黃志強，鄭旺輝，金景峰

(1.北京機械設備研究所，北京 100854；2.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100072)

0 引言

機械制造中所稱的連接主要指靜連接，機器中主要的連接方式可分為可拆連接和不可拆連接，可拆連接主要有螺紋連接、軸轂連接等，不可拆連接主要有焊接、膠接和鉚接。這些連接方式各有其適用條件和范圍，其中軸轂連接形式主要應用在軸類傳動場景；膠粘連接中使用的膠粘劑對溫度變化比較敏感，其耐老化、耐介質性能較差，并且對粘合面的要求較高；鉚接結構一般在大型薄板類結構中使用廣泛，如飛機機翼，艙體、集裝箱表面設備固定等場景，鉚接需要對被連接件打出釘孔從而會削弱強度，鉚接的連接強度較低，無法在載荷較大的場合使用。

航天軍用地面裝備領域以螺紋連接和焊接為主要連接方式，其中焊接具有為強度高、容易保證密封性、工藝簡單、操作簡單、質量輕的優(yōu)點，在無需拆裝和大承載結構體中使用極為廣泛，其缺點是容易產(chǎn)生焊接變形，且由于焊槍體積較大，無法在小空間環(huán)境使用等。

螺紋連接以其結構簡單、拆裝方便、形式多樣、連接可靠、互換性好等優(yōu)點，在機械及各種工程結構中應用十分廣泛[1]。國內螺紋緊固件已標準化、系列化，且已實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產(chǎn)，成本低廉。螺紋緊固件可直接在國家標準系列內選用，設計簡單，通用性強，互換性好。螺紋連接的缺點是容易發(fā)生松動，特別是在持續(xù)振動作用下，螺紋連接的主要失效形式之一[2]是松動失效。

本文通過對多種螺紋連接技術研究及試驗驗證，對提高螺紋連接的防松可靠性具有指導意義。

1 螺紋連接松動原因及防松方法

1.1 螺紋連接松動原因

螺紋連接一般都具有自鎖性[3]，在靜載荷作用下螺紋連接安全可靠。由于螺紋螺旋升角小于螺旋副的當量摩擦角，在非交變載荷(包括橫向、軸向載荷)或溫度變化不大的條件下，螺紋連接從結構受力上可自鎖。此外，擰緊后螺母和螺栓頭部等支撐面上的摩擦力也可阻止螺紋松動，所以螺紋連接在非交變載荷條件下不會自動松脫[1]。

引起螺紋連接件松動的原因很多，主要為如下3個方面：①受橫向載荷作用[3]；②螺紋連接件的初始變形；③軸向載荷的作用。在航天軍用車輛領域中，由于軍用車輛在使用中經(jīng)常需要在高速公路、急造土路或越野路面上行駛，在車輛行駛過程中，車輛上的螺紋連接需承受較大的交變載荷，從而容易發(fā)生松動。

1.2 螺紋連接防松方法

為防止螺紋連接松動，常用的防松措施[4-5]有：

(1) 增加附件防松

通過特別設計額外附件阻止螺栓或螺母轉動，如開口銷與開槽螺母、止動墊圈(如落帝勞墊圈，將平墊圈分成上下兩層，通過上層墊圈相對下層墊圈的運動規(guī)律防松)、串聯(lián)鋼絲、串聯(lián)鎖片等。

(2) 摩擦防松

摩擦防松有多種形式：①增加螺紋連接的接觸面，從而增大摩擦力矩，如雙螺母、彈簧墊圈(彈簧墊圈防松效果頗有爭議[6-10])、六角法蘭面螺栓、六角法蘭面螺母、帶嵌件六角鎖緊螺母等；②增加螺紋擰緊力矩，從而增大摩擦力矩，如工程上常采用力矩扳手定額施加螺紋擰緊力矩；③增大螺紋摩擦系數(shù)，如采用細牙螺紋降低螺旋升角[11]、充填軟性材料防松[12]、涂抹螺紋膠等；④通過在縱向或橫向壓緊螺紋副，從而增大連接附加力，如偏心螺母(日本的哈德羅克螺母)等；⑤通過熱脹冷縮原理，增加連接附加力，如將螺紋連接設計成過盈配合，在高溫環(huán)境(如超過200 ℃)環(huán)境下完成螺紋連接，螺紋連接局部(如螺母或螺紋孔)在常溫條件下將發(fā)生收縮，從而增加螺紋連接摩擦力等附加力。

