隨著國家經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，航空航天、鐵路、船舶和風(fēng)電等領(lǐng)域都向著高速、重載和大功率方向邁進。效益提升的同時也帶來了更高的風(fēng)險,必須通過更為安全可靠的連接緊固措施確保設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。如何選擇相應(yīng)工況的防松緊固件和如何評價防松效果是設(shè)計者在選型時首先考慮的關(guān)鍵問題。

1、防松緊固件介紹及工況使用分析

自19世紀中葉，國內(nèi)外持續(xù)進行緊固件防松的相關(guān)研究，目前的防松緊固件已有數(shù)十種,針對不同工況，其緊固件防松效果差異較大。因此，在設(shè)計選型時要仔細甄別，選擇適合工況要求的防松緊固件。

(1) Hard—Lock螺母防松技術(shù)

結(jié)構(gòu)介紹：Hard-Lock防松螺母，又叫凹凸偏心雙螺母，由日本HARD-LOCK公司研發(fā)，是通過上下兩個凹凸螺母相互作用實現(xiàn)防松。

原理介紹：凹凸螺母的結(jié)合部分的圓錐面均與螺紋不同軸，在擰緊時，結(jié)合的偏心圓錐面相互作用，產(chǎn)生良好的徑向鎖緊，使螺紋實現(xiàn)無間隙的緊密配合。防松性能不完全依賴預(yù)緊力，與上螺母鎖緊效果強相關(guān)。

特點：可以看作特殊的有效力矩型防松螺母，其在小預(yù)緊力、大振幅下仍可實現(xiàn)優(yōu)秀的防松效果，但由于這種雙螺母結(jié)構(gòu)會對螺栓產(chǎn)生較大的剪切力，螺栓、螺母均為一次性使用，無法重復(fù)使用。

另由于此防松結(jié)構(gòu)采用偏心雙螺母結(jié)構(gòu)，對于螺紋尺寸要求較高。若螺栓螺母的基本尺寸大、等級高，則擰緊過程中，預(yù)緊力無法使上下雙螺母形成有效的偏心力矩，防松效果較 差；若螺栓螺母的螺紋間隙過大，上下螺母的偏心量不足以彌補螺紋間隙量，防松性能即會受到較大影響。

適用工況：規(guī)格尺寸在M30以下，預(yù)緊力為對應(yīng)螺栓保證載荷的50%~80%。

(2)非金屬嵌件六角鎖緊螺母防松技術(shù)

結(jié)構(gòu)介紹：非金屬嵌件型防松螺母是在螺母的上端鑲嵌尼龍等材料，裝配的螺栓大徑大于嵌件內(nèi)徑，實現(xiàn)過盈配合。但受尼龍材料性能的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。尤其對于高低溫的極端環(huán)境，所用尼龍嵌件就會發(fā)生高溫軟化或低溫脆性過大而斷裂的現(xiàn)象；在惡劣的振動條件，時有失效的情況發(fā)生。

原理介紹：通過非金屬嵌件，達到螺栓螺母過盈配合，從而實現(xiàn)防松效果。

特點：螺母的嵌件在與螺栓配合時會形成擰緊力矩之外的有效力矩，為螺母提供更好的防轉(zhuǎn)性能。尤其是在小預(yù)緊力、小振幅下，其防松性能較為突出。但有效力矩防松螺母相匹 配的螺栓不能過長，擰緊后只露出尾端3扣以內(nèi)，原因是在螺母旋入螺栓時，不能讓尼龍嵌件產(chǎn)生過多磨損。

另上述防松螺母必須考慮在實際應(yīng)用時，所受振幅不能過大，盡可能避免沖擊力。原因是尼龍材質(zhì)較軟，無法承受過大的振幅，否則會發(fā)生損壞。故有效力矩型防松螺母主要應(yīng)用 在小規(guī)格。

適用工況：此類防松技術(shù)適用于M27以下規(guī)格緊固件，且對應(yīng)螺栓長度要控制在擰緊螺母后螺栓尾部僅露出2扣~3扣螺紋。安裝部位振幅不能過大，否則振動傳遞到非金屬嵌件部位,會對其造成損壞，致使防松失效。

(3)楔形墊圈防松技術(shù)

