導(dǎo)讀

作者：唐宗才（安徽唐氏螺紋緊固件有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

摘要：分析了關(guān)于螺紋松動(dòng)機(jī)理的謬誤，從螺紋結(jié)構(gòu)的角度提出了螺紋松動(dòng)的真正原因。對(duì)螺紋的防松方法進(jìn)行了分 類(lèi)，并分析了傳統(tǒng)的普通螺紋不能防松的原因，提出了唐氏螺紋從螺紋結(jié)構(gòu)解決螺松動(dòng)問(wèn)題的方案。

一、螺紋防松現(xiàn)狀

    螺紋的發(fā)明可以追溯到阿基米德螺線，有幾千年的歷史，人類(lèi)發(fā)明創(chuàng)造螺紋緊固件已經(jīng)上千年了。而大規(guī)模地使用是從第一次工業(yè)革命開(kāi)始的，也有幾百年了。隨著螺紋緊固件更廣泛地使用，螺紋松動(dòng)問(wèn)題越加突顯，這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有得到根本解決。人們只能靠提高螺紋的強(qiáng)度和頻繁的維護(hù)來(lái)維持設(shè)備的運(yùn)行。

    螺紋在交變載荷的條件下容易松動(dòng)，其松退的原因是克服了螺紋副之間的摩擦力，那么采用增加摩擦力的方法便成了人們的首選，這就是摩擦防松方式；當(dāng)然，也可以設(shè)置止動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)阻止螺栓的松動(dòng)，這就是機(jī)械防松方式；人們還考慮將螺紋副直接鉚死或焊死的方法來(lái)阻止螺栓松動(dòng)，這就是鉚沖防松方式。歸根結(jié)底，人們總希望有“堵”方式來(lái)解決螺栓的防松問(wèn)題。

    沿著“堵”的思路和軌跡，人們想出成千上萬(wàn)種方法來(lái)解決螺紋松動(dòng)問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局每年要受理上百件有關(guān)螺栓螺母防松方面的專(zhuān)利申請(qǐng)。這些螺紋防松方法，雖然結(jié)構(gòu)各異，但是本質(zhì)相同，造成市場(chǎng)上螺栓防松產(chǎn)品魚(yú)目混珠，防松性能無(wú)法分辨的局面。從另一個(gè)角度看，成千上萬(wàn)種防松方法的出現(xiàn)恰恰證明螺紋防松沒(méi)有根本解決。

二、螺紋防松機(jī)理的謬誤

    要解決螺紋的松動(dòng)問(wèn)題，必須搞清楚螺紋松動(dòng)的機(jī)理。螺紋松動(dòng)的機(jī)理是從螺母的松退力矩推導(dǎo)出來(lái)的。螺紋連接開(kāi)始松動(dòng)時(shí)，需克服螺紋副接觸面上的摩擦力矩和螺母與支撐面之面的摩擦力矩。螺母的松退力矩為：

    從螺母松退力矩的公式可以看出，螺紋副是符合自鎖條件的，即T大于零。但是，在沖擊和交變載荷的作用下，螺紋的確發(fā)生了松動(dòng)。仍然從上述公式來(lái)推斷，只有兩種情況下螺紋會(huì)發(fā)生松動(dòng)。

    第一種情況，Q=0，即軸向力為零，此時(shí)螺紋副及螺母支撐面上的摩擦力消失，松退力矩T為零。

    第二情況，Q≠0，ρ'<ψ，即螺紋副之間在摩擦系數(shù)減小，導(dǎo)致tan(ρ'-ψ)為負(fù)值。此時(shí)，克服螺紋副接觸面上的摩擦所需的力矩為負(fù)值，退松力矩可能為負(fù)值或零。

    于是，人們一般這樣描述螺紋松動(dòng)的機(jī)理：“由于在靜載荷下，螺紋副滿(mǎn)足自鎖條件，連接都能保證不會(huì)松動(dòng)?！?[2] “但在變載、振動(dòng)和沖擊作用下，螺紋副的摩擦系數(shù)急劇降低，且螺紋副和螺母支承面處的摩擦阻力會(huì)瞬時(shí)消失，螺紋副不能滿(mǎn)足自鎖條件而有微量滑動(dòng)，導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)。這樣多次重復(fù)就會(huì)導(dǎo)致螺栓連接松動(dòng)?！盵3]顯然，這種從螺紋在靜載荷條件下松退力矩的公式推導(dǎo)螺紋在交變載荷條件下松動(dòng)機(jī)理是錯(cuò)誤的。

