锁紧螺母扭矩设计与重复使用特性

　　1 引言

　　有效力矩型锁紧螺母（Prevailing Torque Nuts，后文简称“锁紧螺母”）由于具有止动可靠性强、成本相对低等优点，在多种机械联接中应用广泛。但是，在锁紧螺母扭矩设计方面，现行国内外标准[1-2]都仅规定其服役时第一次拧入有效扭矩Zui大值上限，而在工程实践中，锁紧螺母的扭矩设定还是以经验设计为主，没有形成完善的设计方案；在使用原则方面，对于其重复使用特性问题，存在不同理解和观点。文献[3]研究了螺纹紧固件联接时，螺纹副间扭矩、支承面摩擦扭矩与轴向力之间的关系，得到普通螺纹紧固件扭矩设计方法。文献[4-5]分别从松脱扭矩、摩擦系数两个不同方面研究了重复使用锁紧螺母对螺纹联接可靠性的影响。国内对锁紧螺母扭矩设计和重复使用特性方面进行全面研究的文献较少，不同紧固件厂商产品质量存在差别，且目前研究锁紧螺母重复使用特性的试验方法不够完善，需结合实际使用的螺母和更多试验手段进行进一步研究。综合上述原因，以锁紧螺母为主要研究对象，分析其防松原理，提出扭矩计算修正公式，通过拧紧试验进行验证，得到锁紧螺母扭矩设计方案，然后结合反复拧紧-振动试验和反复拧入拧出试验，研究锁紧螺母重复使用特性，结果用于指导锁紧螺母的扭矩设计和使用。

　　2 理论分析

　　2.1 防松原理

　　螺纹紧固件拧紧后，被联接件之间预紧力出现下降，此现象被称为紧固件松动。紧固件松动分为非旋转松动和旋转松动两类。非旋转松动与紧固件材料塑变、被联接件嵌入等因素有关，旋转松动主要与螺纹联接的结构因素有关[6]。锁紧螺母包括全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母，顶部结构进行收压变形或嵌件处理，当螺栓螺纹旋入旋出其变形或嵌件部位时，螺纹或嵌件产生径向或轴向变形及弹性变形力，弹性变形对螺栓螺纹起干涉作用，产生阻止旋转松动的摩擦力矩，即有效力矩。目前研究普遍认为横向交变载荷比轴向载荷更易引起螺纹联接松动，所以紧固件防松性能对比大都参考文献[7]试验思路，在Zui恶劣工况—横向振动下对比各紧固件的残余预紧力大小。文献[8]发现，在相同初始预紧力的情况下进行横向振动试验后，锁紧螺母的残余预紧力明显高于同规格普通螺母和法兰螺母，说明锁紧螺母止动可靠性更强。

　　2.2 修正公式

　　设锁紧螺母工作时，产生径向变形力Fpr，轴向变形力Fpa，如图1 所示。Fpr 作用在螺纹接触面上，产生垂直于接触面的正压力FN，FN对螺栓产生摩擦力，从而在拧入拧出过程中出现有效力矩。由于摩擦面与螺母轴向、周向都存在一定夹角，计算较为复杂，结合文献[3]，由轴向力计算有效力矩。变形力产生总轴向力记为Fp。

　　锁紧螺母从初始旋入到接触被联接件前，Fp 和Tp 一直变化，未产生轴向夹紧力。螺母接触被联接件后，产生扭矩Tf和轴向夹紧力F 的关系与普通螺纹紧固件一致：Tf =KFd （3）式中：K—扭矩系数； d—螺纹公称直径。此时，将有效力矩设为定值，称之为等效有效力矩Tpe，整体紧固件联接结构产生的拧紧扭矩T 为Tf 与Tpe 之和，即：

　　T=KFd+Tpe（4）

　　式（4）即为锁紧螺母扭矩-夹紧力计算修正公式。受不同紧固件厂商加工工艺及质量一致性影响，很难直接规定Tpe 的值。可以通过下文提供的流程，得到锁紧螺母的扭矩设计方案。

