紧固件防松方式,我应该选哪种?

背  景

紧固件作为机械基础件，其趋势是从结构紧固件向功能紧固件方向发展。随着国内汽车、高铁、航空等产业的全面发展，对紧固件的防松性能要求越来越严格。

目前紧固件防松形式较多，没有统一的指导原则，在设计选型时缺少依据。因此评价紧固件防松性能就显得尤为重要，通常在设计选型时通过理论计算和试验对比的方法对防松性能进行评价。

目前国内外对于紧固件防松性能的试验测试，主要通过两种方法：

GJB715.3-89(加速振动试验方法》，该方法加载方式和振动、冲击条件更接近于各种紧固件的实际使用状态，尤其在评定紧固件防松连接的防松脱寿命方面是不可或缺的方法，主要用于航空航天行业。

GB/T10431-2008《紧固件横向振动试验方法》，该方法可以精确地测量紧固件连接在振动试验过程中预紧力的变量，描述试验中预紧力的变化过程，给出预紧力与振动次数(或时间)的关系曲线图，并以预紧力下降的变量作为衡量紧固件连接松动的准则，试验效率高，除航空航天以外各行业均适用。

通过横向振动试验法对几种常用的防松紧固件进行试验比较，为防松紧固件的选用及更大规模的试验提供参考。

一、对比试验

试验选取了5种防松紧固件进行对比，每种紧固件抽取10组各性能指标合格的样品，分别为：

螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+平垫(GB/T97.1)；

螺栓(GB/T5782)+变牙型防松螺母(TB/T3019)；

螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+弹簧垫圈(GB/T93)；

螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+自锁垫圈(Nord-lock)；

螺栓(GB/T5782)+普通螺母(GB/T6170)+安全垫圈(VS型)。

本次试验选用的螺栓规格为M14，性能等级为10.9级；螺母性能等级为10级，平垫为300HV。

二、试验方法

对比试验按照GB/T10431-2008进行3000次横向振动，并实时记录试验螺栓预紧力衰减情况。

螺纹连接中拧紧扭矩T、螺栓轴向预紧力F与螺栓公称直径d之间的关系，可由扭矩系数来表达：T=KxFxd(1)

由于样品之间扭矩系数K的差异会对试验结果产生影响，本次试验没有采用规定拧紧扭矩相同的方式，而是采用规定初始轴向预紧力相同的方式进行试验。初始预紧力为螺栓样品70%屈服强度下的轴向拉力，即：F=(RpO.2xAs)x70%(2)

式中：

F为初始轴向预紧力；

Rp0.2为螺栓样品规定非比例伸长应力，Rp0.2=640MPa，参见GB/T3098.1-2010；

As为螺栓公称应力截面积，As=157mm,参见GB/T3098.1-2010。

评判标准：经过3000次即240s横向振动试验后，残余预紧力与初始预紧力的比值不小于70%即可判定该样品防松性能合格。

三、试验结果与分析

（一）螺栓+普通螺母+平垫

第1组试验采用普通螺母和平垫，平垫从原理上不具有抗振防松性能，故作为对比试验的参照组。

从图1中的轴向力-时间曲线可以看出，90%的螺栓试件的轴向力在试验开始后的30s内急剧下降，表示在30s内螺栓与螺母的螺纹静摩擦副快速失效，螺栓预紧力已完全损失，从而引起螺栓连接的松动。

由该组试验结果可以得出普通螺母和平垫圈在动载、冲击、振动的工况下基本不具有防松功能，因此使用防松紧固件对提高机械连接可靠性是十分必要的。

（二）螺栓+变牙型防松螺母

第2组试验采用变牙型防松螺母，从图2的轴向力-时间曲线可以看出，经过240s横向振动试验后，除样品9的残余轴力与初始轴力的比值小于70%外，其余样品的残余轴力均能满足试验合格的评判标准，并且残余轴力与初始轴力的比值平均值在85%以上，该组试验显示了变牙型防松螺母具有比较良好的防松性能，能够在动载、冲击和振动的工况下保持螺纹自锁。

变牙型防松螺母螺纹与米制螺纹不同，其牙底处有一个30。的楔形斜面，当内外螺纹旋合后，螺栓外螺纹的牙顶会顶在内螺纹的斜面上，使螺纹接触时产生的法向力与螺栓轴线成60°，而不是米制内螺纹的30°，使得螺纹间的法向压力由F/sin60°变为F/sin30°。

