艾少華，張 挺，劉 鵬，韓勝利，趙景左，馬勤超，孫國鋒

（1.湖北回天新材料股份有限公司，湖北 襄陽 441057；2.浙江國檢檢測技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽 314300）

經(jīng)過60多年的發(fā)展，螺紋鎖固膠已在各行各業(yè)得到廣泛使用。但是螺紋鎖固膠的防松性在業(yè)內(nèi)還沒有得到普遍的關(guān)注和重視，目前行業(yè)內(nèi)還沒有相應(yīng)評價的標準和方法，相關(guān)的研究也較少。但在緊固件行業(yè)，采用GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動試驗方法》[1]標準對緊固件的防松方式進行測試和驗證已得到該行業(yè)上下游企業(yè)的普遍認可。該方法是由德國工程師Gerhard H.Junker提出的，其依據(jù)是作用于緊固件上的橫向力引起螺紋副和支承面間發(fā)生相對運動時，緊固件就會產(chǎn)生自松動，而橫向振動對緊固件的自松動遠超軸向振動的影響。當前這種測試方法在國內(nèi)的汽車、鐵路等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外大量研究[2～4]表明，緊固件的松動原因主要源自橫向振動載荷，因此可以采用橫向振動試驗來對比評價防松方式的防松性能。螺紋鎖固厭氧膠[5，6]是緊固件的一種化學(xué)防松評價方式，因此，理論上其防松性能可以參考GB/T 10431—2008標準進行評估。

回天公司針對傳統(tǒng)螺紋鎖固膠對材質(zhì)較敏感、耐溫不高和容油性較差等缺點，開發(fā)出了新一代螺紋鎖固厭氧膠7243和7263。其具體表現(xiàn)為，在惰性材質(zhì)上的固化效果大幅提升，對材質(zhì)不敏感；耐溫性能由最高150℃提升至180 ℃；超強的容油性，輕微油面表面固化性能不受影響。其中新一代螺紋鎖固厭氧膠7243為中強度型，7263為高強度型。本研究將參考GB/T 10431—2008標準對比測試涂這2種膠前后緊固件橫向振動性能差異，以考查這2種螺紋鎖固厭氧膠的防松性能，為今后螺紋鎖固厭氧膠防松性能測試方法的標準化提供一些參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 螺紋緊固件松動機理和防松措施簡介

螺紋緊固件最大的缺點是在使用過程中容易出現(xiàn)松動，螺紋緊固件產(chǎn)生松動失效的機理一般分為張力松弛和自轉(zhuǎn)松動。張力松弛是因為緊固件出現(xiàn)松弛或被連接件出現(xiàn)“塌陷”導(dǎo)致的，可通過提升材料剛度、加墊片等方面進行解決，張力松弛導(dǎo)致的松動不能使用厭氧膠加以解決。

由于摩擦角大于螺紋升角，同時也存在著螺紋自鎖的條件，正常情況下螺紋緊固件不會發(fā)生自轉(zhuǎn)松動。但在工作狀態(tài)下承受變動載荷（如激烈的振動和沖擊載荷）作用時，螺紋緊固件在螺紋和支承面上產(chǎn)生了微觀的滑移，這種相對的微觀運動使摩擦系數(shù)由相對較高的靜態(tài)值變?yōu)檩^低的動態(tài)值，此時作用在螺紋上的軸向力在圓周方向上形成一個導(dǎo)致螺母松轉(zhuǎn)的內(nèi)松出力矩，使螺母開始松轉(zhuǎn)，多次的循環(huán)直至緊固件松脫，這種松動稱為自轉(zhuǎn)松動。使用螺紋鎖固厭氧膠是一種防止螺紋緊固件自轉(zhuǎn)松動的有效措施，其機理就是螺紋鎖固厭氧膠充滿螺紋嚙合部間隙，當膠液固化后使嚙合面粘成一個整體，徹底消除了微動磨損的根源。

