+緊固件常用防松方法

防松性能的評定評定防松性能的試驗方法對于如何評定緊固件的防松性能，目前國內(nèi)外普遍采用兩種標準的試驗方法。第一種是緊固件加速振動試驗方法（ISO標準或GJB715.3-89）,第二種是緊固件橫向振動試驗方法（GB/T10431-1989）。兩者都是加速緊固件連接松動的試驗方法，它們各有特點，第一種方法目前在國內(nèi)主要用于航空航天系統(tǒng),而其他系統(tǒng)多采用第二種方法。由于橫向力是使螺紋連接產(chǎn)生松動的最苛刻的外力，所以兩種試驗方法都是從垂直于螺栓軸線的方向施加足夠大的橫向沖擊力，使緊固件連接在短時間內(nèi)產(chǎn)生松動。它們可以對各種緊固件連接的防松性能提供可再現(xiàn)的評定結(jié)果。與第二種方法相比，第一種方法的加載方式和振動、沖擊條件更接近于各種緊固件的實際使用狀態(tài)。第二種方法無法評定緊固件松連接的防松性能，而第一種方法則可以對各種緊固件松連接的防松性能提供可對比的評定結(jié)果。在工作狀態(tài)下的螺紋緊固件連接，由于支承面的磨損、被連接件的受壓下陷、螺栓的過載屈服或外載荷的作用等各種原因，可能會喪失預(yù)緊力，使其由擰緊狀態(tài)的緊連接變?yōu)闆]有預(yù)緊力（或預(yù)緊力不足）的松連接。此時，保持緊固件自身的鎖緊，使其在一定時間內(nèi)松而不脫，對防止被連接件因分離而失效至關(guān)重要。因此，在評定緊固件松連接的防松脫壽命方面，第一種方法是不可或缺的。與第一種方法相比，第二種方法是對螺栓（或螺釘）直接加力，所以，它能使緊固件連接在更短的時間內(nèi)產(chǎn)生松動，試驗效率更高。第二種方法的另一個特點是可以精確地測量緊固件連接在振動試驗過程中預(yù)緊力的變量，描述試驗中預(yù)緊力的變化過程，給出預(yù)緊力與振動次數(shù)（或時間）的關(guān)系曲線圖，并以預(yù)期緊力下降的變量作為衡量緊固件連接松動的準則。這比第一種方法更為直觀和準確，也更便于操作。此外，第二種方法可以較為準確地評定緊固件連接的扭-拉關(guān)系對防松性能的影響，這為進一步研究和設(shè)計各種新型防松緊固件提供了更為有效的試驗途徑。防松性能的試驗結(jié)果根據(jù)防松性能的試驗結(jié)果來評定各種防松方法，對緊固件的選用和緊固件防松方法和研究設(shè)計都有參考價值。雖然各種緊固件的防松性能受其結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、鍍覆層、制造工藝、安裝條件等各項因素的影響，其工作環(huán)境也各不相同，但是，按照上述的標準試驗方法，在試驗條件以及影響防松性能的各項因素盡可能一致的條件下，對各種緊固件防松性能的評定及其對比結(jié)果，具有較好的可信度和可比性。國內(nèi)外在這方面的許多試驗結(jié)果及評定結(jié)論是極其相近的，而且試驗結(jié)果是可以再現(xiàn)的。各種緊固件在實際工作環(huán)境中的防松能力與通過試驗所做出的評定結(jié)論是基本一致的。圖21-1和圖21-2是按照第一種方法，即緊固件加速振動試驗方法規(guī)定的夾具和試驗條件對各種緊固件進行防松性能試驗的對比結(jié)果。其試驗條件為：振動頻率29?30HZ,全振幅（11.4±0.4mm）,相應(yīng)的加速度約20g。