对锁紧螺母的机械性能要求与普通螺母基本相同,不重复介绍,详见GB/T 3098.9。但对有效力矩型的全金属锁紧螺母应具有较高的机械性能等级。机械性能等级低的螺母容易使其非圆收口的部位在拧入螺栓时产生塑性变形,难于保证弹性锁紧的功能要求。全金属锁紧螺母的机械性能等级通常是8~12级。5级的螺母,成本较低,但其防松能力和重复使用性较差,一般只用于不重要的使用场合,并应尽量减少重复装拆的次数。
一个工作性能良好的锁紧螺母主要应具备如下4个基本条件:
a. 稳定并可靠的锁紧力矩(又称有效力矩);
b. 对螺栓公差有良好的适应性;
c. 良好的重复使用性;
d. 良好的扭-拉关系。
1) 锁紧力矩
一个防松可靠的锁紧螺母,其锁紧力矩应保持在标准规定的范围内,而且其第1次拧入最大力矩应保持最小,其多次(通常是第5次或第15次)拧出最小力矩应保持最大。第1次拧入力矩过大会造成拧入困难,降低装配效率,也会使锁紧力矩难于保持稳定,降低螺母的防松可靠性和紧固件的重复使用性。所以,第一次拧入力矩越小越好,但小到一定程度后,可能会无法保证多次拧出后的力矩达到标准规定的力矩值。螺母的多次拧出力矩是指用螺栓反复拧入拧出5次或15次后,其第5次或15次拧出时所保持的力矩值。这一力矩越大,螺母的防松能力就越高。换句话说,如果经过多次拧入拧出的螺母,其锁紧力矩仍能稳定地保持在较高的水平上,就能使螺纹连接具有较高的防松可靠性。影响锁紧力矩保持稳定的因素包括:螺母非圆收口部位的结构及尺寸(指全金属锁紧螺母)、锁紧部位的回弹性能、螺纹公差、螺纹的润滑条件等。尼龙圈锁紧螺母,由于其结构特点及尼龙材料的良好性能,在各种使用条件下其锁紧力矩一般均能保持在稳定和合理的范围内,因此,它是目前各种自锁螺母中防松可靠性最高的一种螺母。
2) 对螺栓公差的适应性
锁紧螺母与螺栓旋合时,其锁紧部位的螺纹孔与螺栓的配合是干涉配合。当螺母达到上偏差螺纹孔时(螺纹孔的平均直径最大)与下偏差螺栓(螺栓的平均直径最小)旋合时,干涉量可能很小,由干涉量所产生的锁紧力矩也可能很小;反之,螺母的下偏差螺纹孔(螺纹孔平均直径最小)与上偏差螺栓(螺栓的平均直径最大)旋合时,干涉量可能很大,由干涉量所产生的锁紧力矩可能会远远大于标准规定的第1次拧入最大力矩。一个工作性能优良的锁紧螺母,它对螺栓(螺纹)公差应具有良好的适应性。即它与高限螺栓或低限螺栓旋合时,都能获得符合标准规定的最佳锁紧力矩值。锁紧螺母对螺栓公差是否具有良好的适应性,应通过螺栓公差试验(又称永久变形试验)来进行检查。这一试验对试验螺栓的螺纹精度要求很高,相应的经济成本也很高。因此,一般用途的锁紧螺母不要求进行这一试验,而用于航空航天等重要场合的全金属锁紧螺母则必须进行这一试验。由于尼龙材料具有优良的回弹性能,所以,尼龙圈锁紧螺母对螺栓公差的适应性极佳,在一般情况下,可以不进行螺栓公差试验。凡是对螺栓公差适应性良好锁紧螺母,其重复使用性也良好。
3) 重复使用性