当螺纹间摩擦因数、轴向预紧力F相同时，带楔形斜面的螺纹产生的摩擦力远远大于普通米制螺纹产生的摩擦力，大大提高了防松力矩。

此外带楔形斜面的螺纹消除了米制内外螺纹配合时第1、第2啮合面承载较大，整个螺纹旋合部分受力不均匀，存在应力集中的现象，有效提高了防松抗振性能，如图3所示。

变牙型防松螺母也存在一些不足，这种螺纹对螺栓螺纹大径存在很大的敏感性，即螺栓螺纹大径在公差范围内，其与变牙型内螺纹配合后的扭矩系数仍存在比较大的离散率。

螺栓螺纹大径由于与斜面接触会产生变形，在重复使用时可能会导致轴向力的衰减，一定程度上影响其重复使用性能。

（三）螺栓+普通螺母+弹簧垫圈

第2组试验采用常见的标准型弹簧垫圈，从图4表明全部试验样品的轴向预紧力在试验开始后30s内快速下降至0kN，即螺纹连接已发生松动失效。

弹簧垫圈靠弹性变形被压平而产生的弹性反力，对螺栓连接副的轴向力有持续的补偿作用，防止螺栓由于持续振动产生疲劳而发生松动。同时有松动趋势时弹垫的斜口尖端抵住螺栓或螺母支承面与被连接件表面，起到止退和防松作用。

然而试验证明，在强烈冲击和振动的条件下弹簧垫圈基本起不到防松的作用，原因是弹簧钢材质的垫圈切出一个开口后再经弹性变形处理，其弹性反力大大降低了；同时垫圈尺寸较窄，螺栓头部与被连接件之间接触面的等效直径变小，显著减少了这部分的摩擦止退力矩。

弹簧垫圈在快速拧紧时还存在易胀圈、开口斜角尖端易损伤连接面的问题，因此本文中不推荐在振动较强烈、松动风险较大的关键连接部位单独使用弹簧垫圈作为防松手段。

（四）螺栓+普通螺母+自锁垫圈

第4组试验釆用双层齿形自锁垫圈（Nord-Lock），经过240s横向振动后10组样品残余轴力与初始轴力的比值在82.51%-87.61%，如图5所示，全部满足防松性能试验合格的标准。

双层齿形自锁垫圈层间有斜齿相互啮合，垫圈两安装面上有放射状锯齿，拧紧时放射状锯齿能够嵌进螺栓或螺母支撑面及安装面。

当受强振螺栓或螺母出现松动趋势时，垫圈层间的斜齿处会出现错动抬升，斜齿坡度角a大于米制螺纹升角能够使螺栓拉长起到稳定预紧力作用，是通过拉伸螺栓增加预紧力来防松，如图6所示。

使用该垫圈必须有较大的预紧力才能使连接件和螺栓或螺母支承面上产生压痕并成为一体，没压痕将不能发挥出该垫圈的防松功能，即该型垫圈适合高强度紧固件的防松。

（五）螺栓+普通螺母+安全垫圈

第5组试验釆用安全垫圈（VS型），经过240S强振后10组样品的残余轴力与初始轴力的比值平均值约为86.7%，如图7所示。每组样品残余轴力与初始轴力的比值均大于70%，即全部满足防松性能试验合格的评价标准。

图7第5组预紧力衰减曲线

安全垫圈（VS型）为锥形双面棘齿结构（见图8），在预紧力作用下棘齿压入连接体和螺栓或螺母支承面上，成为一体，增大结合面的反转摩擦力，同时锥形结构具有弹性，压紧后可补偿预紧力的损失，从两方面提高防松性能。

总 结

当紧固件处于变载、振动和冲击的工况，选择适当、可靠的防松型式对于提高产品质量和运行安全性格外关键。分析得出：

标准型弹簧垫圈的防松性能并不可靠，由于其安装方式简便，成本低廉而在各行各业得到大量的运用，这是存在一定风险的。

变牙型防松螺母技术由国外引进，经过国内十几年的吸收、改进，已经逐渐适应了国内轨道行业的需求，防松性能可靠，成为一种轨道行业比较通用的防松紧固件产品。

选用的自锁垫圈和安全垫圈为进口国外厂家的专利产品，其防松性能稳定可靠，但使用成本相对较高，如能够建立相应的标准，完成国产化，将有利于大规模应用。

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