衰退的持续时间也越短。

另外,软材料制成的垫圈和涂层会导致更大的蠕变预紧力损失。牙型角越小时,螺纹连接防松性能越好。

4 防松方法

根据防松原理可将防松方法分为摩擦防松、预紧力锁紧防松、机械锁紧防松和永久止动防松四种。

摩擦防松是通过增大螺纹副及连接件与被连接件接触面间的摩擦力,提高摩擦阻力矩来达到防松的目的。采用方式有弹簧垫圈、齿形垫圈、棘轮螺母、双螺母、偏心螺母、楔形锁紧螺母和预置扭矩螺母等。

棘轮螺母、弹簧垫圈和齿形垫圈是通过增大支撑面摩擦系数,或通过表面嵌入直接增大支撑面摩擦力矩,使连接件与被连接件之间不容易产生相对滑动。

双螺母结构如图4 所示,分别使用全部紧固力矩的25%～50%和全部紧固力矩拧紧下螺母和上螺母,两个螺母对顶卡紧在一起,使旋合段内螺栓受拉而螺母受压形成轴向压紧。双螺母只有正确安装并达到锁紧状态,才能表现出良好的防松效果。

图4 双螺母

偏心螺母同样由两个螺母组成,上、下螺母呈凹凸配合结构,下螺母为偏心结构,拧紧上螺母后,下螺母和螺栓的单侧螺纹被挤压变形,从而实现防松,结构如图5。

图5 偏心螺母

楔形锁紧螺母在普通螺纹60°斜面的根部增加了一个30°的楔形斜面,如图6,内外螺纹的配合由面接触变为线接触,这种接触状态使其螺纹间的摩擦力更大和应力分布更加均匀,从而具有了优异的防松性能。研究结果表明楔形锁紧螺母的初始预紧力是其屈服极限的35%～55%时具有最佳的防松性能[7]。

图6 楔形锁紧螺母

预置扭矩螺母包括非金属嵌件锁紧螺母、弹簧锁紧螺母、端部非圆形收口螺母等。这类紧固件通过在螺母上端嵌入尼龙圈等非金属材料、在螺纹爪片外圈增设弹簧或预制非圆形收口等方法,增加螺纹摩擦力来实现防松作用。

预紧力锁紧防松是通过增加松动过程中的预紧力来同时提高端面和螺纹面的摩擦力矩,从而实现防松的方法。

常见的预紧力锁紧防松有碟形垫圈、波形垫圈、楔形垫圈和唐氏螺栓。

碟形垫圈和波形垫圈被压平后储存的应变能可以抵消螺纹连接的预紧力松弛,在工作载荷下使预紧力一直保持较高水平。

楔形垫圈为一对双面均为齿状的垫圈的组合,两片垫圈接触面为相互咬合的阶梯式大齿面,相互咬合的角度'α'大于螺纹的升角'β',如图7 所示。当连接松动时,预紧力上升使松动减弱直至停止。楔形角、垫圈外径和材料刚度越大,楔形垫圈的防松性能越好[8]。

图7 楔形垫圈

唐氏螺栓的螺纹型式为左、右两种不同旋向的外螺纹交替排列而成。安装时配合普通右旋螺母（紧固螺母）和左旋螺母（锁紧螺母）使用,如图8。紧固螺母在松动时会沿使锁紧螺母拧紧的方向转动,阻止松动进行。唐氏螺栓在横向振动载荷作用下可以有效降低预紧力损失[9]。

图8 唐氏螺栓

机械锁紧防松是利用止动元件直接限制内、外螺纹的相对转动。通常采用的措施有螺杆带孔和开槽螺母配开口销、头部带孔螺栓穿金属丝、止动垫圈等,一般与摩擦防松配合使用。

永久止动防松是采用冲点、铆接、焊接、粘接等方法使螺纹副失去运动特性,从而使螺纹连接成为不可拆或不易拆分的连接。

5 结论

本文阐明了紧固件连接自锁和松动机理,分析总结了影响松动的因素以及目前常用的防松方法。

（1） 普通螺纹连接在不承受松退力矩的情况下满足自锁条件。但由于螺纹升角的存在,使得松退螺纹连接比旋紧螺纹连接更加容易。

（2） 端部支撑面及螺纹副由于表面嵌入、微动磨损、蠕变及以应力松弛等引起的塑形变形及扩展导致螺纹连接的摩擦力和预紧力下降,是螺纹连接松动的开始。

（3） 影响螺纹连接松动的因素中,为了平衡好连接强度和防松性能的关系,要选取适当的预紧力和摩擦系数；周期性横向振动是导致连接松动的主要载荷形式。

（4） 防松方式按防松原理分为摩擦防松、预紧力锁紧防松、机械锁紧防松和永久止动防松。每种防松方式包含不同的防松结构,需根据使用部位的要求和特点选用合适的防松方式和结构。