1、合肥工业大学硕士学位论文螺纹紧固件防松技术和试验方法研究姓名：李维荣申请学位级别：硕士专业：机械测试指导教师：朱家诚;李安民20050301螺纹紧固件防松技术和试验方法研究摘 要本文从螺纹结构的力学分析入手，论述了螺纹的松动原因和自锁条件，例举了部分常见的防松措施，简介了三种防松性能试验方法，最后针对紧固件横向振动试验机进行较详细的分析，内容包括试验机的原理、结构、标准化、存在的问题及改造情况，给出了部分软件界面和源程序。关键词：螺纹、紧固件、防松、试验The Research of technology to preVent from Iooseness and method oftesti
2、ng for thread fastenerABSTRACTThis thesis commences with the mechanical analysis 1n structural of thread，discussing the reason of thread loosen to moVe with from lock term，a principle，discoursing some method to preVent frOm lOoseness，brief introduction three kindsof experhlenting method to check up
3、defending the function，6nally aiming atTransverse Vibration testing method testing machine proceeding detailed analysis，contents including experimenting machine， standardize， existent problem andreform circumstance，gave parts of software interface end the source procedureKey words：thread，fastene r，p
4、reVent from looseness，testing合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。主席：委员：导师答辩委员会签名：(工作单位、职称)狡熬牲吣爷L仨吲敦红庶h。垃婚司校埂兮，氕 勘托故冯独创性声明本人卢明所晕交的学位论文是本人在导师指导F进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，脒了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包吉其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒蟹=塑!丛堂一或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论空中作了明确的说明井表示谢意。学位论文作肴张各牺务 签字日
5、期M眸；月b口学位论文版权使用授权书本学位论立作者完全了解盒匿：些盘堂有关保留、使用学位论文的捌定，有权保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阀。本人授权台熙些盔坐可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印威扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名 秀好篆签字日期：，u均：月日导师签名 象宴签字日期：“J年午月fo日学位论文作者毕业后去向：卑氐I亭币魁牛f，L作单付：埠散X导迄蛄卑tp 电话通讯地址：舶圣磊喙瘤龟琵铸喃掺哮邮编 D8i；。，。t3 ，-口6阜缸致 谢本文是在导师朱家诚副教
6、授和李安民研究员的悉心指导下完成的。束老师从作者的论文选题、理论分析、实验工作、试验机改造到论文写作都给予了极大的关心和悉心指导。李老师自本人参加工作以来的二十多年里一直是我的恩师，在整个论文撰写过程中又给予了热心帮助，在此表示由衷的感谢。朱老师和李老师广博的学识、开阔的视野、丰富的实践经验、严谨的治学态度以及献身于祖国科研事业的敬业精神，都使作者受益匪浅，在此，作者表示深深的敬意和衷心的感谢!在作者学习期问，老师、同学和同事们给予了热情的帮助。在此，向所有给予关心和帮助的人表示衷心的感谢!晟后t作者还要特别感谢学校的老师和领导，是他们、给予作者极大地关心、支持和鼓励，使得作者能够如期完成学业