在国内外的许多锁紧螺母标准(包括国际标准)中,没有涉及螺母的重复使用性的内容,但一般都规定了螺母要进行5次或15次的锁紧性能试验。这是否意味着,一个螺母经过5次或15次装拆以后,便无法达到标准规定的锁紧力矩要求,就应该报废了?实际上,5次或15次锁紧试验只是一种试验方法,并非意味着螺母只能用5次或15次。在一般情况下,经过5次拧入拧出以后,锁紧力矩由较大值下降到较小值而渐趋平稳,尤其是经过15次拧入拧出以后,螺母的拧出最小力矩值会一直保持平衡不变。然而,这是否意味着锁紧螺母的反复装拆次数可以不受限制?对全金属锁紧螺母来说,螺栓多次拧入拧出螺母的非圆螺纹孔后,可能会造成金属螺纹的磨损和局部塑性变形,从而导致锁紧力矩值的不稳定,甚至会低于标准规定的拧出最小力矩值。因此,在重要使用场合,建议适当限制螺母的重复装拆次数。美国航空航天紧固件设计手册推荐全金属锁紧螺母可以重复使用约10次。尼龙圈锁紧螺母的重复使用性极佳,其拧出最小力矩甚至经过100次拧入拧出以后,仍能保持稳定不变。在使用过程中,不必限制其装拆次数。
4) 扭-拉关系
扭-拉关系是指拧紧螺纹紧固件时,所施加的扭力矩与因拧紧而在紧固系统内产生的预紧力之间的关系。预紧力又称螺栓的预拉力,轴力或紧固系统的夹紧力。螺纹紧固件紧固的可靠性在很大程度上取决于这个力。实践证明,螺纹紧固件松动失效和疲劳破坏的主要原因之一是由于没有合理的预紧力。所谓合理的预紧力,一般是指紧固件和被连接件在不会因为拧紧而产生破坏的情况下,紧固系统应具有稳定不变的足够高的预紧力。足够高的预紧力能大大降低外加的应力幅,从而增加防松和抗疲劳的可靠性。
用力矩扳手来拧紧紧固件是国内外长期以来在装配过程中普遍采用的方法,这种方法所获得的预紧力是很不精确的。在一般情况下,对于非锁紧的普通螺母,其支承面上的摩擦所造成的单位力矩损耗约占总力矩的50%,螺纹接触面上的摩擦所造成的单位力矩损耗约占总力矩的40%,而产生预紧力的扭力矩仅占总力矩的10%左右。因此,在拧紧螺母时,即使对相同的螺母施加相同的拧紧力矩,其预紧力的偏差也可能高达±25%。为安全起见,只能将螺母拧紧到较低的预紧力值,以免预紧力过大而损坏螺纹连接。与普通螺母相比,靠增大螺纹或支承面摩擦力来获得锁紧性能的锁紧螺母,其扭-拉关系的不确定性会更大。对于带齿形面的自由旋转型锁紧螺母,由于支承面摩擦状态的改变以及被连接表面的划伤,其扭-拉关系会产生非线性变化,即在施加相同的扭力矩时,所获得预紧力值的分散性会更大。对于有效力矩型锁紧螺母,其锁紧力矩的变化会影响到扭-拉关系的稳定。在一般情况下,对这种螺母所施加的扭力矩应等于对普通螺母所施加的力矩再加上锁紧力矩(见图21-4)。全金属锁紧螺母的锁紧力矩在使用过程中往往变化较大,其预紧力值的分散性也随之增大。
一个性能良好的锁紧螺母应具有良好的扭-拉关系。良好的扭-拉关系是指对于相同条件的紧固件,其扭力矩与预紧力的关系是稳定的线性关系,施加相同的扭力矩时,可获得稳定不变的预紧力。也只有良好的扭-拉关系,紧固系统才可能获得足够高的预紧力。
对于全金属锁紧螺母,提高螺纹精度,改善对螺栓公差的适应性可以稳定锁紧力矩,使其具有良好的扭-拉关系。对于尼龙圈锁紧螺母,由于其锁紧力矩很稳定,所以其扭-拉关系比全金属锁紧螺母更好。
与普通螺母一样,对锁紧螺母的螺纹及支承面进行润滑能显著改善其扭-拉关系,因为润滑能改善螺纹及支承面的摩擦状况,同时也稳定了锁紧力矩,减少摩擦对稳定预紧力的不利影响。因此,在重要场合使用的锁紧螺母,常常是带有干膜润滑层的或者在装配时添加润滑剂的螺母。
