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，防止螺栓松動(dòng)在零件聯(lián)接中有重要的作用。

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。

螺栓的擰緊過程指的是螺母相對(duì)螺栓在斜面上移動(dòng)，通過施加較小的力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。

3 導(dǎo)柱防松的主要因素

3.1 預(yù)緊力的影響

圖1 螺栓緊固原理

螺栓栓松動(dòng)的因素有很多。經(jīng)過實(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)緊力過大的情況下其中一個(gè)組合的疲勞失效過程如圖2所示，在測(cè)試過程中隨著循環(huán)加載次數(shù)的不斷增加，最終導(dǎo)致螺栓失效。

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。

螺栓的擰緊過程是一個(gè)克服摩擦的過程，在這一過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。

圖3 預(yù)緊力矩分配圖

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：

式中：β為螺紋升角，α為牙型半角或側(cè)角，μs為螺紋摩擦系數(shù)，μω為支承面摩擦系數(shù)，Ts為緊固扭矩，Tω為支承面摩擦扭矩。

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)。

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。

圖5 雙螺母緊固

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^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，如圖6所示。

圖6 鐵基SMA螺母防松示意圖

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°，如圖7所示，而不是像普通螺紋那樣的30°，如圖8所示。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。

圖7 施必牢防松螺紋結(jié)構(gòu)受力圖

圖8 普通螺紋結(jié)構(gòu)受力圖

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)畹穆菽福诩庸r(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，如圖9所示。

圖9 Hrad lock防松原理

4.6 一種新型防松螺母

該新型防松螺母，是通過主螺母內(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，如圖10所示。

圖10 新型防松螺母

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。

編輯：黃飛