低频振动下螺栓防松方式研究

王璐

摘要：螺栓连接在工作状态下可能会经受所有类别的变动载荷，包括极为激烈的振动和冲击载荷。在变动载荷的作用下，螺栓连接的失效通常是由其自身的松动和疲劳破坏所引起的。螺栓连接的失效会影响产品和设备的正常运转，甚至会造成严重的后果。如何防止螺栓连接的松动是研制和设计紧固件的重要任务之一。本文对螺栓防松的重要性进行了分析，并阐述了螺栓松动常见原因以及螺栓固件连接的防松措施。

关键词：螺栓;紧固件;防松;摩擦

引言

机械装配中的连接形式繁多，包括断面紧度配合连接、螺栓连接、销连接、焊接、胶结等。其中，螺栓连接结构应用最为广泛，且为机械设备中较为薄弱的部位。尤其是在振动环境下，螺栓连接抗振松的寿命比其材料和结构的疲劳寿命短得多，远在疲劳破坏之前，就已经出现了因松动而造成螺栓连接的松脱失效，或者出现了因松动而导致连接件和被连接件的过早疲劳破坏。会导致连接部位应力松弛和局部变形，进而导致连接松动和滑移，从而导致系统结构在不同的动载荷下出现一定的非线性特性。紧固件防松技术及防松效果的评价日益得到人们的重视，为此，通过试验和实践不断开发新的防松技术和防松紧固件产品是从事紧固件研究、生产和使用者的重要任务。

1.螺栓防松的重要性

螺栓是一种用于连接和传动的机械结构要素，因其具有连接力大，结构紧凑，装拆方便，连接可靠等优点，已经成为目前应用最广泛的连接方式。螺栓紧固件利用螺纹的特点，通过标准化，实现大批量专业化集中生产，不仅实现通用互换，而且在提高了产品质量的基础上大大降低了成本，使之得到更广泛的应用。在今天，几乎找不到不使用螺栓紧固件的机器。然而，由于螺栓紧固件品种规格繁多，大都为专业化集中生产，使用环境及要求相差甚远，所承受载荷复杂，影响因素多而变化无常，给设计使用带来很大困难。在一些关键部位的螺栓连接一旦出现失效，将会带来不可估量的损失。受螺纹结构原理的限制，松脱是紧固件的失效的一个主要形式，对此需要采取有效的防范措施。

2.螺栓松动原因分析

螺栓松动指的是螺栓在连接时部分或者全部失去沿轴线方向的预紧力，是螺栓失效的一个重要形式。虽然螺栓的螺纹可以达到自锁的条件，也有摩擦力的存在，但是松动现象还是会出现，造成松动的原因分析如下：

在静荷载条件的作用下，螺栓仅受到轴向荷载的作用，因为螺纹升角作用，拧松螺母与拧紧螺母所用的扭矩有所不同，通常松动的力矩是拧紧的80%大小，在无附加扭矩情形之下，连接将不会发生松动。变荷载、冲击和振动是造成松动的重要原因。许多紧固件被用在有冲击或者振动的环境下，由于零件存在惯性，并和其相的零件间有作用力，使得螺纹副与螺母的支承面摩擦力系数严重降低，有时甚至摩擦力瞬间消失，从而破坏了原有力的平衡，使得螺纹副无法达到自锁的条件，出现微量滑动的现象。位移在紧螺母的方向较松螺母的方向要更多地克服阻力，所以，滑动发生在紧螺母的方向可能性较小。这样经过反复重复滑动将会致使螺栓发生松动。螺栓与被连接的零件在较大应力的作用下发生变形，螺栓相互接触面（例如各支承面、螺纹牙侧面、被连接的零件接触面）因为表面的波纹度、粗糙度及形位的误差等因素，发生局部的塑性变形，且发生的塑性变形在构件使用过程中可能会继续发展，最终使连接预紧力不断下降，致使连接副的啮合面正压力降低，降低自锁性能，在外部环境的作用的情况下，使松动的速度加快。

3.常见的螺栓紧固件连接的防松措施

3.1增加螺栓紧固件之间的摩擦力

通过增大螺栓紧固件之间或者螺母接触点的摩擦力来防止螺栓紧固件出现松动，它不会受到空间的限制，可以循环地拆卸使用，是迄今使用最为广泛的一个措施。

3.2增加机械固定件

可以利用止动垫圈，开口销等机械固定件来固定和锁紧螺栓紧固件，在重要的连接位置广泛采用此种防松措施，可有效避免螺栓连接发生松动。但是此种方法的生产和安装工序较为繁琐，使螺栓固件重量增加。

3.3采用双螺母

用两个同一规格螺母来替代单螺母。此种双螺母的装配方式可首先用80%的扭矩来将双螺母的内螺母拧紧，之后在用100%的扭矩将外螺母拧紧，这种方式可有效增大两螺母与螺栓螺纹之间的贴合程度，可使螺栓紧固件间的摩擦力明显的提高，起到防松的效果。然而此种方法会使螺栓紧固件的重量增加，并且该方法对螺栓安装的空间也提出了更高的要求。

