浅析螺纹紧固件自锁与防松动

侯志林　潘乐　刘洋　李劭恒　杜建强

摘 要：螺纹是一种用于联接和传动的机械结构要素，螺纹按其截面形状（牙型）分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹等。其中梯形、矩形螺纹主要用于传动，三角螺纹主要用于联接，三角螺纹分粗牙和细牙，自锁性能好，一般联接多用粗牙螺纹。螺纹联接因便于装拆、联接稳定可靠、联接力大等优点，已经成为应用最广泛的部件联接方式。该文分析说明了螺纹紧固件自锁、防松动的原理，介绍了螺纹紧固件常用的防松动措施及其他防松动措施的原理和应用。

关键词：螺纹联接 自锁 防松动

中图分类号：TH131.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0054-02

螺纹紧固件规格繁多，按照强度等级及材料类型进行分类，其所承载类型复杂，安装环境及使用要求差别較大，这些影响因素给部件结构设计带来很大障碍。重要部件的螺栓联接如果出现失效，将会带来严重的安全隐患及重大损失。虽然在理论上分析，螺纹紧固件都具有自锁的性能，但受其螺纹联接结构与使用环境的影响，松动仍是目前造成螺纹紧固件失效的主要形式，因此，为了达到螺纹紧固件防松的目的，各种防松动方案也就应运而生。

1 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 防松动措施

2.1 常用的防松动措施

防松动的关键就是防止螺旋副的相对转动。常用的防松动措施可分为摩擦防松动、机械防松动和永久止动防松动3种。

2.1.1 摩擦防松动

双层螺母：螺母从不同的方向拧紧后，是联接螺纹之间产生了持久的压力和摩擦力，提升了防松动效果。锁紧螺母：在螺母的一端进行收口设计，在收口端嵌入金属或者非金属嵌件，当螺纹拧入时嵌件发生破坏嵌入螺纹中产生了防松效果。弹垫：紧固联接部位拧紧后，弹垫被压平，弹垫产生反作用力使螺纹联接部位处于压紧状态，螺纹连接间的摩擦力也增大，防松效果明显[1]。

2.1.2 永久止动防松动

冲点铆住或钎焊：强迫螺栓、螺母螺纹副局部塑形变形，阻止其松转。粘结：在旋合表面涂螺纹紧固剂，紧固剂固化后即可防松动。

2.2 其他防松动措施

随着国内工业水平的提升，常规的螺纹防松动措施已无法满足要求，如轨道交通装备的制造中，已经采用的防松动措施就有楔形防松动螺纹等新型防松动措施[2]。

楔形防松动螺母的防松动取决于它的设计结构，首先在内螺纹的牙底设计了一个30°的楔形面，当紧固件相互拧紧时，螺栓外径的牙尖就压紧在自锁螺纹的楔形面上，由此产生很大的锁紧力。当螺纹牙形的角度发生改变，使得紧固件螺纹接触面间产生的法向力与螺栓轴向为60°，紧固件间的螺纹法向压力大于扣紧压力，紧固件接触面间的防松动摩擦力大大增加。

除上述介绍的防松动螺纹外，还有液压防松动螺母，在螺纹径间隙之间填充防松动材料等防松动措施。

2.3 防松动性能检验

螺纹紧固件的防松动性能的检验主要有以下2种方法。

2.3.1 套筒横向冲击法

将试验件拧紧固定在试验套筒内，同时在试验件和套筒上标记出位置，将完成标记的套筒放置在试验架的滑槽内随试验架运动，试验套筒能够在滑槽内进行横向运动；试验开启后试验架开始来回运动，试验套筒在滑槽内不断地撞击滑槽的两侧，此时会产生很大的冲击导致试验件发生松动；通过记录试验件的位置变化并在规定时间内进行记录，依据记录结果（包括位移变化及时间特性）来分析试验件的防松动性能。此种检验方法目前在国内的航天系统仍有使用，其标准符合GJB 715.3A《紧固件试验方法——振动》。

2.3.2 横向振动法

首先准备好联接的试验件，试验件的紧固件作用良好，将试验件拧紧在横向振动试验机上进行测试，此时的试验件与试验机之间产生了压紧力；试验启动后试验机在试验件的两联接板之间产生了有规律的横向位移，试验机重复运动后造成了联接件之间的压紧力慢慢变小，直到完全松动；在试验的过程中记录联接件从紧固状态到产生松动的时间，依据产生松动的时长来评估试验件的防松动性能。

目前，横向振动法是普遍采用的试验方法且已被制定为检测的国际标准，随着我国紧固螺纹件的广泛应用，以及对紧固件防松检测的需求，国内也发布实施了GB/T 10431《紧固件横向振动试验方法》。

3 结语

由上可知，螺纹联接的预紧力将对螺栓的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。过大或过小的预紧力均有害。预紧力具有离散性，应根据具体应用情况对预紧力加以控制。同时，螺纹联接产生松动的主要原因是：螺纹联接发生松弛、接触面变形及振动。但这3个方面的原因归结到最后就是预紧力的减小，甚至消失。

随着防松动螺纹技术在航天航空、高速铁路、汽车工业等先进装备制造上的广泛应用，以往的防止螺纹产生松动而采用的顶丝、插销、防转块、连接钢丝等防松措施已经变得不适用，其最大的缺点就是耗费大量的人力，工作效率低下。但是在采用该文所论述的新的防松方法后，部件间的螺纹联接变得更加可靠且易于操作，对提升产品的使用寿命、降低产品的维护成本和故障率起到重要的作用[3]。

参考文献

[1] 张宝业.摩擦在螺纹防松动上的机理及实践[J].机械工程师，2005（8）：113-114.

[2] 赵勇，杨刚雷，尚海红，等.螺纹联接的防松[J].煤矿机械，2009，30（12）：163-165.

[3] 陈静.螺纹紧固件防松动技术应用研究[J].机电信息，2017（24）：95-96.