7、。作者：李维荣2005年4月第一章 概 述螺纹是一种用于连接和传动的机械结构要素，历史相当悠久，因其具有加工方便，连接力大，结构紧凑，便于装拆，连接可靠等优点，成为应用最广泛的连接方式。螺纹紧固件是利用螺纹结构特点的典型系列产品，通过标准化，实现大批量专业化集中生产，不仅能通用互换，而且在产品质量不断提高的基础上大大降低了成本，使之得到更广泛的应用。在今天，几乎找不到不使用螺纹紧固件的机器，生活中紧固件随处可见，习以为常。螺纹结构原理的实质是斜面机构，在预紧载荷作用下产生周向分力使连接具有松脱趋向，在连接副和支承面的摩擦作用下实现自锁而不松脱。然而，当连接副受到外界载荷的扰动对，原来的平衡可能
8、被打破，出现轻微的滑动，在一次一次的扰动中，这种滑动越来越大，最终达到松脱的程度。由于螺纹紧固件品种规格繁多，在多为专业化集中生产，按紧固件商品质量交付(甚至由多个生产厂家供货)的条件下，为满足某一特定的使用工况下的使用要求存在实际困难，有的相差甚远，还由于连接副承受载荷复杂多变，影响其防松性能的因素众多，而变化无常，这都给设计使用带来很大困难。在实际使用中，通常用一套或多套紧固件将两个或多个机器零部件连接和紧固在一起。在使用单套紧固件的条件下，紧固件旦失效就会出现机器零部件解体，机器失去功能。在使用多套紧固件情况下，如有一套紧固件失效，预紧力将由N一1套紧固件承受，则可能殃及未失效的紧固件，
9、增加整体失效风险，有时还会因此引起偏载，使连接承受更严峻的考验。在些关键部位的螺栓连接旦出现失效，将会带来不可估量的损失。受螺纹结构原理的限制，松脱是螺纹紧固件的主要失效形式之一，对此需要针对不同工况采取有效的防范措旌，各种防松螺纹紧固件也就应运而生，如何评价螺纹紧固件防松措施和防松产品的防松性能便成为长期困扰着人们的重要课题。自二十多年前我国实行改革开放政策以来，紧固件制造业得到了长足的发展，不仅产品品种和产量大幅度提升，产品质量也不断提高，据中国机械通用零部件工业协会统计测算，2003年我国紧固件生产企业接近7000家，总量达到300万吨，占全世界产量的近百分之五十，居世界之酋，近些年的年
10、增幅超过15，紧固件进出口总额接近lO亿美元，可以说，我国已经成为紧圃件生产大国。同时我们也必须看到，由于国内紧固件制造业发展受到各种制约，如：发展阶段、资金投入、技术支持、市场环境等，还存在产品结构不够合理，低档、低附加值产品比例较大，利润率过低，重复建设严重，国内扎堆竞争等问题，防松紧固件技术和产品更是起步晚，起点低，试验手段少，还有很长的路要走很多事要做。第二章 螺纹紧固件的力学分析21 螺纹的受力为便于分析，首先研究矩形螺纹的受力情况。将矩形螺纹沿平均直径如展开，得到斜角等于螺纹升角的斜面，将螺母简化为承受轴向载荷Ff的滑块，设R是圆周推力，它的作用方向与如的圆周相切，与拧紧(或松退)
11、连接副的力矩咒等效(见图la)。当此滑块静止或做等速直线运动时受三个力作用，即轴向载荷凡、推力尽和摩擦力矗。当滑块沿斜面等速上升(相当于拧紧螺母)时，作用于滑块上各力平衡，力多边形封闭(见图lb)由此可得平衡方程：羹 L， Rj 塾 f， rf图l 螺纹受力分析妊t，F：=Ff tg(+p。) (t)式中 p。一摩擦角，与之对应的摩擦系数为。，二者关系为：s2蟾p s当滑块沿斜面等速下降(相当于松退螺母)时，摩擦力改变方向，只成为阻力，作用于滑块上各力平衡，力多边形封闭(见图1 c)，由此可得平衡方程：只=Ff培(_一p；) (2)拧紧和松退螺母所需力矩L=，s也2：尽如tg(p。)2 (3)
12、对于普通螺纹，牙形角a为60。，可看成楔形块在斜槽内运动，此时，以当量摩擦系数_。7代替摩擦系数。，以当量摩擦角p。7代替摩擦角p。，不难得出：F。7=o，cos(d2)=F。cos30。=1155F：。7=tg J口s上述(1)(3)式可分别改写成：F：=毋tg(+p，)只=n tg(一p：7)t=FS如2=毋如tg(p。7)222螺纹的自锁条件(1 7)(2 7)(3 7)从式(2)和(2 7)可以看出，当p。或p。7时，推力F80，表明Fs为零或其方向改变，此时，螺母只有受到与图1中只方向相反的推力才能松退，轴向力无论多大螺母都不会松退，而且，轴向推力越大，松退力也越大。故螺纹自锁条件为
