螺纹紧固件防松技术和试验方法研究

羹∥ Ｌ
，
Ｒ
ｊ塾 ｆ‘ ， ｒｆ 图ｌ 螺纹受力分析
妊 ｔ，
Ｆ：＝Ｆｆ ｔｇ（＾＋ｐ。）
（ｔ）
式中 ｐ。一摩擦角，与之对应的摩擦系数为∥。，二者关系为：
∥ｓ２蟾ｐ ｓ
当滑块沿斜面等速下降（相当于松退螺母）时，摩擦力改变方向，只成为
阻力，作用于滑块上各力平衡，力多边形封闭（见图１ ｃ），由此可得平衡方程：
晟后ｔ作者还要特别感谢学校的老师和领导，是他们、给予作者极大地关心、 支持和鼓励，使得作者能够如期完成学业。
作者：李维荣 ２００５年４月
第一章 概 述
螺纹是一种用于连接和传动的机械结构要素，历史相当悠久，因其具有加 工方便，连接力大，结构紧凑，便于装拆，连接可靠等优点，成为应用最广泛 的连接方式。螺纹紧固件是利用螺纹结构特点的典型系列产品，通过标准化， 实现大批量专业化集中生产，不仅能通用互换，而且在产品质量不断提高的基 础上大大降低了成本，使之得到更广泛的应用。在今天，几乎找不到不使用螺 纹紧固件的机器，生活中紧固件随处可见，习以为常。
只＝Ｆｆ培（＿一ｐ；）
（２）
拧紧和松退螺母所需力矩
Ｌ＝，ｓ也／２：尽如ｔｇ（■±ｐ。）／２
（３）
对于普通螺纹，牙形角ａ为６０。，可看成楔形块在斜槽内运动，此时，以
当量摩擦系数＿。７代替摩擦系数∥。，以当量摩擦角ｐ。７代替摩擦角ｐ。，不 难得出：
Ｆ。７＝ｏ，／ｃｏｓ（ｄ／２）＝Ｆ。／ｃｏｓ３０。＝１．１５５Ｆ：
关键词：螺纹、紧固件、防松、试验
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｅＶｅｎｔ ｆｒｏｍ Ｉｏｏｓｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｒｅａｄ ｆａｓｔｅｎｅｒ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｃｏｍｍｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ １ｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ｔｈｒｅａｄ，
４
第三章 防松措施
针对螺纹紧固件松动的问题，人们采取各种积极有效的措施，为螺纹紧固 件的发展注入新的活力。从各种标准和文献中可以看到，螺纹紧固件防松技术 和防松结构很多，总结起来主要包括摩擦防松、直接锁紧、破坏运动副关系和 粘结等几类方法。
３．１ 摩擦防松
３．１．１控制预紧力
螺纹紧固件连接的可靠性在很大程度上取决于“扭矩．拉力关系”中极为关 键的拉力（通常称为预紧力）测量而不是取决于扭矩测量。因此控制安装预紧 力是防止螺纹紧固件松动的有效措施之一，这种方法利用螺纹的自锁条件，不
ｔｇ（＿±ｐ。７）≈ｔｇ＾±ｔｇｐ。７
凡２Ｒ（ｔｇ＾±ｔｇｐ。７）
（５）
式（５）表明普通螺纹紧固件能满足螺纹自锁条件。
２．３支承面的受力
在装配和使用中，紧固件支承面（螺栓、螺钉的头下支承面、螺母的承载
端面等）同时也承受与螺纹相同大小的轴向力Ｒ，在拧紧或松退时，该支承面
产生与运动（或运动趋势）方向相反的力矩Ｌ，其值为：
兮，氕 勘托故
独创性声明
本人卢明所晕交的学位论文是本人在导师指导Ｆ进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，脒了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包吉其他人已经发表或撰写
过的研究成果，也不包含为获得～ 盒蟹＝塑！丛堂一或其他教育机构的学位或证书而使
用过的材料。与我～同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论空中作了明确的说明 井表示谢意。
∥。７＝ｔｇ Ｊ口ｓ’
上述（１）～（３）式可分别改写成： Ｆ：＝毋ｔｇ（＾＋ｐ，’） 只＝ｎ ｔｇ（＾一ｐ：７） ｔ＝ＦＳ如／２＝毋如ｔｇ（＾±ｐ。７）／２
（１ ７） （２ ７） （３ ７）
２．２螺纹的自锁条件
从式（２）和（２ ７）可以看出，当＾≤ｐ。或＾≤ｐ。７时，推力Ｆ８≤０，表
明Ｆｓ为零或其方向改变，此时，螺母只有受到与图１中只方向相反的推力才能
ｏｆ ｅｘｐｅｒｈｌｅｎｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃｈｅｃｋ ｕｐ ｄｅｆｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，６ｎａｌｌｙ ａｉｍｉｎｇ ａｔ
Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ， ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅ， ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｒｅｆｏｒｍ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ，ｇａｖｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｅｎｄ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ
自二十多年前我国实行改革开放政策以来，紧固件制造业得到了长足的发 展，不仅产品品种和产量大幅度提升，产品质量也不断提高，据中国机械通用 零部件工业协会统计测算，２００３年我国紧固件生产企业接近７０００家，总量达 到３００万吨，占全世界产量的近百分之五十，居世界之酋，近些年的年增幅超 过１５％，紧固件进出口总额接近ｌＯ亿美元，可以说，我国已经成为紧圃件生 产大国。同时我们也必须看到，由于国内紧固件制造业发展受到各种制约，如： 发展阶段、资金投入、技术支持、市场环境等，还存在产品结构不够合理，低 档、低附加值产品比例较大，利润率过低，重复建设严重，国内扎堆竞争等问 题，防松紧固件技术和产品更是起步晚，起点低，试验手段少，还有很长的路 要走很多事要做。
学位论文作肴张各牺务 签字日期Ｍ眸；月ｂ口
学位论文版权使用授权书
本学位论立作者完全了解盒匿』：些盘堂有关保留、使用学位论文的捌定，有权保留 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阀。本人授权台 熙』些盔坐可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印威扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
凡＝口。Ｄ，目／２
（６）
式中：爿。一支承面摩擦系数；
Ｄ。一支承面摩擦扭矩的等效直径，该直径与支承面形状有关Ｉ”。
２．４松动原因分析
所谓松动是指螺栓连接全部或部分丧失轴向预紧力，是螺纹紧固件重要失 效形式之一。既然螺纹紧固件的螺纹能满足自锁条件，又有支承面摩擦力矩存 在，那么，为什么还会出现松动呢？
在静载条件下，螺栓只承受轴向载荷，由于螺纹升角的作用，拧紧螺母和 拧松螺母所需的扭矩不同，一般松动力矩为拧紧力矩的８０％左右【２１，在连接副 摩擦力作用下。在没有附加扭矩的情况下连接不会松动。变载荷、振动和冲击 是造成螺纹紧固件松动的主要因素。大部分紧固件用于有振动或有冲击的环境
松退，轴向力无论多大螺母都不会松退，而且，轴向推力越大，松退力也越大。
故螺纹自锁条件为
＾≤ｐ：或＿≤ｐ。’
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（４）
根据三角展开公式可得：
ｔｇ（＾±ｐ。’）＝（ｔｇ＾±ｔｇ Ｊ口。７）／（１干ｔｇ＾ｔｇｐ。７） 螺纹紧固件采用普通螺纹，螺纹升角在２。３０’到３。左右，堙＾≤ｔ９３。
＝Ｏ．０５２４，而金属材料的静摩擦系数一般为０．１～０．３，上式中ｔｇ／ｌｔｇｐ。’远小于ｌ， 因而可以近似得到：
ｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅａｄ ｌｏｏｓｅｎ ｔｏ ｍｏＶｅ ｗｉｔｈ ｆｒｏｍ ｌｏｃｋ ｔｅｒｍ，ａ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，
ｄｉｓｃｏｕｒｓｉｎｇ ｓｏｍｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐｒｅＶｅｎｔ ｆｒＯｍ ｌＯｏｓｅｎｅｓｓ，ｂｒｉｅｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
秀好篆 学位论文作者签名
签字日期：’，ｕ均：’月Ⅵ日
象宴☆ 导师签名
签字日期：“Ｊ年午月ｆｏ日
学位论文作者毕业后去向：卑氐Ｉ亭币魁牛ｆ，
Ｌ作单付：埠散Ｘ导＾‘迄蛄卑ｔｐ
电话 Ｄ｝‘‘８ｉ；。，。ｔ３
通讯地址：舶圣磊喙瘤龟琵铸喃掺哮邮编 ，－口６阜缸
致谢
