唐氏螺纹：从螺纹结构解决螺纹松动问题...

导读

作者：唐宗才（安徽唐氏螺纹紧固件有限公司，安徽 马鞍山 243000）

摘要：分析了关于螺纹松动机理的谬误，从螺纹结构的角度提出了螺纹松动的真正原因。对螺纹的防松方法进行了分 类，并分析了传统的普通螺纹不能防松的原因，提出了唐氏螺纹从螺纹结构解决螺松动问题的方案。

一、螺纹防松现状

    螺纹的发明可以追溯到阿基米德螺线，有几千年的历史，人类发明创造螺纹紧固件已经上千年了。而大规模地使用是从第一次工业革命开始的，也有几百年了。随着螺纹紧固件更广泛地使用，螺纹松动问题越加突显，这个问题一直没有得到根本解决。人们只能靠提高螺纹的强度和频繁的维护来维持设备的运行。

    螺纹在交变载荷的条件下容易松动，其松退的原因是克服了螺纹副之间的摩擦力，那么采用增加摩擦力的方法便成了人们的首选，这就是摩擦防松方式；当然，也可以设置止动机构来阻止螺栓的松动，这就是机械防松方式；人们还考虑将螺纹副直接铆死或焊死的方法来阻止螺栓松动，这就是铆冲防松方式。归根结底，人们总希望有“堵”方式来解决螺栓的防松问题。

    沿着“堵”的思路和轨迹，人们想出成千上万种方法来解决螺纹松动问题。据不完全统计，国家知识产权局每年要受理上百件有关螺栓螺母防松方面的专利申请。这些螺纹防松方法，虽然结构各异，但是本质相同，造成市场上螺栓防松产品鱼目混珠，防松性能无法分辨的局面。从另一个角度看，成千上万种防松方法的出现恰恰证明螺纹防松没有根本解决。

二、螺纹防松机理的谬误

    要解决螺纹的松动问题，必须搞清楚螺纹松动的机理。螺纹松动的机理是从螺母的松退力矩推导出来的。螺纹连接开始松动时，需克服螺纹副接触面上的摩擦力矩和螺母与支撑面之面的摩擦力矩。螺母的松退力矩为：

    从螺母松退力矩的公式可以看出，螺纹副是符合自锁条件的，即T大于零。但是，在冲击和交变载荷的作用下，螺纹的确发生了松动。仍然从上述公式来推断，只有两种情况下螺纹会发生松动。

    第一种情况，Q=0，即轴向力为零，此时螺纹副及螺母支撑面上的摩擦力消失，松退力矩T为零。

    第二情况，Q≠0，ρ'<ψ，即螺纹副之间在摩擦系数减小，导致tan(ρ'-ψ)为负值。此时，克服螺纹副接触面上的摩擦所需的力矩为负值，退松力矩可能为负值或零。

    于是，人们一般这样描述螺纹松动的机理：“由于在静载荷下，螺纹副满足自锁条件，连接都能保证不会松动。” [2] “但在变载、振动和冲击作用下，螺纹副的摩擦系数急剧降低，且螺纹副和螺母支承面处的摩擦阻力会瞬时消失，螺纹副不能满足自锁条件而有微量滑动，导致螺母回转。这样多次重复就会导致螺栓连接松动。”[3]显然，这种从螺纹在静载荷条件下松退力矩的公式推导螺纹在交变载荷条件下松动机理是错误的。

    首先，在很多场合下，摩擦力不会瞬间消失。对顶螺母在受交变载荷的情况下，其主螺母和副螺母与螺栓外螺纹之间的摩擦力不会同时消失；尼龙嵌件螺母在受交变载荷情况下，其螺纹副之间的摩擦力也不会消失。因此，用“摩擦力瞬间消失”的理论无法解释螺栓为什么会松动。其次，对于特定的材料而言，其摩擦系数是一定的。摩擦系数会减小也是说不通的。

三、螺纹松动的真正原因

    螺纹在静载荷条件下的退松力矩公式无法适用于在交变载荷条件下螺纹的松动。分析螺纹副松动必须螺纹副的结构特点入手。而螺纹松动也正是由于螺栓自己的结构特点所造成的。螺纹副受力时，其内螺纹和外螺纹受力是不一样的。外螺纹即螺栓上的螺纹受拉力，受力后会被拉细拉长，螺矩也会增大。而内螺纹即螺母上的螺纹受压力，受力后会被压粗压扁，螺矩会减小。由于各螺纹段受力不均，造近支撑面的螺纹段受力较大，受力大的螺纹段会发生相对转动，这种转动是向松退方向的。

