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1、第21章 螺纹紧固件连接的防松一、松动机理螺纹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，螺纹连接的失效通常是由其自身的松动和疲劳破坏所引起的。 在一般情况下，螺纹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纹连接的松脱失效，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。螺纹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。如何防止螺纹连接的松动是研制和设计螺纹紧固件的重要任务之一。在通常的螺纹连接中，摩擦力产生于内外螺纹接触面或螺纹紧固件支承面与被连接件的接触面上。当
2、螺纹连接开始松转时，克服螺纹接触面上的摩擦所需的力矩M为：M = Qd tg (p -a)(公式 21-1)12式中：Q作用于螺栓或螺钉上的预紧力，又称轴力或紧固系统的夹紧力；d2螺纹中径；P 摩擦角，对于三角形螺纹，tgp = M1 ,M是螺纹接触面之间的摩擦系数，BCOS 卩 1是牙型半角；a 螺纹螺旋线的升角，又称导角。螺纹紧固件被拧紧后，由于螺母或螺钉头支承面上的摩擦而产生的附加力矩“2为：M = “22 (公式 21-2)22式中：卩2螺母或螺钉头支承面与被连接件接触面之间的摩擦系数；d2螺母或螺钉头支承面的平均直径，在接触压力均匀的情况下，D2的精确值是：2 ( R 3 R 3 D
3、 = 2 Fn，R和R分别是支承面的外半径和内半径，如果支承面23 I R 2 - R 2 I 3 nWn不平或接触压力不均匀，D2就可能随着支承面的内半径到外半径而变化。综上所述，决定螺纹连接开始松转时的总力矩M为：M = M + M = Q12d （）卩 Dtg （p a 丿 +2222公式 21-3)分析公式21-3可知，仅在总力矩M等于或小于零的情况下，螺纹紧固件才开始自行松 转。对于连接用螺纹，在受静载荷作用时，即使润滑条件很理想，其摩擦角也始终大于升角： p a，即满足螺纹的自锁条件，使公式21-3括号内的总值不会等于或小于零，螺纹紧固件 也就不会自行松转。但是在经受动载荷时，例如
4、在振动和冲击的作用下，螺纹紧固件在螺纹 和支承面上产生了微观的滑移，这种相对的微观运动使摩擦系数由相对高的静态值变为很低 的动态值，螺纹连接在各个方向上处于自由摩擦状态。此时，作用在螺纹上的轴向力在圆周 方向上形成一个导致螺母松转的内松出力矩，使螺母开始松转，就像一个在斜面上的重物， 由于摩擦力的变小或消失而往下滑动一样。这种松转称为螺纹连接的自松。千万次的振动循 环耗尽了螺纹连接的防松摩擦阻力，使其从细微的松转直到完全的松脱。螺纹件在螺纹面和支承面上的微观滑移是怎样产生的呢？对于承受轴向动载荷的螺纹 件，轴向外力使螺母在靠近支承面的部位产生径向弹性膨胀，引起螺纹面和支承面上的微观 滑移；对于
5、承受横向动载荷的螺纹件，横向外力使螺栓在螺母内摇摆而产生微观滑移，或者 说螺母在螺栓上摇摆而产生微观滑移。试验证明，横向外力比轴向外力能引起更大的微观滑 移。因此，横向外力是更危险的因素，而且垂直于螺纹轴线的纯横向外力比起与螺纹轴线成 各种角度的横向外力，对螺纹连接的松动能产生最苛刻的条件。实际的使用经验也说明，横 向冲击、振动更易引起螺纹连接的松动。试验表明，与横向外力相比，经受轴向外力的螺纹 连接不容易松动。“纯横向外力是导致螺纹连接松动的更危险因素”这一结论对螺纹连接的设计及其防 松方法的研究和评定有重要的意义。在螺纹连接的设计中，往往可以通过设计紧固件的安装 方向来尽可能地避开横向外力