1.8 統(tǒng)計學處理 采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行資料處理。正態(tài)分布的資料采用算術均數(shù)和標準差描述其分布特征，組間比較采用獨立樣本t檢驗；非正態(tài)分布的資料采用中位數(shù)和四分位間距進行描述，組間比較采用非參數(shù)檢驗（Mann-Whitney U檢驗）。計數(shù)資料采用百分數(shù)表示，組間比較采用常規(guī)或校正卡方檢驗。此外采用logistics回歸分析患者術后1年生存的影響因素。檢驗水準a＝0.05。

(3) 改變齒形防松

通過改變螺牙形狀改變螺紋連接內在的受力機制，使其具有更好的防松性能，如施必牢螺紋、唐氏螺紋等。

(4) 破壞螺旋副運動關系防松

通過破壞螺紋副使得螺紋連接不可拆卸，如鉚沖防松、焊接防松(在螺紋連接局部點焊使螺紋連接固連)、脹塞式過盈螺栓連接等。

(5) 定期復緊防松

定期復緊是防止螺紋松動的簡單有效的管理措施，如對定期對螺紋連接緊固情況進行檢查，對有松動的螺紋連接重新緊固，對有擰緊力矩要求的螺紋連接重新施加擰緊力矩。

同時，上述防松措施均具有一定的局限性，如定期檢查的方式將大幅增加人員工作量，且很多螺紋連接位置不具有可達性，無法進行檢查；點焊防松的適應范圍小，多數(shù)設備需要重復拆裝故無法滿焊，而焊機區(qū)域太小無法有效防止螺紋松動；涂抹防松膠、配置彈簧墊圈和施加較大擰緊力矩是航天地面裝備領域常用的防松措施，但只能在一定程度上防止螺紋連接松動。

2 幾種新型螺紋連接方式

2.1 施必牢螺母

美國底特螺紋工具公司，于20世紀70年代通過改變螺紋齒形重新設計了一種新型螺母，即為DTFLOCK，中文譯為施必牢螺母。施必牢螺母的防松原理在于它的獨特齒形結構，通過在梯形螺母上設計一個30°的楔形斜面(圖1,2所示)，施必牢螺母在擰緊時，螺栓的牙尖緊緊地頂在自鎖螺紋的楔形面上，產(chǎn)生較大變形，從而產(chǎn)生很大的變形鎖緊力，同時改善螺紋連接在不同螺圈的受力分布。

圖1 普通梯形螺紋受力情況Fig.1 Wedge slope on general trapezium thread

圖2 施必牢螺紋受力情況Fig.2 Wedge slope on DTFLOCK thread

如圖3,4所示，施必牢螺母的螺紋相比普通螺紋受力分布更加均勻。施必牢螺母的優(yōu)點主要有：①在保證防松性能時還可重復使用；②其尺寸規(guī)格不受限制，能與國家標準螺栓匹配連接[12]；③其螺紋是旋轉型，直到擰緊時才施加力矩，裝卸與普通螺栓同樣方便；④其受溫度劇烈變化的影響較小，從而應用范圍更廣。

圖3 普通梯形螺紋受力情況Fig.3 Force suffer of general trapezium thread

圖4 施必牢螺紋受力情況Fig.4 Force suffer of DTFLOCK thread

2.2 落帝牢墊圈

落帝牢(NORD-LOCK)墊圈由瑞典AB公司設計。該墊圈結構上具有楔入自鎖功能，它采用以增加附件防松代替摩擦防松以達到自鎖功能的新方法[12]。落帝牢墊圈外形及結構如圖5,6所示。落帝牢墊圈由2片墊圈組成一套，必須成對使用。當落帝牢墊圈在螺紋連接上擰緊后，在振動發(fā)生時，其中一個墊圈會隨著螺栓或螺母錯動抬升。當一個松動過程螺紋松動轉動角度達到β時，落帝牢墊圈的一個墊圈也將同步松動β角，而另一個墊圈由于受到摩擦力的作用不會相對連接面發(fā)生滑動，由于2個墊圈的相對旋轉角α角大于β角，2個墊圈將發(fā)生相對滑動，同時將在預緊力作用下重新完成緊密配合動作，使得墊圈膨脹而鎖止緊固件[13]，從而實現(xiàn)防止螺紋松動的效果。

