双螺栓防松方法
【技术领域】
[0001]本专利涉及一种双螺栓防松方法，联接件上加工螺孔或制孔，锁紧螺栓和紧固螺栓的外螺纹直径不同而且旋向相反，紧固螺栓杆体的中心制孔，锁紧螺栓穿过紧固螺栓杆体的中心孔，锁紧螺栓以及紧固螺栓和螺孔或螺母、“反旋向螺母”联接，达到螺栓防松的效果O
【背景技术】
[0002]螺栓松动机理:
[0003]1、螺纹副旋合螺纹发生蠕变。根据联结副松弛蠕变试验，螺母紧固以后24小时内螺栓预紧力减少接近10%，其后损失速度变缓，螺母容易发生松动。
[0004]2、支承面压陷引起的松动。由于螺栓头部或螺母的支承面接触应力大，联接件的表面有塑性环状压陷。在使用中若塑性变形继续发生(称为支承面压陷)，螺栓伸长量(一般指弹性伸长量)和预紧力减小，螺母容易松动回转。
[0005]3、径向力是螺栓联接松动的主要原因。一些学者(特别是原西德的G.Junker)对螺栓联接分别施加径向激振力和轴向激振力做了大量的试验，结果是受轴向力作用的螺栓联接可能松动也可能不松动，但是受径向力作用的螺栓联接当径向激振力达到一定程度时肯定会松动。螺栓联接预紧后，螺母将在预紧力所产生的螺母径向扩张力的作用下处于径向扩张状态，当外界径向力传入并达到一定程度时，将破坏螺母径向扩张力的自行平衡，促使螺母径向窜动，进而使螺纹旋合处沿螺旋线切线方向的静摩擦系数减小或变为零，当量摩擦角减小或为零，松动扭矩接近于零或为负值，螺母将松动回转。
[0006]4、内螺纹和外螺纹之间间隙的影响。标准螺纹多采用单线普通螺纹，螺纹升角(1° 40'?3° 30')小于螺旋副的当量摩擦角(6.5°?10.5° )，因此联接螺纹都能满足自锁条件，在一定的预紧力作用下，一般不会松脱。但螺纹副通常是间隙配合，以M30X2细牙螺纹为例:螺栓的螺纹中径为28.701mm，螺母的螺纹中径为28.701mm，螺纹联接平均间隙值为0.1315mm,最大间隙值0.244mm。间隙配合有利于螺纹制造和安装,却影响防松效果。此外，螺纹表面的微观碎屑和微粒会夹杂在内外牙隙之间，类似固体润滑剂作用，在振动、冲击和交变载荷作用下，螺纹联接副不可避免地存在轴向和径向窜动，内外螺纹之间的摩擦阻力会出现瞬时减小甚至消失。这种现象多次重复，交互作用，最终导致联接松脱。
[0007]现用螺栓防松方法有以下几种:
[0008]1、对顶螺母防松(双螺母防松结构):两个螺母对顶拧紧后，它们之间产生一个附加的对顶力，对顶力与预紧力共同产生较大的螺母径向扩张力，且远离外界径向力，故螺母不易回转，但须注意的是必须在两螺母之间产生这个附加的顶力才能发挥防松效果。
[0009]双螺母防松结构的受力WPl=0.2P、P2 = 0.8P较为合适。其中Pl为螺杆对锁紧螺母(非支承面上的螺母称为锁紧螺母)的拉力，P2为螺杆对紧固螺母(工作支承面上的螺母称为紧固螺母)的拉力，P为螺杆的给定预紧力，所以紧固螺母应厚一些，锁紧螺母应薄一些。
[0010]2、“逆旋向双螺母”(属于对顶螺母):螺栓是由左旋和右旋两种螺旋线复合在同一段螺纹段上，既有左旋螺纹又有右旋螺纹。紧固螺母和锁紧螺母是两种不同旋向的螺母，使用时先将紧固螺母预紧，再将锁紧螺母预紧。在振动、冲击的情况下，紧固螺母有发生松动的趋势，但是由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的拧紧方向，锁紧螺母的拧紧阻止了紧固螺母的松退，导致紧固螺母无法松脱。
[0011]3、“施必牢”螺纹:施必牢螺母与标准螺母的不同在于其螺纹底径上有一 30°的锥面，外螺纹的牙顶紧紧地楔人内螺纹牙根30°锥面，产生很大的径向锁紧力，使螺母具有很强的抵抗横向振动的能力，而这种横向振动是导致螺纹松动的主要原因。
[0012]4、存储更多的弹性变形能实现防松:(I)增加螺栓的长度，螺栓加载后的弹性伸长量与预紧力和螺栓长度成正比，与螺栓的截面积成反比，螺栓的弹性伸长量愈大，防松效果愈好；(2)使用液压防松螺母，利用增加螺栓联接的预紧力，使高强度螺栓在轴向发生弹性变形并保持拉伸状态，依靠螺栓弹性变形产生的内应力将螺母压紧，以达到防松目的。
