鎖緊螺母的防松研究

螺母松動(dòng)并從螺栓上脫落并不是一個(gè)新現(xiàn)象。從19世紀(jì)開始出現(xiàn)，就有人改進(jìn)螺栓和螺母的設(shè)計(jì)，以防止它們松動(dòng)。

目前，大多數(shù)人已經(jīng)知道連接點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)可以完全松開非鎖緊螺母。一旦螺紋表面和夾緊零件的其他接觸表面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺栓在連接圓周方向上將幾乎完全沒有摩擦。

由于作用在螺紋上的螺栓預(yù)緊力是傾斜的，在圓周方向上產(chǎn)生扭矩，導(dǎo)致螺母自動(dòng)松動(dòng)。防止螺母松動(dòng)的方法是使接頭產(chǎn)生足夠的預(yù)緊力，從而不會(huì)發(fā)生接頭運(yùn)動(dòng)。

但這只是理論情況，現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)并不總是可行的，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，很難確定作用在連接點(diǎn)上的真實(shí)力。

因此，在這種情況下，為了防止發(fā)生滑動(dòng)，通常采用某種鎖緊裝置來防止螺母松動(dòng)。

鎖緊螺母是提供抗自松性的z常見方法之一。這種螺母的專利出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代。這種類型的螺母的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在裝配時(shí)通過測(cè)量相關(guān)扭矩來檢查鎖緊特征。

關(guān)鍵技術(shù)要求是在擰緊方向上的擰入扭矩不得超過規(guī)定的z大值，和松開和松脫力矩要達(dá)到規(guī)定的z小值。

許多防松螺母有專有的設(shè)計(jì)，但總的來說，它們可以分為兩類，金屬鎖緊螺母和非金屬鎖緊螺母。

大多數(shù)種類的非金屬鎖緊螺母在螺母的頂端上有一個(gè)聚合物環(huán)，當(dāng)擰緊到螺栓上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生防松的扭矩。全金屬螺母通常使頂部螺紋橢圓形或使用彈簧鋼插件來實(shí)現(xiàn)防松的扭矩。

三十年前發(fā)表的研究表明:

松動(dòng)的阻力取決于當(dāng)前扭矩的大小。擰入扭矩越高，抗自松性越高。擰緊扭矩過高的缺點(diǎn)是扭轉(zhuǎn)應(yīng)力會(huì)傳遞到螺紋中，從而導(dǎo)致過早屈服，限制了可以實(shí)現(xiàn)更高的預(yù)緊力。

在橫向振動(dòng)測(cè)試 (DIN 65151) 下，防松螺母松脫后，仍保留了預(yù)緊力的殘余量。也就是說，這些螺母在測(cè)試時(shí)會(huì)部分松動(dòng)，但是當(dāng)達(dá)到一定水平的預(yù)緊力時(shí)，松動(dòng)會(huì)停止，這樣螺母就不會(huì)從螺栓上脫落。

展示橫向振動(dòng)測(cè)試下，防松螺母典型的預(yù)緊力衰減圖。這些曲線是M8尼龍嵌入螺母經(jīng)受振幅 +/-0.65毫米的橫向振動(dòng)的曲線。在松動(dòng)的初始階段之后，螺母旋轉(zhuǎn)停止，在緊固件中留下殘余預(yù)緊力。

在橫向振動(dòng)下，此類扭矩型防松螺母并不是真正的“鎖緊螺母”，因?yàn)樗鼈儾荒芡耆柚剐D(zhuǎn)。

對(duì)已發(fā)生扭矩型防松螺母松脫的事故的研究表明：接頭將受到軸向和橫向載荷的影響。

先前發(fā)表的研究表明，僅作用在接頭上的軸向載荷不會(huì)導(dǎo)致任何顯著的松動(dòng)。

國外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，在存在接頭橫向運(yùn)動(dòng)的情況下，軸向載荷如何影響鎖緊螺母的松動(dòng)特性。

為了研究這類螺母分離的原因，對(duì)Junker機(jī)器進(jìn)行了改造，以允許將軸向和橫向載荷分別引入接頭中。改進(jìn)機(jī)器的細(xì)節(jié)如圖3所示。

微型液壓千斤頂用于允許在橫向運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)對(duì)接頭施加軸向載荷。該布置允許單獨(dú)的軸向載荷、橫向位移或兩者的組合施加在接頭上。

使用改進(jìn)的Junkers機(jī)器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，軸向載荷和橫向載荷的組合對(duì)流行扭矩螺母的松動(dòng)有深遠(yuǎn)的影響。

測(cè)試結(jié)果表明：

如果軸向載荷超過了標(biāo)準(zhǔn)Junker測(cè)試中螺母保留的預(yù)緊力，則螺母會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到其與螺栓分離。

在這種情況下，軸向載荷會(huì)導(dǎo)致接頭分離，即連接件之間會(huì)出現(xiàn)間隙。軸向載荷將產(chǎn)生在橫向運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的松動(dòng)扭矩，該扭矩繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺母，直到螺母從螺栓上分離。

這在圖4中說明此情況。螺母先擰緊，然后施加軸向載荷。在此階段，由于接頭和螺栓形成了平衡彈簧系統(tǒng)，因此螺栓僅承受一小部分載荷。

螺栓充當(dāng)拉伸彈簧，接頭充當(dāng)壓縮彈簧，拉伸和壓縮載荷相互平衡。螺栓僅被拉伸了一小部分，因此只承受一小部分軸向載荷。

在此階段，通過減少接頭承受的壓縮量來維持大部分軸向載荷。當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)并且接頭經(jīng)歷橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以觀察到螺母的快速松動(dòng)。

預(yù)緊力降低，直到接頭分離，從而軸向載荷完全由螺栓支撐。只要保持軸向載荷，螺母就會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到機(jī)器停止或螺母分離。

如果施加間歇軸向載荷，當(dāng)載荷高于閾值閾值等于螺栓保留的剩余預(yù)緊力時(shí)，螺母旋轉(zhuǎn)將發(fā)生。

如果這種負(fù)載被反復(fù)施加到接頭上，螺母就會(huì)完全松動(dòng)，進(jìn)而從螺栓上脫離。如圖5所示。如果沒有施加軸向載荷，虛線表示松動(dòng)曲線。

該研究也適用于普通非鎖緊螺母。在軸向載荷的存在下，普通螺母可以很容易地從螺栓上分離。在橫向關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)存在的情況下，即使非常小的軸向載荷也會(huì)導(dǎo)致脫離。

橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的松動(dòng)扭矩取決于螺栓預(yù)緊力的大小。預(yù)緊力越高，松動(dòng)扭矩越高。對(duì)于鎖緊螺母，在橫向振動(dòng)下會(huì)發(fā)生松動(dòng)，直到松動(dòng)扭矩被相等大小的鎖緊扭矩抵抗。

一旦發(fā)生足夠的自松，使得軸向載荷大于剩余預(yù)緊力，軸向載荷產(chǎn)生了松動(dòng)的扭矩，并且正是這種載荷使螺母旋轉(zhuǎn)，從而使其與螺栓分離。

基于完成的實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行的測(cè)量，當(dāng)接頭橫向運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，施加的軸向載荷會(huì)引起鎖緊螺母的自松動(dòng)趨勢(shì)。

這種類型的螺母是否會(huì)在接頭橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)完全松動(dòng)，取決于所施加的軸向載荷的大小。