鎖緊螺母扭矩設計與重復使用特性

　　1 引言

　　有效力矩型鎖緊螺母（Prevailing Torque Nuts，后文簡稱“鎖緊螺母”）由于具有止動可靠性強、成本相對低等優點，在多種機械聯接中應用廣泛。但是，在鎖緊螺母扭矩設計方面，現行國內外標準[1-2]都僅規定其服役時第一次擰入有效扭矩最大值上限，而在工程實踐中，鎖緊螺母的扭矩設定還是以經驗設計為主，沒有形成完善的設計方案；在使用原則方面，對于其重復使用特性問題，存在不同理解和觀點。文獻[3]研究了螺紋緊固件聯接時，螺紋副間扭矩、支承面摩擦扭矩與軸向力之間的關系，得到普通螺紋緊固件扭矩設計方法。文獻[4-5]分別從松脫扭矩、摩擦系數兩個不同方面研究了重復使用鎖緊螺母對螺紋聯接可靠性的影響。國內對鎖緊螺母扭矩設計和重復使用特性方面進行全面研究的文獻較少，不同緊固件廠商產品質量存在差別，且目前研究鎖緊螺母重復使用特性的試驗方法不夠完善，需結合實際使用的螺母和更多試驗手段進行進一步研究。綜合上述原因，以鎖緊螺母為主要研究對象，分析其防松原理，提出扭矩計算修正公式，通過擰緊試驗進行驗證，得到鎖緊螺母扭矩設計方案，然后結合反復擰緊-振動試驗和反復擰入擰出試驗，研究鎖緊螺母重復使用特性，結果用于指導鎖緊螺母的扭矩設計和使用。

　　2 理論分析

　　2.1 防松原理

　　螺紋緊固件擰緊后，被聯接件之間預緊力出現下降，此現象被稱為緊固件松動。緊固件松動分為非旋轉松動和旋轉松動兩類。非旋轉松動與緊固件材料塑變、被聯接件嵌入等因素有關，旋轉松動主要與螺紋聯接的結構因素有關[6]。鎖緊螺母包括全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母，頂部結構進行收壓變形或嵌件處理，當螺栓螺紋旋入旋出其變形或嵌件部位時，螺紋或嵌件產生徑向或軸向變形及彈性變形力，彈性變形對螺栓螺紋起干涉作用，產生阻止旋轉松動的摩擦力矩，即有效力矩。目前研究普遍認為橫向交變載荷比軸向載荷更易引起螺紋聯接松動，所以緊固件防松性能對比大都參考文獻[7]試驗思路，在最惡劣工況—橫向振動下對比各緊固件的殘余預緊力大小。文獻[8]發現，在相同初始預緊力的情況下進行橫向振動試驗后，鎖緊螺母的殘余預緊力明顯高于同規格普通螺母和法蘭螺母，說明鎖緊螺母止動可靠性更強。

　　2.2 修正公式

　　設鎖緊螺母工作時，產生徑向變形力Fpr，軸向變形力Fpa，如圖1 所示。Fpr 作用在螺紋接觸面上，產生垂直于接觸面的正壓力FN，FN對螺栓產生摩擦力，從而在擰入擰出過程中出現有效力矩。由于摩擦面與螺母軸向、周向都存在一定夾角，計算較為復雜，結合文獻[3]，由軸向力計算有效力矩。變形力產生總軸向力記為Fp。

　　鎖緊螺母從初始旋入到接觸被聯接件前，Fp 和Tp 一直變化，未產生軸向夾緊力。螺母接觸被聯接件后，產生扭矩Tf和軸向夾緊力F 的關系與普通螺紋緊固件一致：Tf =KFd （3）式中：K—扭矩系數； d—螺紋公稱直徑。此時，將有效力矩設為定值，稱之為等效有效力矩Tpe，整體緊固件聯接結構產生的擰緊扭矩T 為Tf 與Tpe 之和，即：

　　T=KFd+Tpe（4）

　　式（4）即為鎖緊螺母扭矩-夾緊力計算修正公式。受不同緊固件廠商加工工藝及質量一致性影響，很難直接規定Tpe 的值?？梢酝ㄟ^下文提供的流程，得到鎖緊螺母的扭矩設計方案。

