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知識干貨 | 緊固件防松方式，我應(yīng)該選哪種？
來源：GAF螺絲君
2021-05-08
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背 景
緊固件作為機械基礎(chǔ)件，其趨勢是從結(jié)構(gòu)緊固件向功能緊固件方向發(fā)展。隨著國內(nèi)汽車、高鐵、航空等產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展，對緊固件的防松性能要求越來越嚴(yán)格。
目前緊固件防松形式較多，沒有統(tǒng)一的指導(dǎo)原則，在設(shè)計選型時缺少依據(jù)。因此評價緊固件防松性能就顯得尤為重要，通常在設(shè)計選型時通過理論計算和試驗對比的方法對防松性能進行評價。
目前國內(nèi)外對于緊固件防松性能的試驗測試，主要通過兩種方法：
GJB715.3-89(加速振動試驗方法》，該方法加載方式和振動、沖擊條件更接近于各種緊固件的實際使用狀態(tài)，尤其在評定緊固件防松連接的防松脫壽命方面是不可或缺的方法，主要用于航空航天行業(yè)。
GB/T10431-2008《緊固件橫向振動試驗方法》，該方法可以精確地測量緊固件連接在振動試驗過程中預(yù)緊力的變量，描述試驗中預(yù)緊力的變化過程，給出預(yù)緊力與振動次數(shù)(或時間)的關(guān)系曲線圖，并以預(yù)緊力下降的變量作為衡量緊固件連接松動的準(zhǔn)則，試驗效率高，除航空航天以外各行業(yè)均適用。
通過橫向振動試驗法對幾種常用的防松緊固件進行試驗比較，為防松緊固件的選用及更大規(guī)模的試驗提供參考。
一、對比試驗
試驗選取了5種防松緊固件進行對比，每種緊固件抽取10組各性能指標(biāo)合格的樣品，分別為：
螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+平墊(GB/T97.1)；
螺栓(GB/T5782)+變牙型防松螺母(TB/T3019)；
螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+彈簧墊圈(GB/T93)；
螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+自鎖墊圈(Nord-lock)；
螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+安全墊圈(VS型)。
本次試驗選用的螺栓規(guī)格為M14，性能等級為10.9級；螺母性能等級為10級，平墊為300HV。
二、試驗方法
對比試驗按照GB/T10431-2008進行3000次橫向振動，并實時記錄試驗螺栓預(yù)緊力衰減情況。
螺紋連接中擰緊扭矩T、螺栓軸向預(yù)緊力F與螺栓公稱直徑d之間的關(guān)系，可由扭矩系數(shù)來表達(dá)：T=KxFxd(1)
由于樣品之間扭矩系數(shù)K的差異會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，本次試驗沒有采用規(guī)定擰緊扭矩相同的方式，而是采用規(guī)定初始軸向預(yù)緊力相同的方式進行試驗。初始預(yù)緊力為螺栓樣品70%屈服強度下的軸向拉力，即：F=(RpO.2xAs)x70%(2)
式中：
F為初始軸向預(yù)緊力；
Rp0.2為螺栓樣品規(guī)定非比例伸長應(yīng)力，Rp0.2=640MPa，參見GB/T3098.1-2010；
As為螺栓公稱應(yīng)力截面積，As=157mm,參見GB/T3098.1-2010。
評判標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)過3000次即240s橫向振動試驗后，殘余預(yù)緊力與初始預(yù)緊力的比值不小于70%即可判定該樣品防松性能合格。
三、試驗結(jié)果與分析
（一）螺栓+普通螺母+平墊
第1組試驗采用普通螺母和平墊，平墊從原理上不具有抗振防松性能，故作為對比試驗的參照組。
從圖1中的軸向力-時間曲線可以看出，90%的螺栓試件的軸向力在試驗開始后的30s內(nèi)急劇下降，表示在30s內(nèi)螺栓與螺母的螺紋靜摩擦副快速失效，螺栓預(yù)緊力已完全損失，從而引起螺栓連接的松動。
由該組試驗結(jié)果可以得出普通螺母和平墊圈在動載、沖擊、振動的工況下基本不具有防松功能，因此使用防松緊固件對提高機械連接可靠性是十分必要的。
圖1第1組預(yù)緊力衰減曲線
（二）螺栓+變牙型防松螺母
第2組試驗采用變牙型防松螺母，從圖2的軸向力-時間曲線可以看出，經(jīng)過240s橫向振動試驗后，除樣品9的殘余軸力與初始軸力的比值小于70%外，其余樣品的殘余軸力均能滿足試驗合格的評判標(biāo)準(zhǔn)，并且殘余軸力與初始軸力的比值平均值在85%以上，該組試驗顯示了變牙型防松螺母具有比較良好的防松性能，能夠在動載、沖擊和振動的工況下保持螺紋自鎖。
