導(dǎo)讀

作者：唐宗才（安徽唐氏螺紋緊固件有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

摘要：分析了關(guān)于螺紋松動機理的謬誤，從螺紋結(jié)構(gòu)的角度提出了螺紋松動的真正原因。對螺紋的防松方法進(jìn)行了分 類，并分析了傳統(tǒng)的普通螺紋不能防松的原因，提出了唐氏螺紋從螺紋結(jié)構(gòu)解決螺松動問題的方案。

一、螺紋防松現(xiàn)狀

    螺紋的發(fā)明可以追溯到阿基米德螺線，有幾千年的歷史，人類發(fā)明創(chuàng)造螺紋緊固件已經(jīng)上千年了。而大規(guī)模地使用是從第一次工業(yè)革命開始的，也有幾百年了。隨著螺紋緊固件更廣泛地使用，螺紋松動問題越加突顯，這個問題一直沒有得到根本解決。人們只能靠提高螺紋的強度和頻繁的維護(hù)來維持設(shè)備的運行。

    螺紋在交變載荷的條件下容易松動，其松退的原因是克服了螺紋副之間的摩擦力，那么采用增加摩擦力的方法便成了人們的首選，這就是摩擦防松方式；當(dāng)然，也可以設(shè)置止動機構(gòu)來阻止螺栓的松動，這就是機械防松方式；人們還考慮將螺紋副直接鉚死或焊死的方法來阻止螺栓松動，這就是鉚沖防松方式。歸根結(jié)底，人們總希望有“堵”方式來解決螺栓的防松問題。

    沿著“堵”的思路和軌跡，人們想出成千上萬種方法來解決螺紋松動問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，國家知識產(chǎn)權(quán)局每年要受理上百件有關(guān)螺栓螺母防松方面的專利申請。這些螺紋防松方法，雖然結(jié)構(gòu)各異，但是本質(zhì)相同，造成市場上螺栓防松產(chǎn)品魚目混珠，防松性能無法分辨的局面。從另一個角度看，成千上萬種防松方法的出現(xiàn)恰恰證明螺紋防松沒有根本解決。

二、螺紋防松機理的謬誤

    要解決螺紋的松動問題，必須搞清楚螺紋松動的機理。螺紋松動的機理是從螺母的松退力矩推導(dǎo)出來的。螺紋連接開始松動時，需克服螺紋副接觸面上的摩擦力矩和螺母與支撐面之面的摩擦力矩。螺母的松退力矩為：

    從螺母松退力矩的公式可以看出，螺紋副是符合自鎖條件的，即T大于零。但是，在沖擊和交變載荷的作用下，螺紋的確發(fā)生了松動。仍然從上述公式來推斷，只有兩種情況下螺紋會發(fā)生松動。

    第一種情況，Q=0，即軸向力為零，此時螺紋副及螺母支撐面上的摩擦力消失，松退力矩T為零。

    第二情況，Q≠0，ρ'<ψ，即螺紋副之間在摩擦系數(shù)減小，導(dǎo)致tan(ρ'-ψ)為負(fù)值。此時，克服螺紋副接觸面上的摩擦所需的力矩為負(fù)值，退松力矩可能為負(fù)值或零。

    于是，人們一般這樣描述螺紋松動的機理：“由于在靜載荷下，螺紋副滿足自鎖條件，連接都能保證不會松動?！?[2] “但在變載、振動和沖擊作用下，螺紋副的摩擦系數(shù)急劇降低，且螺紋副和螺母支承面處的摩擦阻力會瞬時消失，螺紋副不能滿足自鎖條件而有微量滑動，導(dǎo)致螺母回轉(zhuǎn)。這樣多次重復(fù)就會導(dǎo)致螺栓連接松動?！盵3]顯然，這種從螺紋在靜載荷條件下松退力矩的公式推導(dǎo)螺紋在交變載荷條件下松動機理是錯誤的。

