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欧宝登录app入口:【专业知识】螺纹连接防松技术研究综述

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  刘  力,袁英强 (铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京  100081)  摘要:首先在论述螺纹连接受力和自锁机理的 基础上,分析螺纹连接松动的主要原因和影响因 素。然后,按照螺纹连接防松原理对防松措施进行分类,并总结典型防松措施的结构、机理及特性,为轨道交通领域防松方式的选择提供参考。最后,对螺纹连接防松的未来研究方向进行展望。  作为最基本的结构连接方式,螺纹连接具有结构简 单、安装便利、拆卸方便、可批量生产等优点 [1],广泛 应用于轨道交通车辆、轨道、接触网等设备。在轨道交 通振动

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  刘  力,袁英强 (铁科院(北京)工程咨询有限公司,北京  100081)

  摘要:首先在论述螺纹连接受力和自锁机理的 基础上,分析螺纹连接松动的主要原因和影响因 素。然后,按照螺纹连接防松原理对防松措施进行分类,并总结典型防松措施的结构、机理及特性,为轨道交通领域防松方式的选择提供参考。最后,对螺纹连接防松的未来研究方向进行展望。

  作为最基本的结构连接方式,螺纹连接具有结构简 单、安装便利、拆卸方便、可批量生产等优点 [1],广泛 应用于轨道交通车辆、轨道、接触网等设备。在轨道交 通振动、冲击以及温度荷载的长期作用下,螺纹连接的 预紧力会逐渐减小、丧失,甚至产生连接松脱现象 [2]。实际应用中,因螺纹连接松动、脱落而造成的设备故障 和安全事故屡有发生。总结和研究螺纹连接松动机理以 及造成松动的原因和影响因素,分析当前不同防松方式 的特性和差异,对指导实际工程应用具有重要意义。

  螺纹副在轴向荷载作用下的运动可看作水平力推动 滑块在螺纹中径处沿螺纹运动,首先研究受力最简单的 矩形螺纹。将螺母简化为滑动质量块,通过施加拧紧扭 矩使螺母与螺栓之间产生预紧力 F,FS 为螺母受到的水 平推力,r 为螺栓螺纹的平均半径(螺纹中径的一半), 如图 1a 所示。

  将图 1a 所示矩形螺纹连接副沿螺纹中径展开可得 图 1b 和图 1c 所示受力图。其中,α 为螺纹升角,h 为 螺栓旋转 360°的升程,2πr 为螺纹中径一周的周长, μ 为螺纹副间摩擦因数,Fn 为螺栓对螺母的法向反力, μFn 为螺栓与螺母间的滑动摩擦力,FR 为摩擦力与法向 反力的合力,β 为摩擦角。

  螺母拧紧过程中,在 F 和 FS 的共同作用下,螺母沿 F 反方向匀速向上运动,此时,摩擦力 μFn 沿斜面 向下,如图 1b 所示,根据受力平衡关系可得如下公式, 其中 T1 为拧紧扭矩。

  螺母松退时,在 F 和 FS 的共同作用下,螺母与 F 同方向匀速向下运动,此时,摩擦力 μFn 沿斜面向上, 如图 1c 所示,根据受力平衡关系可得如下公式,其中 T2 为松退扭矩。

  对于矩形螺纹,忽略升角 α 的影响时,有 F = Fn, 如图 2a 所示。对于牙形角 φ1 ≠ 0 的非矩形螺纹,如图 2b 所示,φ2 为螺纹斜面与水平面间的夹角,螺母与螺栓 接触面间的摩擦力 F 为:

  可见,非矩形螺纹情况下螺纹副间摩擦力公式与矩 形螺纹情况类似,仅将摩擦系数 μ 转换成了当量摩擦系 数 μ 。

  引入当量摩擦角 β = tan-1 μ 后,非矩形螺纹的受力 可按矩形螺纹的方法分析,从而得到螺母拧紧时的水平 推力与拧紧扭矩:

  由式(6)和式(11)可以得出,若 α> β 或 α> β , T 为正值,方向与螺母松退方向相反,驱动力矩成为螺 母松退的阻力。可见,螺母在较大轴向力的作用下,即 使施加一定的拧紧扭矩也有松退的可能。若 α≤ β 或 α≤ β ,T 为负值,方向与螺母松退方向相同,驱动力 矩成为放松螺母必须施加的外部驱动,若无驱动力矩的 作用,螺母不会产生松动,因此,螺纹的自锁条件为 α≤ β 或 α≤ β 。

