螺纹连接防松技术研究及试验验证*

2021-03-24黄志强郑旺辉金景峰

现代防御技术 2021年1期

黄志强，郑旺辉，金景峰

(1.北京机械设备研究所，北京 100854；2.陆军装备部装备项目管理中心，北京 100072)

0 引言

机械制造中所称的连接主要指静连接，机器中主要的连接方式可分为可拆连接和不可拆连接，可拆连接主要有螺纹连接、轴毂连接等，不可拆连接主要有焊接、胶接和铆接。这些连接方式各有其适用条件和范围，其中轴毂连接形式主要应用在轴类传动场景；胶粘连接中使用的胶粘剂对温度变化比较敏感，其耐老化、耐介质性能较差，并且对粘合面的要求较高；铆接结构一般在大型薄板类结构中使用广泛，如飞机机翼，舱体、集装箱表面设备固定等场景，铆接需要对被连接件打出钉孔从而会削弱强度，铆接的连接强度较低，无法在载荷较大的场合使用。

航天军用地面装备领域以螺纹连接和焊接为主要连接方式，其中焊接具有为强度高、容易保证密封性、工艺简单、操作简单、质量轻的优点，在无需拆装和大承载结构体中使用极为广泛，其缺点是容易产生焊接变形，且由于焊枪体积较大，无法在小空间环境使用等。

螺纹连接以其结构简单、拆装方便、形式多样、连接可靠、互换性好等优点，在机械及各种工程结构中应用十分广泛[1]。国内螺纹紧固件已标准化、系列化，且已实现大批量专业化生产，成本低廉。螺纹紧固件可直接在国家标准系列内选用，设计简单，通用性强，互换性好。螺纹连接的缺点是容易发生松动，特别是在持续振动作用下，螺纹连接的主要失效形式之一[2]是松动失效。

本文通过对多种螺纹连接技术研究及试验验证，对提高螺纹连接的防松可靠性具有指导意义。

1 螺纹连接松动原因及防松方法

1.1 螺纹连接松动原因

螺纹连接一般都具有自锁性[3]，在静载荷作用下螺纹连接安全可靠。由于螺纹螺旋升角小于螺旋副的当量摩擦角，在非交变载荷(包括横向、轴向载荷)或温度变化不大的条件下，螺纹连接从结构受力上可自锁。此外，拧紧后螺母和螺栓头部等支撑面上的摩擦力也可阻止螺纹松动，所以螺纹连接在非交变载荷条件下不会自动松脱[1]。

引起螺纹连接件松动的原因很多，主要为如下3个方面：①受横向载荷作用[3]；②螺纹连接件的初始变形；③轴向载荷的作用。在航天军用车辆领域中，由于军用车辆在使用中经常需要在高速公路、急造土路或越野路面上行驶，在车辆行驶过程中，车辆上的螺纹连接需承受较大的交变载荷，从而容易发生松动。

1.2 螺纹连接防松方法

为防止螺纹连接松动，常用的防松措施[4-5]有：

(1) 增加附件防松

通过特别设计额外附件阻止螺栓或螺母转动，如开口销与开槽螺母、止动垫圈(如落帝劳垫圈，将平垫圈分成上下两层，通过上层垫圈相对下层垫圈的运动规律防松)、串联钢丝、串联锁片等。

(2) 摩擦防松

摩擦防松有多种形式：①增加螺纹连接的接触面，从而增大摩擦力矩，如双螺母、弹簧垫圈(弹簧垫圈防松效果颇有争议[6-10])、六角法兰面螺栓、六角法兰面螺母、带嵌件六角锁紧螺母等；②增加螺纹拧紧力矩，从而增大摩擦力矩，如工程上常采用力矩扳手定额施加螺纹拧紧力矩；③增大螺纹摩擦系数，如采用细牙螺纹降低螺旋升角[11]、充填软性材料防松[12]、涂抹螺纹胶等；④通过在纵向或横向压紧螺纹副，从而增大连接附加力，如偏心螺母(日本的哈德罗克螺母)等；⑤通过热胀冷缩原理，增加连接附加力，如将螺纹连接设计成过盈配合，在高温环境(如超过200 ℃)环境下完成螺纹连接，螺纹连接局部(如螺母或螺纹孔)在常温条件下将发生收缩，从而增加螺纹连接摩擦力等附加力。