在試驗中，由于緊固件在夾具槽孔內(nèi)橫向跳動（跳動幅度達19mm）,其瞬間的沖擊加速度實際高達50?80g。防松性能的試驗結(jié)果分析圖21-1和圖21-2的試驗結(jié)果表明，有預(yù)緊力的開槽螺母、涂厭氧膠的螺母以及尼龍圈鎖緊螺母的抗振松壽命最長，經(jīng)受長時間的激烈沖擊、振動后，仍無任何松動的跡象。也就是說，在各種緊固件的對比試驗中，它們的防松性能最佳。過去認為，雙螺母這種傳統(tǒng)的防松方法，其防松性能不高。試驗表明，改變雙螺母的安裝方法（見表21-1序號6，雙螺母的特點和用途），使其保持較高的預(yù)緊力，其抗振壽命可顯著提高。開槽螺母加開口銷的防松方法屬于機械固定件的鎖緊防松，具有很高的防松可靠性。但開槽螺母加開口銷的安裝方法對其防松性能有顯著的影響。不擰緊（即無預(yù)緊力）或擰緊不足的開槽螺母，在激烈的沖擊、振動下，只能在一定時間內(nèi)防止螺母從螺栓上脫落。無預(yù)緊力的松連接在嚴酷的工作環(huán)境中會導(dǎo)致緊固件或被連接的其他構(gòu)件早期疲勞破壞。圖21-1的試驗結(jié)果表明，無預(yù)緊力的開槽螺母，由于開口銷在螺母槽內(nèi)受到反復(fù)沖擊和剪切力的作用，在經(jīng)受4萬多次的沖擊、振動以后，開口銷斷裂，螺母與螺栓分離，連接失效。因此，對于在長期間內(nèi)經(jīng)受激烈沖擊、振動的開槽螺母，在安裝時，必須施加合理的預(yù)緊力。在螺母槽與螺栓銷孔對中裝配時，應(yīng)從擰緊方向扳擰螺母，使開口銷緊固在螺母槽內(nèi)，避免開口銷在槽內(nèi)移動，以防止連接的疲勞失效。匸一表示試件未失效;A—雙螺母;B—有預(yù)緊力的開槽螺母加開口銷C—尼龍圈鎖緊螺母;D—高鎖螺母;E—無預(yù)緊力的開槽螺母加開口銷;F—全金屬鎖緊螺母;G—內(nèi)齒鎖緊墊圈；H—外齒鎖緊墊圈J—輕型彈簧墊圈;K—普通螺母圖21-1各種緊固件（規(guī)格為M6）抗振松壽命試驗結(jié)果匸一表示試件未失效;A—涂厭氧膠的螺母;B—尼龍圈鎖緊螺母;C—輕型彈簧墊圈;D—內(nèi)齒鎖緊墊圈;E—外齒鎖緊墊圈;F—普通螺母圖21-2各種緊固件（規(guī)格為M10）抗振松壽命試驗結(jié)果涂厭氧膠螺母的防松屬于不可拆卸的防松，其防松性能極佳。經(jīng)受長時間振動試驗無松動跡象的螺母，強行拆卸時，其瞬間擰出力矩高達31N?m,說明厭氧膠對螺紋緊固件的粘合鎖緊能力很高，其抗振壽命很長也就不足為奇了。尼龍圈鎖緊螺母在國內(nèi)外的實際應(yīng)用中早已表明其優(yōu)良的防松性能。國外有關(guān)專家甚至稱其為永不松動的鎖緊螺母。試驗結(jié)果表明,這種螺母的防松性能比其他鎖緊螺母高得多。其防松之所以如此可靠是由于螺母的尼龍圈緊緊箍住螺栓從而形成高彈性的橫向壓緊。在使用尼龍圈鎖緊螺母時,應(yīng)考慮尼龍圈的老化及溫度的影響,對有這方面要求的螺母,應(yīng)改變尼龍的材料或配方。高鎖螺母屬于非圓收口的全金屬鎖緊螺母。試驗用的高鎖螺母是鋁合金螺母，與其相配的是鋼螺栓。較軟的鋁合金能更好地吸收外來的沖擊、振動能，所以它比鋼制的全金屬鎖緊螺母的防松性能要好。齒形鎖緊墊圈、彈簧墊圈以及沒有鎖緊特性的普通螺母，它們的抗振松壽命僅為尼龍圈鎖緊螺母的1%。相比之下，它們的防松性能很差，一般只用于不重要的場合。鎖緊螺母1分類靠增大螺紋之間或支承面之間的摩擦力來防松的鎖緊螺母一般分為兩種類型，即自由旋轉(zhuǎn)型鎖緊螺母和有效力矩型鎖緊螺母。