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前言
锁紧螺母因其止动可靠性强、成本相对较低等优点而被广泛应用于各种机械连接中。
但在锁紧螺母的扭矩设计方面，目前国内外标准仅规定了首次使用时的最大有效扭矩上限。在工程实践中，锁紧螺母的扭矩设定主要基于经验设计。，没有完美的设计方案；
在使用原则上，对其复用特性有不同的理解和看法。本文以锁紧螺母为主要研究对象，分析其防松原理，提出扭矩计算及修正公式。
通过拧紧试验的验证，得到锁紧螺母的扭矩设计方案，再结合反复拧紧-振动试验和反复拧入拧出试验，得出锁紧螺母的反复使用特性。研究，并将结果用于指导锁紧螺母的扭矩设计和使用。
01
理论分析
1.1 防松原理
螺纹紧固件拧紧后，被连接件之间的预紧力减小，称为紧固件松动。紧固件松动分为非转动松动和转动松动两类。
非旋松与紧固件材料的塑性变形和被连接件的嵌入有关，而旋松主要与螺纹连接的结构因素有关。
锁紧螺母包括全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母。顶部结构经受压缩变形或插入加工。当螺栓螺纹旋入和旋出其变形部分或插入件时，螺纹或插入件会产生一个直径。轴向或轴向变形和弹性变形力法兰锁紧螺母，弹性变形干涉螺栓螺纹，产生阻止转动松动的摩擦力矩，即有效力矩。
目前普遍认为横向交变载荷比轴向载荷更容易引起螺纹连接的松动，比较了各紧固件在最恶劣工况——横向振动下的残余预载荷。
在相同初始预紧力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的普通螺母和法兰螺母，表明锁紧螺母具有更强的停止可靠性。
1.2 修正公式
锁紧螺母工作时，会产生径向变形力Fpr和轴向变形力Fpa，如图1所示。Fpr作用于螺纹的接触面，产生垂直于接触面的正压力FN，FN产生摩擦力力作用于螺栓，从而在拧紧和拧松过程中产生有效扭矩。
由于摩擦面与螺母的轴向和周向存在一定的夹角，计算比较复杂，有效扭矩由轴向力计算。由变形力产生的总轴向力记为 Fp。
上式(1)中： ——螺栓轴向截面的齿形半角。部分锁紧螺母无径向变形，则Fpr=0；同样，对于没有轴向变形的螺母，Fpa=0。
图1 锁紧螺母在径向变形力作用下的受力分析
根据螺纹受力分析，锁紧螺母旋入时的有效力矩Tp与变形力产生的总轴向力Fp的关系为：
上式(2)中： d2——螺纹的中径；——等效摩擦角；——螺纹的升角。
Fp和Tp从最初的旋入到与被连接件的接触一直在变化，没有产生轴向夹紧力。螺母与被连接件接触后，扭矩Tf与轴向夹紧力F的关系与普通螺纹紧固件相同：
Tf = KFd
上式(3)中： K——扭矩系数；d——螺纹公称直径。此时将有效转矩设定为固定值，称为等效有效转矩Tpe。整体紧固件连接结构产生的拧紧力矩T为Tf和Tpe之和，即：
T=KFd+Tpe
上式(4)为锁紧螺母扭矩-锁紧力的计算修正公式。受不同紧固件厂家加工工艺和质量一致性的影响，很难直接指定Tpe的数值。锁紧螺母的扭矩设计方案可以通过下面提供的过程获得。
02
锁紧螺母扭矩设计研究
2.1 测试条件
本节选取两种典型的锁紧螺母进行测试：10个扁平闭合自锁螺母和10个尼龙自锁螺母。该批坚果经验证合格。对于边宽为18的六角螺母，选择配套的（M12-1.25）-8.8级标准六角螺栓，共20个。
以上紧固件表面处理为Fe/Ep.Zn8.c2D（添加摩擦系数稳定剂）。使用国外公司的多功能紧固件分析系统进行测试。分析系统可以实时测量并记录连接件之间的旋转角度、轴向夹紧力F和总扭矩T。
试验按GB/T 3098.9-2010中第9.3节“有效扭矩试验”的要求进行。试验夹紧力设定为F80=42.72KN，拧紧速度为20r/min。
2.2 扭矩与锁模力的关系研究
图 2 为压扁合合自锁螺母扭矩-锁紧力曲线。图 3 显示了当一个扁平闭合的自锁螺母样品被拧紧时，总扭矩 T 与夹紧力 F 之间的关系曲线。
图2 符合式(4)假设，线性回归方程曲线在坐标系下近似，其中K、d、Tpe为固定项，F为自变量，T为因变量。在螺母与连接件接触的初始阶段，夹紧力F的值很小并且波动。
因此，选取从F=0.5kN到F=42.5kN连续记录的总扭矩T值，将对应的FT值导入SPSS软件进行线性拟合。
如图3所示，该样本得到的回归方程为T=2.041F+14.326，决定系数R2=0.997，拟合度较好。结合12的公称直径d和公式（4）可知，该样品的扭矩系数为K=0.170，等效有效扭矩Tpe=14.326Nm。
图 2 压扁合合自锁螺母扭矩-夹紧力曲线
图3 自锁螺母扭矩-夹紧力回归曲线