圖5 落帝牢墊圈外形Fig.5 Outline of NORD LOCK washer

圖6 落帝牢墊圈結構原理圖Fig.6 Structure theory of NORD LOCK washer

2.3 哈德洛克螺母

哈德洛克(HARDLOCK)螺母屬于偏心螺母的一種類型，其采用雙螺母形式(見圖7所示)，其外螺母為普通螺母結構，其內側設有同心的凹槽，而內螺母外側設有偏心的突起；外螺母擰緊時內螺母的外側凸起與螺栓不同心，保留一個A值的偏差，該偏心的存在促使螺栓在外螺紋擰緊時產(chǎn)生徑向力，增加松動的難度，從而實現(xiàn)螺紋防松。

圖7 哈德洛克螺母結構原理圖Fig.7 Structure theory of HARDLOCK washer

2.4 唐氏螺紋

普通螺紋是連續(xù)、單旋向、等截面的螺紋。唐氏螺紋采用雙旋向、非連續(xù)、變截面的形式[7]。唐氏螺紋的同一螺紋段同時設有左右2種不同旋向的螺紋[13]，如圖8所示。唐氏螺紋可同時與左旋、右旋螺紋配合。具體使用時，需要配有唐氏螺紋的螺栓和螺母。其中，采用唐氏螺紋的螺母為左、右2種不同旋向。非支承面上的螺母稱為鎖緊螺母，被連接件支承面上的螺母稱為緊固螺母。其中，鎖緊螺母與緊固螺母的螺紋旋向相反。使用時先將緊固螺母擰緊，再將鎖緊螺母擰緊，如圖9[14]所示。在受到振動與沖擊時，緊固螺母需要右旋松動，鎖緊螺母需要左旋松動，兩者的松退方向相反，從而緊固螺母無法帶動鎖緊螺母松動，從而擰緊后的鎖緊螺母阻止了緊固螺母的松退[13]。

圖8 普通螺紋與唐氏螺紋Fig.8 General thread and TANGS thread

圖9 唐氏螺母防松原理Fig.9 Anti-lossening theory of TANGS thread

3 螺紋連接防松效果試驗驗證

對螺紋連接，動態(tài)橫向載荷比軸向載荷更能引起其松動，美國工程師Junker在1969 年第一個發(fā)表了這一觀點，并發(fā)明了Junker松動試驗機，在他之后的針對螺紋連接松動的研究也基本轉向了側向載荷引起的螺紋連接松動[4]。Junker提出的橫向振動試驗方法在國內已廣泛應用于眾多行業(yè)中防松緊固件的防松性能試驗。《緊固件橫向振動試驗方法》(GB/T10431-2008)所采用的試驗機器即由Junker試驗機改進而來[4]。由此，本試驗研究采用橫向振動試驗來驗證螺紋連接防松性能。

3.1 試驗原理

將被試緊固件擰緊在試驗裝置上，使之產(chǎn)生一定的夾緊力。借助于試驗機在被夾緊兩金屬板之間的交變橫向位移，使連接松動，導致夾緊力減小甚至喪失。連續(xù)記錄夾緊力的瞬間值，根據(jù)數(shù)據(jù)記錄的分析對比可判斷緊固件的防松性能。在試驗過程中，夾緊力減小越慢，防松性能越好；反之，夾緊力減小得越快，防松性能越差[15]。

圖10,11所示為振動試驗機的結構圖及實物。

圖10 振動試驗機結構圖Fig.10 Structure of vibration testing machine

3.2 試驗對象

由于在航天裝備地面車輛領域內，螺紋松動多發(fā)生在直徑大于8 mm的螺紋連接場合，與工程實際保持一致，螺紋直徑規(guī)格選取M8,M12和M16，螺紋連接強度等級均為8.8級。

