机械设计中螺纹防松方法的探讨

钱申卿 吉亮

摘 要：在机械设备连接和传动过程中，螺纹起着非常重要的作用，其具有连接可靠、结构紧凑以及安装和拆卸方便等多种优势。通过对螺纹紧固件的大批量生产可以在确保生产质量的基础之上有效降低生产成本，所以其目前被作为一种主要的连接方式被广泛应用到工程和机械领域当中。

关键词：机械设计；螺纹；松动原因；防松方法

1 螺纹紧固件防松动原理分析

1.1 螺纹联接的预紧

在目前的产品制造过程中，螺纹紧固件联接在装配时都必须施加扭矩，使联接在受到工作条件载荷之前，提前受到力的作用。这个预施加的作用力即称为扭力。施加预紧扭力的作用是增强联接的稳定和可靠性及紧密性，以避免承受工作载荷后与被联接件间出现位移或产生缝隙。试验验证结果表明：合理地选用较大的扭力对螺纹联接稳定性和联接部件的使用寿命及疲劳强度都有好的作用，特别对于稳定性要求较高的螺纹联接，预紧扭力显得尤为重要。但另一方面，加大的扭力会造成整个部件联接的尺寸变大，使得联接部件在组装或过载时被拉裂，甚至断开。因此，为确保部件联接所需求的扭力，且螺纹联接部件件不会发生过载，对关键的螺纹联接部件，在组装时要控制扭力。

1.2 螺纹的松动

在使用和装配过程中，紧固件支承面同时也承受与螺纹相同的轴向力，在拧紧或松退时，该支承面产生与运动方向相反的力矩。目前，工业生产中所发生的松动是指部件螺栓联接丧失全部或部分轴向扭力，这是螺纹紧固件松动的主要原因。但是一般来说螺纹紧固件具有防松动作用，那为什么还会发生失效松动呢？

螺纹联接遭受横向振动时，起初只损失少量的预紧力，随着振动次数的增加，损失的预紧力缓慢地增多。当损失了相当的预紧力后，摩擦力降至某一临界值，松退力矩超过了螺旋副中的摩擦力矩，螺母开始松退，预紧力急剧下降，随着振动次数增加，螺纹紧固件产生松动的速度越快。对于普通螺栓联接，所用的螺纹升角通常小于当量摩擦角，所以联接螺纹都能符合自锁要求。其次，施加预紧后的螺母与支撑面间产生的摩擦力也有防松动的效果，因此在载荷、工作温度变化不明显时，螺栓紧固件不会发生松动。但是随着工作环境的改变，螺栓联接部件会受到振动、外部变化载荷、高温条件等外部环境因素的影响，会导致紧固件螺纹联接接触面的摩擦力变小或消失，当多次发生这种现象后，就使联接发生松动，最后导致联接失效。

2 螺纹紧固件连接发生松动的主要原因分析

2.1 螺纹连接的自松动

螺纹连接自松动是众多原因当中最为常见的一种，结合螺纹紧固件物力特性和实际受力情况，如果一个物体处于斜面上，该物体会受到平行于斜面的摩擦力、向下的重力还有垂直于斜面的支撑力，如果摩擦力比水平分力小的话，物体势必会向下滑动。同样的原理，螺纹是在螺栓当中的螺旋斜线是相同距离，那么螺栓所受到的压力就可以分解为轴向分力和水平分力，在螺栓受到振动的时候，平行分力就会比摩擦力更大，所以螺栓就会沿着螺纹旋斜线方向转动，长时间使用之后难免会发生一定的连接松动现象。

2.2 螺纹连接的初始松动

在螺纹紧固件安装好之后，随着使用时间的不断推移，螺纹型面、支撑面还有和连接零件之间的接触面粗糙程度都会逐渐减小，变得越来越光滑，在冲击和振动环境当中体现地尤为明显。在此情况下螺纹紧固件的连接状态就会发生一些微妙的改变，随着预紧力的不断减小甚至是消失而逐渐松动。但是这种松动无需立即采取相应的防松动解决对策，只需要在定期检查维护保养过程中及时发现并对其进行重新紧固，使其预紧力恢复到正常状态。

3 螺纹防松方法

虽然说螺纹紧固件在实际连接的时候通常情况下都具有一定的自锁功能，但是还需要和实际工作状态、作业环境以及所受载荷等多方面因素进行充分结合，在螺纹防松过程中最为主要的一点就是防止和螺栓副之间发生相对运动。

