霍永久

（東莞市貫虹五金科技有限公司，廣東 東莞 523532）

螺紋連接廣泛應(yīng)用于各類機械結(jié)構(gòu)中，它由于連接可靠、結(jié)構(gòu)簡單以及裝拆便捷等優(yōu)點，是最常用的緊固方式之一。緊固件其品質(zhì)對機械裝備主機水平和品質(zhì)具有重要影響[1]。螺紋緊固件通過內(nèi)外螺紋的旋合夾緊，可實現(xiàn)零部件的快速連接，且可以拆卸、螺紋緊固件還具有良好的互換性及低廉的成本。然而，它們也是出現(xiàn)機械和其他失效問題的一個重要來源。造成這些問題的部分原因是，它們在使用中出現(xiàn)自松問題。

有許多機制可能導(dǎo)致螺紋緊固件松動，這些機制可分為：旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)松動。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，螺紋緊固件都是要進(jìn)行擰緊的，以便在連接副接頭中施加預(yù)緊力。松動可以定義為擰緊完成后的預(yù)緊力損失，它可以通過兩種方法中的任何一種方法發(fā)生。旋轉(zhuǎn)松動，通常稱為自松，是指緊固件在外部載荷作用下發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。非旋轉(zhuǎn)松動是指內(nèi)螺紋和外螺紋之間沒有相對轉(zhuǎn)動，但會發(fā)生預(yù)加載損失。實際工況條件表明，一般螺紋可滿足自鎖條件，在靜載下螺紋不會松脫；而實際使用中的交變載荷、振動和沖擊是造成螺紋連接副松動的主要原因之一[2]。

由于國內(nèi)機械裝備的品質(zhì)提升及汽車、高鐵、航空、電力、建筑等產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展，對緊固件的防松性能日益苛刻。近年來涌現(xiàn)出各類新型防松緊固件，但對于使用者怎樣選擇合適的防松緊固件，面臨的是一個新的課題。如今緊固件作為機械基礎(chǔ)件，其趨勢是從結(jié)構(gòu)緊固件向功能緊固件方向發(fā)展[3]。螺紋連接副的主要功能是保證被連接結(jié)構(gòu)之間可靠地傳遞力或運動；螺紋連接松動是最主要的失效形式，而失效標(biāo)志是螺栓張緊力的降低，螺紋連接失效輕則產(chǎn)生異響，重則導(dǎo)致重大安全事故。為此，探討研究螺紋連接的松動及防松機理均具有重要的工程應(yīng)用價值及理論價值意義。

1 螺紋緊固件常規(guī)防松方法

螺紋連接副防松實質(zhì)在于防止工作時螺栓與螺母的相對轉(zhuǎn)動，常規(guī)的防松方法和防松措施卻有很多種。對機械連接的螺紋緊固件由于安裝部位的工況不同，對螺紋連接副的防松性能也不一致，考慮可靠性、經(jīng)濟性、可維護(hù)性等因素，在實際的機械連接的螺紋緊固件中，采用多種不同的緊固件防松措施。幾十年來，工程師們采取各種措施來防止螺紋緊固件的松動問題。例如，止退墊片、彈簧墊圈、開口銷、涂膠、雙螺母、尼龍螺母、全金屬有效力矩螺母等。但是，這些措施還是不能徹底解決松動問題。下面我們就從防松原理，緊固性能與裝配方便性以及防腐性能，制造可靠性諸多方面對防松緊固件進(jìn)行探討比較。

目前常用的防松形式[4]有以下四類：

一是摩擦防松。如采用彈性墊圈、雙螺母、自鎖螺母和尼龍嵌件鎖緊螺母等防松方式，以產(chǎn)生一個可以阻止連接副相對轉(zhuǎn)動的摩擦力。不隨外力變化的此正壓力可通過軸向或同時兩向壓緊連接副來實現(xiàn)防松。