13、p：或_p。 (4)根据三角展开公式可得：tg(p。)=(tgtg J口。7)(1干tgtgp。7)螺纹紧固件采用普通螺纹，螺纹升角在2。30到3。左右，堙t93。=O0524，而金属材料的静摩擦系数一般为0103，上式中tgltgp。远小于l，因而可以近似得到：tg(_p。7)tgtgp。7凡2R(tgtgp。7) (5)式(5)表明普通螺纹紧固件能满足螺纹自锁条件。23支承面的受力在装配和使用中，紧固件支承面(螺栓、螺钉的头下支承面、螺母的承载端面等)同时也承受与螺纹相同大小的轴向力R，在拧紧或松退时，该支承面产生与运动(或运动趋势)方向相反的力矩L，其值为：凡=口。D，目2 (6)式中：
14、爿。一支承面摩擦系数；D。一支承面摩擦扭矩的等效直径，该直径与支承面形状有关I”。24松动原因分析所谓松动是指螺栓连接全部或部分丧失轴向预紧力，是螺纹紧固件重要失效形式之一。既然螺纹紧固件的螺纹能满足自锁条件，又有支承面摩擦力矩存在，那么，为什么还会出现松动呢?在静载条件下，螺栓只承受轴向载荷，由于螺纹升角的作用，拧紧螺母和拧松螺母所需的扭矩不同，一般松动力矩为拧紧力矩的80左右【21，在连接副摩擦力作用下。在没有附加扭矩的情况下连接不会松动。变载荷、振动和冲击是造成螺纹紧固件松动的主要因素。大部分紧固件用于有振动或有冲击的环境之中，由于各零件的惯性和与其相连零件的相互作用，使螺纹副和螺母支承
15、面的摩擦系数急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有力的平衡关系，使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量相对滑动。从式(5)不难看出，位移向拧紧螺母方向比向拧松螺母方向需要克服更大的阻力，所以，向拧紧螺母方向滑动的可能性极小，甚至是不可能的。这样多次重复出现微量相对滑动累加，就会导致预紧力减小，最终连接松动。紧固件和被连接零件在过大的应力作用下产生塑性变形，螺栓连接中互相接触面(如螺纹牙侧面、各支承面、被连接件相互接触面)由于表面粗糙度、波纹度及形位误差等，造成局部塑性变形，并且这些塑性变形在使用中也可能继续发生或发展，结果使连接的预紧力下降，进而导致连接副啮合表面正压力减小，使自锁性能下降，
16、在外界因素的作用下，加速松动速度。4第三章 防松措施针对螺纹紧固件松动的问题，人们采取各种积极有效的措施，为螺纹紧固件的发展注入新的活力。从各种标准和文献中可以看到，螺纹紧固件防松技术和防松结构很多，总结起来主要包括摩擦防松、直接锁紧、破坏运动副关系和粘结等几类方法。31 摩擦防松311控制预紧力螺纹紧固件连接的可靠性在很大程度上取决于“扭矩拉力关系”中极为关键的拉力(通常称为预紧力)测量而不是取决于扭矩测量。因此控制安装预紧力是防止螺纹紧固件松动的有效措施之一，这种方法利用螺纹的自锁条件，不需要对螺栓、螺母结构做任何改动，通过保证合适的预紧力来防松。对于不同的使用要求，通常采用的控制预紧力的
17、方法、控制精度和相对费用如表1所示。表1常用控制预紧力的方法预紧力的测量方法 预紧力的精度 测量方法的相对费用感觉(由操作者判断) 士35 1力矩扳手 士25 11，2螺母转角法 土1 5 3载荷指示垫圈 土lO 7测量紧固件的伸长量 35 15应变仪 土1 20每种方法都有定的优缺点，应按实际的工况条件选取。安装时预紧力精度控制的水平直接影响防松性能。主要控制预紧力的方法简介如下：a力矩扳手：力矩扳手使用简便、费用较低，因此普遍采用。但由于存在直接或间接地影响摩擦力的因素，诸如表面粗糙度、涂镀层、润滑，以及扳拧速度等等，即使施加相同力矩，其预紧力的偏差也可高达士25。b螺母转角法：螺母转角法
18、是先使用一个较低的初始扭矩将螺母拧到“密贴位置”，然后再将螺母转动一个预定的角度，以获得所要求的预紧力。该安装方法中确定“密贴位置”是关键(会随不同使用场合而变化)。将螺母转动角度是为了消除关系到最终精确度的所有摩擦变量之影响。一般对粗牙螺纹螺母连接夹层厚度小于200mm，从“密贴位置”开始转动12圈时，所得到的预紧力将等于或稍大于螺栓的保证载荷；对夹层厚度大于200mm，推荐从“密贴位置”开始转动23图。c钡0量紧固件的伸长量：测量紧固件的伸长量是一种精准的装配技术，。这种方法是将螺栓拧到一个预定的拉应变值，如果能够从所用的紧固件“预紧力伸长量”曲线中获得预应变值，则可达到最高的精确度。但在