    首先，在很多場合下，摩擦力不會瞬間消失。對頂螺母在受交變載荷的情況下，其主螺母和副螺母與螺栓外螺紋之間的摩擦力不會同時消失；尼龍嵌件螺母在受交變載荷情況下，其螺紋副之間的摩擦力也不會消失。因此，用“摩擦力瞬間消失”的理論無法解釋螺栓為什么會松動。其次，對于特定的材料而言，其摩擦系數(shù)是一定的。摩擦系數(shù)會減小也是說不通的。

三、螺紋松動的真正原因

    螺紋在靜載荷條件下的退松力矩公式無法適用于在交變載荷條件下螺紋的松動。分析螺紋副松動必須螺紋副的結(jié)構(gòu)特點入手。而螺紋松動也正是由于螺栓自己的結(jié)構(gòu)特點所造成的。螺紋副受力時，其內(nèi)螺紋和外螺紋受力是不一樣的。外螺紋即螺栓上的螺紋受拉力，受力后會被拉細(xì)拉長，螺矩也會增大。而內(nèi)螺紋即螺母上的螺紋受壓力，受力后會被壓粗壓扁，螺矩會減小。由于各螺紋段受力不均，造近支撐面的螺紋段受力較大，受力大的螺紋段會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動是向松退方向的。

圖1 螺紋副受力變形示意圖

    圖1所示，螺紋副受力變形，螺紋副相對位置會進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整會從軸向和徑向兩個方向進(jìn)行。由于螺紋升角較小，螺紋徑向調(diào)整基本上與螺紋方向相同。螺紋副沿軸向調(diào)整：螺栓受力被拉長，螺母受力較大的螺紋段被壓扁，且向松退方向移動。螺紋副沿徑向調(diào)整：螺母受力較大的螺紋段向松退方向旋轉(zhuǎn)，螺母松退。

圖2 螺紋副松退過程示意圖

    圖2是假設(shè)螺栓外螺紋受力后不變形，單純考慮螺母內(nèi)螺紋受力變形情況下的松退過程。當(dāng)螺母受力后，螺母被壓扁，由于螺母的各螺紋段受力不同，其靠近支撐面部分的螺紋段受力變形較大，軸向發(fā)生向松退方向位移；同時，螺紋發(fā)生徑向松退，而這種軸向松退造螺母徑向松退來實現(xiàn)的。當(dāng)外力消失后，由于螺母的軸向預(yù)緊力沒有完全消失，螺母不會恢復(fù)到原來的位置，即螺母受力較大的螺紋段不會移動，整個螺母沿松退方向恢復(fù)到原來的形狀。這時，螺母實現(xiàn)了松退。

    從以上分析可以看出，螺紋副受軸向力的作用是螺紋松動的根本原因。以上的分析是螺栓受軸向力的作用。當(dāng)螺紋主要受徑向力作用時，螺紋的松動必須克服螺紋軸向的摩擦力。

圖3 螺紋副受軸徑向力松退示意圖

    如圖3所示。如果沒有軸向交變載荷的作用，螺紋副是不會松退的。當(dāng)軸向交變載荷作用時，螺母與支撐面之間的摩擦力會減小，徑向力能夠克服摩擦力而導(dǎo)致螺母松退。因此，螺紋副受軸向交變載荷是螺栓退動的前提，軸向力沒有變化的情況下，螺紋副之間仍有很大的摩擦力，徑向力不會導(dǎo)致螺紋松退。

四、普通螺紋為什么不能防松

    從螺紋松退的機理可以看出，螺紋松退是是螺紋自身結(jié)構(gòu)造成的。普通螺紋緊固件的防松方法雖然有成千上萬種，并且每年都會推陳出新，其防松原理是采取“堵”的方法來遲滯或阻止螺紋的松退，我們可以稱這種防松類型為滯阻防松。滯阻防松類型按其防松原理可歸納為以下三種防松方式。