    首先，在很多場(chǎng)合下，摩擦力不會(huì)瞬間消失。對(duì)頂螺母在受交變載荷的情況下，其主螺母和副螺母與螺栓外螺紋之間的摩擦力不會(huì)同時(shí)消失；尼龍嵌件螺母在受交變載荷情況下，其螺紋副之間的摩擦力也不會(huì)消失。因此，用“摩擦力瞬間消失”的理論無(wú)法解釋螺栓為什么會(huì)松動(dòng)。其次，對(duì)于特定的材料而言，其摩擦系數(shù)是一定的。摩擦系數(shù)會(huì)減小也是說(shuō)不通的。

三、螺紋松動(dòng)的真正原因

    螺紋在靜載荷條件下的退松力矩公式無(wú)法適用于在交變載荷條件下螺紋的松動(dòng)。分析螺紋副松動(dòng)必須螺紋副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手。而螺紋松動(dòng)也正是由于螺栓自己的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成的。螺紋副受力時(shí)，其內(nèi)螺紋和外螺紋受力是不一樣的。外螺紋即螺栓上的螺紋受拉力，受力后會(huì)被拉細(xì)拉長(zhǎng)，螺矩也會(huì)增大。而內(nèi)螺紋即螺母上的螺紋受壓力，受力后會(huì)被壓粗壓扁，螺矩會(huì)減小。由于各螺紋段受力不均，造近支撐面的螺紋段受力較大，受力大的螺紋段會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)是向松退方向的。

圖1 螺紋副受力變形示意圖

    圖1所示，螺紋副受力變形，螺紋副相對(duì)位置會(huì)進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整會(huì)從軸向和徑向兩個(gè)方向進(jìn)行。由于螺紋升角較小，螺紋徑向調(diào)整基本上與螺紋方向相同。螺紋副沿軸向調(diào)整：螺栓受力被拉長(zhǎng)，螺母受力較大的螺紋段被壓扁，且向松退方向移動(dòng)。螺紋副沿徑向調(diào)整：螺母受力較大的螺紋段向松退方向旋轉(zhuǎn)，螺母松退。

圖2 螺紋副松退過(guò)程示意圖

    圖2是假設(shè)螺栓外螺紋受力后不變形，單純考慮螺母內(nèi)螺紋受力變形情況下的松退過(guò)程。當(dāng)螺母受力后，螺母被壓扁，由于螺母的各螺紋段受力不同，其靠近支撐面部分的螺紋段受力變形較大，軸向發(fā)生向松退方向位移；同時(shí)，螺紋發(fā)生徑向松退，而這種軸向松退造螺母徑向松退來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)外力消失后，由于螺母的軸向預(yù)緊力沒(méi)有完全消失，螺母不會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的位置，即螺母受力較大的螺紋段不會(huì)移動(dòng)，整個(gè)螺母沿松退方向恢復(fù)到原來(lái)的形狀。這時(shí)，螺母實(shí)現(xiàn)了松退。

    從以上分析可以看出，螺紋副受軸向力的作用是螺紋松動(dòng)的根本原因。以上的分析是螺栓受軸向力的作用。當(dāng)螺紋主要受徑向力作用時(shí)，螺紋的松動(dòng)必須克服螺紋軸向的摩擦力。

圖3 螺紋副受軸徑向力松退示意圖

    如圖3所示。如果沒(méi)有軸向交變載荷的作用，螺紋副是不會(huì)松退的。當(dāng)軸向交變載荷作用時(shí)，螺母與支撐面之間的摩擦力會(huì)減小，徑向力能夠克服摩擦力而導(dǎo)致螺母松退。因此，螺紋副受軸向交變載荷是螺栓退動(dòng)的前提，軸向力沒(méi)有變化的情況下，螺紋副之間仍有很大的摩擦力，徑向力不會(huì)導(dǎo)致螺紋松退。

四、普通螺紋為什么不能防松

    從螺紋松退的機(jī)理可以看出，螺紋松退是是螺紋自身結(jié)構(gòu)造成的。普通螺紋緊固件的防松方法雖然有成千上萬(wàn)種，并且每年都會(huì)推陳出新，其防松原理是采取“堵”的方法來(lái)遲滯或阻止螺紋的松退，我們可以稱(chēng)這種防松類(lèi)型為滯阻防松。滯阻防松類(lèi)型按其防松原理可歸納為以下三種防松方式。