  。对于普通螺纹,螺纹升角α 一般为 2°30 ~ 3°,tan α≤ tan 3° = 0.052 4;金属间的摩 擦系数 μ 一般为 0.1 ~ 0.3,当量摩擦系数 μ 为 0.115 5 ~ 0.346 5。可见,普通螺纹能够满足自锁条件,即在无松 退扭矩的作用下,螺母不会产生松动。

  从以上分析可以看出,静载条件下,螺栓只承受轴 向载荷作用,由于螺纹的自锁作用,在没有附加松退扭 矩的情况下连接不会松动。螺纹的松动主要是由外部振 动、冲击载荷和交变温度载荷等作用造成的。

  螺纹连接松动表征为部分或全部轴向预紧力的损 失。基于这个定义,Jiang 等的研究表明螺纹连接松动可 分为 2 个阶段 [3]。第一阶段中,螺母与螺栓间几乎不会 产生相对运动,预紧力的减小主要是材料塑性变形及其 扩展引起的,称为非旋转松动阶段或材料松动期;第二阶段中,螺栓与螺母间产生较显著的相对转 动,预紧力下降明显,称为旋转松动阶段或结构 松动期 [4]。

  材料松动期的非旋转松动与界面接触特性、 材料特性以及工作荷载密切相关,主要是由于材 料塑性变形及扩展引起的 [4],包含以下几个方面。

  (1)螺纹连接的螺纹接触面、端部支撑面和 连接体连接面的表面轮廓通常凹凸不平。在预紧 力和工作荷载的作用下,即使没有超过材料的屈服极限,微凸体也可能被挤压变平,产生局部塑性变 形,塑性应变随时间逐渐累积导致蠕变行为,引发预 紧力下降。

  (2)在周期性外力的作用下,内外螺纹将发生往复 的微滑移运动,导致黏着物或微凸体的脱落,造成预紧 力的损失。

  (3)工作载荷下,旋合螺纹牙底环形区域应力可能 超过了材料的屈服极限,由于周期载荷作用下的棘轮效 应,塑性区域会逐渐发展,从而发生不可逆的周期性塑 性变形而导致预紧力下降。

  塑性变形引起的初始松动虽然很小,但却是螺纹副 间产生滑动和预紧力严重损失的开始。此外,还有研究 表明,在预紧力和工作载荷的作用下,螺纹连接的应力 虽然没有达到材料的屈服极限,但存在应力随着时间逐 渐减小、应变则保持不变的应力松弛行为。应力松弛导 致的预紧力损失是一种长期的预紧力衰退行为,在常温 条件下,应力松弛损失通常很小,一般不超过初始预紧 力的 2%,但是,随着温度升高,应力松弛过程将逐渐 加速,从而导致更严重的预紧力损失行为 [5]。

  螺纹连接中各接触面间的相对转动是结构松动期的 主要表征。在工作荷载的作用下,由材料塑性变形和扩 展引起的预紧力下降,以及各部件的惯性、弯曲和扭转 等造成的螺纹副间的微量滑动会使摩擦因数显著降低, 破坏原有受力平衡和自锁条件,螺母随之会产生微量 松脱转动,随着微量转动的累积,最终造成螺纹连接松 动。相比非旋转松动,螺纹连接的旋转松动更容易导致 预紧力的持续衰退,甚至造成螺纹连接的完全松脱。

  初始预紧力是影响螺纹防松性能的重要因素。初始 预紧力过小会导致螺纹连接直接进入旋转松动阶段;增 大预紧力会使内外螺纹接触面间的正压力和摩擦力相应 增大,从而增加螺母松退扭矩需求,有效提升防松性 能;但过大的初始预紧力也可能会造成螺纹接触面的压 溃,使轴向力急剧衰减,甚至会导致螺纹的断裂 [4]。因 此,将初始预紧力控制在合理的范围对螺纹连接的防松 至关重要,对于重要部位的螺纹连接,应对预紧力的大 小进行严格计算和控制,以保证良好的防松效果。

  当前,初始预紧力的大小多通过拧紧扭矩控制,预 紧扭矩 T 包含如式(4)或(9)所示的拧紧扭矩 T1 和 支承面摩擦扭矩 T3,如式(12)所示:

  式(12)~式(14)中,F、r、α、β 与前述含义相同, f 为支承面摩擦因数,无润滑时取 0.15 ;rf 为支承面等 效摩擦半径,dw 为支承面接触外径,dn 为支承面接触内 径,σ 为预紧应力,As 为螺栓公称应力截面积。预紧力 F 根据连接要求确定,为保证螺栓的工作性能,一般取 0.5 ~ 0.7 倍的螺栓材料屈服极限。

  摩擦因数直接影响螺纹连接的防松性能。增大摩擦 因数可增加螺纹副间的摩擦力和螺纹松退扭矩需求,提 高防松性能;但摩擦因数的增大也同时增加了拧紧扭矩 需求,在相同的拧紧扭矩下,若摩擦因数增大,则预紧 力变小,可能会造成初始预紧力不足,引起螺栓松脱的 情况。此外,过大的拧紧扭矩也会引起螺纹面较大的剪 切力进而导致螺栓发生破坏,因此需将摩擦因数控制在 适当范围内,摩擦因数的波动也会影响螺栓防松性能的 稳定性。

  螺纹连接中,螺纹副的旋合部分承载了预紧力和 外部荷载所引起的主要轴向力。直观上看,增加旋合长 度,意味着承载螺纹圈数增多,从而增大摩擦面,改善 防松性能,但旋合螺纹的受力是不均匀的 [4]。陈海平等 人的研究结果表明,旋合螺纹承载的轴向力随螺纹序号 的增加逐渐降低,载荷主要集中在前 3 扣,约占全部轴 向力的 60% 以上,当螺纹号大于 10 时,后面各扣承载 比例小于 4%[6]。刘传波等人的研究表明,螺纹旋合长 度越短,螺纹牙的承载越不均匀 [4] :他们利用标准螺母 和薄型螺母进行了振动对比试验,结果显示,经 120 s 振动后,薄型螺母的残余轴向力与初始预紧力之比约为 27%,而标准螺母则为 88%,薄型螺母防松性能较差。可见,旋合螺纹达到一定长度后,由于末端螺纹几乎不 承载,盲目地增加旋合长度对提升防松性能的作用不 大;但旋合长度过短也会造成螺纹受力差异性增大,对 螺纹防松有不利影响。实际应用中,螺纹旋合长度应控制在合理的范围内。

  关于外部工作荷载对螺栓防松性能的影响,国内外 学者进行了大量的解析、仿真和试验研究,总结研究成 果主要包含以下几个方面 [5]。

  (1)沿螺栓轴向的纵向振动引起的预紧力衰退,主 要由材料塑性变形和扩展造成的非旋转松动行为导致, 即纵向振动很难导致螺栓的旋转松动。

  (2)横向振动是导致旋转松动的主要载荷形式,在 横向振动的作用下,螺纹面和被连接体支承面产生局部 微小滑移,伴随周期荷载的作用,滑移逐渐累积形成松 动转角,从而导致持续的旋转松动,对螺栓的防松起到 极为不利的影响。(3)连续的冲击载荷可能诱发严重的旋转松动行 为,冲击次数和大小是严重旋转松动的主要决定因素。

  (4)当被连接件材料和连接件材料的热膨胀系数差 异较大时,交变温度载荷也将引发明显的旋转松动。

  由于螺纹连接在工作荷载作用下的受力和振动状态 十分复杂,关于工作荷载对螺栓松动行为影响的研究 主要集中在单一荷载,复合载荷对螺栓松动影响规律 和作用机理的研究内容还比较少,这是未来的重要研究 方向。

  螺纹连接松动有非旋转松动与旋转松动 2 个阶段。第一阶段抑制非旋转松动,主要是选用高强度、高韧性 的材料,避免产生材料的塑性变形。目前的防松技术主 要是针对第二阶段,即防止内外螺纹的旋转松动 [7]。国 内外螺纹防松措施多样,按原理可分为不可拆卸防松、 机械锁紧防松、摩擦防松和预紧力锁紧防松。

  不可拆卸防松是通过在支承端面和螺纹面的接触区 域采用焊接、铆接或粘接等破坏螺纹副的方法,使内外 螺纹之间牢固连接,从而实现有效防松的目的。这种防 松方式原理简单,效果可靠,但由于螺纹副遭到破坏, 使得后期拆卸困难,且无法重复使用,导致了其主要应 用于防松可靠性要求高、无需重复拆卸的场合。