[0013]其他还有弹簧垫圈、悬置螺母、自锁螺母、纵向开槽螺母、粘合防松、冲点铆接等。
[0014]采用普通螺母时，理论分析和试验证明，旋合圈数越多，载荷分布不均的程度也越显著，到第8?10圈以后，螺纹几乎不受载荷。
[0015]制造螺栓的碳钢材料弹性模量一般为200?210 X 103Mpa。
[0016]高强度螺栓是指强度较高使机械或构件的尺寸和结构能减小或简化的螺栓，抗拉强度一般在700Mpa以上，质量稳定，但直径30mm以上的高强度螺栓在淬火处理中不易淬透，质量不稳定，在使用时应降低工作应力。使用高强度螺栓时有如下特点:
[0017]1、联接件上承受交变载荷作用产生振动，接触面要想获得较小的螺栓变形刚度，尽可能采用高强度小型的螺栓，如10.9级和8.8级(10.9级意味着抗拉强度lOOOMPa，屈服强度os是抗拉强度的90%)。
[0018]2、导致交变应力过大的原因是预紧力偏小，剩余预紧力大，因此轴向预紧力将螺栓一直加载到90%的弹性极限。或者采用螺栓的预紧力小于螺栓的材料屈服极限的80%，并尽量取较高值。屈服极限即为屈服强度OS，二者意义相同。
[0019]3、在螺栓联接中，螺栓选用变形较大的材料，而被联接件选用刚性较好的材料，这样可以使螺栓的变形线较平，而被联接件的变形线较陡，应力的幅值变小。在螺栓的强度一定的情况下，能减小螺栓中力的幅值，有助于提高螺栓寿命。
[0020]高强度螺栓连接必须采用较大的预紧力，一般预紧力为该螺栓材料屈服强度σ s的70%?81.2%。在英国SPS-安布内科横向振动试验机上测试横向振动防松效果时，发现当螺栓轴向预紧力由0.25 σ s增加到0.45 σ s时，防松效果提高13.2倍。当预紧力达到0.75σ s时防松效果还将大大提高。
[0021]螺栓预紧力的控制方法有:
[0022]1、通过拧紧力矩控制预紧力。通过扭矩扳手显示的扭矩值控制被联接件的预紧力，操作简单、直观，误差约为±25%。
[0023]2、通过螺母转角控制预紧力。螺母(或螺栓)拧紧时的旋转角度与螺栓伸长量和被拧紧件松动量的总和大致成比例关系，因而可采用按规定旋转角度达到预定预紧力的方法。在最初拧紧时，先要确定极限扭矩，把螺栓(螺母)一直拧到极限扭矩，再转过一个预定的角度。测量螺母转角最简单的是刻一条零线，按螺母的转方测量螺母转角。螺母转角的测量精度可控制在10°?15°内。一般说来，预紧力误差大约在±15%。
[0024]3、通过螺栓伸长量控制预紧力。通过螺栓的伸长量控制预紧力可以获得较高的控制精度，被广泛用作重要场合螺栓法兰连接的预紧力控制方法。若测量正确，其预紧力误差约为±5%。螺栓伸长量计算举例:
[0025]以8.8级M30X 2螺纹联接为例，当实体螺栓直径D = 30mm,螺杆有效拉伸长度L=65mm，螺母以1450Nm力矩拧紧，螺栓预紧力P = 269kN时，螺栓的伸长量AL为:
[0026]AL = PXL/(EXS) = PXL/[EX3.14X (D/2)2]
[0027]= 269 X 13 X 65 X 1(Γ3/[210 X 19 X 3.14 X (30 X 1(Γ3/2)2] = 0.118mm
[0028]其中P-实体螺栓预紧力，N
[0029]L-螺杆有效拉伸长度，m
[0030]E-螺栓材料的弹性模量(高强度螺栓取210 X 13Mpa)，N/m2
[0031]S-螺栓截面积(即螺栓杆体的横截面积)，m2
[0032]螺栓的应力σ 为:σ = P/S = 269X 13/[3.14X (30X 10_3/2)2] = 38IMpa
[0033]8.8 级螺栓屈月艮强度 σ s = 800X0.8 = 640Mpa, σ /o s = 381/640 =0.595 ^ 0.6o
[0034]若螺栓的弹性模量等保持不变，只是螺栓的有效拉伸长度或应力发生变化，弹性伸长量会跟随有效拉伸长度或应力成正比例线性变化(在螺栓材料的弹性极限内)。
