緊固件防松性能定量評價方法摘要：螺紋連接通常具有結構簡單、裝拆方便、連接?國家自然科學基金(51975055)，國防基礎科研核科學挑戰專題(TZ2018007)和天地科技股份有限公司創新創業基金重點(2020-2-TD-ZD002)資助項目。20200814收到初稿，20201212收到修改稿可靠、互換性好、價格便宜等優點，在各種機械產品和工程結構中應用十分廣泛。大量的工程經驗表明，在振動環境下，螺紋連接容易出現松動失效。螺紋連接松動失效問題嚴重影響著機械產品的可靠性和壽命，工程中由于螺紋連接松動失效所引發的質量問題和事故屢見不鮮。為了防止螺紋連接的松動失效，人們通常會使用具有防松作用的緊固件，如各種防松墊圈和防松螺母。然而，各種防松緊固件到底能在多大程度上提升螺紋連接的防松性能呢？對于這個基本的問題，目前并沒有準確的答案。這造成了許多爭議，也給緊固件的設計、制造、選型及使用帶來了許多問題。關鍵詞：緊固件；防松性能；評價方法；引言安裝螺紋螺栓固定螺栓而不松開。若要解決螺紋聯接的防松問題，請將螺紋聯接分析為鏈，研究螺紋聯接的松弛和規律性，并進一步分析螺紋聯接。螺紋聯接的松弛指數和性能指標因螺紋聯接的擰緊程度而異，因為在緊縮過程中必須有放松的趨勢。螺栓越緊，放松的傾向越強。螺絲鎖系統是兩個方面的矛盾。鎖定時，大多數螺紋聯接的軸向應力可用于測量釋放的程度。在螺紋聯接鎖緊系統的振動釋放性能中，軸向張力-振動時間(線)性能是指緊固件鎖緊系統隨振動時間的變化而減小，反映了鎖緊系統在振動條件下的釋放。同樣，釋放鎖緊系統可能會對其他重要的連接元件產生負面影響。1基本概念螺栓螺母配合后向內部物體施加的力，叫夾緊力；螺栓螺母配合使用后，夾緊力比初始鎖緊狀態小，即為螺栓松脫；螺栓失效常見形式是夾緊力不足，夾緊力不足有以下2種可能：1）初始鎖緊夾緊力小。因接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、鎖緊力矩不夠、摩擦系數的變化等因素，都會導致螺栓的初始鎖緊狀態夾緊力不足；2）使用后夾緊力變小。因螺栓承受交變載荷、振動或高溫環境等影響因素，夾緊力隨著使用周期的變長而減小，甚至夾緊力可能完全消失。第一種情況，可以通過螺栓螺母的配合結構、原材料、生產過程控制、表面處理以及規范鎖緊力矩進行規避；但第二種情況，這種失效模式危害性更大，是行業內一直在致力改善的問題。2緊固件軸向夾緊力螺紋螺栓通過向“緊固”工具施加力來連接兩個連接的主體，通過螺紋齒輪緊密連接它們，并承受一定的動態載荷。為了確保連接零件之間的可靠性和密封性，連接的兩個主體之間需要足夠的夾緊力，即螺紋螺栓擰緊后需要足夠的軸向夾緊力f。因此，當連結本體承受工作負載時，為結件提供穩定的軸向夾緊力可避免偏移。因此，為螺紋聯接獲得穩定的軸向夾緊力是螺紋防松研究的重要方向。3緊固件防松性能的影響因素分析分析螺紋緊固件松動的原因。眾所周知，松動是指螺栓連接軸在緊固過程中，螺栓連接軸的向心力全部損失，導致在螺紋緊固件固有的防松功能失效，不能實現防松性能，而螺栓只承受軸向載荷。由于螺紋的起升角，擰緊螺母所需的扭矩不同于松緊力所要求的扭矩。一般來說，擰緊螺母的緊固力矩約是緊固時刻的80%。通過連接摩擦力的作用，螺紋緊固件的接頭之間的附加力不會松動，從而實現更好的防松性能。在日常振動和沖擊力影響下，螺紋緊固件的松動是常見故障之一。為了更好地實現其防松性能，大多數的螺紋緊固件都是在有振動或者撞擊的地方工作，所以應該不斷在振動或撞擊的環境下進行檢查，更好地實現螺紋緊固防松性能。