高强度螺栓防松性能的影响因素研究

宋庆华

摘要：研究人员通过对螺纹联接拧紧力矩和松脱力矩计算模型进行分析，寻找出拧紧力矩以及松脱力矩的计算方法，其中粗牙螺栓的松脱力矩通常达到了松脱力矩的拧紧力矩的百分之八十上下，细牙类型螺栓的松脱力矩为松脱力矩拧紧力矩的百分之八十五上下。据此，对螺栓防松性能进行了简要分析，阐述了对螺栓防松性能造成影响的各种因素，希望能够对高强度螺栓防松性能影响因素的研究做出一定的贡献。

关键词：防松性能；高强度；螺栓；弹簧垫圈；头部结构；预紧力；表面处理；螺纹；松脱力矩

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.093

1引言

代表着螺纹联失去作用表现形式之一就是螺栓松动失去了效用。如果螺栓表面的材料分子出现了相互嵌入的问题、构成材料发生了蠕变的问题、预紧力较低或者摩擦系数不合标准，这些因素都会造成螺栓夹紧力不足问题；一旦螺栓在一段时间内为交变载荷的状态，或者长时间处于高温的环境中，这都会造成螺栓发生松动问题。我国汽车制造行业中，进行螺纹连接设计的过程中，工作人员通常借鉴以前的设计经验进行，没有对高强度螺栓的防松性能给予足够的重视，因此，设计人员必须加大对螺栓防松措施的研究力度，对螺栓制造、装配参数进行严格的控制，只有这样才能有效提升螺纹联接的稳定性和可靠性，增加车辆行驶过程的安全性和稳定性。

本文的主要内容是对螺栓的防松机制进行了简要分析，阐述了对螺栓防松性能造成影响的各种因素，并提出了增加螺栓防松性能的相应措施。

2对螺纹联接防松相关内容的简要分析

2.1对螺纹联接拧紧力矩以及松脱力矩计算内容的简要分析

只有螺栓具有足够的夹紧力，才能确保螺栓的使用寿命。进行装配螺栓的方法通常为扭矩法，在进行拧紧螺栓或者拧松螺栓的过程中都无法避免螺纹副间的摩擦力矩和螺母端面同被连接物品表面的摩擦力矩的影响，这里还要注意的是拧紧力矩同松脱力矩不是一个概念，这是因为拧紧螺纹时出现的螺纹附间的摩擦力矩同松脱螺纹时出现的摩擦力矩不是一个力的。

在这里首先假设拧紧螺栓通过拧紧螺栓头部的操作方式，在这种操作方式下对拧紧力矩A进行计算：

A=A1+A2

A1=Fd/2 tan（φ+ρv）

A2=1/3fF（D3 0-d3 0/D20-d20）

在上述公式中：A1代表着在进行拧紧螺栓时在螺纹副间存在的摩擦力矩；A2代表着螺栓同被连接物品表面之间的摩擦力矩，螺纹升角为φ=arctan p/πd2螺纹摩擦角为ρv=arctan f/cosβ。

根据以往的研究可以得出结论，螺栓松脱时产生的力矩通常为拧紧时产生力矩的百分之八十。将普通的六角头类型的螺栓作为本次研究的例子，假设螺栓摩擦系数为0.2，对松脱力矩同拧紧力矩比值进行计算，计算结果见表1。

对上表进行分析，粗牙螺纹紧固件松脱力矩达到了拧紧力矩的百分之八十左右，细牙螺纹紧固件松脱力矩达到了拧紧力矩的百分之八十五左右。对细牙螺栓和粗牙螺栓进行对比，选择具有一样直径的两种类型的螺栓紧固件，试验过程使用同样程度的夹紧力，结果发现细牙类型螺栓的拧紧力矩同粗牙类型的螺栓的拧紧力矩相比要低一些，而且粗牙螺栓具有更大的松脱力矩，随着夹紧力逐渐增加，这两种力矩的差值也就随之增加。高强度螺栓具有较大的扭矩，工作人员可以使用细牙螺栓来有效增强高螺栓的松脱力矩。

2.2对高强度螺栓使用过程中防松性能造成影响因素的简要分析

对摩擦力矩造成影响的因素极多，其中主要包括螺栓预紧力的大小、摩擦系数的大小、螺栓同被连接物品表面的接触外径、内径等。随着摩擦力矩不断增加，螺栓出现松动的可能性就变低，即防松性能就会得到提升。因此，在进行装配的过程中，工作人员必须对上述影响给予足够的重视。