為對比多種新型螺紋連接形式與傳統(tǒng)螺紋連接的防松性能，本試驗選取多種螺紋連接形式(由于唐氏螺紋較為小眾，本試驗未考慮)，進行橫向振動試驗。

3.3 試驗項目

為對比施必牢螺母、落帝牢墊圈、哈德洛克螺母與傳統(tǒng)螺紋連接形式之間不同防松性能，分別選取選取相同規(guī)格和強度等級螺栓或螺母，形成7種螺紋連接組合進行橫向振動試驗。表1為橫向振動試驗組合、形式及相關要求。

試驗參數(shù)輸入方面，根據(jù)GB/T10431-2008《緊固件橫向振動實驗方法》要求，橫向振動試驗試驗頻率為12.5 Hz，每次試驗振動周期為5 000個，振動幅度根據(jù)GB/T10431-2008推薦列表選取，預夾緊力距根據(jù)工程實際使用數(shù)據(jù)計算得到。其中，預夾緊力距為每個試驗開始輸入并施加在螺紋連接上的力矩，預夾緊力為預加緊力矩對應的作用力。

每個直徑規(guī)格的組合，保持試驗頻率、振動周期、振動幅度以及預夾緊力、預夾緊力距一致。每個組合試驗分別進行3次，將3次試驗中預緊力隨振動周期變化的數(shù)據(jù)進行求和再取均值，最后得到每個組合的預緊力隨振動周期變化的曲線。

3.4 試驗結果及分析

繪制橫向振動試驗夾緊力與振動周期的變化曲線圖。具體如圖12～14所示。

圖12 公稱直徑為8的螺紋橫向振動試驗情況Fig.12 Transverse vibration testing result of thread with nominal diameter 8

圖13 公稱直徑為12的螺紋橫向振動試驗情況Fig.13 Transverse vibration testing result of thread with nominal diameter 12

圖14 公稱直徑為16的螺紋橫向振動試驗情況Fig.14 Transverse vibration testing result of thread with nominal diameter 16

通過對4種傳統(tǒng)螺紋連接方式和 3種新型螺紋連接組合的試驗研究，從圖12～14中可得出如下結論：

(1) 普通螺栓螺母的螺紋連接組合在各個直徑規(guī)格的螺紋連接中防松性能較差；

(2) 普通螺栓螺母帶平彈墊的螺紋連接組合在M16及以下的螺栓連接中均具有較好的防松性能；

(3) 六角法蘭面螺母在M12直徑規(guī)格及以下的螺紋連接中具有良好的防松性能，在M16直徑規(guī)格的螺紋連接中防松性能較差；

(4) 六角法蘭面螺栓在M16直徑規(guī)格級以上的螺紋連接中具有良好的防松性能，在M12直徑規(guī)格及以下的螺紋連接中防松性能較差；

(5) 施必牢螺母、落帝牢墊圈在各直徑系列螺紋、各種預緊力條件下相比其他螺紋連接組合防松效果均不明顯；

(6) 隨著螺紋直徑增大和預緊力增大，哈德洛克螺母防松效果逐漸明顯，哈德洛克螺母更適合在M12直徑規(guī)格及以下螺紋連接中使用；

(7) 普通螺栓螺母帶平彈墊、六角法蘭面螺母和六角法蘭面螺栓3種組合選用的均為國家標準系列內的標準化產(chǎn)品，成本較低，可廣泛推薦使用，對提升航天裝備螺紋連接防松可靠性方面有較大幫助；

(8) 試驗中不同螺紋連接組合均有一定程度的松動，無法達到完全不松動的效果，對某些特別關鍵、重要部位且振動環(huán)境較為惡劣的連接緊固，宜采用特殊的防松機械設計措施，如使用額外附件阻止螺栓或螺母轉動等，以通過結構設計實現(xiàn)本質可靠。

4 結束語

本文通過橫向振動試驗，對多種螺紋連接形式是防松效果進行了驗證，為工程設計中緊固件選用提供一定的參考依據(jù)。在實際使用過程中螺紋連接承受的交變載荷復雜多樣，對于具體的連接松動問題還需要具體分析，設計相應防松措施，并定期評估其防松效果，持續(xù)設計改進，以切實降低螺紋連接松動的風險，提高裝備可靠性。