19、大多数情况下，是5按虎克定律来计算预期的伸长量的。因此，由于受不均匀断面的影响，只能获得近似结果。这种方法既费时又昂贵，因此通常用于特殊场合，如电站设备安装大直径的螺栓，或其他不能采用扭矩法或螺母转角法而又对预紧力精度要求较高的场合。d直接控制预紧力的方法：直接控制预紧力的方法适用于安装控制要求较高的使用场合，酃在安装过程中测量预紧力，并加以控制。目前常用的方法有采用带测力装置的安装机，如液压安装机，在安装时不是靠拧紧螺栓或螺母来达到夹紧的目的，丽是采取机械的方法对螺栓施加规定的轴向负荷，使其产生弹性变形，再旋紧螺母，完成装配。也有采用测量螺栓应力或应变或变形的方法测定预紧力，据此进行安装控制
20、。般情况下，直接控制安装预紧力需要使用专门的装置或掌握专门的技术，费用较高，应用面受到定的限制。e扭矩控制法：扭矩控制法是为了以经济的方法获得满意的预紧力，采取间接测量和控制预紧力的方法。扭矩控制法是通过扭矩系数将预紧力换算成装配扭矩，使用定扭矩或测扭矩装配机或扳手控制装配扭矩，或利用紧固件自身结构保证拧紧扭矩(如扭剪型螺栓连接副，折头螺栓等)，间接达到控制预紧力的目的。为了达到预期的目的，要求连接副的扭矩系数能预先准确测定，并通过表面处理或使用润滑剂保证同批零件的扭矩系数具有较好的一致性。如，OBT 1231-199l Hl中明确规定同批连接副的扭矩系数平均值为0110O1 50，扭矩系数标
21、准偏差应小于或等于O001，在施工中要测定每批零件的实际摩擦系数，据此控制安装扭矩。在工程实践中，也有采用转角法、屈服点拧紧法等控制方法的。312有效力矩型锁紧结构有效力矩是在螺纹连接副不承受轴向载荷的情况下，平稳旋转螺母时，所测得的旋转力矩。该力矩具有阻抗螺纹连接副之间相对旋转的锁紧功能。有效力矩型锁紧螺母，就是在螺母没有轴向载荷的情况下，就有锁紧力矩存在。所以这种螺母的锁紧性能不仅仅取决于螺纹连接的预紧力。有效力矩型锁紧螺母的这一特点，使它更适于连接抗压能力较差的结构(如铝合金、复合材料等)，己得到广泛的应用。按螺母弹性材料的不同，有效力矩型锁紧螺母又可分为全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺
22、母。3121全金属锁紧螺母全金属锁紧螺母韵结构形式很多，但常见的主要有压扁牧口型锁紧螺母、开槽收口型锁紧螺母和金属嵌件锁紧螺母等。压扁收口型锁紧螺母是螺纹加工后在螺母特定的锁紧部位进行压扁收口，使螺母体局部螺纹发生轴向或径向变形。将有效力矩部分减薄后收口，见图2，由于局部减薄，弹性变形量大，降低了变形量的控制一致性要求有效力矩的一致性得以提高；开槽收口型锁紧6螺母是在螺母的上端进行开槽并收口变形，使螺纹孔改变为直径稍小的近似圆形，见图3。目前国内主要在航空航天领域使用较多压图3全金属开槽收口型锁紧螺母锁紧部位的螺纹与螺栓旋合时，受到螺栓螺纹的挤压而恢复原状，从而使螺母产生弹性变形和弹性变形力，
23、由弹性交形力对螺栓螺纹的干涉作用，产生阻止旋转的摩擦力矩一一有效力矩。全金属锁紧螺母的锁紧性能取决于螺母体材料的弹性。由于低机械性能等级的螺母在拧入螺栓时容易使其非圆收口部位产生塑性变形，难以保证弹性锁紧的性能要求，所以全金属锁紧螺母更适合于机械性能等级较高的螺母。全金属锁紧螺母的工作温度受螺母材料和镀层的限制。金属嵌件锁紧螺母在螺母体内嵌入金属弹性元件，装配时外螺纹迫使金属弹性元件变形产生有效力矩，这类螺母的弹性元件可以用与螺母基体不同的弹性更好的材料，对嵌件的位置的要求较高，有时会划伤外螺纹表面。全金属锁紧螺母，适用于各种不同型式的螺母，如：六角、12角r双六角)、六角花形等外扳拧结构的螺
24、母，各种固定托扳、游动托扳螺母，以及各种卡装、压装螺母等，工作温度可以比较高。要求配用螺栓有足够高的强度和足够高的螺纹精度。3112非金属嵌件锁紧螺母非金属嵌件锁紧螺母的结构形式也很多，常用的主要是尼龙圈锁紧螺母，这种螺母的结构是在螺母的上端嵌装一个其内径比螺纹中径稍小的尼龙圈(见图4)。当配用螺栓和尼龙圈接触后挤压尼龙圈，将尼龙圈挤压出内螺纹，并紧7审画一避痧国一坠鲑一盛办紧“抱住”螺栓螺纹。由于这种过盈(干涉)配合的作用，形成阻抗螺纹旋转的摩擦力矩，从而使螺母具有锁紧防松功能。图4尼龙剿锁紧螺母 、a尼龙圈锁紧螺母的有效力矩：尼龙圈锁紧螺母的有效力矩来自于尼龙圈，其锁紧性能主要取决于尼龙圈