3.1 摩擦力防松

摩擦力防松方法主要是通过压紧纵向和横向的螺纹副而产生一定的摩擦力，从而起到有效的防松效果，具体包括如下几种措施：

一，弹簧垫圈，可以利用其所产生的反弹力有效提升螺纹之间的压紧力，同时还可以在一定程度上增加螺栓和螺母间的摩擦力，以起到防松作用。但是由于弹簧垫片的反弹力不均匀，所以只能应用在较为普通的紧固件连接当中。二，双螺母锁紧。在拧紧之后两个螺母之间会产生一定的轴向力，增大螺栓牙和螺母牙之间的摩擦力，从而有效防止螺母发生松脱现象，这种方式主要适用于载荷比较平稳或者低速重载的情况。三，双叠自锁垫圈。这种装置主要包括两片垫圈，里面是斜齿面，外面是凸纹面，在对其进行安装的时候，你面的齿面处于相对状态，外面的凸纹面可以和两侧的接触面之间紧密咬合，在连接件处于振动环境下的时候，螺栓如果有松动趋势，这两片垫圈里面的斜齒面就会产生一定的相对错动而产生抬升张力，这样也可以起到很好的锁紧作用。这种防松动方式主要适用于强振动作业环境。四，锁紧螺母。这种防松动装置主要是通过螺栓和螺母间所产生的摩擦力实现自锁，在机械制造行业比较常见，如果将其应用到动载荷环境中其可靠性还存在一定的欠缺。五，紧钉螺钉。这种方式是通过在螺杆上开孔利用螺钉提升螺杆的横向摩擦力以起到有效的防松动效果，其比较适用于那些空间比较密闭或者狭小的范围当中。

3.2 机械防松

机械防松其实就是通过止动零件对螺纹相对转动的阻止来起到防松动的效果，我国目前常见的主要包括开槽螺母加开口销防松、圆螺母加止动垫圈防松还有止动垫圈防松三大类。圆螺母加止动垫圈防松则是利用在轴槽内部放置止动垫圈，然后将圆螺母拧紧，并将垫圈的外舌向槽内折弯以此达到防松效果。

3.3 破坏性防松

这种防松动方式其实就是将螺纹紧固件之间形成一个不可拆卸的整体装置，在此过程中需要进行一下操作：首先是黏着剂，我们也可以叫其为耐落胶，在螺栓螺丝防松动过程中比较常见，可以将这种胶体涂抹在螺纹的表面，当拧入螺母的时候就可以和外界空气进行有效隔绝，从而起到很好的防螺丝脱落效果。在气缸接头、导轨固定以及往复杆等一些关键性部位的螺栓连接过程中比较常见；其次是铆接和点焊。这种方法虽然具有较好的紧固效果，但是往往都是一次性的，拆卸之后就无法再次使用。

3.4 合理控制预紧力

合理控制预紧力也是有效防止螺纹紧固件发生松动的一种主要方式，在该方法应用过程中，无需对螺母和螺栓结构做出任何改动，只需要合理利用螺纹自锁功能对预紧力进行有效的控制以起到很好的防松动作用。如果要求比较高可以在安装的时候对预紧力实际大小进行准确测量，我国现如今比较常见的有测量螺栓应力和液压安装机。这种方式在实际应用过程中需要用到较为专业的设备和技术，所以不可能实现大范围的推广和应用。在实际生产生活中人们大多数情况会选择更为经济实惠的预紧力控制方式，即间接控制方式，也可以叫作扭矩控制法。其作用原理就是将预紧力很好地转换成装配扭矩，然后利用测量扭矩装配机对扭矩进行有效控制，进一步达到控制预紧力的目的。在此过程中需要专业人员对扭矩系数提前进行准确测量。

结束语

总而言之，在机械设计过程中，螺纹防松动问题需要引起我们足够的重视，找到紧固件产生松动的原因，结合具体情况选择最为科学合理的防松动方式，才能更好地确保机械设备运行过程的安全性和可靠性，有效推动机械制造行业的稳健发展。

参考文献：

[1] 李文鹏.顶紧螺栓的防松螺母安装位置探讨[J].中国特种设备安全，2016，32（08）：59-61.

（作者单位：上海振华重工（股份）有限公司长兴分公司）