　　3 鎖緊螺母扭矩設計研究

　　3.1 試驗條件

　　本節試驗選用兩種典型鎖緊螺母：壓扁收口自鎖螺母和尼龍自鎖螺母各10 顆，螺母批次均以已驗證合格，兩種螺母均為（M12×1.25）-8 級，對邊寬為18 的六角頭螺母，選擇相配（M12×1.25）-8.8 級標準六角頭螺栓共20 顆。上述緊固件表面處理均為Fe/Ep.Zn8.c2D （添加摩擦系數穩定劑）。使用國外某公司的Analyse 多功能緊固件分析系統進行試驗。該分析系統可實時測量、記錄試驗中轉角θ、被聯接件間軸向夾緊力F 和總扭矩T。試驗按照GB/T 3098.9-2010 中第9.3 節《有效力矩試驗》要求進行，設定試驗夾緊力F80=42.72KN，擰緊速度20r/min。

　　3.2 扭矩與夾緊力關系研究

　　某壓扁收口自鎖螺母扭矩-夾緊力曲線，如圖2 所示。某一壓扁收口自鎖螺母樣件擰緊試驗時，總扭矩T 與夾緊力F 的關系曲線，如圖3 所示。圖2 符合式（4）假設，在坐標系中近似線性回歸方程曲線，其中，K、d 和Tpe 為定值項，F 視為自變量，T 為因變量。螺母接觸被聯接件初期階段，夾緊力F 值很小且存在波動變化。因此，選取F=0.5kN 至F=42.5kN 時連續記錄的總扭矩T 值，將對應F-T 值導入軟件SPSS，進行線性擬合。如圖3 所示，得到此樣件的回歸方程為T=2.041F+14.326，可決系數R2=0.997，擬合優度較好。結合公稱直徑d 為12 及式（4）可知，此樣件扭矩系數K=0.170，等效有效力矩Tpe=14.326Nm。

　　依此法獲得其余9 組壓扁收口自鎖螺母及10 組尼龍自鎖螺母的扭矩-夾緊力公式，計算出樣件的扭矩系數K 及等效有效力矩Tpe，將兩者按鎖緊螺母類型制成箱式圖，如圖4、圖5 所示。結合圖4 和圖5 發現壓扁收口自鎖螺母的扭矩系數和等效有效力矩的散差都比較大。說明相較尼龍嵌件，壓扁收口自鎖螺母進行變形處理時，由于變形前毛坯變形阻力及幾何精度的影響，其加工工藝要求高，有效力矩控制難度大。

　　3.3 扭矩設計方案總結

　　進行鎖緊螺母扭矩設計時，根據擰緊試驗數據，建立線性回歸模型，通過線性擬合確定扭矩與夾緊力的關系，計算扭矩系數和等效有效力矩，得到鎖緊螺母扭矩-夾緊力修正公式，最終確定扭矩設計方案。最終得到這批直徑為M12 的壓扁收口自鎖螺母的扭矩-夾緊力關系式為T=2.124F+12.811，尼龍自鎖螺母的扭矩-夾緊力關系式為T=2.856F+4.592。需要指出的是，此公式只適用于第一次擰緊，對鎖緊螺母重復使用后擰緊扭矩變化的研究參見下一章。

　　4 鎖緊螺母重復使用特性研究

　　4.1 重復使用對緊固件防松性能的影響研究

　　本節試驗樣件取與第二章同一批次的兩種螺紋緊固件各3組，模擬緊固件重復使用、裝卸工況，在橫向振動機上進行擰緊-振動-擰出-再擰緊試驗，試驗頻率為12.5Hz，振幅（±1.5）mm，每次擰緊時初始預緊力均為螺栓保證載荷的75%，即40KN，橫向振動其他要求按照GB/T 10431-2008《緊固件橫向振動試驗方法》執行，記錄每次擰緊后經過1500 次振動時緊固件的剩余預緊力占初始預緊力的比例，如圖6 所示。