結(jié)構(gòu)介紹：楔形防松墊圈由瑞典NORD-LOCK公司研發(fā)，是在螺母和被連接件之間加入兩個互相咬合的齒面墊圈構(gòu)成。一面是楔形齒面，另一面是徑向細齒。其主要應(yīng)用在橋梁建 筑、石油、風(fēng)電等領(lǐng)域，被連接件允許由徑向細齒咬住，產(chǎn)生咬痕。

原理介紹：擰緊時，楔形齒鎖緊，同時墊圈外表面上的徑向細齒會咬住緊固件和被連接件，并在緊固件和被連接件上形成清晰的壓印痕跡。由于楔面角大于螺紋升角，楔形自鎖效應(yīng)即可阻止緊固件旋轉(zhuǎn)松動。

特點：通過兩個墊片之間的相互咬合形成牢固的防松結(jié)構(gòu)，阻止螺母發(fā)生轉(zhuǎn)動。防松效果好，安裝工藝簡單。但其會對被連接件和螺母支承面造成破壞，甚至在更換時，被連接件無法重復(fù)使用，導(dǎo)致其對工況要求較高。防松墊片要求被連接件表面不能太硬，否則無法嵌入到表面內(nèi)部，不能起到防松作用。

適用工況：此類防松結(jié)構(gòu)適用于各尺寸規(guī)格緊固件，但受被連接件的影響具有一定的局限性。

(4) 雙螺母結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)介紹：指先將螺母1-被連接件-螺栓的連接副按特定扭矩T1擰緊，再將另一個螺母2按扭矩T2擰緊在螺母1上方，形成雙螺母防松結(jié)構(gòu)。

原理介紹：在橫向振動試驗中介紹到，振動由被連接件傳遞到螺母下支承面，再由螺母推動螺栓。雙螺母結(jié)構(gòu)是通過下螺母承擔(dān)主要振幅,上螺母約束下螺母，防止其發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動；與此同時，上螺母受到的振幅已經(jīng)不足以使上螺母發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動。

特點：通過簡單的螺紋配合形成優(yōu)秀的防松結(jié)構(gòu)，在正常預(yù)緊力的工況下(即螺栓軸力在保證載荷的65%左右)，雙螺母結(jié)構(gòu)防松性能遠超普通單螺母。但受預(yù)緊力要求過高的限制，無法滿足小預(yù)緊力工況的防松性能；對螺栓長度有要求，雙螺母必須匹配相應(yīng)長度螺栓才能使用。

適用工況：雙螺母結(jié)構(gòu)以其優(yōu)秀的防松性能與低廉的價格而受設(shè)計者喜愛。但雙螺母結(jié)構(gòu)必須保證預(yù)緊力能夠達到螺栓保證載荷的65%以上，才能起到良好的防松性能。另外其安裝位置必須保證擁有擰緊兩個螺母的位置空間。

(5) 變牙型防松結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)介紹：楔形螺紋是非對稱性的，在內(nèi)螺紋的牙底處有一個30。的楔形斜面，形成大徑配合。

原理介紹：楔形防松螺紋與普通螺紋的不同之處是在螺紋牙底上有一個30。的斜面，而螺栓上外螺紋的形狀仍保持標(biāo)準(zhǔn)的三角形，當(dāng)防松螺母擰緊在螺栓上時，外螺紋的牙頂緊緊 地頂在內(nèi)螺紋牙底的30。斜面上，使螺紋間接觸時所產(chǎn)生的法向力與螺栓軸線成60。角，而不是普通螺紋的30。角，螺紋間的法向壓力遠遠大于軸向壓力，所產(chǎn)生的防松摩擦力也就大大增加，因而產(chǎn)生巨大的鎖緊力，防止螺母轉(zhuǎn)動。見圖1。

特點：楔形螺紋可以消除普通螺紋受力不均勻、滑牙和剪切問題，原因是楔形防松螺紋配合時，螺旋線上的每個牙承受的負載都比較均勻 ，同樣負荷能分散到每個面、每個點，不存在單扣螺紋應(yīng)力集中現(xiàn)象；并且螺母可以反復(fù)拆裝，重復(fù)使用。但此螺母需要一定的預(yù)緊力才能使螺栓螺母達到穩(wěn)定的斜面配合關(guān)系，小預(yù)緊力下防松效果不佳。

