螺纹连接在机械结构中的重要意义

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[摘 要] 螺纹联接，一种普遍应用于各种结构的连接方式，却常常直接影响到一个系统的可靠性与安全性。螺纹联接在长期复杂的工作环境下不可避免的出现连接状态的改变，进而引起结构功能的丧失，甚至造成巨大安全事故。因此，重视螺纹联接的问题对保证系统可靠运行有着重要的意义。

[关键词] 联接失效；联接可靠性；预紧力控制

【中图分类号】 TH12 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-4244（2014）03-196-1

一、螺纹联结失效的基本介绍

螺纹联结失效的原因包括荷载、温度、设计不当、腐蚀等。普通螺纹在拧紧时，螺栓受拉力伸长，导致螺母支撑面附近螺纹应力集中，并且螺母承受的压缩荷载也产生同样的应力集中现象，随着外荷增加，螺栓继续伸长而被联结件压缩变形减小，导致联结失效。在高温下，即使螺栓承受的应力并未超过材料的弹性极限，由于蠕变的原因奖导致螺栓承载能力随时间而降低。而当螺栓的间距、边距布置不当，如在平行于工作荷载方向布置了过多的螺栓，将造成荷载分布不均，进而发生联结失效。螺纹联接的主要失效模式是被连接件之间的相对滑移与分离，其连接状态粗略的可分为正常、切向滑动、法向分离等状态。

二、国内外研究螺纹联结可靠性的现状

国内外当前普遍应用的螺纹联接的抗松动的方式主要有四种：第一种是摩擦防松。这种方式广泛应用于各类结构。该方式是通过给螺纹副间施加一个固定的正压力，进而使其间的摩擦力足够克服螺纹副间的相对转动。该正压力是通过梓紧螺纹副来产生的，通常情况下螺纹升角小于当量摩擦角，从而起到防松的作用。并且，为了让防松性能更加可靠，通常会在螺纹副中使用弹性塾圈、双螺母、自锁螺母和尼龙嵌件锁紧螺母等。在该方式下螺纹副的拆卸也较容易实现，但是在有振动或冲击等动载荷的情况下，由松弛而稍许下降的预紧力，其下降量会随着振动次数的增加而累积，进而使螺母松动导致脱落。第二种是机械防松，该方式指直接采用止动零件来阻止螺纹副的转动。止动零件种类繁多，例如开口销、串连钢丝和止动垫圈等。由于止动件没有预紧力，螺母松退到止动位置时防松止动件才能起作用。因此，这种方式实际上不防松而是防止脱落。第三种是铆冲防松。此方式即采用冲点、燥接、粘接等手段使螺纹副的各零件粘连为一体，从而使原先的运动副彻底丧失了运动能力。显然铆冲方式有个很大的不足，即不易拆卸，只能通过破坏螺纹副才能达到拆卸的目的。第四种方式是结构防松，最为典型的代表就是唐氏防松螺纹。唐氏防松螺纹同时具备左旋螺纹和右旋螺纹的特点，联接时采用两种不同旋向的螺母。与被联接件直接接触的螺母称为紧固螺母，未与被联接件直接接触的螺母称为锁紧螺母。打紧时，先上紧紧固螺母，后上紧锁紧螺母。在动载荷的工作环境下，由于紧固螺母的松退方向就是锁紧螺母的栓紧方向，进而达到了防松效果。

三、螺纹预紧力的控制

当前控制螺纹预紧力的方法有四种，分别为螺栓伸长法、扭矩法、扭矩—转角法和屈服点法。螺栓伸长法、屈服点法这二种方法由于其工程实用性差，控制成本高，因此目前只在实验室研究中应用。扭矩-转角法则因其设备昂贵，并且应用不方便，主要应用于发动机缸盖联接等重要特殊部位。扭矩法则在工程中应用最方便、最广泛，经济性最好，但控制精度较差。目前，通过力矩控制法来控制预紧力是经济性最高的控制方法，得到大范围的应用，但在通过预紧力与预紧扭矩的关系，求取扭矩系数K值的时候，螺纹联接采用的是简化模型，认为整个螺旋副上的受力均等，这个模型有很大的局限性，因实际情况，每圈螺纹的受力情况都是不同的，从而求得的K值不准确，引起预紧后得到预紧力的离散度大，使得扭矩控制法的精度受到影响。往往在实际操作中，有很多螺纹没有达到预紧目的，对设备运行的可靠性影响很大。

施加合适的螺纹联接预紧力，不仅能提高结构的承载能力，还能改善结构的应力分布、增加结构的工作可靠性。预紧力过大，将导致结构承载能力下降，螺栓在载荷作用下会发生螺纹屈服、松脱、延迟断裂；预紧力不足，则被连接件在载荷作用下会产生间隙及松动，改变螺栓的受力状态，降低螺栓强度及疲劳强度。同时，预紧力控制不均匀，也将导致螺栓受力不均，个别螺栓超过设计载荷，导致螺栓组整体强度下降，整个机械结构、设备安装连接失效。因此，预紧力控制对机械结构显得尤为重要。

四、研究螺纹联接的意义

近年来，或许是螺纹联接的研究还没有引起大家的高度重视，由于螺纹联接出现故障引起的重大灾难层出不穷。这些血淋淋的教训提醒着我们螺纹联接在机械工程中是一个不小的安全隐患，而我们却并未正确看待这类安全隐患的存在。然而，由于螺栓在疲劳断裂前不发生明显的塑性变形，而突然发生断裂，所以造成的事故往往是严重的。俗话讲：失之毫厘，谬之千里。一个零件的损坏或者一个技术操作的失误都可能会给我们的生活带来威胁，消除这种威胁已经迫在眉睫。人们已经渐渐地意识到螺纹联接在机械工程中扮演着重要的角色，这无疑让工程机械具有更高的可靠性和安全性。另一方面，对螺纹联接的深入研究，从一定程度上促使新型产品的产生。时代需要进步，时代需要创新。我们更加需要安全性更高实用性更强的新产品，螺纹联接是我们研究的一个方向。我们有理由相信：科技会给我们一个更安全更美好的时代。

参考文献：

[1]王小锋，杨秀捷，贺一雄.非规则几何体的可靠性仿真分析[J].机电工程技术，2011，（2）.

[2]侯亚萍.螺纹联接的防松方法[J].机械工程师，2010，（5）.

[3]曾国英，赵登峰.噪声与振动控制[D].成都：西南科技大学制造学院，2009.

作者简介：张煜（1992-），男，福建三明人，西南交通大学机械工程学院，研究方向：机械设计。