6、这一危险因素。在考核和评定紧固件的防松性能时，采用横向 加力的试验方式能加速螺纹连接的松动，使考核试验更有效，试验工作的效率更高。二. 防松方法1 防松方法的分类螺纹紧固件连接的防松方法分为三种基本类型：a.不可拆卸的防松这是一种采用焊牢、粘结或冲点铆接等方式将可拆卸螺纹连接改变为不可拆卸螺纹连 接的防松方法，是一种很可靠的传统防松方法。其缺点是螺纹紧固件不能重复使用。且操作 麻烦。常用于某些要求防松高可靠而又不需拆卸的重要场合。b机械固定件的防松利用机械固定件使螺纹件与被连接件之间或螺纹件与螺纹件之间固定和销紧，以制止 松动。这种方法的优点是防松可靠,其防松可靠性一般取决于机械固定件（或紧固
7、件本身， 如开槽螺母）的静强度或疲劳强度。它的缺点是增加紧固连接的重量，制造及安装麻烦，不 能进行机动安装，所以成本较高。由于其防松可靠性高，在机械产品和航空航天产品中的某 些重要部位仍广为采用。c.增大摩擦力的防松利用增加螺纹间或螺栓（螺钉）头及螺母端面的摩擦力或同时增加两者的摩擦力的方 法来达到防松的目的。这种防松方法比上述a类或b类方法的可靠性要差些，但其最大的优 点是不受使用空间的限制，可以进行多次的反复装拆，可以机动装配，而且其中某些紧固件 （如尼龙圈锁紧螺母，全金属锁紧螺母），其防松可靠性已达到很高的水平。因此，这种防松 方法在机械制造部门和航空航天领域应用最广。2 常用的防松方法
8、螺纹紧固件连接常用的防松方法见表21-1。序号类型不 可 拆 卸 的 防 松机 械 固 定 件 的 防 松名称螺栓（或螺钉）头和 螺母端面冲点铆接锁紧粘合剂的粘结开槽螺母加开口销表 21-1 防松方法的特点及其应用举例那-在拧紧后，用冲点铆接的方法使螺栓 其相互松转。防松可靠，可用于任何不需在相配的螺纹表面涂环氧树脂或厌氧 地粘结相配的螺纹，达到锁紧防松的目的 能力。涂环氧树脂的紧固件，其粘结强度 固件，虽可拆卸，但拆卸后螺纹表面残留 受到损伤，紧固件不宜再用。粘合剂也可作为螺纹的密封材料，但 在230C的温度下工作；最差的粘合剂，防松可靠，可用于任何不需要拆卸的开口销穿过螺母的槽和螺栓末端的
9、销 拧紧（即不施加预紧力）的松连接状态下 器和车辆座舱内操纵杆活动关节的连接。 防松高可靠的特别重要部位。在这种情况 和螺栓，否则，在未拧紧的松连接中，开 固件的松脱失效。此类事故在承受严酷:双螺母增 大 摩 擦 力 的 防 松自由旋转型的齿形端面锁紧螺母和锁紧螺钉双螺母的传统装配方法是先拧紧内螺 螺母，使两个螺母高度之间的螺纹产生微 松。实践证明，这种装配方法的双螺母防 造成紧固系统卸载，夹紧力变小，防松能 螺母”这一程序，即先拧内螺母，再拧夕 矩，这样能使紧固系统的夹紧力保持在较 用新装配方法的双螺母，其防松能力大为 方法中，它是抗振寿命较高的几种防松方 用两个螺母虽增大了重量，但结构简
10、在某些重要场合仍有采用，如发动机的螺在螺母和螺钉头下的支承面滚花或制 支承面与被连接件之间产生摩擦阻力，尤 锁紧非常牢固。支承面锯齿的齿形以及扌 响。稳定的扭拉关系和足够高的夹紧 试验证明，它们有良好的防松性能。不能与垫圈合用，也不能用于无法承 面对划伤和腐蚀敏感的场合。使用这种防 说，被夹紧零件的硬度应低于紧固件的硬丿有效力矩型的全金属锁紧螺母在螺母体上端进行非圆收口或开槽后 使螺纹局部变形。螺栓拧入螺母后，螺母 的弹性，使螺纹副横向压紧，消除了螺纹 螺母牢固地锁紧在一起。防松效果良好，槽梁型锁紧螺母的防 配用时，可提高防松性能；与螺母硬度相 提高连接的重复装拆使用寿命。在全金属 使用性是最
