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精心整理第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M1为：tgQdM221……………………………（公式21-1）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；ρ——摩擦角，对于三角形螺纹,cos1Mtg,M1是螺纹接触面之间的摩擦系数，β是牙型半角；α——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M2为：2222DQM…………………………（公式21-2）式中：μ2——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：2233232nnRRRRD，Rω和Rn分别是支承面的外半径和内半径，如果支承面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：2222221DtgdQMMM…………………（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：ρα，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。精心整理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常用的防松方法螺纹紧固件连接常用的防松方法见表21-1。精心整理表21-1防松方法的特点及其应用举例序号类型名称结构简图特点和用途1不可拆卸的防松螺栓(或螺钉）头和螺母端面冲点铆接在拧紧后，用冲点铆接的方法使螺栓（或螺钉）螺母产生局部变形，阻止其相互松转。防松可靠，可用于任何不需拆卸的连接防松2锁紧粘合剂的粘结在相配的螺纹表面涂环氧树脂或厌氧胶等粘合剂，粘合剂固化后即可牢固地粘结相配的螺纹，达到锁紧防松的目的。不同的粘合剂往往具有不同的锁紧能力。涂环氧树脂的紧固件，其粘结强度很高，是不可拆卸的。涂厌氧胶的紧固件，虽可拆卸，但拆卸后螺纹表面残留的粘合剂难于清洗干净，且螺纹可能受到损伤，紧固件不宜再用。粘合剂也可作为螺纹的密封材料，但它们无法承受高温。最好的粘合剂可在230℃的温度下工作；最差的粘合剂，其工作温度只有94℃。防松可靠，可用于任何不需要拆卸的连接防松3机械固定件的防松开槽螺母加开口销开口销穿过螺母的槽和螺栓末端的销孔，将螺母和螺栓直接锁紧。可在不拧紧（即不施加预紧力）的松连接状态下，用于重要的活动部位，如航空航天器和车辆座舱内操纵杆活动关节的连接。也可用在长时间严酷振动条件下要求防松高可靠的特别重要部位。在这种情况下，必须以适当的预紧力来拧紧螺母和螺栓，否则，在未拧紧的松连接中，开口销或螺母会产生疲劳破坏，造成紧固件的松脱失效。此类事故在承受严酷工作条件的许多连接中常有发生精心整理4止动垫圈用单个或双连钢垫圈把螺母与被连接件固定在一起或两个螺母相互固定。防松可靠，可用于高温部位的防松连接。常用于发动机产品的重要部位5锁紧丝用钢丝穿入螺钉头或螺母的小孔内，使几个螺钉或螺母联结在一起而锁紧。尽管装配比较麻烦，因其防松可靠，故仍用于重要的场合，特别是航空航天产品的重要部位。可用于成组螺栓或螺钉的连接防松6增大摩擦力的防松双螺母双螺母的传统装配方法是先拧紧内螺母，接着拧紧外螺母，然后再反拧内螺母，使两个螺母高度之间的螺纹产生微小的弹性变形来获得附加摩擦力而防松。实践证明，这种装配方法的双螺母防松并不可靠。其缺点是反旋内螺母时，造成紧固系统卸载，夹紧力变小，防松能力下降。新的装配方法取消“反拧内螺母”这一程序，即先拧内螺母，再拧外螺母，对两个螺母施加相同的拧紧力矩，这样能使紧固系统的夹紧力保持在较高的水平上。国内外的试验证明，采用新装配方法的双螺母，其防松能力大为提高。