適用工況：變牙型防松螺紋主要適用于預(yù)緊力能夠達到螺栓保證載荷65%的工況，并且僅使用一個螺母，防松性能較為優(yōu)秀，于各類振動較大的工況下有較好的應(yīng)用表現(xiàn)。

(6)總結(jié)

以上國內(nèi)外各類典型防松技術(shù)各有特點，防松技術(shù)的通用性不強，每種防松技術(shù)的選用都與具體應(yīng)用工況強相關(guān)，防松性能要與安裝位置的實際負載相匹配。

2、防松緊固件評判標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)試驗分析

通過防松螺母在實際安裝后的振動情況，可將螺紋連接副的振動分為以下三種。

1) 緊固件橫向振動；

2) 螺紋連接副整體振動；

3) 緊固件軸向振動。

國內(nèi)外針對以上三種振動工況，設(shè)計相應(yīng)試驗，進而評判在上述振動工況下的防松性能。

(1)緊固件橫向振動

1969年，Junker發(fā)明橫向振動測試裝置，第一次對連接件進行橫向振動試驗，但當(dāng)時并無準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)計以及嚴謹?shù)脑u價標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)針對Junker橫 向振動試驗進行相應(yīng)的改進提升，形成了各類標(biāo)準(zhǔn)。

1) DIN 65151:2002

在德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 65151:2002《航空航天系列橫向負載條件下緊固件的鎖定特性的動態(tài)實驗》中對橫向振動及相應(yīng)試驗裝置進行了較為完備的介紹。偏心輪與柔性連接部分的 簡諧運動能夠?qū)Ρ贿B接件施加橫向力，從而使被連接件與螺栓螺母形成相對運動，驗證緊固件的防松性能。

但其并未規(guī)定不同工況下的不同規(guī)格緊固件的振動參數(shù)，無法對單一類型緊固件的防松性能進行權(quán)威評價。

2) GB/T 10431—2008

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動試驗方法》中試驗臺與DIN 65151:2002相同，但針對不同規(guī)格的緊固件制定了相應(yīng)的參考性質(zhì)的振動幅值(見表1),確保不會發(fā)生振動幅值與緊固件規(guī)格不匹配的情況，即防止振幅過大，使螺栓承受剪力或振幅過小，這樣不足以使螺母發(fā)生松動。

但GB斤10431采用柔性連接的結(jié)構(gòu)，其規(guī)定的振幅僅為空載振幅，無法監(jiān)測緊固件擰緊后振動的實際振幅，故其振動結(jié)果只能當(dāng)作參考,無法等同于實際安裝工況處的振幅。

3） ISO 16130:2015

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16130:2015《螺栓連接的鎖定行為的橫向載荷條件下的動態(tài)測試》中對橫向振動試驗臺進行了重新設(shè)計，將原試驗臺的偏心輪加柔性連接結(jié)構(gòu)變更為液壓驅(qū)動伺服電機及振動閉環(huán)控制伺服閥來控制振動臺的振幅。又加裝高精度位移傳感器和壓力傳感器，目的在于監(jiān)測振動全流程的振幅與螺栓軸力變化，從而判斷緊固件的防松性能。

①相較于上述兩標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)制定了單一類型緊固件的防松評判標(biāo)準(zhǔn)。

將振動前后的螺栓軸力進行對比，若:

a) 85% W 振動后的殘余軸力振動前的初始軸力認為防松性能良好;

b) 40% WW100%,則振動后的殘余軸力集動前的初給軸力 W85%,則

3） ISO 16130:2015

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16130:2015《螺栓連接的鎖定行為的橫向載荷條件下的動態(tài)測試》中對橫向振動試驗臺進行了重新設(shè)計，將原試驗臺的偏心輪加柔性連接結(jié)構(gòu)變更為液壓驅(qū)動伺服電機及振動閉環(huán)控制伺服閥來控制振動臺的振幅。又加裝高精度位移傳感器和壓力傳感器，目的在于監(jiān)測振動全流程的振幅與螺栓軸力變化，從而判斷緊固件的防松性能。

當(dāng)緊固件規(guī)格在M12以下時，振幅控制在±0.5mm；當(dāng)緊固件尺寸超過M12,振幅控制在±0.8mm。雖然削弱了振幅與螺紋規(guī)格的對應(yīng)關(guān)系，但其采用了剛性連接的方式，故規(guī)定的振幅為振動時的實際振幅。