    第一種是摩擦防松。就是采用增加摩擦力的方法來(lái)防止螺紋松動(dòng)。摩擦力的增加可以從壓緊螺紋副來(lái)獲得，也可以從壓緊支撐面來(lái)獲得。摩擦防松不改變螺紋副的自由旋合性能，因而使用最為廣泛。采用彈性墊圈、對(duì)頂螺母、偏心螺母等都是這種方式。摩擦防松不能從根本上解決螺紋的松動(dòng)問(wèn)題，只能遲滯螺紋的松退。分析其螺栓的松動(dòng)機(jī)理：螺紋緊固件在緊固時(shí)，螺栓受拉，而螺母受壓。當(dāng)螺栓副受到?jīng)_擊載荷作用下，螺栓和螺母受力都會(huì)加大，螺栓受力后會(huì)被拉長(zhǎng)，而螺母受力后會(huì)被壓扁，兩者變形方向不一致，再加上徑向力的作用，螺栓和螺母會(huì)發(fā)生相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。而在沖力載荷消除后，螺栓和螺母不能恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)不可逆轉(zhuǎn)。因此，經(jīng)過(guò)多次的振動(dòng)后，螺栓的預(yù)緊力會(huì)逐步喪失。

    第二種是機(jī)械防松。就是設(shè)置止動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)阻止螺紋副的松動(dòng)。使用開(kāi)口銷(xiāo)、串連鋼絲、止動(dòng)墊圈等等都屬于這種方式。機(jī)械防松方式的缺點(diǎn)是使用后螺栓的拆御不方便，并且所設(shè)置的止動(dòng)機(jī)構(gòu)能承受的載荷太小，也無(wú)法阻螺紋松動(dòng)。以開(kāi)口銷(xiāo)為例，需在螺栓上打孔以安裝開(kāi)口銷(xiāo)，開(kāi)口銷(xiāo)直徑會(huì)比螺栓直徑小得多，即便開(kāi)口銷(xiāo)的直徑為螺栓直徑的1/2，且與螺栓材質(zhì)相同，其能承受的載荷只有螺栓的1/4，并且承受的是剪力。而金屬受剪

的能力要比受拉的能力弱得多，以受剪能力為受拉能力1/3來(lái)計(jì)算，開(kāi)口銷(xiāo)的能承受剪載荷的能力只有螺栓能受拉載荷能力1/12，不能阻止螺栓的松動(dòng)。串連鋼絲和止動(dòng)墊圈，它們的承受載荷的能力更小，更不能阻止螺栓松動(dòng)。

    第三種方式是鉚沖防松。即采用沖壓、焊接或粘接等方法，使螺紋副失去自由旋合的特性來(lái)阻止螺紋松動(dòng)。這種方法的焊縫或鉚點(diǎn)能承受的載荷太小，同樣不能阻止螺紋松動(dòng)。采用焊接方法，以螺母對(duì)邊尺寸是1.5倍螺栓直徑計(jì)算，采用角焊的方法，其焊縫面積最大與螺栓截面相同。不考慮焊接對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，對(duì)于8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓而言，一般焊條的許用應(yīng)力為螺栓強(qiáng)度的1/2，以焊縫許用剪力為許用拉力1/3計(jì)算，焊縫所能承受的載荷僅為螺栓所能承受載荷的1/6，同樣不能抵抗螺栓的沖擊載荷，阻止螺栓的松動(dòng)。由于焊接加熱的原因，螺栓的預(yù)緊力會(huì)下降。又由于焊縫的不均勻，焊縫的強(qiáng)度也無(wú)法達(dá)到理想的狀態(tài)。

五、螺紋損壞的真正原因是螺紋松退

    在沖擊、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境下，螺紋損壞、螺栓斷裂屢見(jiàn)不鮮。螺栓斷裂導(dǎo)致惡性事故也時(shí)有發(fā)生。大部分業(yè)內(nèi)人士會(huì)從四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析探究：螺栓質(zhì)量、螺栓強(qiáng)度、預(yù)緊扭矩、疲勞強(qiáng)度。但是，這些分析探究的觀點(diǎn)基本上都站不住腳 。

    螺紋松退是螺紋損壞、螺栓斷裂的根本原因。從理論上分析：

    其一，從沖擊力的角度看。沖擊力公式為Ft=mv，即沖擊力F乘沖擊時(shí)間t等于物體質(zhì)量m乘沖擊速度v。在振動(dòng)頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動(dòng)間隙成正比。當(dāng)螺栓的松動(dòng)間隙增加時(shí)，沖擊力F同時(shí)增大。沖擊力F的增大導(dǎo)致螺栓的松動(dòng)間隙進(jìn)一步增大，而螺栓間隙的增大導(dǎo)致沖擊力F進(jìn)一步增大，直至螺栓斷裂。其二，從沖擊動(dòng)能的角度看。沖擊動(dòng)能E=1/2mv2，在振動(dòng)頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動(dòng)間隙成正比。    

