浅谈螺纹紧固件连接的防松措施

作者:吴国志 (山东华源莱动内燃机有限公司,莱阳265200)

出处:《工艺与装备》2008年第5期

螺纹紧固件连接具有易装拆、可反复使用的特点,其缺点是在工作装态下可能会产生松动,特别是在振动、冲击、变载荷以及温差过大的情况下,更易产生松动,甚至螺母脱落,使设备失效,甚至产生恶性故障。因此,找出螺纹紧固件连接松动的原因,采取有效防范措施,是设计、选用螺纹紧固件的重要任务之一。

1螺纹紧固件连接松动的原因

1.1初始拧紧状态所引起的松动

在拧紧螺纹紧固件后,螺纹连接在工作过程中,例如在振动状态下,其各个接触面(包括螺纹型面、支承面以及被连接件的相互接触面)的不平度和微观粗糙度会进一步减小和被磨合,甚至接触面局部被压陷,使螺纹连接的紧固状态发生变化,从而使预紧力丧失,导致螺纹连接松动。这种松动称为初始松动。解决的措施是经过短时间工作后,对螺纹紧固件进行再拧紧,把初始松动所失去的预紧力补回。

1.2支承面被压陷而引起的松动

螺纹紧固件连接中,如果螺栓或螺母支承面的接触压强过大时,被连接件的表面在与螺栓或螺母支承面接触处会产生塑性的环状压陷。严重的压陷或在工作过程中由于塑性变形的继读发生而加剧的压陷会使已被拧紧的紧固件减小或丧失预紧力,从而导致连接松动。这种松动称为压陷松动。压陷变形是难免的,防止压陷松动的措施是在螺栓或螺母上制有增大接触面积的法兰或在支承面下配置一个强度较高接触面积较大的淬硬垫圈。

1.3螺纹连接的自松

经验表明,对于经受动载荷的螺纹连接,最常见的失效原因是自松,由自松而引起的失效最频繁。自松的机理:螺纹连接中,摩擦力产生于内外螺纹接触面和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:

谈螺纹紧固件连接的防松...

谈螺纹紧固件连接的防松...

    分析公式3可知,仅在总力矩M等于或小于零的情况下,螺纹紧固件才会自行松转。对于螺纹连接,在受静载荷时,其摩擦角p始终大于升角a (满足自锁条件),公式3括号内的总值不会等于或小于零,螺纹紧固件不会自行松转。但在受动载荷时,如在振动和冲击作用下,螺纹支承面上的法向压力会瞬间减少甚至等于零,在失去摩擦力约束情况下,螺母会随着振动沿斜面向下产生微观滑移,逐渐使螺母自行松转。就像一个在斜面上的重物,不振动时不会往下滑,当有振动时,在被弹起的那一瞬间,由于摩擦力的变小或消失而往下滑动一样。这种松动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,使从细微的松转直到完全松脱。

2 常用防松方法

2.1破坏螺纹运动副关系

采用焊牢、粘结或冲点铆接等方法(图1)使螺纹副失去运动特性,从而将可拆卸螺纹连接改变为不可拆卸螺纹连接,这是一种很可靠的防松方法。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而又不需拆卸的场合。

2.2用机械固定件锁紧

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锁紧,以制止松动。这种方法的可靠性取决于机械固定件的强度。它的缺点是增加了紧固连接的重量,制造及安装麻烦,不能进行机动安装。常见的机械固定件锁紧方式见图2。

2.3增大摩擦力

利用增加螺纹间或螺栓(螺钉)及螺母支承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。这种方法的最大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。因此,该类方法应用最广。

2.3.1双螺母

谈螺纹紧固件连接的防松...

    用两个相同高度的螺母与螺栓拧紧,以达到增大螺纹摩擦力防止松动的目的(见图3)。装配方法是先用80%的装配扭矩拧紧内螺母,再用100%的扭矩拧紧外螺母,这样可使螺母与螺栓的螺牙紧密贴合,显著地增加了防松摩擦阻力。其特点是结构简单,装配较方便,防松效果良好。缺点是用两个螺母增加了重量,且需要较大的安装空间。

2.3.2齿形端面锁紧螺母和锁紧螺钉

在螺母和螺钉头下端面滚花或制成锯齿形,在预紧力下“锯齿”嵌入被连接件表面从而增大接触间的摩擦阻力(见图4)。该法防松效果良好。其前提是对紧固件施加足够大的预紧力,因为没有大的预紧力也就没有端面之间的防松摩擦阻力。该法不能与垫圈合用,并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。缺点是端面下的锯齿容易损伤被连接件的表面。

谈螺纹紧固件连接的防松...