1.8 统计学处理采用SPSS 19.0统计软件进行资料处理。正态分布的资料采用算术均数和标准差描述其分布特征，组间比较采用独立样本t检验；非正态分布的资料采用中位数和四分位间距进行描述，组间比较采用非参数检验（Mann-Whitney U检验）。计数资料采用百分数表示，组间比较采用常规或校正卡方检验。此外采用logistics回归分析患者术后1年生存的影响因素。检验水准a＝0.05。

(3) 改变齿形防松

通过改变螺牙形状改变螺纹连接内在的受力机制，使其具有更好的防松性能，如施必牢螺纹、唐氏螺纹等。

(4) 破坏螺旋副运动关系防松

通过破坏螺纹副使得螺纹连接不可拆卸，如铆冲防松、焊接防松(在螺纹连接局部点焊使螺纹连接固连)、胀塞式过盈螺栓连接等。

(5) 定期复紧防松

定期复紧是防止螺纹松动的简单有效的管理措施，如对定期对螺纹连接紧固情况进行检查，对有松动的螺纹连接重新紧固，对有拧紧力矩要求的螺纹连接重新施加拧紧力矩。

同时，上述防松措施均具有一定的局限性，如定期检查的方式将大幅增加人员工作量，且很多螺纹连接位置不具有可达性，无法进行检查；点焊防松的适应范围小，多数设备需要重复拆装故无法满焊，而焊机区域太小无法有效防止螺纹松动；涂抹防松胶、配置弹簧垫圈和施加较大拧紧力矩是航天地面装备领域常用的防松措施，但只能在一定程度上防止螺纹连接松动。

2 几种新型螺纹连接方式

2.1 施必牢螺母

美国底特螺纹工具公司，于20世纪70年代通过改变螺纹齿形重新设计了一种新型螺母，即为DTFLOCK，中文译为施必牢螺母。施必牢螺母的防松原理在于它的独特齿形结构，通过在梯形螺母上设计一个30°的楔形斜面(图1,2所示)，施必牢螺母在拧紧时，螺栓的牙尖紧紧地顶在自锁螺纹的楔形面上，产生较大变形，从而产生很大的变形锁紧力，同时改善螺纹连接在不同螺圈的受力分布。

图1 普通梯形螺纹受力情况Fig.1 Wedge slope on general trapezium thread

图2 施必牢螺纹受力情况Fig.2 Wedge slope on DTFLOCK thread

如图3,4所示，施必牢螺母的螺纹相比普通螺纹受力分布更加均匀。施必牢螺母的优点主要有：①在保证防松性能时还可重复使用；②其尺寸规格不受限制，能与国家标准螺栓匹配连接[12]；③其螺纹是旋转型，直到拧紧时才施加力矩，装卸与普通螺栓同样方便；④其受温度剧烈变化的影响较小，从而应用范围更广。

图3 普通梯形螺纹受力情况Fig.3 Force suffer of general trapezium thread

图4 施必牢螺纹受力情况Fig.4 Force suffer of DTFLOCK thread

2.2 落帝牢垫圈

落帝牢(NORD-LOCK)垫圈由瑞典AB公司设计。该垫圈结构上具有楔入自锁功能，它采用以增加附件防松代替摩擦防松以达到自锁功能的新方法[12]。落帝牢垫圈外形及结构如图5,6所示。落帝牢垫圈由2片垫圈组成一套，必须成对使用。当落帝牢垫圈在螺纹连接上拧紧后，在振动发生时，其中一个垫圈会随着螺栓或螺母错动抬升。当一个松动过程螺纹松动转动角度达到β时，落帝牢垫圈的一个垫圈也将同步松动β角，而另一个垫圈由于受到摩擦力的作用不会相对连接面发生滑动，由于2个垫圈的相对旋转角α角大于β角，2个垫圈将发生相对滑动，同时将在预紧力作用下重新完成紧密配合动作，使得垫圈膨胀而锁止紧固件[13]，从而实现防止螺纹松动的效果。

图5 落帝牢垫圈外形Fig.5 Outline of NORD LOCK washer

图6 落帝牢垫圈结构原理图Fig.6 Structure theory of NORD LOCK washer

2.3 哈德洛克螺母

哈德洛克(HARDLOCK)螺母属于偏心螺母的一种类型，其采用双螺母形式(见图7所示)，其外螺母为普通螺母结构，其内侧设有同心的凹槽，而内螺母外侧设有偏心的突起；外螺母拧紧时内螺母的外侧凸起与螺栓不同心，保留一个A值的偏差，该偏心的存在促使螺栓在外螺纹拧紧时产生径向力，增加松动的难度，从而实现螺纹防松。