自由旋轉(zhuǎn)型鎖緊螺母自由旋轉(zhuǎn)型鎖緊螺母（見表21-1序號7的結(jié)構(gòu)簡圖）是螺母與被連接件在擰緊時產(chǎn)生預(yù)緊力后才有鎖緊能力的螺母。其鎖緊性能取決于螺栓的預(yù)緊力，如果預(yù)緊力難于控制在合理的范圍內(nèi),則其鎖緊防松的可靠性是不確定的,一旦預(yù)緊力喪失,其鎖緊能力等于零。這種螺母可用于旋合行程較長的螺栓，因為螺母與被連接件在接觸前可以很省力地自由擰入擰出，即所謂自由旋轉(zhuǎn)。有效力矩型鎖緊螺母有效力矩型鎖緊螺母（見表21-1序號8?9的結(jié)構(gòu)簡圖）是在擰緊前，即在螺母與被連接件接觸前就具有一個有效鎖緊力矩的螺母。其鎖緊性能不完全取決于螺栓的預(yù)緊力。這種螺母一般適用于旋合行程較短的螺栓，也適于抗壓能力較差的被連接件（如蜂窩夾層、炭纖維材料等）。因為其鎖緊防松不取決于預(yù)緊力，在擰緊螺母時可以控制過大的預(yù)緊力，以免壓壞被連接件。有效力矩型鎖緊螺母又分為全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母。全金屬鎖緊螺母這種螺母之所以能鎖緊防松是因為對螺母體上的某一部位進行非圓收口變形，使螺紋孔由圓形改變?yōu)榻频臋E圓形、多邊形或者對螺母的上端進行開槽收口變形，使螺紋孔改變?yōu)橹睆缴孕〉慕茍A形或非圓形（見表21-1序號8的結(jié)構(gòu)簡圖）。當螺栓與螺母的非圓螺紋孔旋合時，由于干涉配合所產(chǎn)生的摩擦力便阻止了緊固件的松轉(zhuǎn)。只要符合標準規(guī)定的技術(shù)要求和使用條件，這種螺母的防松是可靠的。這種螺母的制作工藝相對簡單。其特點是在保證所要求的機械和工作性能的條件下，體積和重量都可以做到很小，螺母的壁厚也可以很薄，可用于對緊固件的體積和重量有嚴格限制的場合，可安裝在空間狹小的可達性差的使用部位。螺母的另一個特點是適用溫度范圍較廣，其工作溫度只受螺母的母體金屬材料和鍍層的限制。只要選用相適應(yīng)的材料和鍍層，就可以用于從低溫到高溫的各種場合。螺母的品種很多，如六角、12角、花鍵、托板、浮動等各種頭型和結(jié)構(gòu)形狀，可滿足各種使用條件的需要，是目前使用最廣泛的鎖緊螺母之一。非金屬嵌件鎖緊螺母這種螺母的一種類型是螺紋孔內(nèi)嵌有尼龍塊（見圖21-3）,旋合時，螺栓與尼龍塊的干涉配合產(chǎn)生摩擦阻力，從而阻止了緊固件的松轉(zhuǎn)。它防松很可靠，缺點是重復(fù)使用性差，反復(fù)擰入擰出時，尼龍塊很易損壞，而且螺紋上安裝尼龍塊的小孔會導(dǎo)致嚴重的應(yīng)力集中。這種螺母的另一種類型是在螺母的上端嵌裝一個其內(nèi)徑比螺紋中徑稍小的尼龍圈，稱為尼龍圈鎖緊螺母（見表21-1序號9的結(jié)構(gòu)簡圖）。它的防松能力同樣來自于尼龍材料與螺栓旋合時由于干涉配合所產(chǎn)生的摩擦阻力，與尼龍塊相比，其摩擦阻力更加穩(wěn)定和可靠。在各種嵌件材料中，尼龍材料的弱性和耐磨性最佳，它不僅具有良好的復(fù)原性和重復(fù)使用性，而且對外來的沖擊、振動還有良好的吸收和阻尼作用。所以，這種螺母的鎖緊性能比全金屬鎖緊螺母好得多，有很高的防松可靠性。其不足之處是螺母的使用溫度受限于尼龍材料的使用溫度。螺母的使用溫度一般為-50?