+紧固件常用防松方法

防松性能的评定评定防松性能的试验方法对于如何评定紧固件的防松性能，目前国内外普遍采用两种标准的试验方法。第一种是紧固件加速振动试验方法（ISO标准或GJB715.3-89）,第二种是紧固件横向振动试验方法（GB/T10431-1989）。两者都是加速紧固件连接松动的试验方法，它们各有特点，第一种方法目前在国内主要用于航空航天系统,而其他系统多采用第二种方法。由于横向力是使螺纹连接产生松动的最苛刻的外力，所以两种试验方法都是从垂直于螺栓轴线的方向施加足够大的横向冲击力，使紧固件连接在短时间内产生松动。它们可以对各种紧固件连接的防松性能提供可再现的评定结果。与第二种方法相比，第一种方法的加载方式和振动、冲击条件更接近于各种紧固件的实际使用状态。第二种方法无法评定紧固件松连接的防松性能，而第一种方法则可以对各种紧固件松连接的防松性能提供可对比的评定结果。在工作状态下的螺纹紧固件连接，由于支承面的磨损、被连接件的受压下陷、螺栓的过载屈服或外载荷的作用等各种原因，可能会丧失预紧力，使其由拧紧状态的紧连接变为没有预紧力（或预紧力不足）的松连接。此时，保持紧固件自身的锁紧，使其在一定时间内松而不脱，对防止被连接件因分离而失效至关重要。因此，在评定紧固件松连接的防松脱寿命方面，第一种方法是不可或缺的。与第一种方法相比，第二种方法是对螺栓（或螺钉）直接加力，所以，它能使紧固件连接在更短的时间内产生松动，试验效率更高。第二种方法的另一个特点是可以精确地测量紧固件连接在振动试验过程中预紧力的变量，描述试验中预紧力的变化过程，给出预紧力与振动次数（或时间）的关系曲线图，并以预期紧力下降的变量作为衡量紧固件连接松动的准则。这比第一种方法更为直观和准确，也更便于操作。此外，第二种方法可以较为准确地评定紧固件连接的扭-拉关系对防松性能的影响，这为进一步研究和设计各种新型防松紧固件提供了更为有效的试验途径。防松性能的试验结果根据防松性能的试验结果来评定各种防松方法，对紧固件的选用和紧固件防松方法和研究设计都有参考价值。虽然各种紧固件的防松性能受其结构、尺寸、材料、镀覆层、制造工艺、安装条件等各项因素的影响，其工作环境也各不相同，但是，按照上述的标准试验方法，在试验条件以及影响防松性能的各项因素尽可能一致的条件下，对各种紧固件防松性能的评定及其对比结果，具有较好的可信度和可比性。国内外在这方面的许多试验结果及评定结论是极其相近的，而且试验结果是可以再现的。各种紧固件在实际工作环境中的防松能力与通过试验所做出的评定结论是基本一致的。图21-1和图21-2是按照第一种方法，即紧固件加速振动试验方法规定的夹具和试验条件对各种紧固件进行防松性能试验的对比结果。其试验条件为：振动频率29〜30HZ,全振幅（11.4±0.4mm）,相应的加速度约20g。在试验中，由于紧固件在夹具槽孔内横向跳动（跳动幅度达19mm）,其瞬间的冲击加速度实际高达50〜80g。防松性能的试验结果分析图21-1和图21-2的试验结果表明，有预紧力的开槽螺母、涂厌氧胶的螺母以及尼龙圈锁紧螺母的抗振松寿命最长，经受长时间的激烈冲击、振动后，仍无任何松动的迹象。也就是说，在各种紧固件的对比试验中，它们的防松性能最佳。过去认为，双螺母这种传统的防松方法，其防松性能不高。试验表明，改变双螺母的安装方法（见表21-1序号6，双螺母的特点和用途），使其保持较高的预紧力，其抗振寿命可显著提高。