[0035]4、按拧紧力矩与螺母转角关系控制预紧力。先给紧固件施以一定的力矩，然后使螺母转过一定角度，检查最后的力矩与转角是否满足应有关系，以避免预紧不足或预紧过度。这种控制方法优点是:利用拧紧力矩和螺母转角给出的信息，可精确控制螺栓预紧过程和预紧力，并能发现安装过程中可能出现的拧紧不足或拧紧过度现象，这是单独使用力矩控制还是转角控制都无法实现的。
[0036]5、采用电阻应变计测量应力的方法，主要有测力螺栓和环形垫圈两种测量方式。测力螺栓是直接替换现有螺栓，并能测量螺栓预紧力的传感器，可以精确到公斤。环形垫圈测量方式是通过在螺栓头部增加的环形垫圈传感器(称重传感器)间接测量螺帽处的压力，获得螺栓的预紧力。此外还可在螺栓的无螺纹处张贴电阻应变片，使用电阻应变计测量和控制螺栓所受拉力，预紧力误差可控制在± I %以内。
[0037]普通螺栓是指抗拉强度较低的螺栓，如3.6级和5.6级等，其预紧力受实际条件的影响各有差异，现举例说明，找出预紧力的较高值作为参考:
[0038]3.6级M16螺栓预紧力一般为20400N，应力σ为:
[0039]σ = P/S = 20.4 X 13/[3.14 X (16 X 1(Γ3/2)2] = 101.5Mpa
[0040]3.6 级螺栓屈服强度 σ s = 300X0.6 = 180Mpa, σ / σ s = 101.5/180 =0.564 ^ 0.56。
[0041]3.6级M30螺栓预紧力一般为73500N，应力σ为:
[0042]σ = P/S = 73.5 X 13/[3.14 X (30 X 1(Γ3/2)2] = 104.0Mpa
[0043]σ /σ s = 104.0/180 = 0.578 ^ 0.58
[0044]5.6级Μ16螺栓预紧力一般为34000N，应力σ为:
[0045]σ = P/S = 34 X 13/[3.14 X (16 X 1(Γ3/2)2] = 169.2Mpa
[0046]5.6 级螺栓屈服强度 σ s = 500X0.6 = 300Mpa, σ / σ s = 169.2/300 =0.564 ^ 0.56。
[0047]5.6级M30螺栓预紧力一般为122000N，应力σ为:
[0048]σ = P/S = 122 X 13/[3.14 X (30Χ 1(Γ3/2)2] = 172.7Mpa
[0049]σ /σ s = 172.7/300 = 0.576 ^ 0.58
[0050]所以普通螺栓正常预紧力或预紧应力一般不超过0.58 σ s(供本说明书计算使用)。
[0051]当普通螺栓的预紧力达到0.78 σ s时，螺栓外螺纹的沟底开始破坏，因此可把0.78 σ s作为最大预紧力或最大预紧应力的参考值。
[0052]螺栓联接在冲击载荷作用下，螺栓的应力响应随着预紧力的变化而变化，受剪螺栓的预紧应力在材料屈服极限的40%左右时，强度最大；受拉螺栓的强度会随着预紧力的增大而变薄弱；同时受剪切和拉伸作用的螺栓，预紧应力在材料屈服极限的40%左右时，强度最大。
[0053]现用螺栓发生失效大部分是因为螺纹受到过大外力挤压产生塑性变形，可以认定是拧紧力矩过大(预紧力过大)造成的。
[0054]中国专利号为CN1087848的“高强度螺母的制造方法”(1994年6月15日公布)，公布了一种高强度螺母的制造方法，主要技术方案是:冷镦机的前序设备为中频感应加热炉，生产过程是:⑴烘热；⑵镦形；⑶攻螺丝；⑷热处理。
[0055]公制螺纹分为粗牙(60° )和细牙(60° )，粗牙M30螺栓外螺纹的螺距为3.50mm，螺纹的深度为1.75mm，牙底直径(即螺纹底部的直径，简称底径)为26.50mm。
[0056]中国国家标准(GB/T923-2009) “六角盖形螺母”，适用于一侧半球形封孔结构的螺母。
[0057]中国国家标准(GB/T6171-2000) “I型六角螺母细牙”，M30X2六角螺母厚度Mmax=25.6mm，Mmin = 24.3mm。