  机械锁紧防松是通过止动元件使螺纹件与被连接件 之间或内外螺纹连接件之间固定和销紧,以抑制内外螺 纹发生相对转动,从而增强防松能力。常用的方法有止 动垫圈、开口销和串联钢丝等,如图 3 所示。止动垫圈采用钢垫圈将螺母与被连接件或将 2 个 螺母固定,提高防松性能;开口销一般需与开槽螺母配 套使用,将开口销同时穿过螺母槽口和螺栓销孔,避免 螺栓与螺母产生相对转动;串联钢丝是将钢丝穿入螺钉 或螺母的孔内,使几个螺钉或螺母连接在一起而产生锁 紧效果。机械锁紧防松具有较高的可靠性,保留了螺栓 连接的可拆卸性,适用于振动和冲击较大的场合,特别 是维护中不易检查的区域,但是由于引入了第三方零部 件,增加了紧固件单元的重量,也使装配工作变得较为 繁琐,无法进行机动安装。

  摩擦防松是通过增大松动过程的摩擦力,提升摩擦 阻力矩的方法而达到防止连接松脱的目的,是应用最广 的一种防松方式。根据摩擦阻力矩的产生部位,又可分 为支承面摩擦防松和螺纹面摩擦防松。

  支承面摩擦防松是通过改变支承面粗糙程度,增 大摩擦因数,或者通过尖锐物的表面嵌入,直接增大支承面摩擦扭矩,使支承面间不容易产生相对滑移,达到 防松的目的。主要方式包含弹簧垫圈、锯齿垫圈、法兰 螺母等,如图 4 所示。弹簧垫圈在预紧力的作用下被压 平,其 2 个边缘区域分别被嵌入被压件表面和螺母端 面,从而增大接触界面的摩擦力;锯齿垫圈在预紧力的 作用下,锯齿嵌入接触界面,增大接触界面间的摩擦 力;法兰螺母的端面有一圈法兰,在预紧力的作用下, 法兰嵌入被压件表面,增大了接触界面的摩擦力。在实 际工程中,这种嵌入行为将对螺母端面和被压件表面造 成一定的损伤。此外,在复杂的振动条件下支承面很容 易出现磨损,使得支承面摩擦扭矩显著降低,导致防松 性能降低或消失。

  螺纹面摩擦防松是通过扩大螺纹面接触区域,在螺 纹中嵌入物质,增大摩擦因数或改变紧固件结构以增大 摩擦力等方式提高螺纹面摩擦扭矩,达到防松的目的, 其效果一般优于支承面摩擦防松。主要方式包含偏心双 螺母、楔形锁紧螺母、弹簧嵌件螺母、预置扭矩螺母等。

  (1)偏心双螺母。偏心双螺母的下螺母呈凸状,上 螺母呈凹状,凸状螺母具有一定的偏心量,装配后由于 偏心作用,会使螺栓与螺母间在轴向和径向产生远大于 普通螺母的压紧力,有效地防止了螺纹副间的相对运动, 从而实现良好的防松效果 [8]。典型的偏心双螺母产品是日 本的 Hard-Lock 螺母,如图 5 所示,广泛应用于航空、铁 路、汽车等多个行业,被誉为“永不松动的螺母”[7]。(2)楔形锁紧螺母。典型的楔形锁紧螺母产品有美 国的施必牢螺母和中国的 ST2 型锁紧螺母,如图 6 所 示。与普通螺母相比,楔形锁紧螺母的底径由传统 60º 的斜面变为 30º 的锥面,而螺栓螺纹的形状保持不变。当螺母与螺栓配合时,内外螺纹由面接触变为线接触,或产生微量变形,产生远大于普通螺纹的法向力和摩檫 力,并使每个螺纹牙都能均匀承载,消除了普通螺纹受 力不均的现象,从而达到很好的防松效果。

  (3)弹簧嵌件螺母。弹簧嵌件螺母结构如图 7 所 示,它的上端装有可径向变形的螺旋弹簧,其螺距、螺 旋角和螺旋方向与螺母相同,弹簧上端钩在螺母的侧孔 中,下端与螺母螺纹段的上平面不接触。当拧入螺栓 时,螺栓对螺纹的径向力把螺簧撑开,螺簧内径稍变粗 并嵌入到螺栓螺纹内;当螺母拧出时,依靠螺栓螺纹 与弹簧的摩擦力又使螺簧内径变细,箍紧螺栓起到防松 效果。这种螺母结构较复杂,对螺簧的加工要求较高由于螺簧在螺母内周边有相对运动,所以防松效果不 易保证 [9]。