+100°C,過高的溫度會使尼龍材料軟化，過低的溫度會使尼龍材料變得硬脆和加速老化。當溫度達-54C時，螺母的金屬材料（碳鋼和合金鋼）也開始變脆，使鎖緊螺母的機械和工作性能明顯下降。圖21-3尼龍塊鎖緊螺母4機械性能與工作性能對鎖緊螺母的機械性能要求與普通螺母基本相同，不重復(fù)介紹，詳見GB/T3098.9。但對有效力矩型的全金屬鎖緊螺母應(yīng)具有較高的機械性能等級。機械性能等級低的螺母容易使其非圓收口的部位在擰入螺栓時產(chǎn)生塑性變形，難于保證彈性鎖緊的功能要求。全金屬鎖緊螺母的機械性能等級通常是8?12級。5級的螺母，成本較低，但其防松能力和重復(fù)使用性較差，一般只用于不重要的使用場合，并應(yīng)盡量減少重復(fù)裝拆的次數(shù)。一個工作性能良好的鎖緊螺母主要應(yīng)具備如下4個基本條件：穩(wěn)定并可靠的鎖緊力矩（又稱有效力矩）；對螺栓公差有良好的適應(yīng)性；良好的重復(fù)使用性；良好的扭-拉關(guān)系。1）鎖緊力矩一個防松可靠的鎖緊螺母，其鎖緊力矩應(yīng)保持在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，而且其第1次擰入最大力矩應(yīng)保持最小，其多次（通常是第5次或第15次）擰出最小力矩應(yīng)保持最大。第1次擰入力矩過大會造成擰入困難，降低裝配效率，也會使鎖緊力矩難于保持穩(wěn)定，降低螺母的防松可靠性和緊固件的重復(fù)使用性。所以，第一次擰入力矩越小越好，但小到一定程度后，可能會無法保證多次擰出后的力矩達到標準規(guī)定的力矩值。螺母的多次擰出力矩是指用螺栓反復(fù)擰入擰出5次或15次后，其第5次或15次擰出時所保持的力矩值。這一力矩越大，螺母的防松能力就越高。換句話說，如果經(jīng)過多次擰入擰出的螺母，其鎖緊力矩仍能穩(wěn)定地保持在較高的水平上，就能使螺紋連接具有較高的防松可靠性。影響鎖緊力矩保持穩(wěn)定的因素包括：螺母非圓收口部位的結(jié)構(gòu)及尺寸（指全金屬鎖緊螺母）、鎖緊部位的回彈性能、螺紋公差、螺紋的潤滑條件等。尼龍圈鎖緊螺母，由于其結(jié)構(gòu)特點及尼龍材料的良好性能，在各種使用條件下其鎖緊力矩一般均能保持在穩(wěn)定和合理的范圍內(nèi)，因此，它是目前各種自鎖螺母中防松可靠性最高的一種螺母。2）對螺栓公差的適應(yīng)性鎖緊螺母與螺栓旋合時，其鎖緊部位的螺紋孔與螺栓的配合是干涉配合。當螺母達到上偏差螺紋孔時（螺紋孔的平均直徑最大）與下偏差螺栓（螺栓的平均直徑最?。┬蠒r，干涉量可能很小，由干涉量所產(chǎn)生的鎖緊力矩也可能很??；反之，螺母的下偏差螺紋孔（螺紋孔平均直徑最?。┡c上偏差螺栓（螺栓的平均直徑最大）旋合時，干涉量可能很大，由干涉量所產(chǎn)生的鎖緊力矩可能會遠遠大于標準規(guī)定的第1次擰入最大力矩。一個工作性能優(yōu)良的鎖緊螺母，它對螺栓（螺紋）公差應(yīng)具有良好的適應(yīng)性。即它與高限螺栓或低限螺栓旋合時，都能獲得符合標準規(guī)定的最佳鎖緊力矩值。鎖緊螺母對螺栓公差是否具有良好的適應(yīng)性，應(yīng)通過螺栓公差試驗（又稱永久變形試驗）來進行檢查。這一試驗對試驗螺栓的螺紋精度要求很高，相應(yīng)的經(jīng)濟成本也很高。