[0058]中国国家标准(GB/T6176-2000) “2型六角螺母细牙”，M30X2六角螺母厚度Mmax=28.6mm，Mmin = 27.3mm。
[0059]中国国家标准(GB/T5785-2000) “六角头螺栓细牙”，M30X2六角螺栓头部公称高度 K = 18.7mm。
[0060]螺栓联接时都有许用安全系数，一般为1.5?2.5倍(按应力幅值计算)。
【发明内容】
[0061 ]为了克服现有螺栓联接时容易出现松动的现象，本专利解决问题所采用的技术方案是采用“双螺栓防松方法”，具体描述如下:
[0062]1、联接件同一圆心轴向中心线上加工有两个不同直径和螺纹旋向相反的螺孔，称为紧固螺孔和锁紧螺孔，紧固螺栓杆体的中心制孔，紧固螺栓和紧固螺孔进行联接，锁紧螺栓穿过紧固螺栓杆体的中心孔和锁紧螺孔联接，共同对联接件进行紧固；
[0063]2、联接件上制孔，锁紧螺母和紧固螺母的内螺纹直径不同并且旋向相反，紧固螺栓和紧固螺母联接，锁紧螺栓穿过紧固螺栓杆体的中心孔和锁紧螺母联接，共同对联接件进行紧固；
[0064]3、垫片和锁紧螺母以及紧固螺母进行焊接或做成一体成为“反旋向螺母”，“反旋向螺母”设置两组直径不同并且旋向相反的内螺纹，紧固螺栓和“反旋向螺母”联接，锁紧螺栓穿过紧固螺栓杆体的中心孔和“反旋向螺母”联接，共同对联接件进行紧固；
[0065]双螺栓防松方法的技术要点是紧固螺栓和锁紧螺栓是两个独立的螺栓，紧固螺栓和锁紧螺栓的外螺纹直径以及旋向不同，锁紧螺母和紧固螺母的内螺纹直径以及旋向不同，紧固螺栓杆体的中心孔是为装配锁紧螺栓服务，“反旋向螺母”的出现，使锁紧螺母和紧固螺母的一体化成为可能。【背景技术】中的锁紧螺母和紧固螺母一体化以后有3种情况:
[0066]1、相当于一个螺母，起不到防松的作用，例如对顶螺母(两螺母螺纹的旋向相同)；
[0067]2、使用并焊接后无法拆卸，只能一次性使用，例如“逆旋向双螺母”(两螺母螺纹的旋向相反)；
[0068]3、一体化以后无法使用，例如“逆旋向双螺母”。
[0069]锁紧螺栓和紧固螺栓可根据需要选择材质、加工工艺和适当的预紧力，由于两组反旋向螺纹具有“互锁”作用，所以螺母或螺栓不可能发生回转，达到防松的效果，还适用于要求联接件能够围绕紧固螺栓做定轴转动的场合等。
[0070]本专利的有益效果是能提高螺栓联接的可靠性，并可在较低预紧力的情况下使用，延长螺栓寿命，部分零件可采用标准件，能适用于多种场合尤其是比较重要的联接。
【附图说明】
[0071]下面结合附图对本专利作进一步说明。
[0072]图1是螺栓和联接件的结构剖面图。左联接件同一圆心的轴向中心线上加工有两个不同直径和螺纹旋向相反的螺孔，大直径螺孔称为紧固螺孔，小直径螺孔称为锁紧螺孔，右联接件制孔(钻孔或铰孔)，紧固螺栓的杆体中心制孔(通孔结构)。紧固螺栓头部形状以外六角为例，锁紧螺栓头部形状以内六角为例。紧固螺栓联接紧固螺孔对联接件进行紧固，锁紧螺栓穿过紧固螺栓杆体的中心孔和锁紧螺孔进行联接，锁紧螺栓头部压紧紧固螺栓头部。锁紧螺栓螺杆的有效拉伸长度为B，紧固螺栓螺杆的有效拉伸长度为右联接件厚度。若左联接件的厚度变小，则成为透孔结构。
[0073]图2是图1的右视图(略去联接件)。
[0074]图3是螺栓、螺母和联接件第I种结构剖面图。两联接件均为钻孔，使用紧固螺栓、锁紧螺栓、紧固螺母、锁紧螺母和平垫(垫片的一种)进行联接，紧固螺栓和紧固螺母压紧联接件，锁紧螺母通过平垫压紧紧固螺母。此种结构类似于加装了平垫的“逆旋向双螺母”。紧固螺母和锁紧螺母的形状以外六角为例。其余和图1相同。
[0075]图4是图3的左视图(略去联接件)。锁紧螺母外六角的外接圆等于紧固螺母外六角的内切圆，平垫的外径等于紧固螺母外六角的内切圆。
[0076]图5是螺栓、螺母和联接件第2种结构剖面图。平垫和锁紧螺母以及紧固螺母焊接成为一体(为防止过度变形，可沿周边点焊)。其余和图3相同。
[0077]图6是螺栓、螺母和联接件第3种结构剖面图。锁紧螺母和平垫做成一体后，和紧固螺母进行焊接。也可把紧固螺母和平垫做成一体后，和锁紧