开槽螺母加开口销的防松方法属于机械固定件的锁紧防松，具有很高的防松可靠性。但开槽螺母加开口销的安装方法对其防松性能有显著的影响。不拧紧（即无预紧力）或拧紧不足的开槽螺母，在激烈的冲击、振动下，只能在一定时间内防止螺母从螺栓上脱落。无预紧力的松连接在严酷的工作环境中会导致紧固件或被连接的其他构件早期疲劳破坏。图21-1的试验结果表明，无预紧力的开槽螺母，由于开口销在螺母槽内受到反复冲击和剪切力的作用，在经受4万多次的冲击、振动以后，开口销断裂，螺母与螺栓分离，连接失效。因此，对于在长期间内经受激烈冲击、振动的开槽螺母，在安装时，必须施加合理的预紧力。在螺母槽与螺栓销孔对中装配时，应从拧紧方向扳拧螺母，使开口销紧固在螺母槽内，避免开口销在槽内移动，以防止连接的疲劳失效。匸一表示试件未失效;A—双螺母;B—有预紧力的开槽螺母加开口销C—尼龙圈锁紧螺母;D—高锁螺母;E—无预紧力的开槽螺母加开口销;F—全金属锁紧螺母;G—内齿锁紧垫圈；H—外齿锁紧垫圈J—轻型弹簧垫圈;K—普通螺母图21-1各种紧固件（规格为M6）抗振松寿命试验结果匸一表示试件未失效;A—涂厌氧胶的螺母;B—尼龙圈锁紧螺母;C—轻型弹簧垫圈;D—内齿锁紧垫圈;E—外齿锁紧垫圈;F—普通螺母图21-2各种紧固件（规格为M10）抗振松寿命试验结果涂厌氧胶螺母的防松属于不可拆卸的防松，其防松性能极佳。经受长时间振动试验无松动迹象的螺母，强行拆卸时，其瞬间拧出力矩高达31N・m,说明厌氧胶对螺纹紧固件的粘合锁紧能力很高，其抗振寿命很长也就不足为奇了。尼龙圈锁紧螺母在国内外的实际应用中早已表明其优良的防松性能。国外有关专家甚至称其为永不松动的锁紧螺母。试验结果表明,这种螺母的防松性能比其他锁紧螺母高得多。其防松之所以如此可靠是由于螺母的尼龙圈紧紧箍住螺栓从而形成高弹性的横向压紧。在使用尼龙圈锁紧螺母时,应考虑尼龙圈的老化及温度的影响,对有这方面要求的螺母,应改变尼龙的材料或配方。高锁螺母属于非圆收口的全金属锁紧螺母。试验用的高锁螺母是铝合金螺母，与其相配的是钢螺栓。较软的铝合金能更好地吸收外来的冲击、振动能，所以它比钢制的全金属锁紧螺母的防松性能要好。齿形锁紧垫圈、弹簧垫圈以及没有锁紧特性的普通螺母，它们的抗振松寿命仅为尼龙圈锁紧螺母的1%。相比之下，它们的防松性能很差，一般只用于不重要的场合。锁紧螺母1分类靠增大螺纹之间或支承面之间的摩擦力来防松的锁紧螺母一般分为两种类型，即自由旋转型锁紧螺母和有效力矩型锁紧螺母。自由旋转型锁紧螺母自由旋转型锁紧螺母（见表21-1序号7的结构简图）是螺母与被连接件在拧紧时产生预紧力后才有锁紧能力的螺母。其锁紧性能取决于螺栓的预紧力，如果预紧力难于控制在合理的范围内,则其锁紧防松的可靠性是不确定的,一旦预紧力丧失,其锁紧能力等于零。这种螺母可用于旋合行程较长的螺栓，因为螺母与被连接件在接触前可以很省力地自由拧入拧出，即所谓自由旋转。有效力矩型锁紧螺母有效力矩型锁紧螺母（见表21-1序号8〜9的结构简图）是在拧紧前，即在螺母与被连接件接触前就具有一个有效锁紧力矩的螺母。其锁紧性能不完全取决于螺栓的预紧力。这种螺母一般适用于旋合行程较短的螺栓，也适于抗压能力较差的被连接件（如蜂窝夹层、炭纤维材料等）。因为其锁紧防松不取决于预紧力，在拧紧螺母时可以控制过大的预紧力，以免压坏被连接件。有效力矩型锁紧螺母又分为全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母。