2.3.3 弹性垫圈类

这类垫圈包括弹簧垫圈、鞍形或波形弹性垫圈以及齿形锁紧垫圈等(见图5)。其特点是利用垫圈的弹簧张力或翘齿所产生的摩擦阻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。但这类方法的防松效果差,不适于承受较激烈冲击、振动的部位。

2.3.4有效力矩型锁紧螺母、螺钉

所谓有效力矩是指在拧紧前,螺母在螺杆上空转时就需施加相当的力矩(而一般螺纹紧固件在拧紧前的空转过程中,是可以自由转动的)。有效力矩型锁紧螺母分为全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母。

谈螺纹紧固件连接的防松...

(1)有效力矩型全金属锁紧螺母

这种螺母是在螺母的上端进行非圆收口或对螺母的上端进行开槽后收口,使配合直径局部变小、变形,从而增大相配螺纹间的摩擦阻力,使螺栓与螺母牢固地锁紧在一起(见图6)。该种螺母防松效果较好。

谈螺纹紧固件连接的防松...

(2)有效力矩型非金属嵌件锁紧螺母

这种螺母俗称尼龙圈锁紧螺母,它是在螺母体上端嵌入一个尼龙圈(见图7),拧人螺栓时,尼龙圈被挤压出内螺纹,弹性、坚韧性良好的尼龙材料与螺栓形成大而稳定的摩擦阻力,而且对外来的冲击、振动还有良好的吸收和阻尼作用。故这种螺母的锁紧性能比全金属锁紧螺母好得多,其防松性能极佳,且有很高的防松可靠性。再者尼龙材料具有良好的复原性,故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。其不足之处是螺母的使用温度受限于尼龙材料的使用温度。螺母的使用温度一般为-50一+100°C,过高的温度会使尼龙材料软化,过低的温度会使尼龙材料变得硬脆和加速老化,使锁紧螺母的机械和工作性能明显下降。

(3)非金属嵌件法兰面锁紧螺母

该螺母系在非金属嵌件锁紧螺母基础上制有增大接触面积的法兰(见图8),该螺母兼有非金属嵌件锁紧螺母与法兰面螺母的优点,防松性能更好。但该螺母的适应温度同样也受限于尼龙的耐温性能。

谈螺纹紧固件连接的防松...

(4)预涂防松层螺栓

预涂防松层螺栓(螺钉)是指在螺栓(螺钉)杆的螺纹面上涂制有一层尼龙等高分子材料。该螺栓(螺钉)的防松原理类似于尼龙圈锁紧螺母。当螺栓拧入螺母时,螺纹型面上的尼龙层被挤压,挤出的材料填充到内外螺纹的间隙中,从而增加了摩擦力,达到防松的目的。但此种产品尚无国家标准。

3 防松方法应用及评述

螺纹紧固件连接防松的方法很多,实际应用中应根据具体情况选用。这里需要提醒的是机械行业中常见使用的弹簧垫圈加平垫圈(见图5)的防松效果其实并不理想。统计及螺纹连接抗振性试验表明,有效力矩型非金属嵌件锁紧螺母及有效力矩型非金属嵌件法兰面锁紧螺母的抗振、防松性能最佳,防松寿命最长。这种螺母经受长时间的激烈冲击、振动后,仍无任何松动的迹象。有国外专家称其为永不松动的锁紧螺母。其不足之处是使用温度受限于尼龙材料耐温度程度。目前该螺母在轿车上的非高温部位已开始大量使用。相信,随着技术的进步,认识的提高,尼龙耐温性能的提高,该类螺母将会在更大范围内得以普及使用。

参考文献

[1]紧固件标准化现状和发展动向.《机械工业标准化与质量》2008年第1期.

[2]《紧固件标准实施指南》.中国标准出版社.

[3]GB/T889.1—2000.非金属嵌件六角锁紧螺母.

 收藏 (0) 打赏

您可以选择一种方式赞助本站

支付宝扫一扫赞助

微信钱包扫描赞助

未经允许不得转载:港口技术安全网 » 浅谈螺纹紧固件连接的防松措施

分享到: 更多 (0)
avatar

评论 抢沙发

评论前必须登录!

立即登录   注册

切换注册

登录

忘记密码 ?

您也可以使用第三方帐号快捷登录

切换登录

注册

我们将发送一封验证邮件至你的邮箱, 请正确填写以完成账号注册和激活