因此，一般用途的鎖緊螺母不要求進行這一試驗，而用于航空航天等重要場合的全金屬鎖緊螺母則必須進行這一試驗。由于尼龍材料具有優(yōu)良的回彈性能，所以，尼龍圈鎖緊螺母對螺栓公差的適應(yīng)性極佳，在一般情況下，可以不進行螺栓公差試驗。凡是對螺栓公差適應(yīng)性良好鎖緊螺母，其重復(fù)使用性也良好。3）重復(fù)使用性在國內(nèi)外的許多鎖緊螺母標準（包括國際標準）中，沒有涉及螺母的重復(fù)使用性的內(nèi)容，但一般都規(guī)定了螺母要進行5次或15次的鎖緊性能試驗。這是否意味著，一個螺母經(jīng)過5次或15次裝拆以后，便無法達到標準規(guī)定的鎖緊力矩要求，就應(yīng)該報廢了？實際上，5次或15次鎖緊試驗只是一種試驗方法，并非意味著螺母只能用5次或15次。在一般情況下，經(jīng)過5次擰入擰出以后，鎖緊力矩由較大值下降到較小值而漸趨平穩(wěn)，尤其是經(jīng)過15次擰入擰出以后，螺母的擰出最小力矩值會一直保持平衡不變。然而，這是否意味著鎖緊螺母的反復(fù)裝拆次數(shù)可以不受限制？對全金屬鎖緊螺母來說，螺栓多次擰入擰出螺母的非圓螺紋孔后，可能會造成金屬螺紋的磨損和局部塑性變形，從而導(dǎo)致鎖緊力矩值的不穩(wěn)定，甚至會低于標準規(guī)定的擰出最小力矩值。因此，在重要使用場合，建議適當限制螺母的重復(fù)裝拆次數(shù)。美國航空航天緊固件設(shè)計手冊推薦全金屬鎖緊螺母可以重復(fù)使用約10次。尼龍圈鎖緊螺母的重復(fù)使用性極佳，其擰出最小力矩甚至經(jīng)過100次擰入擰出以后，仍能保持穩(wěn)定不變。在使用過程中，不必限制其裝拆次數(shù)。4）扭-拉關(guān)系扭-拉關(guān)系是指擰緊螺紋緊固件時，所施加的扭力矩與因擰緊而在緊固系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的預(yù)緊力之間的關(guān)系。預(yù)緊力又稱螺栓的預(yù)拉力，軸力或緊固系統(tǒng)的夾緊力。螺紋緊固件緊固的可靠性在很大程度上取決于這個力。實踐證明，螺紋緊固件松動失效和疲勞破壞的主要原因之一是由于沒有合理的預(yù)緊力。所謂合理的預(yù)緊力，一般是指緊固件和被連接件在不會因為擰緊而產(chǎn)生破壞的情況下，緊固系統(tǒng)應(yīng)具有穩(wěn)定不變的足夠高的預(yù)緊力。足夠高的預(yù)緊力能大大降低外加的應(yīng)力幅，從而增加防松和抗疲勞的可靠性。用力矩扳手來擰緊緊固件是國內(nèi)外長期以來在裝配過程中普遍采用的方法，這種方法所獲得的預(yù)緊力是很不精確的。在一般情況下，對于非鎖緊的普通螺母，其支承面上的摩擦所造成的單位力矩損耗約占總力矩的50%，螺紋接觸面上的摩擦所造成的單位力矩損耗約占總力矩的40%，而產(chǎn)生預(yù)緊力的扭力矩僅占總力矩的10%左右。因此，在擰緊螺母時，即使對相同的螺母施加相同的擰緊力矩，其預(yù)緊力的偏差也可能高達±25%。為安全起見，只能將螺母擰緊到較低的預(yù)緊力值，以免預(yù)緊力過大而損壞螺紋連接。與普通螺母相比，靠增大螺紋或支承面摩擦力來獲得鎖緊性能的鎖緊螺母，其扭-拉關(guān)系的不確定性會更大。對于帶齒形面的自由旋轉(zhuǎn)型鎖緊螺母，由于支承面摩擦狀態(tài)的改變以及被連接表面的劃傷，其扭-拉關(guān)系會產(chǎn)生非線性變化，即在施加相同的扭力矩時，所獲得預(yù)緊力值的分散性會更大。