農業(yè)機械中螺栓防松機理及螺栓防松冗余設計

儲建華 嚴巳杰 徐廣銘 繆海洋 鄭 輝 盧 青

0 引言

螺栓聯接是農業(yè)機械中最基本的一種結構連接形式，具有標準化程度高、制造方便、構造簡單、便于拆裝、成本低等優(yōu)點，在現代工業(yè)中有著廣泛的應用。從原理上說，螺紋聯接一般都采用單線普通螺紋，螺栓聯接基本上都能自鎖，在靜載荷條件下不會自行松脫。但是在沖擊、振動、交變載荷作用下，或者在工作溫度變化很大的情況下，螺栓聯接很可能松動。而螺栓松脫往往會造成嚴重后果，因此螺栓聯接設計時，必須采取防松措施。

隨著科學技術的發(fā)展，農業(yè)機械設備越來越復雜，對其可靠性的要求也越來越高。而冗余設計是提高農機可靠性的最常用的有效措施之一。螺栓防松的冗余設計就是在費用、重量、體積等條件允許時，合理采用多種防松措施，使螺栓緊固的可靠性達到最大。

1 農業(yè)機械螺栓松動機理

1.1 螺紋副旋合螺紋發(fā)生蠕變

根據國外聯結副松弛蠕變試驗，螺母緊固后24小時螺栓預緊力減少近10%，其后損失速度變緩，螺母容易發(fā)生松動[1]。

1.2 支承面壓陷引起的松動

在日常使用中，連接件表面與緊固件（螺栓頭、螺母、墊片）在接觸應力作用下極易產生環(huán)狀塑性壓陷。隨著時間的推移，持續(xù)作用會將支承面壓陷，使螺栓伸長量減?。A緊力降低），最終造成緊固件的松動回轉。

1.3 徑向力是螺栓聯接松動的主要原因

國內外一些專家及學者對螺栓聯接分別進行徑向和軸向激振力的大量試驗，結果表明，徑向激振力對螺栓松動的影響遠高于軸向激振力（徑向力對螺栓影響松動較大）。當預緊螺栓時，預緊力的作用產生螺母徑向擴張力，導致螺母處于徑向擴張狀態(tài)；當外界傳入徑向力并達到一定程度時，自行平衡的螺母徑向擴張力將失衡，促使螺母徑向竄動，進而使螺紋旋合處沿螺旋線切線方向的靜摩擦系數減小甚至變?yōu)榱?；當量摩擦角減小或為零時，松動扭矩接近于零或為負值，螺母將松動回轉。

2 農業(yè)機械中螺栓防松機理

農業(yè)機械中螺栓防松就是消除（或限制）螺紋副之間的相對運動或增大相對運動的難度。常用的防松方法有六種：自由旋轉型、有效力矩型、機械鎖固型、永久防松型、粘接型[2]、結構型。

2.1 自由旋轉型

自由旋轉型鎖緊是因螺母與被連接件在擰緊時產生預緊力后才有鎖緊能力的。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。

2.1.1 彈簧墊圈

彈簧墊圈材料一般為65Mn彈簧鋼或70#碳鋼，裝配后壓平墊圈，彈簧的反彈力能使螺紋間保持壓緊力并增加螺母和螺栓之間摩擦力，從而達到防松的目的；同時，墊圈斜口的尖端抵住螺母與被連接件的支承面也有防松作用。彈簧墊圈雖實用簡易、價格低廉，但缺陷也很明顯。因其支承面小，系統(tǒng)受力偏斜，破壞螺栓作用力的中心，導致螺紋聯接的疲勞性能下降，加之在振動沖擊載荷作用下夾緊力的作用，可能會出現因內徑漲大而失效的情況。因此，彈簧墊圈不用于重要的使用場合。

2.1.2 對頂螺母

兩螺母對頂擰緊后，上下兩螺母與螺栓螺紋接觸面相反，兩螺母間產生一個附加的對頂力，使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。對頂螺母防松結構簡單，適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置的聯接。由于多用一個螺母，而且工作并不十分可靠，目前較少采用。

2.1.3 扣緊螺母

先用普通的六角頭螺母將被連接件緊固，然后將GB/T805 扣緊螺母與其普通螺母支撐面接觸，再用扳手擰緊（約60°～90°）。該結構有可靠的防振、防松性能，但在頻繁裝卸的場合不宜使用。