2.2.1对高强度螺栓头部结构对防松性能造成影响的简要分析

在生产制造的过程中，使用的螺纹紧固件种类非常多，其中主要包括六角头类型的螺栓构件、六角头法兰类型的螺栓构件、六角头带平垫圈组合件类型螺栓等。螺栓头部具有不同的结构，这就就造成螺栓头部同被固定物体的接触外径也就有所不同，在使用螺栓对物品进行连接的过程中，如果螺栓头部外径有所提升，其同被固定物体的接触面积就会有所提升，进而提升螺栓的摩擦力矩。

2.2.2对弹簧垫圈对螺栓防松性能所造成影响的简要分析

在螺栓连接的过程中，弹簧垫圈会出现局部连接的问题，在这样的情况下支撑面不足，在开口部位就有可能出现压溃问题，进而导致螺栓的轴向力削减，弹簧垫圈没有足够的防松性能。除此之外，弹簧垫圈具有弹性，这种弹性作用能够对连接变形削减的轴向力做出补偿，能够起到一定的防松作用。

2.2.3对支撑面接触表面状态的简要分析

在对螺栓进行装配的时候，一旦螺栓零件同被固定的物品表面出现了贴合不合格的问题，就会对螺栓的载荷分布造成影响。除此之外，如果接触面较小就会造成局部应力集中问题，材料表面还有可能发生压溃问题，这也会对螺栓的预紧力造成非常严重的影响。螺栓同被连接物品表面摩擦系数的变化会对螺栓的摩擦力矩造成影响，螺栓表面上镀层、钝化层处理方式等因素都对摩擦系数存在影响。因此，工作人员必须对摩擦系数给予足够的重视，加大对摩擦系数的控制力度，防止摩擦系数出现问题对高强度螺栓防松性能造成影响。

3对高强螺栓防松性能造成影响的外界因素的简要分析

横向振动同轴向振动相比，横向振动对螺栓造成的影响更大，更容易使螺栓发生松动，因此，主要对横向振动进行研究。

选择规格为M10×1.25-8.8级的高强度螺栓进行研究，对螺栓和螺母进行相同的处理方式，螺栓和螺母使用的配合方式为6H/6g，总共十组螺栓、螺母。横向振动试验装置的振幅是±1毫米，横向位移测量误差控制在±1%之内，夹紧力测量误差控制在±3%之内。整个研究过程中在GB/T10431-2008下进行。

研究过程要保证螺栓能够达到实际工作条件的载荷要求，將螺栓初始预紧力控制在屈服轴向力的百分之六十左右，就能保证螺栓被拧紧。本研究总共试验了百分之五十五，百分之六十五和百分之七十五这三种预紧力，使用14.6kN，16.5kN，19.7kN的力量将分别螺栓拧紧，再对具有各种头部结构的螺栓进行研究，最终得出结果见图1、图2、图3。

4结论

综上所述，在生产的过程中必须对高强度螺栓的防松性能给予足够的重视，高强度螺栓防松性能的高低对产品的质量有着非常大的影响，因此，相关部门必须加大对高强度螺栓防松性能的研究力度。

本文首先对螺栓松动情况进行了分析，随后又通过公式计算方法对螺纹联接拧紧力矩以及松脱力矩进行了数据分析，并列取了不同规格的螺纹紧固件松脱力矩与拧紧力矩的比值。在以上基础上介绍了高强度螺栓使用的过程中可能对螺栓防松性能造成影响的各种因素，其中主要为螺栓头部结构对高强度螺栓防松性能的影响、弹簧垫圈对螺栓防松性能的影响，以及支承面接触表面状态对螺栓防松性能所造成的影响。最后分析可能对高强度螺栓防松性能造成影响的外界因素，希望能够为生产企业的生产过程做出一定的贡献。

参考文献

[1]Bhattacharya A，Sen A，Das S.螺栓在振动环境下的防松性能的分析[J].机械设计及理论，2015，45（8）：12151225.

[2]刘朝英.螺栓联接松脱分析[J].现代机械，2002，（1）：70.

[3]A.Nassar S，ElKhiamy H，C.Barber G.螺纹紧固件的支承面摩擦与螺纹摩擦的试验[J].摩擦学，2015，127（2）：10971114.endprint