1.2 實驗儀器

（1）橫向振動試驗機，浙江國檢檢測技術(shù)股份有限公司自行研制的電磁式試驗機（如圖1所示，其試驗夾緊裝置部分完全符合GB/T 10431—2008標準的要求，即利用試驗機上被一定擰緊力夾緊的緊固件在2塊金屬板之間產(chǎn)生交變橫向位移，使連接松動，從而導(dǎo)致夾緊力的減小甚至完全喪失。連續(xù)記錄夾緊力的瞬時值，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的對比可以判斷緊固件的防松性能之優(yōu)劣。而橫向振動載荷的產(chǎn)生是利用主電機的轉(zhuǎn)速及扭矩通過同步帶系統(tǒng)及電磁離合器傳遞給旋轉(zhuǎn)主軸，旋轉(zhuǎn)主軸在離合器動盤的作用下帶動其端部S、N極永久磁鐵轉(zhuǎn)動，使得S、N極磁力線產(chǎn)生一吸一斥的周期性變化，由于這種周期性的磁力作用通過永久磁鐵平動機構(gòu)轉(zhuǎn)變成具有固定的頻率（12.5 Hz）和規(guī)定振幅的軸向往復(fù)諧振運動，同時利用對磁鐵間隙的調(diào)整得到不同大小的橫向振動力和振幅）。

圖1 橫向振動試驗機Fig.1 Transverse vibration testing machine

（2）實驗夾具，自制（符合GB/T 10431標準規(guī)定的“用于螺母實驗的實驗裝置”）。

（3）試驗用螺栓，采用GB/T 5782—2016《六角頭螺栓》標準規(guī)定的10.9級M10鍍彩鋅螺栓（精度為6 g）。

（4）測試螺母，采用GB/T 6170—2000《1型六角螺母》標準規(guī)定的10級M10鍍彩鋅螺母（精度為6 H）。

1.3 試驗方法和數(shù)據(jù)處理

試驗方法：按照GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動試驗方法》標準進行（每一個條件組測試10個樣件，振動頻率為12.5 Hz，振幅為1 mm，振動次數(shù)為3 000次，在振動次數(shù)相同的條件下，緊固件振動后夾緊力保持率越高，其防松性能越好）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不涂膠防松性能

初始預(yù)緊力越小，不涂膠的緊固件越易松動。在工業(yè)領(lǐng)域，緊固件安裝預(yù)緊力一般在30%～70%的螺栓保證載荷之間。10.9級M10鍍彩鋅螺栓保證載荷為48.1 kN，研究過程中選取了3種初始夾緊力進行實驗，分別為：①約40%螺栓保證載荷（約19.24 kN）；②約50%螺栓保證載荷（約24.05 kN）；③約70%螺栓保證載荷（約33.67 kN）。在這3種初始夾緊力作用下，空白緊固件的橫向振動試驗效果分別如圖2（a）、2（b）和2（c）所示。初始夾緊力為40%螺栓保證載荷和50%螺栓保證載荷時，防松效果比較差，緊固件經(jīng)過振動后夾緊力快速衰減，隨著初始預(yù)緊力提高到70%螺栓保證載荷，緊固件松動的概率大幅降低，且大部分樣件預(yù)緊力保持在80%以上，這說明提高初始預(yù)緊力，也能一定程度提升緊固件的防松能力。但即便如此，始終還是存在著較大的松動概率，防松的可靠性不是很理想。另外，較高的初始預(yù)緊力雖然有助于提升防松性，但卻對安裝工具和螺栓的摩擦系數(shù)要求很高，稍不注意可能出現(xiàn)過載，造成新的潛在隱患。這是因為，在螺紋緊固件的制造中不可能保證摩擦系數(shù)的均勻統(tǒng)一，個體間存在一定的波動，如果這種波動范圍過大，則其實際預(yù)緊力有可能超出緊固件保證載荷要求，出現(xiàn)過載風(fēng)險。

2.2 涂膠樣防松性能

測試了在不同初始預(yù)緊力（約40%螺栓保證載荷、約50%螺栓保證載荷和約70%螺栓保證載荷）下，涂膠緊固件的防松性能，其中涂螺紋鎖固厭氧膠7243的如圖3（a）、3（b）和3（c）所示；涂螺紋鎖固厭氧膠7263的如圖4（a）、4（b）和4（c）所示。