本文是在导师朱家诚副教授和李安民研究员的悉心指导下完成的。束老师 从作者的论文选题、理论分析、实验工作、试验机改造到论文写作都给予了极 大的关心和悉心指导。李老师自本人参加工作以来的二十多年里一直是我的恩 师，在整个论文撰写过程中又给予了热心帮助，在此表示由衷的感谢。朱老师 和李老师广博的学识、开阔的视野、丰富的实践经验、严谨的治学态度以及献 身于祖国科研事业的敬业精神，都使作者受益匪浅，在此，作者表示深深的敬 意和衷心的感谢！ 在作者学习期问，老师、同学和同事们给予了热情的帮助。在此，向所有给予 关心和帮助的人表示衷心的感谢！
紧固件和被连接零件在过大的应力作用下产生塑性变形，螺栓连接中互相 接触面（如螺纹牙侧面、各支承面、被连接件相互接触面）由于表面粗糙度、 波纹度及形位误差等，造成局部塑性变形，并且这些塑性变形在使用中也可能 继续发生或发展，结果使连接的预紧力下降，进而导致连接副啮合表面正压力 减小，使自锁性能下降，在外界因素的作用下，加速松动速度。
在实际使用中，通常用一套或多套紧固件将两个或多个机器零部件连接和 紧固在一起。在使用单套紧固件的条件下，紧固件～旦失效就会出现机器零部 件解体，机器失去功能。在使用多套紧固件情况下，如有一套紧固件失效，预 紧力将由Ｎ一１套紧固件承受，则可能殃及未失效的紧固件，增加整体失效风险， 有时还会因此引起偏载，使连接承受更严峻的考验。在～些关键部位的螺栓连 接～旦出现失效，将会带来不可估量的损失。受螺纹结构原理的限制，松脱是 螺纹紧固件的主要失效形式之一，对此需要针对不同工况采取有效的防范措旌， 各种防松螺纹紧固件也就应运而生，如何评价螺纹紧固件防松措施和防松产品 的防松性能便成为长期困扰着人们的重要课题。
需要对螺栓、螺母结构做任何改动，通过保证合适的预紧力来防松。对于不同 的使用要求，通常采用的控制预紧力的方法、控制精度和相对费用如表１所示。
预紧力的测量方法 感觉（由操作者判断）
合肥工业大学 硕士学位论文 螺纹紧固件防松技术和试验方法研究 姓名：李维荣 申请学位级别：硕士 专业：机械测试 指导教师：朱家诚;李安民
20050301
螺纹紧固件防松技术和试验方法研究 摘要
本文从螺纹结构的力学分析入手，论述了螺纹的松动原因和自锁条件，例 举了部分常见的防松措施，简介了三种防松性能试验方法，最后针对紧固件横 向振动试验机进行较详细的分析，内容包括试验机的原理、结构、标准化、存 在的问题及改造情况，给出了部分软件界面和源程序。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅａｄ，ｆａｓｔｅｎｅ ｒ，ｐｒｅＶｅｎｔ ｆｒｏｍ ｌｏｏｓｅｎｅｓｓ，ｔｅｓｔｉｎｇ
合肥工业大学
本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。
答辩委员会签名：（工作单位、职称）
主席： 委员：
冯 爷Ｌ仨吲敦红
狡熬 庶ｈ。垃婚司校埂
牲吣 导师
之中，由于各零件的惯性和与其相连零件的相互作用，使螺纹副和螺母支承面 的摩擦系数急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有力的平衡关系， 使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量相对滑动。从式（５）不难看出，位移向 拧紧螺母方向比向拧松螺母方向需要克服更大的阻力，所以，向拧紧螺母方向 滑动的可能性极小，甚至是不可能的。这样多次重复出现微量相对滑动累加， 就会导致预紧力减小，最终连接松动。
螺纹结构原理的实质是斜面机构，在预紧载荷作用下产生周向分力使连接 具有松脱趋向，在连接副和支承面的摩擦作用下实现自锁而不松脱。然而，当 连接副受到外界载荷的扰动对，原来的平衡可能被打破，出现轻微的滑动，在 一次一次的扰动中，这种滑动越来越大，最终达到松脱的程度。由于螺纹紧固 件品种规格繁多，在多为专业化集中生产，按紧固件商品质量交付（甚至由多个 生产厂家供货）的条件下，为满足某一特定的使用工况下的使用要求存在实际困 难，有的相差甚远，还由于连接副承受载荷复杂多变，影响其防松性能的因素 众多，而变化无常，这都给设计使用带来很大困难。
第二章 螺纹紧固件的力学分析
２．１ 螺纹的受力 为便于分析，首先研究矩形螺纹的受力情况。将矩形螺纹沿平均直径如展
开，得到斜角等于螺纹升角＾的斜面，将螺母简化为承受轴向载荷Ｆｆ的滑块， 设Ｒ是圆周推力，它的作用方向与如的圆周相切，与拧紧（或松退）连接副 的力矩咒等效（见图ｌａ）。当此滑块静止或做等速直线运动时受三个力作用， 即轴向载荷凡、推力尽和摩擦力矗。。当滑块沿斜面等速上升（相当于拧紧螺 母）时，作用于滑块上各力平衡，力多边形封闭（见图ｌｂ）由此可得平衡方程：