【技术分享】振动环境下收口自锁螺母防松性能研究

改变螺纹接触界面摩擦系数方法：螺栓上涂抹二硫化钼润滑脂。

无二硫化钼润滑脂涂抹，高摩擦系数时，此时收口自锁螺母和普通螺母的摩擦系数均为μ=0.14

定义一个变量松动比R_F，其反映的是每个循环的轴向力下降程度。计算公式如下：

R_F=1-P_i/P₀

R_F——松动比；

P_i——第i次循环的预紧力；

P₀——初始预紧力。

图 1 松动曲线(μ=0.14， P₀=15kN)：

(a)轴向力变化曲线，(b)松动程度曲线

从图中看出，两种螺母的轴向力下降过程均可分为三个阶段，即阶段I、阶段II和阶段III。

在阶段I阶段，螺母处于快速松动状态，螺栓和螺母发生一定程度的塑性变形，轴向力急剧下降。

在阶段II阶段，螺母的松动速度明显减缓，螺栓和螺母的结构变形逐步稳定，轴向力下降的主要原因为螺纹牙表面的微动磨损。

在阶段III阶段，螺母的松动速度再次加快，螺栓开始产生裂纹且裂纹不断扩展，直至螺栓断裂，致轴向力降为零。

分析：在阶段I和阶段II阶段，收口自锁螺母和普通螺母的松动机理基本相同，都是由于螺栓和螺母的结构变形和微动磨损所致。收口自锁螺母可以有效地延长这两个阶段的持续时间，从而提高螺栓的疲劳寿命。收口自锁螺母的松动周期和轴向力下降速度均小于普通螺母，具有更好的抗松动性能。

综上所述，收口自锁螺母是一种具有优异抗松动性能的螺母，可以在横向交变载荷下保持较高的轴向力水平，延长螺栓的疲劳寿命。

采用二硫化钼润滑脂均匀的涂抹在螺栓上，降低摩擦系数，测得收口自锁螺母和普通螺母螺纹接触面的摩擦系数均在0.1。

图 2 摩擦系数μ=0.1，预紧力P₀=15kN时松动曲线：

(a)轴向力变化曲线；(b)松动程度曲

从图(a)可以看出，收口自锁螺母和普通螺母的松动过程均分为两个阶段：

在阶段I，收口自锁螺母的轴向力下降速度要略微小于普通螺母；

进入阶段II后，普通螺母的下降趋势略微减缓，但是收口自锁螺母将最终轴向力保持在2.8kN左右，并且随着循环次数的增加最终轴向力并未发生下降。将这个轴向力称为残余轴向力。

从图(b)可以看出，随着循环次数的增加，普通螺母的松动程度持续增加，在第二阶段虽有明显的减缓但是仍松动到接近100%。收口自锁螺母的松动程度在第一阶段呈线性上升，进入第二阶段以后收口自锁螺母的松动程度保持在80%并未继续松动。

在低摩擦系数时，在横向交变载荷的作用下，普通螺母很快发生旋转松动并降低到零，但收口自锁螺母会有一个残余轴向力，并不会完全松动到零。

在定扭矩的条件下，螺栓切向载荷下的疲劳寿命受很多因素影响，比如界面摩擦系数、扭矩系数等，试验所得结果具有很大的离散性，寿命分布类型并不确定。

利用数理统计的方法，对切向载荷下定扭矩（T₀=30 Nm）安装的螺栓疲劳寿命的数据进行分析处理，从而得到最终的结果。

图 3 预紧力下降曲线(P₀=15kN)：(a)普通螺母；(b)收口自锁螺母。

图3 为普通螺母和收口自锁螺母在相同轴向交变载荷下的F-N曲线。定义外部载荷为F。

两种螺母在外载荷F=12.5kN以下时，寿命均超过10⁶次。

当轴向载荷达F=15kN时，两种螺母均发生失效。

如图3(a)所示，在失效区域普通螺母寿命曲线在对数坐标下近似线性变化。

如图3(b)所示，在失效区域收口自锁螺母的寿命曲线也呈线性变化。

从寿命曲线看出，收口自锁螺母的斜率大于普通螺母。这表明收口自锁螺母的在高载荷寿命要高于普通螺母。

图 4 F=15kN时，连接结构失效形式：

（a）普通螺母（c）收口自锁螺母

普通螺母连接结构断裂的位置为螺母与螺栓连接处，收口自锁螺母连接结构发生断裂的位置在螺栓头处。

图 5 F=17.5kN时，连接结构失效形式

（b）普通螺母（d）收口自锁螺母

普通螺连接结构断裂位置发生在螺母与螺栓连接处，收口自锁螺母连接结构断裂位置为螺母与螺栓连接处。

断裂出现在螺母和螺栓连接处是因为缺口效应导致螺纹根部的应力集中，从而产生裂纹并逐渐扩展至断裂。

断裂出现在螺栓头与螺栓杆连接位置是因为横截面积的突然变化导致的应力集中。

选取最小载荷F=7.5kN以及最大载荷F=17.5kN进行松动曲线分析。

图 6 松动曲线(F=7.5kN; P₀=15kN)：

(a)松动曲线；(b)松动程度曲线

在图(a)可以看出，收口自锁螺母的防松性能明显优于普通螺母。

在经历10⁶次循环后，收口自锁螺母的预紧力几乎没有下降保持在15kN附近，而普通螺母开始略微松动，经历10⁶次循环后稳定在12.5kN附近。

从图(b)中松动程度曲线可以看出，收口自锁螺母在整个试验过程中松动程度从0上升到1.5%并维持在1.5%左右，而普通螺母的松动曲线一开始快速上升，在接近8×10⁵次循环时稳定在20.6%左右。

图 7 松动曲线(F=17.5kN; P₀=15kN)：

(a)松动曲线；(b)松动程度曲线。

在图(a)中可以看出在高载荷下两种螺母的轴向力均发生下降。

收口自锁螺母在40999次发生断裂，而普通螺母仅达到24722次。

在图(b)中，普通螺母的松动程度先快速上升到17%然后缓慢上升至23%，随后达到疲劳极限并发生断裂。收口自锁螺母松动程度先快速上升到9%然后缓慢上升至15%。随后达到疲劳极限发生断裂。

对比高载荷以及低载荷下收口自锁螺母和普通螺母的松动曲线可以得出结论：收口段可以有效延长连接结构使用寿命，并且具有良好的防松性能。寿命可以延长至约等于普通螺母的两倍，松动程度也减小到普通螺母的1/2。

通过横向振动及轴向振动下的各项试验结果，我们发现，自锁螺母不仅具有较好的防松性能，而且还可以延长连接结构的使用寿命。