4）標(biāo)準(zhǔn)對比與分析

綜上，見表2不同標(biāo)準(zhǔn)對比與分析。

由表2可知，三種標(biāo)準(zhǔn)對于橫向振動試驗的表述各有不同，設(shè)計者在可根據(jù)具體需求選擇相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的橫向振動試驗。但不可避免的是,以上三種標(biāo)準(zhǔn)對于單一緊固件的防松評判標(biāo)準(zhǔn) 均不完備，無法針對具體工況制定相應(yīng)振幅、頻率和周期等參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成權(quán)威的評價標(biāo)準(zhǔn)。

故在使用時，筆者建議設(shè)計者選擇多種不同防松結(jié)構(gòu)進行對比性質(zhì)的橫向振動試驗，并結(jié)合具體工況進行分析，擇優(yōu)選擇適合工況的防松結(jié)構(gòu)。

(2)螺紋連接副整體振動

GJB 715.3A—2002《緊固件試驗方法振動》緊固件振動試驗：區(qū)別于橫向振動試驗，本試驗將螺栓-被連接件-螺母正確擰緊形成連接副，使整個連接副在對應(yīng)工裝孔內(nèi)進行橫向 的振動，驗證緊固連接副是否發(fā)生松動，如圖2所示。

GB/T 715.3A規(guī)定的振動試驗對振幅、頻率等進行了規(guī)定，但評判依據(jù)僅為：若以松動判斷是否失效，應(yīng)在試樣上劃線或做其他標(biāo)記以確定是否有相對轉(zhuǎn)動。因為本試驗振幅較 大，無法于緊固件與被連接件之間安裝壓力傳感器測定其實時軸力。故本試驗僅可從定性上確定防松效果，而無法通過定量的方法確定防松效果。

(3)緊固件軸向振動試驗

緊固件軸向振動試驗：本試驗并無明確的試驗標(biāo)準(zhǔn)，但可通過軸向疲勞試驗機，設(shè)計相應(yīng)工裝，固定螺栓螺母后，施加軸向循環(huán)載荷，驗證其軸向防松性能。

研究發(fā)現(xiàn)，在軸向循環(huán)載荷的作用下，緊固件防松效果較好，故一般除特殊工況要求外，不以本試驗結(jié)果評判緊固件的防松效果。

(4) 臺架試驗

除針對緊固件的防松性能制定的標(biāo)準(zhǔn)，可依靠緊固件的安裝工況設(shè)計相應(yīng)試驗驗證其防松性能。

例如GB/T 5909—2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》中規(guī)定了商用車輛車輪的試驗方法和性能要求。而相應(yīng)的，車輪使用的輪轂螺母在車輛實際運行過程中會承受相應(yīng)的振幅與應(yīng)力，故可設(shè)計相應(yīng)試驗，在驗證車輪性能的同時對輪轂螺母進行防松驗證，其防松的可靠性更符合實際工況。

又如GB/T 21563—2018《軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》中規(guī)定了對安裝在軌道機車車輛上的設(shè)備進行沖擊和隨機振動試驗的要求。GB/T 21563最大限度地模擬了軌道交通車輛的實際振動工況。如設(shè)計者針對軌道交通車輛進行防松緊固件的設(shè)計，在進行緊固件標(biāo)準(zhǔn)防松試驗后，可設(shè)計進行上述沖擊和振動試驗,增加防松緊固件的可靠性。

(5) 總結(jié)

雖然有些應(yīng)用工況能夠采集實際的振動頻譜進行防松振動試驗，但大多數(shù)工況由于采集實際振動頻譜較困難，故設(shè)計者需針對實際振動的大小與方向選取不同振動試驗對防松緊固件進行可靠性驗證。

3、結(jié)論

緊固件由于其螺紋結(jié)構(gòu)，實際使用時涉及接觸力學(xué)、摩擦學(xué)等復(fù)雜學(xué)科知識，故其在實際承受振幅時無法通過理論計算準(zhǔn)確得到緊固件的松動評價標(biāo)準(zhǔn)，各類防松振動試驗并未權(quán) 威性地規(guī)定松動的邊界條件。設(shè)計者在選型時,需針對不同工況，選取不同防松緊固件，對緊固件進行防松可靠性對比分析，確定防松緊固件的類型。

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