  (4)预置扭矩螺母。这类防松螺母的特点是在螺 母旋进并且未产生预紧力的过程中,需要附加的扭矩才 能拧紧螺母,预置扭矩螺母在松动时需要克服更大的 摩擦力,因此相比普通螺母具有更优越的防松性能。代 表性的有非金属嵌件螺母、VARGAL 弹簧自锁螺母、 LANFRANCO 自锁螺母、FUJILOK 自锁螺母等,如 图 8 所示。非金属嵌件螺母是在螺母上端嵌入非金属垫 圈等嵌件,拧紧螺母时,非金属嵌件会被挤出螺纹,与 螺栓间形成较大摩擦力的同时,对振动和冲击荷载还具有 一定的缓冲作用,具有很好的防松能力,但适用的环境 温度一般为-50 ℃~ 100 ℃,也存在非金属材料的老化问 题[10]。VARGAL 弹簧自锁螺母、LANFRANCO 自锁螺 母和 FUJILOK 自锁螺母均属于全金属锁紧螺母,区别 在于预置扭矩的产生方式不同。VARGAL 螺母具有带螺 纹的 4 个爪片,爪片外配螺旋弹簧,在拧紧过程中爪片 扩张,弹簧和爪片对螺栓螺纹产生双重抱紧力,增大螺 纹副间的摩擦力矩,阻止螺母松动;LANFRANCO 螺 母沿横向开槽,拧入螺栓时,槽缝被撑开,由于材质的 弹性产生回缩的趋势,一方面会对螺栓产生轴向反作用力,另一方面会抱紧螺纹面增大摩擦力,达到锁紧防松 的目的;FUJILOK 螺母由螺母和摩擦环 2 个零部件构 成,通过铆接加工将摩擦环固定在螺母上表面上,形成 一体,螺母在拧紧过程中金属摩擦环与螺栓螺纹之间产 生弹性压强,形成沿螺纹面下压的弹性力,从而产生阻 止自由旋转的摩擦扭矩。这几种自锁螺母均具有优良的 防松性能,多用于振动较为严重的环境,适用的温度较 广,其锁紧性能取决于螺母体材料的弹性,更适合于机 械性能等级较高的螺母,也要求配合螺栓具有足够高的 强度和螺纹精度。

  预紧力锁紧防松是在松动过程中增加预紧力,同时 提高端面和螺纹面摩擦扭矩,实现防松效果。典型的预 紧力锁紧防松方式为双叠自锁垫圈和唐氏螺栓,如图 9、 图 10 所示。(1)双叠自锁垫圈。双叠自锁垫圈的内表面呈楔形 大齿状,外表面呈楔形小齿状,采用大齿面相对的成对 安装方式。在预紧力作用下,外表面锯齿与螺母和被连 接体表面咬合,因外表面的摩擦因数大于内表面的摩擦 因数,且楔形大齿的坡度角大于螺纹升角,螺栓松退所 造成的垫圈内表面沿厚度方向的扩张距离大于螺栓的松 退位移,从而引起预紧力的增大,令防松系统自动进行复位调整 [11]。双叠自锁垫圈的性能可靠,适用于各种振 动情况,但不适用于锁紧件与被锁紧件硬度过高或过低 的情况,同时楔形小齿会对工件锁紧位置防腐层构成一 定破坏。

  (2)唐氏螺栓。唐氏螺栓将普通外螺纹从单旋向、 全连续、等截面改变成双旋向、非连续、变截面,使得 修改后的螺纹同时设有左、右两种不同旋向。在安装 时,唐氏螺栓需要和普通双螺母配合使用,先拧紧右旋 螺母(紧固螺母),再拧紧左旋螺母(锁紧螺母)。振动 荷载作用下,紧固螺母在松动时将沿着锁紧螺母拧紧的 方向转动,使锁紧螺母拧紧,预紧力增加,从而实现有 效防松。

  当前的研究成果表明,横向振动荷载的作用是造成 螺纹连接松动最主要的原因,由材料塑性变形与扩展引 起的材料松动和由螺纹副间微量滑动与累积引起的结构 松动,是螺纹连接松动的 2 个阶段。针对轨道交通特殊 的运用环境,需结合实际应用工况设计和选择最有效的 防松方法,提高螺纹连接的安全性、可靠性和耐久性。螺纹连接的受力复杂,影响其松动的因素众多,当前定 性的局部滑移累积理论还缺少先进的观测和试验设备进 行验证。此外,工程实际应用中出现的螺纹强度差、易 变形或者受温度影响显著等问题,还需要从新型材料和 结构的角度进一步深入研究。

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