    當(dāng)螺栓松動(dòng)間隙增加時(shí)，沖擊動(dòng)能E呈平方次增加并且釋放在螺栓上，導(dǎo)致螺栓斷裂。顯然，如果螺栓不松動(dòng)，松動(dòng)間隙為零。沖擊力F和沖擊動(dòng)能E都為零，螺紋不會(huì)損壞、螺栓不會(huì)斷裂。

六、唐氏螺紋從結(jié)構(gòu)上解決螺紋松動(dòng)

    與滯阻防松類(lèi)型不同的第二種防松類(lèi)型為結(jié)構(gòu)防松。既然螺紋松退是由螺紋自身的結(jié)構(gòu)所造成的，那么解決螺紋松動(dòng)就必須從螺紋的自身結(jié)構(gòu)入手，這就是結(jié)構(gòu)防松類(lèi)型。唐氏螺紋正是從螺紋結(jié)構(gòu)入手來(lái)解決螺紋防松問(wèn)題的。

圖4 普通螺紋與唐氏螺紋對(duì)比圖

    唐氏螺紋已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的普通螺紋的概念。傳統(tǒng)的普通螺紋是單旋向、全連續(xù)、等截面的螺紋。唐氏螺紋是雙旋向、非連續(xù)、變截面的螺紋。唐氏螺紋的同一螺紋段同時(shí)設(shè)有左右兩種不同旋向的螺紋。唐氏螺紋既可以和左旋螺紋配合，又可以和右旋螺紋配合。[4]

圖5 唐氏螺紋緊固件防松原理[5]

    在連接時(shí)，使用左、右兩種不同旋向的螺母。被連接件支承面上的螺母稱(chēng)為緊固螺母，非支承面上的螺母稱(chēng)為鎖緊螺母。其中，緊固螺母與鎖緊螺母的螺紋旋向相反。使用時(shí)先將緊固螺母擰緊，再將鎖緊螺母擰緊。[6]

    唐氏螺紋防松突破了傳統(tǒng)的普通螺紋的防松概念。在振動(dòng)、沖擊的情況下，緊固螺母會(huì)發(fā)生松動(dòng)的趨勢(shì)，但是，由于緊固螺母的松退方向是鎖緊螺母的擰緊方向，鎖緊螺母的擰緊正好阻止了緊固螺母的松退。[7]

圖6 唐氏螺紋緊固件與普通螺紋振松對(duì)比實(shí)驗(yàn)[8]

    由于唐氏螺紋緊固件采用將螺母的松退力轉(zhuǎn)化成擰緊力的防松方式，因此在震動(dòng)和沖擊載荷情況下不會(huì)松動(dòng)。振松實(shí)驗(yàn)顯示，唐氏螺紋緊固件在初始階段和調(diào)整階段，其預(yù)緊力有所下降，在進(jìn)入運(yùn)行階段后，其預(yù)緊力不再下降。從螺紋力學(xué)的角度分析：

圖7 唐氏螺紋受力分析圖

    緊固螺母松退的條件是鎖緊螺母必須松退，鎖緊螺母松退的條件為：

    由螺母松退的條件還可以看出，螺紋的松退與軸向預(yù)緊力F無(wú)關(guān)，也與松退力矩Ft無(wú)關(guān)，當(dāng)然也與螺紋副之間的摩擦力有關(guān)。可見(jiàn)，唐氏螺紋是依靠螺紋自身結(jié)構(gòu)防松，且與軸向力F的變化無(wú)關(guān)。從螺紋受力變形的角度分析，唐氏螺紋在交變載荷的條件，螺紋副也會(huì)發(fā)生變形。但是，當(dāng)外力消失后，唐氏螺紋能夠恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

圖8 唐氏螺紋受力變形示意圖

    如圖8所示，當(dāng)唐氏螺紋副受力時(shí)，螺紋也會(huì)變形，由于螺紋升角較小，鎖緊螺母和緊固螺母接觸面摩擦力大。因此，鎖緊螺母會(huì)和緊固螺母一起變形并與外螺紋有相對(duì)移動(dòng)，從位置1移動(dòng)到位置2。但當(dāng)外力消失以后，鎖緊螺母和緊固螺母會(huì)退回到原來(lái)的位置1，即螺紋副不會(huì)松退。

    唐氏螺紋的防松方式將螺紋防松從單純依靠摩擦阻力中解放出來(lái)，對(duì)預(yù)緊力的要求大大降低。傳統(tǒng)的普通螺紋由于依靠摩擦力來(lái)防松，影響其防松效果的因素很多。首先是螺紋的強(qiáng)度，這是摩擦力的決定因素；其次是軸向預(yù)緊力，而要旋加合適的預(yù)緊力又必須控制好預(yù)緊扭矩；再次，螺紋副的摩擦系數(shù)，這個(gè)因素也關(guān)系到摩擦力的大小。