圖2第2組預(yù)緊力衰減曲線
變牙型防松螺母螺紋與米制螺紋不同，其牙底處有一個30。的楔形斜面，當(dāng)內(nèi)外螺紋旋合后，螺栓外螺紋的牙頂會頂在內(nèi)螺紋的斜面上，使螺紋接觸時產(chǎn)生的法向力與螺栓軸線成60°，而不是米制內(nèi)螺紋的30°，使得螺紋間的法向壓力由F/sin60°變?yōu)镕/sin30°。
當(dāng)螺紋間摩擦因數(shù)、軸向預(yù)緊力F相同時，帶楔形斜面的螺紋產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通米制螺紋產(chǎn)生的摩擦力，大大提高了防松力矩。
此外帶楔形斜面的螺紋消除了米制內(nèi)外螺紋配合時第1、第2嚙合面承載較大，整個螺紋旋合部分受力不均勻，存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，有效提高了防松抗振性能，如圖3所示。
圖3SPL螺紋與米制螺紋
螺栓螺紋大徑由于與斜面接觸會產(chǎn)生變形，在重復(fù)使用時可能會導(dǎo)致軸向力的衰減，一定程度上影響其重復(fù)使用性能。
（三）螺栓+普通螺母+彈簧墊圈
第2組試驗采用常見的標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈，從圖4表明全部試驗樣品的軸向預(yù)緊力在試驗開始后30s內(nèi)快速下降至0kN，即螺紋連接已發(fā)生松動失效。
圖片試驗時間/S
圖4第3組預(yù)緊力衰減曲線
彈簧墊圈靠彈性變形被壓平而產(chǎn)生的彈性反力，對螺栓連接副的軸向力有持續(xù)的補償作用，防止螺栓由于持續(xù)振動產(chǎn)生疲勞而發(fā)生松動。同時有松動趨勢時彈墊的斜口尖端抵住螺栓或螺母支承面與被連接件表面，起到止退和防松作用。
然而試驗證明，在強烈沖擊和振動的條件下彈簧墊圈基本起不到防松的作用，原因是彈簧鋼材質(zhì)的墊圈切出一個開口后再經(jīng)彈性變形處理，其彈性反力大大降低了；同時墊圈尺寸較窄，螺栓頭部與被連接件之間接觸面的等效直徑變小，顯著減少了這部分的摩擦止退力矩。
彈簧墊圈在快速擰緊時還存在易脹圈、開口斜角尖端易損傷連接面的問題，因此本文中不推薦在振動較強烈、松動風(fēng)險較大的關(guān)鍵連接部位單獨使用彈簧墊圈作為防松手段。
（四）螺栓+普通螺母+自鎖墊圈
第4組試驗釆用雙層齒形自鎖墊圈（Nord-Lock），經(jīng)過240s橫向振動后10組樣品殘余軸力與初始軸力的比值在82.51%-87.61%，如圖5所示，全部滿足防松性能試驗合格的標(biāo)準(zhǔn)。
圖5第4組預(yù)緊力衰減曲線
雙層齒形自鎖墊圈層間有斜齒相互嚙合，墊圈兩安裝面上有放射狀鋸齒，擰緊時放射狀鋸齒能夠嵌進螺栓或螺母支撐面及安裝面。
當(dāng)受強振螺栓或螺母出現(xiàn)松動趨勢時，墊圈層間的斜齒處會出現(xiàn)錯動抬升，斜齒坡度角a大于米制螺紋升角能夠使螺栓拉長起到穩(wěn)定預(yù)緊力作用，是通過拉伸螺栓增加預(yù)緊力來防松，如圖6所示。
圖6NL墊圈
使用該墊圈必須有較大的預(yù)緊力才能使連接件和螺栓或螺母支承面上產(chǎn)生壓痕并成為一體，沒壓痕將不能發(fā)揮出該墊圈的防松功能，即該型墊圈適合高強度緊固件的防松。
（五）螺栓+普通螺母+安全墊圈
第5組試驗釆用安全墊圈（VS型），經(jīng)過240S強振后10組樣品的殘余軸力與初始軸力的比值平均值約為86.7%，如圖7所示。每組樣品殘余軸力與初始軸力的比值均大于70%，即全部滿足防松性能試驗合格的評價標(biāo)準(zhǔn)。
圖7第5組預(yù)緊力衰減曲線
圖8安全墊圈
當(dāng)緊固件處于變載、振動和沖擊的工況，選擇適當(dāng)、可靠的防松型式對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和運行安全性格外關(guān)鍵。分析得出：
標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈的防松性能并不可靠，由于其安裝方式簡便，成本低廉而在各行各業(yè)得到大量的運用，這是存在一定風(fēng)險的。
變牙型防松螺母技術(shù)由國外引進，經(jīng)過國內(nèi)十幾年的吸收、改進，已經(jīng)逐漸適應(yīng)了國內(nèi)軌道行業(yè)的需求，防松性能可靠，成為一種軌道行業(yè)比較通用的防松緊固件產(chǎn)品。
選用的自鎖墊圈和安全墊圈為進口國外廠家的專利產(chǎn)品，其防松性能穩(wěn)定可靠，但使用成本相對較高，如能夠建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，完成國產(chǎn)化，將有利于大規(guī)模應(yīng)用。
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