根据该方法，得到其余9组平合封闭自锁螺母和10组尼龙自锁螺母的扭矩-夹紧力公式，试样的扭矩系数K和等效有效扭矩Tpe分别为计算出来，将两者压在锁紧螺母上。将型式做成箱形图，如图4、图5所示。
结合图 4 和图 5 发现，压扁合合自锁螺母的扭矩系数和等效有效扭矩都比较大。说明与尼龙嵌件相比，自锁螺母压扁闭合进行变形处理时，由于受变形前毛坯的变形抗力和几何精度的影响，对加工工艺要求较高，有效的转矩控制是困难的。
图4 扭矩系数箱图
图 5 等效有效力矩箱形图
2.3 扭矩设计方案总结
在设计锁紧螺母的扭矩时，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锁紧力的关系，计算扭矩系数和等效有效扭矩，得到获得锁紧螺母的扭矩-夹紧力校正。公式，最后确定扭矩设计方案。
最后得到直径为M12的扁平闭合自锁螺母的扭矩-锁紧力关系为T=2.124F+12.811，尼龙自锁螺母的扭矩-锁紧力关系为T=2.856 F+4.592。
需要指出的是，这个公式只对第一次拧紧有效，关于锁紧螺母重复使用后拧紧力矩变化的研究见下节。
03
锁紧螺母重复使用特性研究
3.1 测试条件
本节试样取自同批次的两种螺纹紧固件，每组三组，模拟紧固件的重复使用、装卸工况，进行拧紧-振动-拧出-再拧紧。在横向振动机上进行测试。
试验频率为12.5Hz，振幅为（±1.5）mm，初始预紧力为每次拧紧时螺栓保证载荷的75%，即40KN。横向振动的其他要求按GB/T 10431-2008《紧固件的横向振动》执行试验方法，记录每次拧紧后1500次振动后紧固件剩余预紧力与初始预紧力的比值，如如图 6 所示：
图6 重复使用对紧固件防松性能的影响
综合观察图6可知，压扁自锁螺母进行（6~8）次的拧紧-振动试验时，初始预紧力下降20%以上，确定其抗- 松动性能不再可靠，建议重复使用，自锁螺母压扁次数不要超过5次；
另一方面，尼龙自锁螺母经过50次拧紧-振动试验后，残余预紧力仍然良好。与前10个拧紧-振动试验阶段相比，压扁自锁螺母的残余预紧力明显小于尼龙自锁螺母。
造成这种差异的原因是，在螺母的反复旋拧和振动过程中，有效力矩部分的材料发生应变，导致弹性变形力减小，螺纹连接更容易松动。
试验初期，有效扭矩的变化对锁紧螺母的转动和松动贡献较大，而扁平自锁螺母的等效有效扭矩值和离散度明显大于尼龙自锁螺母。 -锁紧螺母，受有效扭矩影响较大，因此压扁自锁螺母可重复使用的次数少于尼龙自锁螺母，抗松能力不如后者。
从图6(b)也可以看出，经过10次以上的重复拧紧后，尼龙自锁螺母的残余预紧力随着拧紧次数的增加而趋于增加。
原因是：锁紧螺母经过10次反复拧紧和振动试验后，其有效扭矩值变小了。此时，摩擦系数对防松性能的影响更为明显。随着反复拧紧和振动，摩擦系数变大，抗松性能更好。
3.2 重复使用对紧固件拧紧力矩影响的研究
紧固件工作的本质是保证被连接的零件之间有足够的夹紧力。锁紧螺母的反复装卸对其等效有效扭矩Tpe和扭矩系数K都有影响。从式(4)可以看出，拧紧扭矩会发生一定的变化。
本部分的试验样品取自第3章相同批次的两种螺纹紧固件法兰锁紧螺母，各3组，采用德国公司的多功能紧固件分析系统进行拧紧-拧松-重新拧紧测试。
试验按照GB/T 16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》的要求进行，试验夹紧力设定为40kN，拧紧速度为20r/min，每次拧紧至相同的夹紧力，拧紧螺母的实际扭矩。重复使用对紧固件紧固扭矩的影响如图7所示。
在反复旋进旋出锁紧螺母的初期，拧紧扭矩主要受有效扭矩减小的影响，并有一定的下降趋势。此时，如果仍使用原来的扭矩进行拧紧，则夹紧力会有所增加。力的上限是有余量的，锁紧力的增加有利于防止松动[11]，所以用相同的初始扭矩在5次以内重复拧紧自锁螺母是完全可行的;
对于尼龙自锁螺母，重复使用20次以上后，要考虑加大拧紧力矩，否则可能会导致锁紧力不足。反复（20~40）次使用时，试样所需的拧紧力矩比初始拧紧值高20Nm左右，仍能保证足够的夹紧力；
40多次后发现，三组样品所需的拧紧扭矩值偏差较大，已超过拧紧扭矩值的20%，说明部分尼龙嵌件存在内部故障，难以准确此时控制扭矩值T。锁紧力F的大小，建议尼龙自锁螺母重复使用次数不超过40次。
图 7 重复使用对紧固件拧紧扭矩的影响
3.3 复用特性总结
扁平自锁螺母的等效有效扭矩和分散度大于尼龙自锁螺母。前者受有效扭矩降低的影响很大。建议重复使用次数在5次以内。
尼龙自锁螺母重复使用40次后仍具有良好的防松性能，但重复使用20次后需要增加拧紧力矩。实际拧紧扭矩值是通过反复旋入旋出试验确定的；尼龙嵌件可能会损坏，扭矩无法再准确控制锁模力，不建议继续使用。
04
总结
后记
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