现代机械领域常用螺栓螺母防松结构解析

（东芝水电设备杭州有限公司，浙江 杭州 311504）

1 引言

现代机械装配中，零部件采用螺栓连接仍然是最常见也是最广泛的连接形式，其目的是为了使两个被连接的零部件紧密贴合，同时又根据所属工况不同，承受不同形式以及强度的载荷，从而保证被连接的零部件连接可靠并正常运行。但是在变载、振动、冲击、工作温度变化很大时，螺栓连接则可能产生松动，因此，螺栓连接在实际使用过程中必须要了解各个螺栓防松结构的原理，以便更加合理有效地运行螺栓螺母的防松部件，达到防松效果[1]。

2 螺栓螺母紧固时受力简析

螺栓连接的零部件在工作过程中受到载荷变化、振动以及冲击的作业下，会导致连接件之间压紧力和预紧力逐渐减小甚至消失。因为在螺栓受到轴向载荷作用下，螺栓会因轴向载荷作用而轴向伸长，径向弹性收缩，而连接螺母则向相反径向扩张。两者接触面之间会出现微量的相对径向滑动，因此在长期以及多次不良载荷的反复作用下，最终会导致螺母回转松动。同样的，当连接螺栓受到径向载荷反复作用下，螺栓会产生弹性扭转变形的趋势，随着变形不断累积，最终会导致扭转变形的位移，从而在螺纹螺旋方向上就出现使螺母回旋松动的分力。

在使用螺栓螺母进行紧固连接时，首要条件是保证被紧固件之间的预期夹紧力必须达到相应的大小（参考普通螺栓松脱力矩一般为拧紧时力矩的80%，细牙则为85%）。而螺栓螺母主要通过摩擦力矩保证锁紧作用，同时对摩擦力矩造成的影响的因素有很多，其中主要包括螺栓预紧力的大小、摩擦系数的大小、螺栓同连接物品表面接触的外径、内径等。普通情况可以用更高强度级别或者细牙螺栓螺母来达到更好的防松效果[2]。但是往往在实际工况中，仅仅通过上述选型是达不到预期防松效果或者时效的要求的，可以考虑增加螺栓紧固的夹紧力（一般最大预紧力不得超过材料屈服极限强度的80%）或者增加新的力矩来保证其防止回转松脱的目的，因此可以通过增加各种形式的防松结构达到防松目的。

3 常用螺栓防松结构分类

常用螺栓防松结构按拆卸方式可分为可拆卸防松和永久防松。常见永久防松结构有点焊焊接、铆钉连接、冲点处理以及螺纹胶粘合。永久防松结构需要松动时大多需要进行破坏性拆除，因此需要视实际工况而定。可拆卸防松结构主要包括机械防松结构和摩擦防松结构。摩擦防松结构中运用摩擦原理进行防松的有添加弹簧止动垫片、自锁螺母以及双螺母防松结构。该类型防松方式工作过程中受到冲击载荷容易松脱，需要用记号笔进行防松标示，以便于检查以及拆卸恢复。常见的机械防松结构有开口销加开槽螺母结构、止动垫片配合螺母防松以及串联钢丝固定结构，由于本身运用的防松原理不同，相比较而言机械防松结构更加可靠，应结合螺栓使用的工况、成本等综合考虑使用相应的防松结构。

3.1 双螺母防松结构

双螺母防松结构原理可以理解为：如果螺母回转松动过程需要克服前螺母与被紧固件和前螺母与后螺母两个摩擦力（第一摩擦力面的预紧力为第二摩擦力面预紧力的80%）。在工作过程中，整体结构在工况中受到冲击和振动载荷过程中，第一个摩擦力在螺栓螺母在弹性形变过程中逐渐减小甚至消失，但是在此同时，第一个螺母在弹性形变过程中作用至第二个螺母，使第二摩擦力面的摩擦力持续增大。但是螺母回转松退必须同时克服上述两个力面的摩擦力，基于上述原理从而达到防松的效果。唐氏双螺母结构防松效果相比普通双螺母防松结构更加有效，该防松原理基本和双螺母防松机构相同，不同的是唐氏双螺母结构的二个螺母旋向刚好相反，因此前螺母松动回转过程中产生的力会作用于后螺母产生新的作用力，所以该防松结构形式效果更好。

3.2 自锁螺母防松结构

自锁螺母是靠摩擦力进行防松的一种结构，因为普通螺母螺纹在预紧力的作用下，其受力相对集中，主要在螺栓螺纹前端，所以也比较容易发生松脱，而自锁螺母螺纹上有独特30°楔形斜面，可以在锁紧状态下，使螺母螺纹与螺栓轴线形成60°角，且相对普通螺母，螺栓螺纹接触受力更加均匀，因此如果螺栓螺母受不良载荷作用下发生回转松动的趋势，由于接触角度的关系，其螺栓螺母径向作用力远大于普通螺纹，其发生松动回转需要克服的摩擦力也远远大于普通螺栓螺母需要克服的摩擦力，从而达到了有效防松的目的。当然能达到自锁目的的螺母结构不单单有这一类型，另外还有通过镶嵌尼龙圈增加摩擦力的、更改螺母收紧口增加力矩的，等等。因此在实际工况相对振动、冲击负载比较多的情况下，可以考虑尽量使用自锁螺母来实现防松的目的。