25、材料和尺寸。尼龙材料具有很好的韧性、弹性和耐磨性，能有效地吸收外来冲击振动，并有良好的复原性和重复使用性。所以，这种螺母的锁紧性能比全金属锁紧螺母好得多，有很高的防松可靠性。由于其锁紧性能和螺母体材料无关，更被广泛用于较低强度等级的锁紧螺母，对外螺纹的精度也要求不高。常用的尼龙材料有尼龙66和尼龙lOl0，为了延长尼龙材料的抗老化寿命，常常在尼龙材料里添加防老化剂。b尼龙露锁紧螺母适用的丽境温度：受尼龙材料的影晌，螺母的工作温度一般为50100(国外某些汽车用的尼龙圈锁紧螺母工作温度可达140)。c尼龙圈锁紧螺母适用的环境介质：尼龙材料化学性能属惰性物质，它不受工业中通常使用的大量化学产品的腐
26、蚀。如：二硫化碳、三氯乙稀、汽油、煤油、醛弱碱、一般溶济、苯、普通碳氢化合物、十六烯浓缩碱、酒精、肥皂和洗涤济；发动机油不会侵蚀尼龙，二者间不相互污染；尼龙可靠大多数有机酸，但甲酸、甲酚、苯酚；尼龙受无机酸与强碱的腐蚀，它不适用于浸泡在镀镍的酸槽中或酸溶液中或者铝的或铬的阳极处理的含硫溶液中。因此，尼龙圈锁紧螺母必须先进行表面处理，后完成组装的工作。d尼龙圈锁紧螺母尼龙老化问题：尼龙圈锁紧螺母的尼龙老化问题也是困扰使用这种螺母的重要因素。在尼龙材料里添加防老化剂，并在避热、避光的环境下贮存，檑对老化寿命会成倍她提高，但也很难准确地测定尼龙豹老化寿命，所以，要定量地规定螺母的使用期限，保证螺母在
27、不老化的情况下使用，确实很难做到。根据我国使用经验，即使在恶劣环境下装机使用长达数年、尼龙已经老化的情况下，锁紧螺母的松动力矩仍然处在标准规定的范围内，螺母没有松动。尽管如此，我们在研究制定尼龙圈锁紧螺母的国家标准时，亦应尽量筛选了防老化尼龙材料。关于尼龙老化问题国标工作组认为：尼龙圈锁紧螺母除很小的顶端面暴露在外，其余完全包在金属体内，故对尼龙圈锁紧螺母老化的研究可不考虑光老化问题，而仅放在热老化的问题上，因此，委托上海塑料研究鑫一一固所进行了非金属嵌件锁紧螺母的热老化试验工作，简介如下：e对相配外螺纹件的要求：由于螺母结构的原因，在与其相配外螺纹件上不得有毛刺、开口销孔；安装后外螺纹的末端
28、最少露出1，5扣螺纹；绝对不得在尼龙圈上攻丝，以及对尼龙圈锁紧螺母制成品不得进行表面处理。非金属嵌件有效力矩型锁紧螺母的有效力矩部分为无螺纹的尼龙环，装配时靠外螺纹在尼龙环上攻出螺纹，靠嵌件的弹性变形产生有效力矩，防松性能优良，可用于冲击、振动较恶劣的工况条件，可重复使用，使用温度在100以内为宜。3123带尼龙嵌件的防松螺钉螺纹连接的防松措施中，目前已标准化的仅为内螺纹产品。IsO紧固件标准中，对1型、2型和法兰面螺母都制定发布了非金属嵌件和全金属锁紧螺母，对薄螺母也制定发布了非金属嵌件的标准。但至今，尚无任何有关外螺纹锁紧紧固件的标准、文件甚至制定IS0标准的计划。带尼龙嵌件的防松螺钉是在
29、螺钉杆部横向孔内嵌入尼龙柱，装配时尼龙柱受内螺纹挤压产生变形，其弹性使之与内螺纹紧密配合，产生有效力矩，防松效果趋好，但使用中须保证尼龙柱在内螺纹内处于合适的位置。3124 vRFS2型防松螺栓vRFs一2型防松螺栓采用不同于普通标准螺栓的牙形，即在其螺纹底部有一与螺纹轴向夹角成34。38。的楔形斜面(见图5)。- !，一j、 J一r一、 _r一jj，公一么拴、一久堕线jj。、j。歹jjjj r立，、V ii，1，。j。j i，一 7图5 VRFs一2型防松螺栓螺纹从普通螺栓连接副的光弹试验图(见图6a)可以看出，外螺纹的螺纹外径与内螺纹的螺纹底径之间存在一定的间隙，这种间隙是由现行的工业标准
30、所规定的，当遇到由外界的冲击、振动而引起的径向载荷时，普通螵栓副的螺母和螺栓之间将会产生径向位移，从而减少了内外螺纹啮合面间的摩擦力，造成螺栓连接副的松脱。9a b图6 vRFs一2型防松螺栓连接副光弹试验图从vRFs一2型防松螺栓连接副的光弹试验图(如图6b)可以看出，当VRFs一2型防松螺栓与普通内螺纹形成连接副，并施加一定的拧紧力矩后，内螺纹与外螺纹不再象普通标准螺栓连接副那样呈侧面接触，而是内螺纹的牙尖紧紧地顶在外螺纹牙底楔面上，消除了径向的间隙，并沿整个啮合螺纹长度形成了一个连续的螺旋形接触面，加上螺纹在接触部位角度的变化，提高了连接副的摩擦力。从而达到了防止螺栓连接副自行松脱的功能