　　綜合觀察圖6，壓扁收口自鎖螺母的擰緊-振動試驗進行到（6~8）次時，初始預緊力下降超過20%，判定其防松性能已不再可靠的，故推薦重復使用壓扁收口自鎖螺母不要超過5 次；而尼龍自鎖螺母進行50 次擰緊-振動試驗后，殘余預緊力仍保持的不錯。對比前10 次擰緊-振動試驗階段，壓扁收口自鎖螺母的殘余預緊力明顯小于尼龍自鎖螺母。產生這種差異的原因是：螺母反復擰入擰出、振動過程中，有效力矩部分的材料出現應變，導致彈性變形力減小，螺紋聯接更易發生松動。試驗前期，有效力矩變化對鎖緊螺母旋轉松動貢獻更大，而壓扁收口自鎖螺母的等效有效力矩值及散差明顯大于尼龍自鎖螺母，受有效力矩部分影響很大，所以壓扁收口自鎖螺母允許重復使用的次數小于尼龍自鎖螺母，防松能力也不如后者。通過圖6（b）還可以看出，超過10 次反復擰緊后，隨著擰緊次數的增大，尼龍自鎖螺母的殘余預緊力有變大的趨勢。原因是：鎖緊螺母進行10 次反復擰緊、振動試驗后，其有效力矩值較之前變的很小[4]，此時，摩擦系數對防松性能的影響更加明顯。隨著重復擰緊、振動的進行，摩擦系數變大[9-10]，防松性能更好。

　　4.2 重復使用對緊固件擰緊扭矩的影響研究

　　緊固件工作的本質是保證被聯接件間有足夠大的夾緊力。重復裝卸鎖緊螺母對其等效有效力矩Tpe和扭矩系數K 都存在影響，由式（4）可知，此時擰緊扭矩會出現一定變化。本節試驗樣件取與第二章同一批次的兩種螺紋緊固件各3 組，使用德國某公司的Analyse多功能緊固件分析系統進行擰緊-擰出-再擰緊試驗。試驗按照GB/T 16823.3-2010《緊固件扭矩-夾緊力試驗》要求進行，設定試驗夾緊力為40kN，擰緊速度20r/min，記錄每次擰緊到同樣夾緊力時，鎖緊螺母實際扭矩。重復使用對緊固件擰緊扭矩的影響，如圖7 所示。鎖緊螺母重復擰入擰出前期，擰緊扭矩主要受有效力矩減小的影響，有一定下降趨勢，此時若仍使用原先扭矩擰緊，夾緊力會有一定程度的增大，通常設計夾緊力上限存在余量，而夾緊力變大是有利于防松的[11]，因此使用同一初始扭矩反復擰緊壓扁收口自鎖螺母在5次以內是完全可行的；而對于尼龍自鎖螺母，重復使用超出20 次后就要考慮增大擰緊扭矩，否則可能導致夾緊力不足。反復使用（20~40）次時，樣件所需擰緊扭矩比起初次擰緊值大約增加20Nm，仍可以保證足夠夾緊力；超過40 次以后，發現3 組樣件所需擰緊扭矩值偏差極大，已超過擰緊扭矩值的20%，說明部分尼龍嵌件內部出現了失效，此時很難通過扭矩值T 較準確的控制夾緊力F 的大小，故推薦重復使用尼龍自鎖螺母不要超過40 次。

　　4.3 重復使用特性總結

　　壓扁收口自鎖螺母的等效有效力矩及散差大于尼龍自鎖螺母，前者受有效力矩減小的影響很大，建議重復使用次數在5 次以內。尼龍自鎖螺母反復使用40 次仍有較好的防松性能，但重復使用20 次后需要加大擰緊扭矩，實際擰緊扭矩值通過反復擰入擰出試驗確定；若超過40 次繼續使用，內部尼龍嵌件可能發生破壞，扭矩已不能準確控制夾緊力，不推薦繼續使用。

　　5 結論

　?。?）鎖緊螺母主要通過有效力矩部分防止旋轉松動，相較普通螺紋緊固件扭矩-夾緊力公式，鎖緊螺母需在其基礎上增加等效有效力矩一項。

　?。?）進行鎖緊螺母擰緊試驗，參照修正公式，線性擬合扭矩-夾緊力數值，計算扭矩系數和等效有效力矩，最終確定鎖緊扭矩設計方案。

　?。?）建議重復使用壓扁收口自鎖螺母不要超過5 次；而尼龍自鎖螺母可以重復使用40 次，但超過20 次后需要根據試驗適當增大擰緊扭矩值，超過40 次后則不要繼續使用。