由圖3、圖4可知：在不同預(yù)緊力條件下，涂7243或7263鎖固膠裝配固化后的緊固件在橫向振動過程中預(yù)緊力始終保持在初始預(yù)緊力的95%以上。與不涂膠試樣相比，涂膠后的緊固件不僅提升了防松性，而且提升了防松可靠性，即使在較低的預(yù)緊力情況下，也有非常好的防松效果。這就意味著使用鎖固膠作為防松措施后可以適當降低預(yù)緊力的要求，從而對安裝工具和緊固件摩擦系數(shù)的要求也相應(yīng)降低，是一種十分簡單和經(jīng)濟的防松措施。這正是因為不用螺紋鎖固膠時，螺紋嚙合區(qū)存在較大空隙，且嚙合區(qū)螺牙受力分布不均勻所致[7]。當收到橫向沖擊振動時，容易出現(xiàn)自轉(zhuǎn)松動；而使用螺紋鎖固膠后，螺紋副嚙合區(qū)的空隙完全被鎖固膠的固化物黏合并填滿，使得螺栓和螺母在上緊后連接成為一個整體，預(yù)緊力在螺紋嚙合區(qū)分布更加均勻，因此在橫向振動時很難松動。

2.3 扭矩強度對防松性的影響

測試了7243和7263這2種螺紋鎖固膠在不同條件下的扭矩強度，如表1所示。由表1可知：雖然7263在各種條件下的扭矩強度（破壞扭矩和牽出扭矩）都明顯高于7243，但是2者在上述防松性能測試過程中均表現(xiàn)十分優(yōu)異，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差異，這說明鎖固膠扭矩強度的高低與其防松性能之間并無相關(guān)性。目前不少人常認為螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度越高則防松性能就越好，但從實驗結(jié)果來看2者并無直接對應(yīng)關(guān)系，因此不宜簡單地用螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度的大小來評價其防松能力的好壞。分析其原因可能是因為使用螺紋鎖固膠后，鎖固膠在嚙合區(qū)空隙中固化后產(chǎn)生2個作用，一個是粘接作用（表現(xiàn)為扭矩強度）；第2個為填充作用（使螺牙受力更均勻）。這2種作用可能都對防松性存在積極的影響，但是填充作用占主導(dǎo)，因此，無論螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度高或低，只要在嚙合區(qū)固化就會產(chǎn)生優(yōu)異的填充效果，進而表現(xiàn)出優(yōu)異的防松效果。

圖2 不同初始夾緊力的空白組緊固件橫向振動試驗結(jié)果Fig.2 Transverse vibration test results of blank group fasteners with different initial clamping force

圖3 不同初始夾緊力的涂7243鎖固膠組緊固件橫向振動試驗結(jié)果Fig.3 Transverse vibration test results of fasteners coated with 7243 thread locking anaerobic adhesive for different initial clamping force

圖4 不同初始夾緊力的涂7263鎖固膠組緊固件橫向振動試驗結(jié)果Fig.4 Transverse vibration test results of fasteners coated with 7263 thread locking anaerobic adhesives for different initial clamping force

表1 2種螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度和防松性對比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparative test data of torque strength and anti-loosening performances for two thread locking anaerobic adhesives

3 結(jié)論

（1）不涂膠的緊固件比較容易松動，雖然提高初始預(yù)緊力可以在一定程度上予以改善，但始終存在著較大的松動概率，防松的可靠性不理想。

（2）與不涂膠的緊固件相比，鎖固膠7243和7263不僅可顯著提升緊固件防松性，而且還能增加防松可靠性，即使在較低的預(yù)緊力情況下，也有非常好的防松效果。

（3）螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度的高低與其防松性能之間并無相關(guān)性，不宜用螺紋鎖固厭氧膠扭矩強度的大小來評價其防松能力的好壞。

[1]GB/T10431-2008,緊固件橫向振動試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[2]Junker G H.Criteria for self loosening of fasteners under vibration[J].Aircraft Engineering&Aerospace Technology,1969,44(10):14-16.

[3]李維榮.螺紋緊固件防松技術(shù)和試驗方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005.

[4]張挺,姜招喜,馮梅.緊固件抗振防松性能比較[J].金屬制品,2012,38(1):78-80.

[5]艾少華,趙景左,韓勝利.預(yù)涂型厭氧膠在緊固件上使用工藝的研究[J].粘接,2013,34(12):50-53.

[6]艾少華,趙景左,韓勝利.螺紋鎖固厭氧膠對緊固件螺紋摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響[J].粘接,2016,37(1):45-47.

[7]肖偉群.高強螺紋緊固件的失效模式、機理分析和設(shè)計原則[J].汽車工藝與材料,2006,21(7):26-28.