在目前各种螺纹紧固件的防松方法中，它是抗振寿命较高的几种防松方法之一。用两个螺母虽增大了重量，但结构简单，防松效果好，可用于高温，所以在某些重要场合仍有采用，如发动机的螺纹连接防松等精心整理7自由旋转型的齿形端面锁紧螺母和锁紧螺钉在螺母和螺钉头下的支承面滚花或制成锯齿形。当螺母或螺钉被拧紧时，支承面与被连接件之间产生摩擦阻力，尤其是在“锯齿”嵌入被连接件表面时，锁紧非常牢固。支承面锯齿的齿形以及拧紧时的夹紧力对锁紧性能有显着的影响。稳定的扭——拉关系和足够高的夹紧力是这种紧固件保持锁紧能力的前提。试验证明，它们有良好的防松性能。不能与垫圈合用，也不能用于无法承受高夹紧力的螺纹连接或者被连接表面对划伤和腐蚀敏感的场合。使用这种防松方法应注意硬度的合理匹配,一般来说,被夹紧零件的硬度应低于紧固件的硬度8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收口（后者又称槽梁型锁紧螺母）,使螺纹局部变形。螺栓拧入螺母后，螺母的收口部位向外涨开，利用收口部位的弹性，使螺纹副横向压紧，消除了螺纹间隙，增大了螺纹摩擦力，使螺栓与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松性能更佳。与较高螺纹精度的螺栓配用时，可提高防松性能；与螺母硬度相对应的较高硬度螺栓配用时，可显着提高连接的重复装拆使用寿命。在全金属锁紧螺母中，槽梁型锁紧螺母的重复使用性是最好的。可用于除活动部位以外的任何紧固连接部位9增大摩擦力的防松有效力矩型的非金属嵌件锁紧螺母在螺母上端嵌入一个尼龙圈，尼龙圈的内径比螺纹中径略小。拧入螺栓时，尼龙圈内被挤压出内螺纹，弹性极佳的尼龙材料与螺栓形成了很大又很稳定的摩擦阻力，达到了可靠的锁紧。防松性能好，可多次重复装拆使用，适于经受严酷冲击、振动的使用场合。可与从低精度到高精度的任何螺栓配用；也可与从低强度到高强度的任何螺栓配用。使用温度受尼龙圈材料的限制，一般为-50～+100℃精心整理10弹簧垫圈利用弹簧的张力为螺纹连接提供锁紧作用。其优点是结构简单，造价低廉，使用方便。广泛用于一般机电设备的不重要部位之防松。弹簧垫圈的主要缺点：a．防松效果差，不适于承受较激烈冲击、振动的使用部位；b．电镀锌或镉的钢垫圈往往会产生滞后的氢脆断裂，造成很难发现的隐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表面；d．使紧固系统受力偏斜，破坏螺栓作用力的中心性，致使螺栓承受附加的弯曲应力，导致螺纹连接的疲劳性能下降。在严酷的外载荷作用下，这种不良影响尤为显着；e．增加被连接件的柔性，即降低被连接件的刚度，可能会导致螺纹连接的疲劳性能下降。f．由于是开口的圆环结构,在夹紧力的作用下,可能会出现因内径涨大而失效的情况。因此，弹簧垫圈不用于重要的使用场合精心整理11弹性垫圈鞍形弹性垫圈波形弹性垫圈利用弹簧的张力为螺纹连接提供锁紧作用。防松效果差，多用于机电设备的不重要连接部位。电镀锌或镉的钢垫圈会产生滞后氢脆断裂，造成难于发现的隐患及随后的失效事故12齿形锁紧垫圈内齿锁紧垫圈外齿锁紧垫圈内锯齿锁紧垫圈外锯齿锁紧垫圈拧紧螺母或螺钉时，垫圈翘齿被压平，增大了螺纹和支承面的摩擦阻力，为螺纹连接提供锁紧作用。由于翘齿嵌入螺钉头（或螺母）和被连接件的表面，其所造成的损伤会增加腐蚀的敏感性，对于承受高应力的紧固件或被连接件，这些损伤又可能导致裂纹的产生。在承受较大的夹紧力时，垫圈的翘齿可能会产生裂纹或断裂。内外锯齿锁紧垫圈比内外齿锁紧垫圈的承压能力要大一些精心整理三.防松性能的评定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GJB715.3-89），第二种是紧固件横向振动试验方法（GB/T10431-1989）。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