對于有效力矩型鎖緊螺母，其鎖緊力矩的變化會影響到扭-拉關(guān)系的穩(wěn)定。在一般情況下，對這種螺母所施加的扭力矩應(yīng)等于對普通螺母所施加的力矩再加上鎖緊力矩（見圖21-4）。全金屬鎖緊螺母的鎖緊力矩在使用過程中往往變化較大，其預(yù)緊力值的分散性也隨之增大。一個性能良好的鎖緊螺母應(yīng)具有良好的扭-拉關(guān)系。良好的扭-拉關(guān)系是指對于相同條件的緊固件，其扭力矩與預(yù)緊力的關(guān)系是穩(wěn)定的線性關(guān)系，施加相同的扭力矩時，可獲得穩(wěn)定不變的預(yù)緊力。也只有良好的扭-拉關(guān)系，緊固系統(tǒng)才可能獲得足夠高的預(yù)緊力。對于全金屬鎖緊螺母，提高螺紋精度，改善對螺栓公差的適應(yīng)性可以穩(wěn)定鎖緊力矩，使其具有良好的扭-拉關(guān)系。對于尼龍圈鎖緊螺母，由于其鎖緊力矩很穩(wěn)定，所以其扭拉關(guān)系比全金屬鎖緊螺母更好。與普通螺母一樣，對鎖緊螺母的螺紋及支承面進行潤滑能顯著改善其扭-拉關(guān)系，因為潤滑能改善螺紋及支承面的摩擦狀況，同時也穩(wěn)定了鎖緊力矩，減少摩擦對穩(wěn)定預(yù)緊力的不利影響。因此，在重要場合使用的鎖緊螺母，常常是帶有干膜潤滑層的或者在裝配時添加潤滑劑的螺母。圖21-4M8螺母的扭-拉關(guān)系曲線5潤滑5.1潤滑的作用對于靠非圓收口而獲得鎖緊能力的全金屬鎖緊螺母，螺紋的潤滑是很重要的，它能顯著改善螺母的工作性能。潤滑的主要作用有三：第一，防止螺紋旋合時出現(xiàn)擦傷和卡死；第二,穩(wěn)定鎖緊力矩，能使第1次擰入最大力矩趨小，第5次（或第15次）擰出最小力矩趨大，從而提高防松的可靠性；第三，使緊固系統(tǒng)具有良好的扭-拉關(guān)系。鑒于潤滑的重要作用，在產(chǎn)品上安裝沒有潤滑層的全金屬鎖緊螺母時，建議在螺紋上添加潤滑劑，除非螺母的工作環(huán)境不允許添加潤滑劑。5.2常用的潤滑劑常用的潤滑劑有中性潤滑油及油膏、二硫化鉬、石墨和極性蠟等。1）中性潤滑油及油膏它是最普通的螺紋潤滑劑，在潤滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用溫度不能超過120°C，否則油和油膏會熔化和蒸發(fā)。它也不能用于真空環(huán)境。2）二硫化鉬它是最常用的一種干膜潤滑劑，以干的薄膜形態(tài)牢固地粘結(jié)在成品螺母上，安裝螺母時不必再添加額外的潤滑劑。二硫化鉬干膜潤滑劑是一種優(yōu)良的螺紋潤滑劑，可用于真空環(huán)境。但在接近399C溫度時，會轉(zhuǎn)化成三硫化鉬，三硫化鉬是對螺紋連接有害的研磨劑。3）石墨干石墨粉加油、油膏（如凡士林）或水，使其潤濕后便成為良好的螺紋潤滑劑。它的最高使用溫度受油或水的沸點所限。干石墨是研磨劑，在液體蒸發(fā)后，干石墨會對螺紋造成損害。4）極性蠟極性蠟是指十六醇、十八醇等蠟類潤滑劑。因為它帶有極性，因而能以干薄膜的形態(tài)粘附在成品螺母上。極性蠟的潤滑功能極佳，它能使旋合螺紋的摩擦系數(shù)降低3倍，因此能顯著地降低并穩(wěn)定全金屬鎖緊螺母的第1次擰入最大力矩以及提高多次裝拆后的擰出最小力矩。它對穩(wěn)定緊固系統(tǒng)的扭-拉關(guān)系也有良好的效