图7 哈德洛克螺母结构原理图Fig.7 Structure theory of HARDLOCK washer

2.4 唐氏螺纹

普通螺纹是连续、单旋向、等截面的螺纹。唐氏螺纹采用双旋向、非连续、变截面的形式[7]。唐氏螺纹的同一螺纹段同时设有左右2种不同旋向的螺纹[13]，如图8所示。唐氏螺纹可同时与左旋、右旋螺纹配合。具体使用时，需要配有唐氏螺纹的螺栓和螺母。其中，采用唐氏螺纹的螺母为左、右2种不同旋向。非支承面上的螺母称为锁紧螺母，被连接件支承面上的螺母称为紧固螺母。其中，锁紧螺母与紧固螺母的螺纹旋向相反。使用时先将紧固螺母拧紧，再将锁紧螺母拧紧，如图9[14]所示。在受到振动与冲击时，紧固螺母需要右旋松动，锁紧螺母需要左旋松动，两者的松退方向相反，从而紧固螺母无法带动锁紧螺母松动，从而拧紧后的锁紧螺母阻止了紧固螺母的松退[13]。

图8 普通螺纹与唐氏螺纹Fig.8 General thread and TANGS thread

图9 唐氏螺母防松原理Fig.9 Anti-lossening theory of TANGS thread

3 螺纹连接防松效果试验验证

对螺纹连接，动态横向载荷比轴向载荷更能引起其松动，美国工程师Junker在1969 年第一个发表了这一观点，并发明了Junker松动试验机，在他之后的针对螺纹连接松动的研究也基本转向了侧向载荷引起的螺纹连接松动[4]。Junker提出的横向振动试验方法在国内已广泛应用于众多行业中防松紧固件的防松性能试验。《紧固件横向振动试验方法》(GB/T10431-2008)所采用的试验机器即由Junker试验机改进而来[4]。由此，本试验研究采用横向振动试验来验证螺纹连接防松性能。

3.1 试验原理

将被试紧固件拧紧在试验装置上，使之产生一定的夹紧力。借助于试验机在被夹紧两金属板之间的交变横向位移，使连接松动，导致夹紧力减小甚至丧失。连续记录夹紧力的瞬间值，根据数据记录的分析对比可判断紧固件的防松性能。在试验过程中，夹紧力减小越慢，防松性能越好；反之，夹紧力减小得越快，防松性能越差[15]。

图10,11所示为振动试验机的结构图及实物。

图10 振动试验机结构图Fig.10 Structure of vibration testing machine

3.2 试验对象

由于在航天装备地面车辆领域内，螺纹松动多发生在直径大于8 mm的螺纹连接场合，与工程实际保持一致，螺纹直径规格选取M8,M12和M16，螺纹连接强度等级均为8.8级。

为对比多种新型螺纹连接形式与传统螺纹连接的防松性能，本试验选取多种螺纹连接形式(由于唐氏螺纹较为小众，本试验未考虑)，进行横向振动试验。

3.3 试验项目

为对比施必牢螺母、落帝牢垫圈、哈德洛克螺母与传统螺纹连接形式之间不同防松性能，分别选取选取相同规格和强度等级螺栓或螺母，形成7种螺纹连接组合进行横向振动试验。表1为横向振动试验组合、形式及相关要求。

试验参数输入方面，根据GB/T10431-2008《紧固件横向振动实验方法》要求，横向振动试验试验频率为12.5 Hz，每次试验振动周期为5 000个，振动幅度根据GB/T10431-2008推荐列表选取，预夹紧力距根据工程实际使用数据计算得到。其中，预夹紧力距为每个试验开始输入并施加在螺纹连接上的力矩，预夹紧力为预加紧力矩对应的作用力。

每个直径规格的组合，保持试验频率、振动周期、振动幅度以及预夹紧力、预夹紧力距一致。每个组合试验分别进行3次，将3次试验中预紧力随振动周期变化的数据进行求和再取均值，最后得到每个组合的预紧力随振动周期变化的曲线。