图1 螺纹副受力变形示意图

    图1所示，螺纹副受力变形，螺纹副相对位置会进行调整，这种调整会从轴向和径向两个方向进行。由于螺纹升角较小，螺纹径向调整基本上与螺纹方向相同。螺纹副沿轴向调整：螺栓受力被拉长，螺母受力较大的螺纹段被压扁，且向松退方向移动。螺纹副沿径向调整：螺母受力较大的螺纹段向松退方向旋转，螺母松退。

图2 螺纹副松退过程示意图

    图2是假设螺栓外螺纹受力后不变形，单纯考虑螺母内螺纹受力变形情况下的松退过程。当螺母受力后，螺母被压扁，由于螺母的各螺纹段受力不同，其靠近支撑面部分的螺纹段受力变形较大，轴向发生向松退方向位移；同时，螺纹发生径向松退，而这种轴向松退造螺母径向松退来实现的。当外力消失后，由于螺母的轴向预紧力没有完全消失，螺母不会恢复到原来的位置，即螺母受力较大的螺纹段不会移动，整个螺母沿松退方向恢复到原来的形状。这时，螺母实现了松退。

    从以上分析可以看出，螺纹副受轴向力的作用是螺纹松动的根本原因。以上的分析是螺栓受轴向力的作用。当螺纹主要受径向力作用时，螺纹的松动必须克服螺纹轴向的摩擦力。

图3 螺纹副受轴径向力松退示意图

    如图3所示。如果没有轴向交变载荷的作用，螺纹副是不会松退的。当轴向交变载荷作用时，螺母与支撑面之间的摩擦力会减小，径向力能够克服摩擦力而导致螺母松退。因此，螺纹副受轴向交变载荷是螺栓退动的前提，轴向力没有变化的情况下，螺纹副之间仍有很大的摩擦力，径向力不会导致螺纹松退。

四、普通螺纹为什么不能防松

    从螺纹松退的机理可以看出，螺纹松退是是螺纹自身结构造成的。普通螺纹紧固件的防松方法虽然有成千上万种，并且每年都会推陈出新，其防松原理是采取“堵”的方法来迟滞或阻止螺纹的松退，我们可以称这种防松类型为滞阻防松。滞阻防松类型按其防松原理可归纳为以下三种防松方式。

    第一种是摩擦防松。就是采用增加摩擦力的方法来防止螺纹松动。摩擦力的增加可以从压紧螺纹副来获得，也可以从压紧支撐面来获得。摩擦防松不改变螺纹副的自由旋合性能，因而使用最为广泛。采用弹性垫圈、对顶螺母、偏心螺母等都是这种方式。摩擦防松不能从根本上解决螺纹的松动问题，只能迟滞螺纹的松退。分析其螺栓的松动机理：螺纹紧固件在紧固时，螺栓受拉，而螺母受压。当螺栓副受到冲击载荷作用下，螺栓和螺母受力都会加大，螺栓受力后会被拉长，而螺母受力后会被压扁，两者变形方向不一致，再加上径向力的作用，螺栓和螺母会发生相对的转动。而在冲力载荷消除后，螺栓和螺母不能恢复到原来的状态，其产生的转动不可逆转。因此，经过多次的振动后，螺栓的预紧力会逐步丧失。

    第二种是机械防松。就是设置止动机构来阻止螺纹副的松动。使用开口销、串连钢丝、止动垫圈等等都属于这种方式。机械防松方式的缺点是使用后螺栓的拆御不方便，并且所设置的止动机构能承受的载荷太小，也无法阻螺纹松动。以开口销为例，需在螺栓上打孔以安装开口销，开口销直径会比螺栓直径小得多，即便开口销的直径为螺栓直径的1/2，且与螺栓材质相同，其能承受的载荷只有螺栓的1/4，并且承受的是剪力。而金属受剪

的能力要比受拉的能力弱得多，以受剪能力为受拉能力1/3来计算，开口销的能承受剪载荷的能力只有螺栓能受拉载荷能力1/12，不能阻止螺栓的松动。串连钢丝和止动垫圈，它们的承受载荷的能力更小，更不能阻止螺栓松动。

    第三种方式是铆冲防松。即采用冲压、焊接或粘接等方法，使螺纹副失去自由旋合的特性来阻止螺纹松动。这种方法的焊缝或铆点能承受的载荷太小，同样不能阻止螺纹松动。采用焊接方法，以螺母对边尺寸是1.5倍螺栓直径计算，采用角焊的方法，其焊缝面积最大与螺栓截面相同。不考虑焊接对螺栓强度的影响，对于8.8级高强螺栓而言，一般焊条的许用应力为螺栓强度的1/2，以焊缝许用剪力为许用拉力1/3计算，焊缝所能承受的载荷仅为螺栓所能承受载荷的1/6，同样不能抵抗螺栓的冲击载荷，阻止螺栓的松动。由于焊接加热的原因，螺栓的预紧力会下降。又由于焊缝的不均匀，焊缝的强度也无法达到理想的状态。