二是機械防松。使用止動件開口銷、串連鋼絲和止動墊圈等防松方式，直接限制連接副的相對轉(zhuǎn)動，由于止動件沒有預(yù)緊力，當(dāng)螺母松退到止動位置時防松止動才能起作用，這實際上不防松而是防止脫落的方式。

三是鉚沖防松。當(dāng)連接副擰緊后采用焊接、沖點和粘接等方法，使螺紋失去運動特性而成為不可拆連接。此方式的缺點明顯的是栓桿只能使用一次，拆卸也非常困難，必須破壞連接副方可拆卸，不可重復(fù)使用。

四是結(jié)構(gòu)防松。它是利用螺紋連接副的自身結(jié)構(gòu)，防松可靠，可重復(fù)使用，拆裝方便[5]。

前三種防松技術(shù)主要依靠第三者力進(jìn)行防松，主要是利用摩擦力，而第四種是新型防松技術(shù)，只單單依靠自身結(jié)構(gòu)。

2 螺紋連接松動與防松探討

由于螺紋連接抗振防松的壽命比其材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命短得多，而在疲勞破壞之前，就已經(jīng)出現(xiàn)了因松動而造成螺紋連接的松脫失效，或因松動而導(dǎo)致螺紋連接副的早期疲勞破壞。

螺紋連接在工作狀態(tài)下可能會經(jīng)受所有類別的變動載荷，包括極為激烈的振動和沖擊載荷。在變動載荷的作用下，螺紋連接的失效通常是由其自身的松動和疲勞破壞所引起的。研究表明，傳統(tǒng)螺紋在鎖緊時，往往80% 以上的載荷作用是在鎖緊面的前兩牙或三牙，如圖1 所示。

圖1 螺紋連接在工作狀態(tài)

螺紋緊固件的松脫問題，主要是由螺紋結(jié)構(gòu)造成的。螺紋緊固件在咬合時存在橫向間隙，當(dāng)有振動時，螺紋的基本要素“螺紋升角”就變成了“螺紋松角”。因此，重新設(shè)計螺紋的幾何形狀，才能從根本上解決了緊固件的松脫問題，如圖2 所示。

市場上的傳統(tǒng)楔形螺紋，是通過內(nèi)牙尖角處與軸線成30°角以提高螺紋自鎖能力。其優(yōu)點是從根本上解決了螺紋配合時的橫向間隙，提高了防松性能。其缺點則是荷載不平衡。根據(jù)受力角度分析，螺紋在受力時側(cè)向力大，特別是受力初始階段，如下圖3 所示。單一牙紋的局部應(yīng)力很大，造成緊固件承載力不均衡，因此無法達(dá)到緊固件最優(yōu)鎖緊效果。

圖2 螺紋緊固松動公式參數(shù)

圖3 螺紋展示圖

在提升螺紋自鎖能力的同時，如何提高緊固件連接副的壽命？鎖緊力分配得越均勻，緊固件壽命越好。為此，我們設(shè)想把鎖緊力轉(zhuǎn)化為對外螺紋的下壓力，這樣可以減小螺紋拉力。下壓力通過螺紋傳導(dǎo)到外螺紋緊固件的桿徑，使緊固件受力更均勻。

3 R型螺紋的設(shè)計原理

現(xiàn)有的防松方法或者工藝復(fù)雜，或者使用不便，或者成本高昂。如何找到一種安全可靠、方便高效、成本經(jīng)濟的解決方案。為此，筆者針對一種R 型螺紋新型專利產(chǎn)品的設(shè)計原理進(jìn)行深入研究，并把R 型螺紋特質(zhì)與常規(guī)防松方法進(jìn)行分析對比。