全金属锁紧螺母这种螺母之所以能锁紧防松是因为对螺母体上的某一部位进行非圆收口变形，使螺纹孔由圆形改变为近似的椭圆形、多边形或者对螺母的上端进行开槽收口变形，使螺纹孔改变为直径稍小的近似圆形或非圆形（见表21-1序号8的结构简图）。当螺栓与螺母的非圆螺纹孔旋合时，由于干涉配合所产生的摩擦力便阻止了紧固件的松转。只要符合标准规定的技术要求和使用条件，这种螺母的防松是可靠的。这种螺母的制作工艺相对简单。其特点是在保证所要求的机械和工作性能的条件下，体积和重量都可以做到很小，螺母的壁厚也可以很薄，可用于对紧固件的体积和重量有严格限制的场合，可安装在空间狭小的可达性差的使用部位。螺母的另一个特点是适用温度范围较广，其工作温度只受螺母的母体金属材料和镀层的限制。只要选用相适应的材料和镀层，就可以用于从低温到高温的各种场合。螺母的品种很多，如六角、12角、花键、托板、浮动等各种头型和结构形状，可满足各种使用条件的需要，是目前使用最广泛的锁紧螺母之一。非金属嵌件锁紧螺母这种螺母的一种类型是螺纹孔内嵌有尼龙块（见图21-3）,旋合时，螺栓与尼龙块的干涉配合产生摩擦阻力，从而阻止了紧固件的松转。它防松很可靠，缺点是重复使用性差，反复拧入拧出时，尼龙块很易损坏，而且螺纹上安装尼龙块的小孔会导致严重的应力集中。这种螺母的另一种类型是在螺母的上端嵌装一个其内径比螺纹中径稍小的尼龙圈，称为尼龙圈锁紧螺母（见表21-1序号9的结构简图）。它的防松能力同样来自于尼龙材料与螺栓旋合时由于干涉配合所产生的摩擦阻力，与尼龙块相比，其摩擦阻力更加稳定和可靠。在各种嵌件材料中，尼龙材料的弱性和耐磨性最佳，它不仅具有良好的复原性和重复使用性，而且对外来的冲击、振动还有良好的吸收和阻尼作用。所以，这种螺母的锁紧性能比全金属锁紧螺母好得多，有很高的防松可靠性。其不足之处是螺母的使用温度受限于尼龙材料的使用温度。螺母的使用温度一般为-50〜+100°C,过高的温度会使尼龙材料软化，过低的温度会使尼龙材料变得硬脆和加速老化。当温度达-54C时，螺母的金属材料（碳钢和合金钢）也开始变脆，使锁紧螺母的机械和工作性能明显下降。图21-3尼龙块锁紧螺母4机械性能与工作性能对锁紧螺母的机械性能要求与普通螺母基本相同，不重复介绍，详见GB/T3098.9。但对有效力矩型的全金属锁紧螺母应具有较高的机械性能等级。机械性能等级低的螺母容易使其非圆收口的部位在拧入螺栓时产生塑性变形，难于保证弹性锁紧的功能要求。全金属锁紧螺母的机械性能等级通常是8〜12级。5级的螺母，成本较低，但其防松能力和重复使用性较差，一般只用于不重要的使用场合，并应尽量减少重复装拆的次数。一个工作性能良好的锁紧螺母主要应具备如下4个基本条件：稳定并可靠的锁紧力矩（又称有效力矩）；对螺栓公差有良好的适应性；良好的重复使用性；良好的扭-拉关系。1）锁紧力矩一个防松可靠的锁紧螺母，其锁紧力矩应保持在标准规定的范围内，而且其第1次拧入最大力矩应保持最小，其多次（通常是第5次或第15次）拧出最小力矩应保持最大。第1次拧入力矩过大会造成拧入困难，降低装配效率，也会使锁紧力矩难于保持稳定，降低螺母的防松可靠性和紧固件的重复使用性。所以，第一次拧入力矩越小越好，但小到一定程度后，可能会无法保证多次拧出后的力矩达到标准规定的力矩值。螺母的多次拧出力矩是指用螺栓反复拧入拧出5次或15次后，其第5次或15次拧出时所保持的力矩值。这一力矩越大，螺母的防松能力就越高。