五、螺纹损坏的真正原因是螺纹松退

    在冲击、振动等恶劣工作环境下，螺纹损坏、螺栓断裂屡见不鲜。螺栓断裂导致恶性事故也时有发生。大部分业内人士会从四个方面来进行分析探究：螺栓质量、螺栓强度、预紧扭矩、疲劳强度。但是，这些分析探究的观点基本上都站不住脚 。

    螺纹松退是螺纹损坏、螺栓断裂的根本原因。从理论上分析：

    其一，从冲击力的角度看。冲击力公式为Ft=mv，即冲击力F乘冲击时间t等于物体质量m乘冲击速度v。在振动频率不变的情况下，冲击速度v与螺栓的松动间隙成正比。当螺栓的松动间隙增加时，冲击力F同时增大。冲击力F的增大导致螺栓的松动间隙进一步增大，而螺栓间隙的增大导致冲击力F进一步增大，直至螺栓断裂。其二，从冲击动能的角度看。冲击动能E=1/2mv²，在振动频率不变的情况下，冲击速度v与螺栓的松动间隙成正比。    

    当螺栓松动间隙增加时，冲击动能E呈平方次增加并且释放在螺栓上，导致螺栓断裂。显然，如果螺栓不松动，松动间隙为零。冲击力F和冲击动能E都为零，螺纹不会损坏、螺栓不会断裂。

六、唐氏螺纹从结构上解决螺纹松动

    与滞阻防松类型不同的第二种防松类型为结构防松。既然螺纹松退是由螺纹自身的结构所造成的，那么解决螺纹松动就必须从螺纹的自身结构入手，这就是结构防松类型。唐氏螺纹正是从螺纹结构入手来解决螺纹防松问题的。

图4 普通螺纹与唐氏螺纹对比图

    唐氏螺纹已经突破了传统的普通螺纹的概念。传统的普通螺纹是单旋向、全连续、等截面的螺纹。唐氏螺纹是双旋向、非连续、变截面的螺纹。唐氏螺纹的同一螺纹段同时设有左右两种不同旋向的螺纹。唐氏螺纹既可以和左旋螺纹配合，又可以和右旋螺纹配合。[4]

图5 唐氏螺纹紧固件防松原理[5]

    在连接时，使用左、右两种不同旋向的螺母。被连接件支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁紧螺母。其中，紧固螺母与锁紧螺母的螺纹旋向相反。使用时先将紧固螺母拧紧，再将锁紧螺母拧紧。[6]

    唐氏螺纹防松突破了传统的普通螺纹的防松概念。在振动、冲击的情况下，紧固螺母会发生松动的趋势，但是，由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧正好阻止了紧固螺母的松退。[7]

图6 唐氏螺纹紧固件与普通螺纹振松对比实验[8]

    由于唐氏螺纹紧固件采用将螺母的松退力转化成拧紧力的防松方式，因此在震动和冲击载荷情况下不会松动。振松实验显示，唐氏螺纹紧固件在初始阶段和调整阶段，其预紧力有所下降，在进入运行阶段后，其预紧力不再下降。从螺纹力学的角度分析：

图7 唐氏螺纹受力分析图

    紧固螺母松退的条件是锁紧螺母必须松退，锁紧螺母松退的条件为：

    由螺母松退的条件还可以看出，螺纹的松退与轴向预紧力F无关，也与松退力矩Ft无关，当然也与螺纹副之间的摩擦力有关。可见，唐氏螺纹是依靠螺纹自身结构防松，且与轴向力F的变化无关。从螺纹受力变形的角度分析，唐氏螺纹在交变载荷的条件，螺纹副也会发生变形。但是，当外力消失后，唐氏螺纹能够恢复到原来的状态。

图8 唐氏螺纹受力变形示意图

    如图8所示，当唐氏螺纹副受力时，螺纹也会变形，由于螺纹升角较小，锁紧螺母和紧固螺母接触面摩擦力大。因此，锁紧螺母会和紧固螺母一起变形并与外螺纹有相对移动，从位置1移动到位置2。但当外力消失以后，锁紧螺母和紧固螺母会退回到原来的位置1，即螺纹副不会松退。

    唐氏螺纹的防松方式将螺纹防松从单纯依靠摩擦阻力中解放出来，对预紧力的要求大大降低。传统的普通螺纹由于依靠摩擦力来防松，影响其防松效果的因素很多。首先是螺纹的强度，这是摩擦力的决定因素；其次是轴向预紧力，而要旋加合适的预紧力又必须控制好预紧扭矩；再次，螺纹副的摩擦系数，这个因素也关系到摩擦力的大小。