2.1.4 凸邊螺母、凸邊螺栓、蝶形墊圈

螺母退松力矩的減少被子螺母、螺栓、墊圈支撐面上的倒齒產生的力矩抵抗，在一定程度上起到防松作用，常用于小規(guī)格的螺栓副上。

2.1.5 二次擰緊

螺栓連續(xù)工作一段時間后需要重新緊固，這樣可以減小初始松動及消除蠕變導致的松動，有一定的防松性。

2.1.6 懸置螺母

懸置螺母是一種提高螺紋強度的措施，螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母與栓桿的螺距變化差，從而均勻分布載荷。使用懸置螺母可使螺紋副強度提高40%，疲勞強度也得到提高，有很好的防松作用。但是由于懸置螺母加工成本較高，使用不方便，所以很少使用。

2.2 有效力矩型

依靠螺栓或螺母結構上的“有效力矩部分”的摩擦阻抗和聯結副預緊力方面產生的摩擦阻抗防止松動。

2.2.1 自鎖螺母

尼龍自鎖螺母是一種新型農業(yè)機械高抗振防松緊固零件，它的抗振防松性能大大高于其他各種防松裝置，而且振動壽命要高于其他防松裝置幾倍甚至幾十倍；然而該類螺母由于尼龍熔點的限制，一般只能應用于溫度在-50～100℃之間的各種農業(yè)機械中。理論與實踐證明，螺桿上的防腐涂層容易被自鎖螺母上的尼龍破壞，所以，要根據不同的運行環(huán)境來選擇自鎖螺母。

2.2.2 縱向開槽的螺母

將螺母一端制成非圓形收口或開縫后徑向收口。當螺母擰緊后，收口脹開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊。這種防松結構簡單，防松可靠，可多次拆裝而不降低防松性能。

2.3 機械鎖固型

利用機械固定件使螺紋件與被連接件之間或螺紋件與螺紋件之間固定和銷緊，以制止松動（如六角開槽螺母和開口銷、止動墊圈、串聯鋼絲）。

2.3.1 槽形螺母和開口銷防松

槽形螺母擰緊后，開口銷穿過螺母的槽和螺栓末端的銷孔，將螺母和螺栓直接鎖緊。可在不擰緊（即不施加預緊力）的松連接狀態(tài)下，用于重要的活動部位。如農業(yè)機械操縱桿活動關節(jié)的連接，也可用在長時間嚴酷振動條件下要求防松可靠性高的特別重要部位。在這種情況下，必須以適當的預緊力來擰緊螺母和螺栓，否則，在未擰緊的松連接中，開口銷或螺母會產生疲勞破壞，造成緊固件的松脫失效。此類事故在承受嚴酷工作條件的許多連接中常有發(fā)生。

2.3.2 圓螺母和止動墊片

使墊圈內舌嵌入螺栓（軸）的槽內，用螺母上緊后，將止退墊片的一個牙鑲入螺母的缺口上，這樣可以有效防止螺母松動。

2.3.3 止動墊片

用單個或雙連鋼墊圈把螺母與被連接件固定在一起或兩個螺母相互固定，實現防松。防松可靠，可用于高溫部位（如農業(yè)機械發(fā)動機產品的重要部位）的防松連接。

2.3.4 串聯鋼絲防松

用鋼絲穿入螺釘頭或螺母的小孔內，使幾個螺釘或螺母聯結在一起而鎖緊，使其相互制動。因其防松可靠，故仍用于重要的場合，特別是農業(yè)機械中成組螺栓或螺釘的連接防松。

2.4 永久防松

在擰緊后采用焊接、沖點、翻邊、擠壓、粘接等方法永久防松，會使螺紋破壞，失去運動副特性，螺母無法向回運動，且拆卸十分困難，拆除只能靠破壞螺桿、螺栓，無法重復使用。

2.5 化學防松——粘合

選用“樂泰”厭氧膠粘結劑涂抹在螺紋旋合表面，可使螺紋裝配保持鎖固，防松效果良好，且在整個使用期間還具有防漏功能。

2.6 結構防松

2.6.1 唐氏螺紋防松

圖1為唐氏螺紋緊固件防松方法和原理示意圖。如圖 1所示，在聯接時，使用左旋和右旋兩個不同旋向的螺母，先將工作臺上的緊固螺母預緊，然后再將鎖緊螺母預緊。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，鎖緊螺母的擰緊恰恰阻止了緊固螺母的松退，使得緊固螺母無法松動。