31、。VRFs一2型防松螺栓连接副与普通螺栓副加弹簧垫圈的横向振动试验分析见表2、图7、表3和图8。表2 普通螺栓副加弹簧垫试验数据试验编号 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均初始轴力 755 752 758 755 758 767 758 75，1 765 766625次轴力 469 40O 578 602 389 438 449 466 510 558125次轴力 326 76 425 503 8O 216 181 203 21_O 18418775次轴力 179 21 226 412 40 69 44 62 76 44250次轴力 101 12 183 161 21 23 30
32、32 40 243129次轴力 76 12 156 26 15 19 22 31 26 163755次轴力 61 12 140 10 15 19 20 31 26 16残余轴力初始轴力() 81 16 49 13 20 25 26 41 34 21 7610轴力图7普通螺栓防松试验曲线图N(次数)表3 VRFS一2型防松螺栓试验数据F(kN)O试件编号 12 19 10 13 16 2l 15 11 3 4 平均初始轴力 548 625 686 744 632 611 650 553 544 50130秒钟轴力 5I1 571 655 70，9 622 586 62，6 537 544 501
33、60秒钟轴力 484 556 65O 684 600 552 6l，7 509 539 50，590秒钟轴力 472 544 641 68，4 594 549 602 473 527 498120秒钟轴力 462 533 635 684 594 546 599 461 523 492残余轴力初始轴力() 84 3 853 926 919 94O 885 922 834 961 982 907轴力F图8 VRFs一2型防松螺栓的试验曲线圈N(次数)从两种螺栓的对比试验可以看出：VRFs一2型防松螺栓在试验条件比普通标准螺栓表现出很强的防松能力，可以替代普通螺纹螺栓连接副用于高载荷、据烈振动、冲击
34、的场合。3125唐氏螺纹紧固件a唐氏螺纹：唐氏螺纹是由左旋右旋两种螺旋线复合在同一螺纹段上，既有左旋螺纹的特点又有右旋螺纹的特点，它既可与左旋螺纹配合又可和右旋螺纹配合。MRL一米制左右复合螺纹(唐氏螺纹)；M表示米制螺纹：R表示右旋螺纹；L表示左旋嫘纹。b防松原理：连接时，在制出唐氏螺纹的外螺纹件(螺栓、螺钉、螺柱及地脚螺栓)上，使用两个不同旋向的螺母：工件支承表面上的螺母称为紧固螺母，装在该螺母上的称为锁紧螺母(见图?)。在振动、冲击条件下，由于紧固螺母的松退方向正是锁紧螺母的拧紧方向，因此阻止其松退，以此达到防松目的。c防松效果：经横向振动试验120秒后仍能保证82的预紧力，其防松效果明
35、显3126小结在我国总体而言，采用防松紧圃件还不够普遍，这样从莱一侧面也反映了有关产品的设计恩路还不够开阔，对连接紧固的可靠性考虑不足。上世纪七十年代我国就开始进行防松紧圃件标准化研究，并制定了部分标准，对推动紧固件更新换代打下良好基础；八十年代围绕汽车更新换代，一汽、二汽等企业开展了连杆螺栓等产品的防松性能使试验，为汽车紧固件选型和确定安装工艺提供实验数据；近年来，围绕铁路提速，有关单位，尤其是紧固件生产企业投入了大量人力、物力研究开发了一些新型防松紧固件，有的已经进入实用阶段，为我国铁路提速的线路、设施改造做出了贡献，还有的申请了专利。一些新的防松紧固件仍处于试验阶段，可以相信，在不久的将
36、来，会有更多的防松紧固件标准问世，使用者的选择余地将大大增加。这些进展，对我国防松紧固件的设计、生产、使用起到了至关重要的作用。313使用垫圈在螺纹紧固件连接副中，垫圈被大量使用。目前使用的垫圈主要有平垫圈、弹簧垫圈(见图9)、弹性垫圈(见图lO、图ll和图12)。平垫圈主要用于改善支承面的接触状态，保证支承面的摩擦系数稳定，对防松有一定的辅助作用；弹簧垫圈用异型截面弹簧钢丝卷制而成，利用其弹性产生轴向力，提高连接的弹性，横向振动试验结果表明其在这种试验条件下防松效果较差；齿形弹性垫圈带有扭曲的齿，经淬火处理，硬度比较高，装配时被拧紧的螺母挤压趋平，垫圈的齿产生弹性变形，同时齿的局部可以嵌入支