换句话说，如果经过多次拧入拧出的螺母，其锁紧力矩仍能稳定地保持在较高的水平上，就能使螺纹连接具有较高的防松可靠性。影响锁紧力矩保持稳定的因素包括：螺母非圆收口部位的结构及尺寸（指全金属锁紧螺母）、锁紧部位的回弹性能、螺纹公差、螺纹的润滑条件等。尼龙圈锁紧螺母，由于其结构特点及尼龙材料的良好性能，在各种使用条件下其锁紧力矩一般均能保持在稳定和合理的范围内，因此，它是目前各种自锁螺母中防松可靠性最高的一种螺母。2）对螺栓公差的适应性锁紧螺母与螺栓旋合时，其锁紧部位的螺纹孔与螺栓的配合是干涉配合。当螺母达到上偏差螺纹孔时（螺纹孔的平均直径最大）与下偏差螺栓（螺栓的平均直径最小）旋合时，干涉量可能很小，由干涉量所产生的锁紧力矩也可能很小；反之，螺母的下偏差螺纹孔（螺纹孔平均直径最小）与上偏差螺栓（螺栓的平均直径最大）旋合时，干涉量可能很大，由干涉量所产生的锁紧力矩可能会远远大于标准规定的第1次拧入最大力矩。一个工作性能优良的锁紧螺母，它对螺栓（螺纹）公差应具有良好的适应性。即它与高限螺栓或低限螺栓旋合时，都能获得符合标准规定的最佳锁紧力矩值。锁紧螺母对螺栓公差是否具有良好的适应性，应通过螺栓公差试验（又称永久变形试验）来进行检查。这一试验对试验螺栓的螺纹精度要求很高，相应的经济成本也很高。因此，一般用途的锁紧螺母不要求进行这一试验，而用于航空航天等重要场合的全金属锁紧螺母则必须进行这一试验。由于尼龙材料具有优良的回弹性能，所以，尼龙圈锁紧螺母对螺栓公差的适应性极佳，在一般情况下，可以不进行螺栓公差试验。凡是对螺栓公差适应性良好锁紧螺母，其重复使用性也良好。3）重复使用性在国内外的许多锁紧螺母标准（包括国际标准）中，没有涉及螺母的重复使用性的内容，但一般都规定了螺母要进行5次或15次的锁紧性能试验。这是否意味着，一个螺母经过5次或15次装拆以后，便无法达到标准规定的锁紧力矩要求，就应该报废了？实际上，5次或15次锁紧试验只是一种试验方法，并非意味着螺母只能用5次或15次。在一般情况下，经过5次拧入拧出以后，锁紧力矩由较大值下降到较小值而渐趋平稳，尤其是经过15次拧入拧出以后，螺母的拧出最小力矩值会一直保持平衡不变。然而，这是否意味着锁紧螺母的反复装拆次数可以不受限制？对全金属锁紧螺母来说，螺栓多次拧入拧出螺母的非圆螺纹孔后，可能会造成金属螺纹的磨损和局部塑性变形，从而导致锁紧力矩值的不稳定，甚至会低于标准规定的拧出最小力矩值。因此，在重要使用场合，建议适当限制螺母的重复装拆次数。美国航空航天紧固件设计手册推荐全金属锁紧螺母可以重复使用约10次。尼龙圈锁紧螺母的重复使用性极佳，其拧出最小力矩甚至经过100次拧入拧出以后，仍能保持稳定不变。在使用过程中，不必限制其装拆次数。4）扭-拉关系扭-拉关系是指拧紧螺纹紧固件时，所施加的扭力矩与因拧紧而在紧固系统内产生的预紧力之间的关系。预紧力又称螺栓的预拉力，轴力或紧固系统的夹紧力。螺纹紧固件紧固的可靠性在很大程度上取决于这个力。实践证明，螺纹紧固件松动失效和疲劳破坏的主要原因之一是由于没有合理的预紧力。所谓合理的预紧力，一般是指紧固件和被连接件在不会因为拧紧而产生破坏的情况下，紧固系统应具有稳定不变的足够高的预紧力。足够高的预紧力能大大降低外加的应力幅，从而增加防松和抗疲劳的可靠性。用力矩扳手来拧紧紧固件是国内外长期以来在装配过程中普遍采用的方法，这种方法所获得的预紧力是很不精确的。