　　3 锁紧螺母扭矩设计研究

　　3.1 试验条件

　　本节试验选用两种典型锁紧螺母：压扁收口自锁螺母和尼龙自锁螺母各10 颗，螺母批次均以已验证合格，两种螺母均为（M12×1.25）-8 级，对边宽为18 的六角头螺母，选择相配（M12×1.25）-8.8 级标准六角头螺栓共20 颗。上述紧固件表面处理均为Fe/Ep.Zn8.c2D （添加摩擦系数稳定剂）。使用国外某公司的Analyse 多功能紧固件分析系统进行试验。该分析系统可实时测量、记录试验中转角θ、被联接件间轴向夹紧力F 和总扭矩T。试验按照GB/T 3098.9-2010 中第9.3 节《有效力矩试验》要求进行，设定试验夹紧力F80=42.72KN，拧紧速度20r/min。

　　3.2 扭矩与夹紧力关系研究

　　某压扁收口自锁螺母扭矩-夹紧力曲线，如图2 所示。某一压扁收口自锁螺母样件拧紧试验时，总扭矩T 与夹紧力F 的关系曲线，如图3 所示。图2 符合式（4）假设，在坐标系中近似线性回归方程曲线，其中，K、d 和Tpe 为定值项，F 视为自变量，T 为因变量。螺母接触被联接件初期阶段，夹紧力F 值很小且存在波动变化。因此，选取F=0.5kN ZhiF=42.5kN 时连续记录的总扭矩T 值，将对应F-T 值导入软件SPSS，进行线性拟合。如图3 所示，得到此样件的回归方程为T=2.041F+14.326，可决系数R2=0.997，拟合优度较好。结合公称直径d 为12 及式（4）可知，此样件扭矩系数K=0.170，等效有效力矩Tpe=14.326Nm。

　　依此法获得其余9 组压扁收口自锁螺母及10 组尼龙自锁螺母的扭矩-夹紧力公式，计算出样件的扭矩系数K 及等效有效力矩Tpe，将两者按锁紧螺母类型制成箱式图，如图4、图5 所示。结合图4 和图5 发现压扁收口自锁螺母的扭矩系数和等效有效力矩的散差都比较大。说明相较尼龙嵌件，压扁收口自锁螺母进行变形处理时，由于变形前毛坯变形阻力及几何精度的影响，其加工工艺要求高，有效力矩控制难度大。

　　3.3 扭矩设计方案总结

　　进行锁紧螺母扭矩设计时，根据拧紧试验数据，建立线性回归模型，通过线性拟合确定扭矩与夹紧力的关系，计算扭矩系数和等效有效力矩，得到锁紧螺母扭矩-夹紧力修正公式，Zui终确定扭矩设计方案。Zui终得到这批直径为M12 的压扁收口自锁螺母的扭矩-夹紧力关系式为T=2.124F+12.811，尼龙自锁螺母的扭矩-夹紧力关系式为T=2.856F+4.592。需要指出的是，此公式只适用于第一次拧紧，对锁紧螺母重复使用后拧紧扭矩变化的研究参见下一章。

　　4 锁紧螺母重复使用特性研究

　　4.1 重复使用对紧固件防松性能的影响研究

　　本节试验样件取与第二章同一批次的两种螺纹紧固件各3组，模拟紧固件重复使用、装卸工况，在横向振动机上进行拧紧-振动-拧出-再拧紧试验，试验频率为12.5Hz，振幅（±1.5）mm，每次拧紧时初始预紧力均为螺栓保证载荷的75%，即40KN，横向振动其他要求按照GB/T 10431-2008《紧固件横向振动试验方法》执行，记录每次拧紧后经过1500 次振动时紧固件的剩余预紧力占初始预紧力的比例，如图6 所示。

