【紧固连接防松科普系列 2】常见摩擦防松方法_振动_航空_航天_船舶_理论_材料_科普_螺栓

【紧固连接防松科普系列 2】常见摩擦防松方法

摩

擦

防

松

螺栓摩擦防松是一种通过增加螺纹副之间的摩擦力来防止螺栓松动的方法。这种防松方式简单、方便，且标准化程度较高，可以重复使用，是目前螺纹防松采用最多的形式之一。常见的摩擦防松方法：双螺母、偏心螺母、弹簧垫圈、楔形垫圈、尼龙螺母、收口自锁螺母等。

双螺母对置拧紧防松

在螺杆上连续拧紧两个螺母，两个螺母接触面间会产生始终存在的压力，从而形成不受外界载荷变化影响的摩擦力，适用于平稳、低速、重载的固定装置上的连接防松。

图1双螺母的结构形式

双螺母可以是两个等厚的螺母，或是一个薄螺母、一个标准螺母或厚螺母组合应用。以两个等厚螺母的装配为例，对其受力进行分析。在紧固第一个螺母的过程中，随着紧固力矩的增大，螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面逐渐压紧产生相互作用力。如图2(a)所示。

图2.(a)紧固第一个螺母时的受力分析(b)紧固第二个螺母时的受力分析

随着第二个螺母逐渐拧紧，下螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面之间会出现间隙，但并未接触到螺栓螺纹牙的上表面及下表面，处于悬浮状态。此时，下螺母与螺栓之间的作用力消失，下螺母只相当于垫圈的作用。如图2(b)所示。

再继续拧紧上螺母，下螺母螺纹牙的下表面开始渐渐地压紧在螺栓螺纹牙的上表面，同时上螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面会进一步压紧，两个螺母之间的螺栓部分产生附加的轴向拉应力，这个拉应力通过与上下两螺母的啮合螺纹牙传递到两个螺母的接触面上，形成了双螺母防松所需的顶紧力。如图3所示。

图3 双螺母紧固完成后的受力分析

偏心螺母防松

偏心双螺母是一种特殊结构的双螺母，同样由两个螺母组成，上、下螺母呈凹凸配合结构，下螺母为偏心结构，拧紧上螺母后，下螺母和螺栓的单侧螺纹被挤压变形，从而实现防松。偏心螺母结构如图4。

图4 偏心双螺母结构示意图

弹簧垫圈防松

弹簧垫圈采用优质的弹簧钢制成，在螺母和原螺母配合平面间添加弹簧垫圈，弹簧垫圈在螺母拧紧后，通过垫圈被压平产生的弹性反力，持续施加轴向力，增大螺纹间的摩擦力，从而起到防松作用。同时垫圈开口尖端抵住螺母与设备安装面，增加防松作用。但在高振动环境下，防松效果不明显，一般应用于非重要部位的连接，图5（a）为弹簧垫圈结构示意图,(b)为旋紧过程仿真。

图5(a) 弹簧垫圈结构示意图

其他常见垫圈如图6所示。

图6.(a)碟形垫圈; (b)楔形垫圈

尼龙螺母防松

尼龙自锁螺母是一种有效力矩型锁紧螺母，由螺母基体和尼龙嵌件两部分组成，尼龙的膨胀系数大于金属，当螺栓拧紧后，尼龙螺母会膨胀，从而增加摩擦力。

图6 尼龙自锁螺母

收口自锁螺母

收口自锁螺母主要用于航空航天发动机上，具有以下优点：结构紧凑，重量轻、使用范围广，可以根据使用环境的湿度温度需求选择材料以及表面处理方式。收口自锁螺母与普通螺母相比不同之处在于，在常规的加工成型工艺之后还需要对收口自锁螺母进行收口工序，使得收口处的螺纹孔径向尺寸小于与之连接的螺杆的径向尺寸。当螺母旋合时，收口区域的螺母螺纹与螺栓螺纹接触发生弹性变形从而产生有效的锁紧力矩。

图7 收口自锁螺母

结语

思考：

目前对于普通双螺母拧紧工艺的制定和优化依然缺少准确的理论依据，有认为双螺母中下螺母应用25%-50%的拧紧力矩，也有的认为应先用规定的拧紧力矩的80%拧紧下面的螺母，各位读者怎么看？

参考文献

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来源：昊宇睿联

【20231024更新】Thread Designer 软件操作手册

ThreadDesigner软件操作手册适用于ThreadDesignerV1.0版本或邻近版本VDI2230PartII中将螺栓连接有限元模型分为四级：一级模型只对部件进行建模，不考虑螺栓本体；二级模型将螺栓考虑为线元，即作为拉伸构件、梁单元或弹簧单元；三级模型将螺栓建模为等效实体模型，即不考虑螺纹的螺栓有限元模型；四级模型为最高等级，表示详细建模的螺栓，需包含螺纹和所有接触面中的接触条件，并且精确表现螺栓的每个细节。ThreadDesigner软件生成的模型完全符合VDI2230准则的四级模型要求。VDI2230PartII对四级模型的表述是：四级模型FEM的计算应力符合VDI2230讨论的设计概念所需的公称应力定义，可用于确定公称载荷。并且，可通过相应的局部验证概念确定和评估螺纹每个位置的局部载荷。此外，最小螺纹配合长度也需要通过四级模型在考虑弹塑性材料特性的情况下获得。VDI2230PartII中对螺栓精确有限元模型的评价可总结为：一种更加精确的可以可替代VDI2230的螺栓连接设计与校核的方法。螺栓精确有限元模型的工程应用优势在于：1)可模拟拧紧过程，研究拧紧方法、拧紧工具、螺栓参数等对拧紧过程带来的影响，高速、高效、低成本获得最佳拧紧策略。2)模拟松动行为，便于研究螺栓的松动机理与防松措施。3)计算螺纹应力集中情况，快速判断静强度、疲劳强度等是否达标，降低工程风险。4)辅助或替代VDI2230准则进行螺栓连接设计与校核。因此，采用轮廓与实际高度一致的螺纹部件有限元模型模拟螺纹连接失效行为是提出针对性防松措施和提高可靠性的有效手段，该方法已经过了学术界15年的检验与认同。但是，螺纹模型的参数化精确建模方法仍属于紧固连接研究领域的前沿技术，螺纹网格无法人工划分，需要借助计算机程序实现。目前国内相关学术研究仍然集中于西南交通大学、西安交通大学、北京理工大学、大连理工大学等个别高等院校和研究机构，各机构算法严格保密，处于技术垄断阶段，并形成了多个“技术孤岛”。这也导致了学术研究成果迟迟无法落地，本应广泛应用于工程领域的实用先进技术多年来仅存在于顶级期刊论文中。来源：昊宇睿联