37、承面，形成防松作用，弹性均匀，防松效果较好，会划伤零件表面，在某些特定的场舍下，划伤零件表面正是人们所希望的，如用于表面涂漆的零件上的接线柱，可以划破漆皮，保证导电性能。外齿图9弹簧垫圈性垫厅隅图lI 齿形弹性垫圈辱 电鬯 岁外齿内齿内齿图J2锯齿形弹性垫圈32 自由旋转型锁紧结构自由旋转型锁紧螺母只有在螺纹组合件拧紧到螺母产生预紧力后，在预紧力的作用下，螺母才具有阻抗连接松动的阻力矩。不具有有效力矩部分，在连接副尚未产生轴向力之前，螺母没有任何锁紧防松能力，并可在螺栓上自由旋甲。一l一觏帅j争飞转，所以称为自由旋转型锁紧螺母。自由旋转锁紧螺母的锁紧性能在很大程度上与锁紧机理有关。常见的锁紧机
38、理有以下三种，并据此分为多种型式的自由旋转锁紧螺母。一主要依靠提高螺母与支承面之间摩擦力实现锁紧：一主要依靠提高内外螺纹接触面间摩擦力实现锁紧；一主要依靠消除内外螺纹之间的间隙实现锁紧。321 齿面螺母齿面螺母的支承面上有单向斜齿(见图13)，当螺母被拧紧后螺母支承面上的斜齿在预紧力作用下会嵌入被连接基体的表面，能防止螺母松动，但这种螺母不能使用垫圈，而且齿面对安装表面有破坏作用。需要注意的是：选用这种螺母时，与其相配的外螺纹件应采取相应的止动(如选用一端固定不动的螺柱)或防松(如选用头下带齿的防松螺栓)措施，否则这种螺母不能有效地防止内外螺纹间的相对转动。 圆图13齿面螺母322 弹性螺母弹
39、性螺母是种单扣弹性锁紧螺母(见图14)，拧紧后拱形面被压平会产生轴向弹力，同时单扣螺纹向内收口、挤压、夹紧外螺纹件，阻止内外螺纹件相对转动。由于这种螺母只有扣螺纹，连接强度、预紧力等都很低，汽车行业使用较多。在采用扣紧螺母(见图15)作为副螺母的双螺母锁紧结构中，所采用的扣紧螺母就是一种单扣弹性锁紧螺母，在电力输送铁塔及变压器行业广泛使用。巨璺毫当丽 矛姊性婚已图14单扣弹性螺母图15扣紧螺母323 改变螺纹牙形这是一种典型的自由旋转型锁紧螺纹，这是近十几年引入我国的一种结构形式，对这种螺纹还没有标准化，称谓也没有统一，如称为楔形螺纹(航空航天)，sT2型螺纹(铁道车辆用)或旌必牢(spira
40、lock)螺纹(美国称谓音译)。其牙型与普通螺纹牙型基本相同，唯一的区别是在内螺纹的大径上有一个大约300的楔形斜面，见图16，与其相配的外螺纹件仍是标准的普通螺纹。丧形斜面图16楔型螺纹当螺栓拧入内螺纹时，螺栓螺纹的牙顶挤压内螺纹楔形斜面，由此产生锁紧力矩。锁紧力矩的大小，与外螺纹的挤压力有关，也就是与螺栓的预紧力有关。预紧力消失，锁紧力矩也就不存在。要实现锁紧效果，装配时必须施加一定的者拧紧力矩。通常，螺纹连接的接触都是在内、外螺纹中径部分里面接触，而楔形螺纹连接的接触部位则是外螺纹的牙顶和内螺纹楔形斜面的线接触，见图17。这种接触形式能将载荷较均匀地分布在各个螺牙上，从而使连接更坚实，并
41、减少应力集中，提高抗疲劳性能。由图17可见，螺纹连接被拧紧后，普通螺纹有增强剪切应力的可能，而楔形螺纹则是产生更大的径向压力一一使连接更加稳固的力。300楔形斜面沿螺纹圆周形成螺旋形60。内锥面，当螺母被拧紧后内锥面则紧紧地挤压在整个旋合长度内每一扣外螺纹的牙顶上，由300斜面产生的径向压力使螺母将外螺纹件紧紧握住，有效防止内外螺纹间的移动，从而使楔形螺纹螺母具有优异的抗横向振动的能力，而这种横向振动正是导致螺纹连接松脱的主要原因。印呦楔形螺纹螺母具有好的重复使用性。螺母的重复使用性受多种因素的影响，机械工业通用零部件产品质量监督检测中心进行重复使用性试验，经装卸50次后，进行横向振动试验，没
42、有发现螺母的锁紧功能有明显减小的情况。预载荷锁紧螺纹 普通螺纹图】7楔形螺纹螺母和普通螺纹螺母承载应力分布比较楔形螺纹螺母连接的接触形式，降低了承载能力对螺纹精度的敏感性，因而对螺纹精度要求不高。这种螺纹较均匀的受力状态提高了螺纹的承载能力，因而，可以相对降低对螺母和配用螺栓强度、材料的要求。此外，这种螺母的结构简单，不需要外加锁紧部分(如收口部分)，也不需要其它锁紧元件(如尼龙圈等)，因而尺寸紧凑、重量轻。这种螺母的工作温度也仅仅受材料和表面涂覆的影响。在不用螺母的将螺栓宜接拧入机体的螺纹连接中，同样可以采用楔形内螺纹，并有很高的防松功能。安装楔形螺纹螺母时，旌加和普通螺纹螺母相同的安装力矩
43、就可以产生较强的紧固力。但由于这种螺纹的防松功能依赖于足够的预紧力，同时从图9可知，如果要得到和普通螺纹连接相同的预紧力，对楔形螺纹螺母施加的安装力矩则要路大一些(平均约大lO20)。33机械式锁紧机械式锁紧(又称刚性锁紧或直接锁紧)是通过剐性限位结构实现锁紧的。16它要求螺母和外螺纹件都具有止动结构，同时还要配以止动零件。机械式锁紧结构比较复杂，安装比较费时，止动构件一般也不能重复使用，但机械式锁紧可有效防止内外螺纹件间的相对转动，具有很高的防松可靠性。六角开槽螺母是最常用的机械式锁紧螺母，其上部有止动槽，而相配螺栓须有开口销孔。螺母拧紧后须使螺母上的槽对准螺栓上的开口销孔，并用开口销固定之