　　综合观察图6，压扁收口自锁螺母的拧紧-振动试验进行到（6~8）次时，初始预紧力下降超过20%，判定其防松性能已不再可靠的，故推荐重复使用压扁收口自锁螺母不要超过5 次；而尼龙自锁螺母进行50 次拧紧-振动试验后，残余预紧力仍保持的不错。对比前10 次拧紧-振动试验阶段，压扁收口自锁螺母的残余预紧力明显小于尼龙自锁螺母。产生这种差异的原因是：螺母反复拧入拧出、振动过程中，有效力矩部分的材料出现应变，导致弹性变形力减小，螺纹联接更易发生松动。试验前期，有效力矩变化对锁紧螺母旋转松动贡献更大，而压扁收口自锁螺母的等效有效力矩值及散差明显大于尼龙自锁螺母，受有效力矩部分影响很大，所以压扁收口自锁螺母允许重复使用的次数小于尼龙自锁螺母，防松能力也不如后者。通过图6（b）还可以看出，超过10 次反复拧紧后，随着拧紧次数的增大，尼龙自锁螺母的残余预紧力有变大的趋势。原因是：锁紧螺母进行10 次反复拧紧、振动试验后，其有效力矩值较之前变的很小[4]，此时，摩擦系数对防松性能的影响更加明显。随着重复拧紧、振动的进行，摩擦系数变大[9-10]，防松性能更好。

　　4.2 重复使用对紧固件拧紧扭矩的影响研究

　　紧固件工作的本质是保证被联接件间有足够大的夹紧力。重复装卸锁紧螺母对其等效有效力矩Tpe和扭矩系数K 都存在影响，由式（4）可知，此时拧紧扭矩会出现一定变化。本节试验样件取与第二章同一批次的两种螺纹紧固件各3 组，使用德国某公司的Analyse多功能紧固件分析系统进行拧紧-拧出-再拧紧试验。试验按照GB/T 16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》要求进行，设定试验夹紧力为40kN，拧紧速度20r/min，记录每次拧紧到同样夹紧力时，锁紧螺母实际扭矩。重复使用对紧固件拧紧扭矩的影响，如图7 所示。锁紧螺母重复拧入拧出前期，拧紧扭矩主要受有效力矩减小的影响，有一定下降趋势，此时若仍使用原先扭矩拧紧，夹紧力会有一定程度的增大，通常设计夹紧力上限存在余量，而夹紧力变大是有利于防松的[11]，因此使用同一初始扭矩反复拧紧压扁收口自锁螺母在5次以内是完全可行的；而对于尼龙自锁螺母，重复使用超出20 次后就要考虑增大拧紧扭矩，否则可能导致夹紧力不足。反复使用（20~40）次时，样件所需拧紧扭矩比起初次拧紧值大约增加20Nm，仍可以保证足够夹紧力；超过40 次以后，发现3 组样件所需拧紧扭矩值偏差Ji大，已超过拧紧扭矩值的20%，说明部分尼龙嵌件内部出现了失效，此时很难通过扭矩值T 较准确的控制夹紧力F 的大小，故推荐重复使用尼龙自锁螺母不要超过40 次。

　　4.3 重复使用特性总结

　　压扁收口自锁螺母的等效有效力矩及散差大于尼龙自锁螺母，前者受有效力矩减小的影响很大，建议重复使用次数在5 次以内。尼龙自锁螺母反复使用40 次仍有较好的防松性能，但重复使用20 次后需要加大拧紧扭矩，实际拧紧扭矩值通过反复拧入拧出试验确定；若超过40 次继续使用，内部尼龙嵌件可能发生破坏，扭矩已不能准确控制夹紧力，不推荐继续使用。

　　5 结论

　　（1）锁紧螺母主要通过有效力矩部分防止旋转松动，相较普通螺纹紧固件扭矩-夹紧力公式，锁紧螺母需在其基础上增加等效有效力矩一项。

　　（2）进行锁紧螺母拧紧试验，参照修正公式，线性拟合扭矩-夹紧力数值，计算扭矩系数和等效有效力矩，Zui终确定锁紧扭矩设计方案。

　　（3）建议重复使用压扁收口自锁螺母不要超过5 次；而尼龙自锁螺母可以重复使用40 次，但超过20 次后需要根据试验适当增大拧紧扭矩值，超过40 次后则不要继续使用。