在一般情况下，对于非锁紧的普通螺母，其支承面上的摩擦所造成的单位力矩损耗约占总力矩的50%，螺纹接触面上的摩擦所造成的单位力矩损耗约占总力矩的40%，而产生预紧力的扭力矩仅占总力矩的10%左右。因此，在拧紧螺母时，即使对相同的螺母施加相同的拧紧力矩，其预紧力的偏差也可能高达±25%。为安全起见，只能将螺母拧紧到较低的预紧力值，以免预紧力过大而损坏螺纹连接。与普通螺母相比，靠增大螺纹或支承面摩擦力来获得锁紧性能的锁紧螺母，其扭-拉关系的不确定性会更大。对于带齿形面的自由旋转型锁紧螺母，由于支承面摩擦状态的改变以及被连接表面的划伤，其扭-拉关系会产生非线性变化，即在施加相同的扭力矩时，所获得预紧力值的分散性会更大。对于有效力矩型锁紧螺母，其锁紧力矩的变化会影响到扭-拉关系的稳定。在一般情况下，对这种螺母所施加的扭力矩应等于对普通螺母所施加的力矩再加上锁紧力矩（见图21-4）。全金属锁紧螺母的锁紧力矩在使用过程中往往变化较大，其预紧力值的分散性也随之增大。一个性能良好的锁紧螺母应具有良好的扭-拉关系。良好的扭-拉关系是指对于相同条件的紧固件，其扭力矩与预紧力的关系是稳定的线性关系，施加相同的扭力矩时，可获得稳定不变的预紧力。也只有良好的扭-拉关系，紧固系统才可能获得足够高的预紧力。对于全金属锁紧螺母，提高螺纹精度，改善对螺栓公差的适应性可以稳定锁紧力矩，使其具有良好的扭-拉关系。对于尼龙圈锁紧螺母，由于其锁紧力矩很稳定，所以其扭拉关系比全金属锁紧螺母更好。与普通螺母一样，对锁紧螺母的螺纹及支承面进行润滑能显著改善其扭-拉关系，因为润滑能改善螺纹及支承面的摩擦状况，同时也稳定了锁紧力矩，减少摩擦对稳定预紧力的不利影响。因此，在重要场合使用的锁紧螺母，常常是带有干膜润滑层的或者在装配时添加润滑剂的螺母。图21-4M8螺母的扭-拉关系曲线5润滑5.1润滑的作用对于靠非圆收口而获得锁紧能力的全金属锁紧螺母，螺纹的润滑是很重要的，它能显著改善螺母的工作性能。润滑的主要作用有三：第一，防止螺纹旋合时出现擦伤和卡死；第二,稳定锁紧力矩，能使第1次拧入最大力矩趋小，第5次（或第15次）拧出最小力矩趋大，从而提高防松的可靠性；第三，使紧固系统具有良好的扭-拉关系。鉴于润滑的重要作用，在产品上安装没有润滑层的全金属锁紧螺母时，建议在螺纹上添加润滑剂，除非螺母的工作环境不允许添加润滑剂。5.2常用的润滑剂常用的润滑剂有中性润滑油及油膏、二硫化钼、石墨和极性蜡等。1）中性润滑油及油膏它是最普通的螺纹润滑剂，在润滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用温度不能超过120°C，否则油和油膏会熔化和蒸发。它也不能用于真空环境。2）二硫化钼它是最常用的一种干膜润滑剂，以干的薄膜形态牢固地粘结在成品螺母上，安装螺母时不必再添加额外的润滑剂。二硫化钼干膜润滑剂是一种优良的螺纹润滑剂，可用于真空环境。但在接近399C温度时，会转化成三硫化钼，三硫化钼是对螺纹连接有害的研磨剂。3）石墨干石墨粉加油、油膏（如凡士林）或水，使其润湿后便成为良好的螺纹润滑剂。它的最高使用温度受油或水的沸点所限。干石墨是研磨剂，在液体蒸发后，干石墨会对螺纹造成损害。4）极性蜡极性蜡是指十六醇、十八醇等蜡类润滑剂。因为它带有极性，因而能以干薄膜的形态粘附在成品螺母上。极性蜡的润滑功能极佳，它能使旋合螺纹的摩擦系数降低3倍，因此能显著地降低并稳定全金属锁紧螺母的第1次拧入最大力矩以及提高多次装拆后的拧出最小力矩。它对稳定紧固系统的扭-拉关系也有良好的效