    第一種是摩擦防松。就是采用增加摩擦力的方法來防止螺紋松動。摩擦力的增加可以從壓緊螺紋副來獲得，也可以從壓緊支撐面來獲得。摩擦防松不改變螺紋副的自由旋合性能，因而使用最為廣泛。采用彈性墊圈、對頂螺母、偏心螺母等都是這種方式。摩擦防松不能從根本上解決螺紋的松動問題，只能遲滯螺紋的松退。分析其螺栓的松動機理：螺紋緊固件在緊固時，螺栓受拉，而螺母受壓。當(dāng)螺栓副受到?jīng)_擊載荷作用下，螺栓和螺母受力都會加大，螺栓受力后會被拉長，而螺母受力后會被壓扁，兩者變形方向不一致，再加上徑向力的作用，螺栓和螺母會發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動。而在沖力載荷消除后，螺栓和螺母不能恢復(fù)到原來的狀態(tài)，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動不可逆轉(zhuǎn)。因此，經(jīng)過多次的振動后，螺栓的預(yù)緊力會逐步喪失。

    第二種是機械防松。就是設(shè)置止動機構(gòu)來阻止螺紋副的松動。使用開口銷、串連鋼絲、止動墊圈等等都屬于這種方式。機械防松方式的缺點是使用后螺栓的拆御不方便，并且所設(shè)置的止動機構(gòu)能承受的載荷太小，也無法阻螺紋松動。以開口銷為例，需在螺栓上打孔以安裝開口銷，開口銷直徑會比螺栓直徑小得多，即便開口銷的直徑為螺栓直徑的1/2，且與螺栓材質(zhì)相同，其能承受的載荷只有螺栓的1/4，并且承受的是剪力。而金屬受剪

的能力要比受拉的能力弱得多，以受剪能力為受拉能力1/3來計算，開口銷的能承受剪載荷的能力只有螺栓能受拉載荷能力1/12，不能阻止螺栓的松動。串連鋼絲和止動墊圈，它們的承受載荷的能力更小，更不能阻止螺栓松動。

    第三種方式是鉚沖防松。即采用沖壓、焊接或粘接等方法，使螺紋副失去自由旋合的特性來阻止螺紋松動。這種方法的焊縫或鉚點能承受的載荷太小，同樣不能阻止螺紋松動。采用焊接方法，以螺母對邊尺寸是1.5倍螺栓直徑計算，采用角焊的方法，其焊縫面積最大與螺栓截面相同。不考慮焊接對螺栓強度的影響，對于8.8級高強螺栓而言，一般焊條的許用應(yīng)力為螺栓強度的1/2，以焊縫許用剪力為許用拉力1/3計算，焊縫所能承受的載荷僅為螺栓所能承受載荷的1/6，同樣不能抵抗螺栓的沖擊載荷，阻止螺栓的松動。由于焊接加熱的原因，螺栓的預(yù)緊力會下降。又由于焊縫的不均勻，焊縫的強度也無法達(dá)到理想的狀態(tài)。

五、螺紋損壞的真正原因是螺紋松退

    在沖擊、振動等惡劣工作環(huán)境下，螺紋損壞、螺栓斷裂屢見不鮮。螺栓斷裂導(dǎo)致惡性事故也時有發(fā)生。大部分業(yè)內(nèi)人士會從四個方面來進(jìn)行分析探究：螺栓質(zhì)量、螺栓強度、預(yù)緊扭矩、疲勞強度。但是，這些分析探究的觀點基本上都站不住腳 。

    螺紋松退是螺紋損壞、螺栓斷裂的根本原因。從理論上分析：

    其一，從沖擊力的角度看。沖擊力公式為Ft=mv，即沖擊力F乘沖擊時間t等于物體質(zhì)量m乘沖擊速度v。在振動頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動間隙成正比。當(dāng)螺栓的松動間隙增加時，沖擊力F同時增大。沖擊力F的增大導(dǎo)致螺栓的松動間隙進(jìn)一步增大，而螺栓間隙的增大導(dǎo)致沖擊力F進(jìn)一步增大，直至螺栓斷裂。其二，從沖擊動能的角度看。沖擊動能E=1/2mv2，在振動頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動間隙成正比。    