44、。由于这种锁紧结构可靠性高，而被用于重要连接的防松，见图18。图18 六角开槽螺母和皇冠螺母的锁紧结构侧面开槽圆螺母和端面开槽圆螺母，它们的槽既可以用来扳拧螺母，也可用来锁紧。用来锁紧时，需要配用的外螺纹件带有纵向槽等结构，并使用止退垫圈、止动片等，见图19。这类圆螺母的直径大而高度低，装配预紧力相对较低，所以常用这类方式实现止退防松。国匡岛如图19 侧面开槽和端面开槽圆螺母用槽作为锁紧结构其实六角螺母也可以通过附加止动垫圈进行防松，见图20。但需要注意的是，这种锁紧方式仅仅限制了螺母与被连接件之间的相对转动，不能防止内外螺纹之间的相对转动，不能算是真正意义上的锁紧。盛国蕊西图20六角螺母配止
45、动垫圈的“锁紧”带保险丝孔的螺母(见图2l配金属丝主要用于成组螺母的防松。加铅封，可用于重要的不允许随便拆卸的连接。34破坏运动副关系使用冲头使螺栓和螺母的螺纹局部变形，偏离原牙型轮廓，使其局部不能与正常螺纹向啮合，破坏原运动副的运动关系，一般不可重复使用，如欲拆卸，须使用较大的扭矩将螺母拧出或将其破坏，这种方法目前已较少使用，特别是在大批量生产的情况下基本上不用。图22是采取螺栓(或螺钉)露出螺母部分螺纹和螺母端面冲点铆接的方法防松示意图。每酷(b) (c)图2l 具有封印结构的螺母直接锁住厂fH 角I( 蝼图22端面冲点铆接35 粘结粘结是将螺栓和螺母或与被连接件粘结在一起，达到防松的目的
46、。用于大批量生产的粘结螺栓，一般是在紧固件制造厂将厌氧胶涂在零件上并经干燥处理，形成微胶囊，这种微胶囊表面干燥，没有粘感。装配时，微胶囊受挤压破裂，胶液溢出，将螺栓和螺母粘结牢固。可拆卸型粘接，拆卸时只要施加足够的力矩即可，一般情况下，在一定的期限内，可以重复使用有限次数，也有的粘接是一次性的。永久性粘接一旦安装后经过段时间的固化就形成永久性连接，不可拆卸。第四章润滑41 润滑的作用对于螺纹紧固件，包括大量的防松紧固件，螺纹副表面的润滑是很重要的，它能显著改善连接副的工作性能。润滑的主要作用有三：第一，防止螺纹旋合时出现擦伤或卡死，保证得到理想的预紧力和可重复使用；第二，稳定锁紧力矩，能使第1
47、次拧入最大力矩趋小，提高防松的可靠性第三，使紧固系统具有良好的扭一拉关系。鉴于润滑的重要作用，在产品上安装没有润滑层的全金属锁紧螺母时，应在螺纹上添加润滑荆，除非螺母的工作环境不允许添加润滑剂。42常用的润滑剂在实际使用中常用的润滑剂有中性润滑油及油膏、二硫化钼、石墨和极性腊等。421中性润滑油及油膏它是最普通的螺纹湿膜润滑剂，在润滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用温度不能超过120，否则油和油膏会熔化和蒸发，降低润滑粘度，建立不起润滑油膜，出现基体金属直接摩擦，失去润滑作用。它也不能用于真空环境。由于大部分润滑油具有较高的粘度，会长期附着在零件表面，形成一定程度的污染。422二硫化镏
48、它是最常用的一种干膜润滑剂，以干的薄膜形态牢固地粘结在成品螺母上，安装螺母时不必再添加额外的润滑剂。二硫化铝干膜润滑剂是一种优良的螺纹润滑剂，可用于真空环境。但在接近399温度时，二硫化钼会转化成具有研磨剂作用的三硫化钼，对连接是有害的。423石墨干石墨粉加油、油膏(如凡士林)或水，使其润湿后便成为良好的螺纹润滑剂。它的最大使用温度受油或水的沸点所限。干石墨是研磨剂，在液体蒸发后，千石墨会对螺纹造成损害。424极性腊极性腊是指十六酵、十八醇等腊类润滑剂。因为它带有极性，因而能以干薄膜的形态粘附在成品螺母上。极性腊的润滑功能很好，它能使旋合螺纹的摩擦系数降低三倍，因此能显著地降低并稳定全金属锁紧螺母的第1次拧入最大力矩以及提高多次装拆后的拧出最小力矩。它对稳定紧固系统的扭一拉关系也有良好的效果。与黑色的二硫化铝不同，这类润滑荆的干膜层是透明的，不影响紧固件强度区分标志以及因安全等使用要求所必需的螺母着色。蜡类澜滑剂的熔点约为55，因此，它只适用于常温。t9第五章 常用防松性能试验方法究竟一种结构是否具有防松性能，防松效果孰佳孰劣。要靠科学的实验方法来鉴定，到目前为止，用于评价紧固件的防松性能的试验方法主要有三种，包括地脚螺栓