3.3 弹簧垫片式防松结构

在螺栓预紧过程中，弹簧垫片受到作用力产生弹性形变，那么为了克服垫片弹性形变产生一个反作用力于螺母上，产生一个附加的摩擦力，则螺母由于不良负荷的作用发生回转松动，则需要克服原先摩擦力和附加摩擦力的总合，从而达到防松效果，且弹簧垫片在具备防松作用的同时也具有较好的抗振效果，且制造成本不高，安装也和普通平垫一样方便。但是其受到自身材质以及工艺影响较大，如果材质不达标、热处理及相关工艺不到位，很容易发生开裂的现象，直接影响其防松能力。因此容易腐蚀弹垫自身材质以及容易发生化学变化的工况，应避免使用。

3.4 开口销、开槽螺母式防松结构

开槽螺母相对普通螺母在尾部多一处螺母槽，将对应的开口销依次穿入槽及螺栓尾孔内，并固定开口销，从而达到防松止动的目的。开口销通常需要使用优质钢且弹性好的材料制作而成。因为每个脚需要反复多次弯折，并且弯折部分不能发生断裂或裂痕。开口销式防松在机械领域适用面广、使用方便，但是也存在容易松动、普通材质开口销容易被腐蚀而失效的问题。因此开口销作为防松目的使用时，应严格对照螺栓螺纹规格正确选用，从而充分达到其使用的价值。

3.5 止动垫片式防松结构

止动垫片与弹簧垫片都是附加形式的防松结构，但是弹簧垫片是给螺栓螺母附加一个力，增加其摩擦力，而止动垫片则是通过直接锁住螺母回转，达到防松目的。但是止动垫片受被紧固件外形结构以及作业操作环境影响较大，装配拆卸相对复杂，但防松效果比较好，特殊情况下可以使用双联锁紧止动垫片，可以达到联锁牵制、强化防松的效果。

3.6 串联钢丝防松结构

串联钢丝防松结构，顾名思义，就是将所要防松的螺栓使用特定的钢丝绳（必须采用低碳钢丝绳）整体通过螺栓尾孔相互串联起来，使相邻的两个螺栓互相牵制锁定，从而起到互相防松的效果。串联钢丝绳必须明确一个原则，就是当任意一枚螺栓有松动回转的趋势，则它带动固定的钢丝时，必须同时让相邻的螺栓有旋紧的趋势。这样才能保证起到防松的作用。

3.7 螺纹锁固胶防松

螺纹锁固胶就是一种按一定比例配比而成的厌氧胶。由于螺栓和螺母预紧后，螺母部分不能完全紧密接触，受到不良载荷后就容易发生松动回转，而螺纹锁固胶可以利用其厌氧固化的特性，紧密填满螺纹间隙，使螺栓紧固不松动，从而避免振动，达到防松的目的。其被广泛应用的原因有：黏着强度变化范围广，操作使用方便，且渗透流动性、吸振性以及密封性能好，因此在机械制造类企业内使用非常广泛。

3.8 其他先进防松结构

3.8.1 日本“Hard-Lock”防松螺母

日本“Hard-Lock”防松螺母全称为哈德洛克偏心式自锁螺母，号称永远不会松动的螺母，其原理和结构其实很简单，就是在双螺母结构的基础上进行设计改进。其大致原理是在使用上下“凹”“凸”形状的两种螺母。下方呈凸状的螺母，在加工时中心进行偏心加工。上方呈凹状的螺母，中心则不偏离心加工，其结构形式在预紧时相当于楔子慢慢楔入，等同于双螺母加上了自锁功能，从而达到非常可靠的螺母防松功能。

3.8.2 德国“HEICO-LOCK”防松螺母

德国“HEICO-LOCK”防松螺母原理可简单理解为通过楔入式的夹紧力而非摩擦力来紧固螺栓。其垫圈外表面为放射状锯齿，内表面呈现楔形，在安装时要成对使用，保持楔形面相对[3]。当被连接件在负载作用下时，使螺栓在轴向上产生一个作用力F，并使螺母产生轴向位移的趋势，但是由于双锁紧垫片与外表面已咬死，因此其相对位移只能发生在两个垫圈的内齿表面，但是由于垫片内齿的斜角度α大于螺栓螺纹角β，因此在螺母产生的位移量ΔL没有超过双锁紧垫片上下内齿叠加的最大间距的前提下，则作用力F越大，需克服螺母回转松动趋势的力越大，从而保证螺母能够牢牢锁紧，达到防松的目的。

4 结束语

通过对常用螺栓螺母防松结构的了解，知道不同的结构形式可以达到不同的防松效果。根据不同的使用工况，选用合理有效的螺栓连接防松结构可以延长其使用周期，更好地体现其自身的作用和价值。通过对常用螺栓螺母防松结构的了解，可以更好地运用到实际生产中，也可以通过加深学习改进现有结构，设计出更先进更可靠的防松结构，使其更好地为机械工业领域的发展起到推动作用。