R 型螺紋的設(shè)計是結(jié)構(gòu)防松的一種形式。R 型螺紋是楔形螺紋的優(yōu)化設(shè)計，傳統(tǒng)楔形螺紋鎖緊配合時角度不可變，R 型螺紋鎖緊配合時隨著配合面的受力變化實現(xiàn)多角度配合，是可變楔形。當(dāng)螺紋緊固件與R 型螺紋緊固件相互擰緊時，螺紋緊固件的牙尖就緊緊地頂在R 型面上，并傳導(dǎo)到螺紋以下緊固件“身部”，從而產(chǎn)生很大的鎖緊力。

通過橫向振動試驗表明，R 型的設(shè)計使緊固件連接時的應(yīng)力分配更合理，每一牙紋受力更穩(wěn)定，如下圖4 所示。

圖4 R 型螺紋設(shè)計展示圖

R 型螺紋在螺紋的牙底處設(shè)計一個R 型面，當(dāng)外螺紋緊固件與R 型螺紋緊固件相互預(yù)緊時，外螺紋緊固件的牙尖輕微內(nèi)收頂在R 型面上，這樣可以有效的保護(hù)外螺紋的牙尖，如下圖6.7所示。

圖5 螺紋受力分析圖

圖6 螺紋受力分析

圖7 R 型螺紋受力圖

4 R型螺紋的特質(zhì)

R 型螺紋的鎖緊過程是結(jié)構(gòu)防松形式，它是通過一個力的轉(zhuǎn)移過程，當(dāng)在受力的初始階段，螺栓的螺紋配合部分會輕微內(nèi)收，將力沿著螺紋的牙尖向兩側(cè)傳導(dǎo)，形成相對穩(wěn)定的下壓力（這對于鎖緊后的均勻負(fù)載至關(guān)重要）；隨著鎖緊力的增加，下壓力逐漸深入到螺栓螺紋以下的部分，這樣的應(yīng)力能更好地保護(hù)螺紋，所以R 型螺紋是真正可以多次鎖進(jìn)鎖出仍具備防松性能的螺紋。而普通螺紋和傳統(tǒng)楔形螺紋都存在較大的側(cè)向力，側(cè)向力越大，螺紋耗損越嚴(yán)重。

R 型螺紋特質(zhì)與常規(guī)防松方法對比見表1。

表1 R 型螺紋與常規(guī)防松方法對比

目前國內(nèi)外普遍采用兩種標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法來評定緊固件的防松性能，有加速振動試驗方法和緊固件橫向振動試驗方法，即 GJB715.3A-2002《緊固件試驗方法振動》、GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》。防松試驗中 GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》，其中 GB/T10431《緊固件橫向振動試驗》應(yīng)用較為普遍。R 型螺紋防松試驗符合DIN65151 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T10431-2008 標(biāo)準(zhǔn)；防松試驗結(jié)果滿足ISO16130-2015 標(biāo)準(zhǔn)要求；R 型螺紋緊固件產(chǎn)品性能滿足DIN25201-1-2004 標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)險等級H 級防控要求；螺紋摩擦系數(shù)滿足DIN25201-2-2004 標(biāo)準(zhǔn)要求。

在對R 型螺紋及影響螺紋連接防松性能的因素進(jìn)行了橫向振動試驗結(jié)果表明：不同的防松方式防松性能優(yōu)劣不同，而R型螺紋有效力矩型鎖緊螺母附加了阻止螺紋轉(zhuǎn)動的摩擦力矩，具有良好的防松性能，屬一種可變楔形螺紋。

5 結(jié)束語

綜上所述，R 型螺紋設(shè)計是通過螺紋的結(jié)構(gòu)起到防松功能的。與常規(guī)防松方法對比，R 型螺紋設(shè)計使緊固件連接時的應(yīng)力分配更合理，每一牙紋受力更穩(wěn)定。R 型螺紋設(shè)計制造的可靠性（質(zhì)量保證能力或過程能力）決定了產(chǎn)品性能質(zhì)量。R 型螺紋標(biāo)準(zhǔn)化程度高，安裝、維護(hù)成本低，安全系數(shù)高，是螺紋緊固件防松提供了又一種安全可靠的解決方案。