3.4采用弹性垫圈

弹性垫圈包括：弹簧垫圈、鞍形垫圈、波形垫圈及齿形垫圈等多种类型，弹性垫圈的使用原理是用垫圈自身弹簧带有的的外弹力或翘齿摩擦来避免螺栓连接发生松动，给予螺栓紧固件连接紧锁的作用。需要介紹的是带切口的弹簧垫圈防松，此种防松方法主要依靠弹簧经压平后所产生的回弹力以及切口的尖角嵌入到紧固件的支撑面，从而到达防松效果，具有代表性的弹垫包括GB/T859、GB/T93及GB/T7244 等，然而由于其弹簧产生弹力不够均匀，使用使可靠度不高，多用在不重要构件联接，对需经常进行拆卸和不允许划伤的情况不适合使用。

弹性垫圈连接较简单，使用成本较低，安装简便，因此该种防松方法被广泛采用。但需要注意弹性垫圈的材料易氢脆，其防松效果不够突出，在有强烈冲击或振动的部位不宜使用弹垫防松，重要的螺栓连接不能单独使用弹性垫圈防松。

3.5采用双叠锁紧垫圈

此种垫圈是由两片组成，外侧是带有放射状凸纹面，而内侧为斜齿面。其独特的嵌入式结构改变了传统垫圈主要通过摩擦力来达到防松的方式，而是采用国际最为先进的防松技术，利用两垫片之间的张力来达到防松和制紧的双重效果。双叠垫圈是一对有楔入制锁功能的垫圈，它采用了一种利用膨胀力取代摩擦力的独特制锁方法。利用凸齿之间抬升的方式来制锁，这远比利用螺栓螺距的摩擦力制锁方式要好得多。另外，在垫圈的对立面上有辐射状的齿牙。这种垫圈是以凸齿面对凸齿面的方式成对安装的。当螺栓和螺母被拧紧时，齿牙卡紧了啮合面。垫圈被固定后仅仅允许在交叉于凸齿面方向错动，所产生的膨胀力使得螺栓或螺母自锁，因而不可能错动;相互配合的凸齿产生楔入作用，从而增加了螺栓的拉力，这样就不允许连接件旋转松动。在应对各类振动作业或者动态负载的连接点上锁紧垫圈彻底地制锁了紧固零件。此种防松垫圈安装简单，只需将两片垫圈内侧斜齿面相对，置于螺母和连接材料之间即可。螺母被拧紧后，防松垫圈外侧放射状凸纹面与两端接触面成咬合状态，且垫圈内侧斜齿面坡斜角度大于螺栓的螺纹角度。

3.6采用自锁螺母

自锁螺母按功能分类的类型有嵌尼龙圈的、带颈收口的、加金属防松装置的。它们都属于有效力矩型防松螺母，被广泛使用在各种重要连接部位。

3.7采用双变牙型防松螺母

双变牙型防松螺母具有防松系数高，抗震防松性能好，防松性能可靠，可重复使用，不受温度变化及环境酸碱度影响的特点，应用环境范围广泛。尺寸规格同国标螺母，与标准外螺纹匹配无需任何辅助锁紧元件，如弹簧垫圈止动垫片等，安装没有方向性，安装拆卸所用工具同国标螺母，适合所有国标螺母及特殊的外形要求。变牙型、双变牙型属于结构防松，只改变了螺纹牙型，适合于普通外螺纹，螺母所用材质同普通国标螺母一样。

3.8破坏运动副关系

通过使用冲头使螺栓和螺母的螺纹局部变形，偏离原牙型轮廓，使其局部不能与正常螺纹向啮合，破坏原运动副的运动关系，形成不可重复使用的连接，如欲拆卸，须使用较大的扭矩将螺母拧出或将其破坏，这种方法目前已很少使用。

3.9粘结

粘结是将螺栓和螺母与被连接件粘结在一起，达到防松的目的。用于大批量生产的粘结螺栓，一般是在紧固件制造厂将厌氧胶涂在零件上并经干燥处理，形成微胶囊，这种微胶囊表面干燥，没有粘感，装配时，微胶囊受挤压破裂，胶液溢出，将螺栓和螺母粘結牢固。拆卸时只要施加足够的力矩即可，一般情况下，在一定的期限内，可以重复使用有限次数。

4.结语

为了合理有效的增加螺栓连接的紧固效果，防止螺栓连接在使用过程中脱落，除了以上所阐述的几种方法以外，使用者需要紧密结合螺栓使用的具体情景，科学分析各类螺栓连接的防松措施的优缺点，正确合理地选择螺栓连接的防松方式。另外，需要在实践的过程中不断的积累螺栓连接的防松经验，对于各类由于螺栓连接的松动所造成的生产事故要追根究底，发现螺栓松动的根本原因，从源头解决螺栓的松动问题。

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