同時，螺紋緊固件的松動可能是由于在生產過程中螺紋的各個部分之間的慣性影響，以及其連接間的相互作用力而導致螺紋與螺母支撐面的摩擦力在震動下迅速下降，出現摩擦磨損，破壞了在生產過程中彼此之間相互平衡的力量，從而使螺紋不能真正達到其防松性能。如果緊螺母方向的位移阻力大于松螺母方向的位移阻力，就會反復發生少量的相對滑動。4螺紋連接防松性能定量評價指標和數據獲取方法為了對緊固件防松性能進行定量評價，需要建立科學的螺紋連接防松性能定量評價指標。由于預緊力的衰減是多種因素綜合作用的結果，要準確評判防松性能需要把不同因素對預緊力衰減的影響區分開。已有研究已經證明：在橫向振動試驗條件下，螺紋連接典型的預緊力衰減過程可以分為三個階段。在第一階段，預緊力會發生非線性的快速衰減，這一階段導致預緊力衰減的主要原因是材料的塑性變形，同時也有應力再分布、旋轉松動和微動磨損等因素的影響。在第二階段中，預緊力近似呈現線性衰減，這一階段導致預緊力衰減的主要原因為內外螺紋間的旋轉松動，而其他因素影響相對較小。在第三階段，螺紋連接結構會逐漸出現疲勞裂紋，導致預緊力衰減速度加快，甚至突然斷裂。為了從的預緊力衰減數據中獲得對緊固件防松性能的定量評價結果，我們需要明確“松動”和“防松性能”的準確含義。螺紋連接的松動分為旋轉松動和非旋轉松動，所謂旋轉松動是指內外螺紋間發生了導致預緊力衰減的剛性轉動，它對應著圖7中的第二階段；所謂非旋轉松動是指除旋轉松動之外其他因素導致的預緊力衰減，圖7中第一階段和第三階段主要受非旋轉松動的影響。我們把“防松性能”定義為防止螺紋連接產生旋轉松動的能力，它和預緊力衰減過程第二階段的數據密切相關。之所以這么定義防松性能是因為防松緊固件的作用主要是防止旋轉松動，而難以抑制非旋轉松動導致的預緊力衰減。基于上述定義，在理想情況下，當第二階段的斜率為零時，意味著螺紋連接沒有發生旋轉松動；當第二階段斜率小于零時，意味著發生了旋轉松動，且斜率的絕對值越大，旋轉松動就越劇烈。而且已有研究已經證明：橫向力存在一個臨界值，當螺紋連接所受橫向力小于該臨界值時，螺紋連接不發生旋轉松動，當螺紋連接所受橫向力大于該臨界值時，螺紋連接則會發生旋轉松動，因此可以用橫向力的臨界值(或稱臨界橫向力)作為防松性能的定量評價指標，對緊固件(或螺紋連接)的防松性能進行定量評價。需要說明的是，該指標是基于本文所述的橫向振動試驗條件提出的，不適用于其他形式的外載荷。結束語(1)在相同預緊力下，相比普通螺紋連接，使用彈簧墊圈后防松性能提升數值基本在0%處波動，說明彈簧墊圈沒有防松性能。(2)在相同預緊力下，相比于普通螺紋連接，使用楔形螺母后防松性能最多提升了117%；(3)在相同預緊力下，相比于普通螺紋連接，使用偏心雙螺母后防松性能最多提升了125%。(4)在高預緊力條件下，使用楔形螺母和偏心雙螺母后防松性能和普通螺紋連接的防松性能相差不大。需要說明的是，上述結論的得出是基于本文的試驗條件，當螺栓規格、涂層、裝夾長度等試驗條件不同于本文時，得出的結論可能不同，但本文所述的緊固件防松性能評價方法是具有普適性的。此外，理論上來講，橫向力和橫向位移存在一定的對應關系，既然存在臨界橫向力，相應的也應該存在一個臨界橫向位移(即臨界振幅)，因此使用臨界橫向位移作為防松性能定量評判指標也具有理論上的可行性，但具體效果仍需進一步研究。參考文獻鞏浩，劉檢華，丁曉宇.振動條件下螺紋預緊力衰