11、好的。可用于除活动部位以外的任何紧固连增 大 摩 擦 力 的 防 松有效力矩型的非金属嵌件锁紧螺母10弹簧垫圈在螺母上端嵌入一个尼龙圈，尼龙圈 尼龙圈内被挤压出内螺纹，弹性极佳的尼 摩擦阻力，达到了可靠的锁紧。防松性能好，可多次重复装拆使用， 可与从低精度到高精度的任何螺栓配用; 配用。使用温度受尼龙圈材料的限制，一般利用弹簧的张力为螺纹连接提供锁紧 使用方便。广泛用于一般机电设备的不重 弹簧垫圈的主要缺点：a. 防松效果差，不适于承受较激烈b. 电镀锌或镉的钢垫圈往往会产生 患以及随后的失效事故；c. 垫圈开口处的尖棱易损伤被连接d. 使紧固系统受力偏斜，破坏螺栓 的弯曲应力，导致螺纹连接的
12、疲 这种不良影响尤为显著；e. 增加被连接件的柔性，即降低被 的疲劳性能下降。f. 由于是开口的圆环结构，在夹紧力 失效的情况。因此，弹簧垫圈不用于重要的使用场十11弹性垫圈利用弹簧的张力为螺纹连接提供锁紧 防松效果差，多用于机电设备的不重 电镀锌或镉的钢垫圈会产生滞后氢脆 失效事故波形弹性垫圈鞍形弹性垫圈内齿锁紧垫圈12齿形锁紧垫圈外齿锁紧垫圈内锯齿锁紧垫圈拧紧螺母或螺钉时，垫圈翘齿被压平 为螺纹连接提供锁紧作用。由于翘齿嵌入螺钉头（或螺母）和被 加腐蚀的敏感性，对于承受高应力的紧固 裂纹的产生。在承受较大的夹紧力时，垫圈的翘齿 紧垫圈比内外齿锁紧垫圈的承压能力要大外锯齿锁紧垫圈三. 防松性
13、能的评定1 评定防松性能的试验方法对于如何评定紧固件的防松性能，目前国内外普遍采用两种标准的试验方法。第一种是 紧固件加速振动试验方法（ISO标准或GJB 715.3-89）,第二种是紧固件横向振动试验方法 （GB/T 10431-1989）。两者都是加速紧固件连接松动的试验方法，它们各有特点，第一种方 法目前在国内主要用于航空航天系统,而其他系统多采用第二种方法。由于横向力是使螺纹连接产生松动的最苛刻的外力，所以两种试验方法都是从垂直于螺 栓轴线的方向施加足够大的横向冲击力，使紧固件连接在短时间内产生松动。它们可以对各 种紧固件连接的防松性能提供可再现的评定结果。与第二种方法相比，第一种方法
14、的加载方式和振动、冲击条件更接近于各种紧固件的实 际使用状态。第二种方法无法评定紧固件松连接的防松性能，而第一种方法则可以对各种紧 固件松连接的防松性能提供可对比的评定结果。在工作状态下的螺纹紧固件连接，由于支承 面的磨损、被连接件的受压下陷、螺栓的过载屈服或外载荷的作用等各种原因，可能会丧失 预紧力，使其由拧紧状态的紧连接变为没有预紧力（或预紧力不足）的松连接。此时，保持 紧固件自身的锁紧，使其在一定时间内松而不脱，对防止被连接件因分离而失效至关重要。 因此，在评定紧固件松连接的防松脱寿命方面，第一种方法是不可或缺的。与第一种方法相比，第二种方法是对螺栓（或螺钉）直接加力，所以，它能使紧固件
15、连 接在更短的时间内产生松动，试验效率更高。第二种方法的另一个特点是可以精确地测量紧 固件连接在振动试验过程中预紧力的变量，描述试验中预紧力的变化过程，给出预紧力与振 动次数（或时间）的关系曲线图，并以预期紧力下降的变量作为衡量紧固件连接松动的准则。 这比第一种方法更为直观和准确，也更便于操作。此外，第二种方法可以较为准确地评定紧 固件连接的扭-拉关系对防松性能的影响，这为进一步研究和设计各种新型防松紧固件提供 了更为有效的试验途径。2 防松性能的试验结果根据防松性能的试验结果来评定各种防松方法，对紧固件的选用和紧固件防松方法和研 究设计都有参考价值。虽然各种紧固件的防松性能受其结构、尺寸、材料、镀覆层、制造