圖1 唐氏螺紋緊固件防松方法和原理示意圖

2.6.2 SPIRALOCK螺母（螺紋）防松

造成螺紋緊固件松脫的關鍵在于螺紋的結構形狀。在陰螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面，當螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊地頂在SPIRALOCK螺紋的楔形斜面上（詳見圖2），從而產生了很大的鎖緊力。由于牙形的角度改變，使施加在螺紋間接觸所產生的法向力與螺栓軸成60°角，而不是像普通螺紋那樣的30°角。顯然SPIRALOCK螺紋法向壓力遠遠大于扣緊壓力，因此,所產生的防松摩擦力也就必然大大增加了。

圖2 SPIRALOCK螺紋與標準60°V型螺紋的受力對比

2.6.3 TOP-LOCK防松墊圈

TOP-LOCK防松墊圈由兩片完全相同的墊片組成，每片的外側都帶有放射狀的凸紋面，內側為斜齒面，詳見圖3。TOP-LOCK防松墊圈的楔入式結構改變了傳統(tǒng)依靠摩擦力的防松方式，利用張力來防止連接件在強振動時引起的松動。TOP-LOCK防松墊圈獨特的墊圈凸輪齒牙傾斜角度α大于螺栓螺紋傾斜角度β，裝配時，內側斜齒面是相對的，墊圈的外滾花齒面的摩擦系數要比凸輪齒面的摩擦系數大，且與兩端接觸面成咬合狀態(tài)。當連接件受到振動，并使螺栓發(fā)生松動趨勢時，僅僅允許兩片墊圈內側斜齒間相對錯動，產生抬升張力，獨特的齒牙系統(tǒng)利用張力在緊固的連接處產生一個很高的抵抗力來經受振動力，從而達到防松效果。

圖3 TOP-LOCK防松墊圈示意圖

3 農業(yè)機械螺栓防松冗余設計

從根本上說，農業(yè)機械螺栓聯接應不少于兩道防松設置，當某種防松設置失效后，至少還有一道防松措施，才能使螺栓聯接可靠性最大限度地穩(wěn)定，使農業(yè)機械正常運行。

下面列出幾種螺栓防松冗余設計方案：

（1）先采用SPIRALOCK螺紋，然后在螺栓上涂抹“樂泰”厭氧膠，可以有效防松。馬達與減速機等驅動裝置通常采用這種防松方法。

（2）在采用SPIRALOCK螺紋的基礎上，增加防松鎖片，并且裝配過程中在螺栓表面涂抹“樂泰”厭氧膠，最后再穿鐵絲進行防松，共計采用四種防松措施。在履帶吊回轉支承與本體的聯接上就是采用這種防松方法。

（3）用兩個圓螺母，加上一個圓螺母止動墊圈，另外再涂抹“樂泰”厭氧膠。在一些大型減速機的輸出軸上就經常采用這種防松措施。

（4）采用雙螺母，第一道鎖緊螺母為SPIRALOCK防松螺母，第二道螺母為自鎖螺母，涂抹“樂泰”厭氧膠，并且采用彈性墊圈。高速列車上經常采用這種防松措施。

（5）一頭采用彈性墊圈，另一頭采用TOPLOCK墊圈，并且涂抹“樂泰”厭氧膠。風電領域經常采用這種防松措施。

4 結論

現代農業(yè)機械的各個部件以及其他工業(yè)部件的使用無時無刻都離不開螺栓的聯接，面對著螺栓聯接的廣泛使用，必須重視螺栓聯接的防松措施。通過冗余設計，采用多種螺栓防松措施，盡量提高螺栓聯接的可靠性，才能保證設備的安全運行。

[1]周震.螺栓防松方法在風電領域中的應用[J].科技傳播,2011,9（上）.

[2]閻邦椿.機械設計手冊（第五版）第2卷機械零部件設計(連接、緊固與傳動)[M].機械工業(yè)出版社,2010:1.