    當(dāng)螺栓松動間隙增加時，沖擊動能E呈平方次增加并且釋放在螺栓上，導(dǎo)致螺栓斷裂。顯然，如果螺栓不松動，松動間隙為零。沖擊力F和沖擊動能E都為零，螺紋不會損壞、螺栓不會斷裂。

六、唐氏螺紋從結(jié)構(gòu)上解決螺紋松動

    與滯阻防松類型不同的第二種防松類型為結(jié)構(gòu)防松。既然螺紋松退是由螺紋自身的結(jié)構(gòu)所造成的，那么解決螺紋松動就必須從螺紋的自身結(jié)構(gòu)入手，這就是結(jié)構(gòu)防松類型。唐氏螺紋正是從螺紋結(jié)構(gòu)入手來解決螺紋防松問題的。

圖4 普通螺紋與唐氏螺紋對比圖

    唐氏螺紋已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的普通螺紋的概念。傳統(tǒng)的普通螺紋是單旋向、全連續(xù)、等截面的螺紋。唐氏螺紋是雙旋向、非連續(xù)、變截面的螺紋。唐氏螺紋的同一螺紋段同時設(shè)有左右兩種不同旋向的螺紋。唐氏螺紋既可以和左旋螺紋配合，又可以和右旋螺紋配合。[4]

圖5 唐氏螺紋緊固件防松原理[5]

    在連接時，使用左、右兩種不同旋向的螺母。被連接件支承面上的螺母稱為緊固螺母，非支承面上的螺母稱為鎖緊螺母。其中，緊固螺母與鎖緊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。[6]

    唐氏螺紋防松突破了傳統(tǒng)的普通螺紋的防松概念。在振動、沖擊的情況下，緊固螺母會發(fā)生松動的趨勢，但是，由于緊固螺母的松退方向是鎖緊螺母的擰緊方向，鎖緊螺母的擰緊正好阻止了緊固螺母的松退。[7]

圖6 唐氏螺紋緊固件與普通螺紋振松對比實驗[8]

    由于唐氏螺紋緊固件采用將螺母的松退力轉(zhuǎn)化成擰緊力的防松方式，因此在震動和沖擊載荷情況下不會松動。振松實驗顯示，唐氏螺紋緊固件在初始階段和調(diào)整階段，其預(yù)緊力有所下降，在進(jìn)入運行階段后，其預(yù)緊力不再下降。從螺紋力學(xué)的角度分析：

圖7 唐氏螺紋受力分析圖

    緊固螺母松退的條件是鎖緊螺母必須松退，鎖緊螺母松退的條件為：

    由螺母松退的條件還可以看出，螺紋的松退與軸向預(yù)緊力F無關(guān)，也與松退力矩Ft無關(guān)，當(dāng)然也與螺紋副之間的摩擦力有關(guān)。可見，唐氏螺紋是依靠螺紋自身結(jié)構(gòu)防松，且與軸向力F的變化無關(guān)。從螺紋受力變形的角度分析，唐氏螺紋在交變載荷的條件，螺紋副也會發(fā)生變形。但是，當(dāng)外力消失后，唐氏螺紋能夠恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

圖8 唐氏螺紋受力變形示意圖

    如圖8所示，當(dāng)唐氏螺紋副受力時，螺紋也會變形，由于螺紋升角較小，鎖緊螺母和緊固螺母接觸面摩擦力大。因此，鎖緊螺母會和緊固螺母一起變形并與外螺紋有相對移動，從位置1移動到位置2。但當(dāng)外力消失以后，鎖緊螺母和緊固螺母會退回到原來的位置1，即螺紋副不會松退。

    唐氏螺紋的防松方式將螺紋防松從單純依靠摩擦阻力中解放出來，對預(yù)緊力的要求大大降低。傳統(tǒng)的普通螺紋由于依靠摩擦力來防松，影響其防松效果的因素很多。首先是螺紋的強度，這是摩擦力的決定因素；其次是軸向預(yù)緊力，而要旋加合適的預(yù)緊力又必須控制好預(yù)緊扭矩；再次，螺紋副的摩擦系數(shù)，這個因素也關(guān)系到摩擦力的大小。