導(dǎo)讀

作者：唐宗才（唐氏螺紋發(fā)明人）

摘要：在工程實(shí)踐中，我們不考慮無限多次交變載荷的作用，僅考慮試驗(yàn)規(guī)定的螺栓承受10的7次方交變載荷，答案是否定的。螺栓橫向振松實(shí)驗(yàn)一般為1500次交變載荷作用，普通螺栓一般在交變載荷100次的作用下就會(huì)發(fā)生松動(dòng)。而發(fā)生螺栓斷裂一般都是交變載荷較大的場(chǎng)合，基本上沒有螺栓能在震動(dòng)107次情況下仍舊保持緊固。也就是說，在疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)問題之前，螺栓就已經(jīng)松動(dòng)了，考慮疲勞強(qiáng)度也就沒有意義。

    在沖擊、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境下，螺栓斷裂屢見不鮮。螺栓斷裂導(dǎo)致惡性事故也時(shí)有發(fā)生。解決螺栓的斷裂問題就必須找出斷裂發(fā)生的真實(shí)原因。大部分業(yè)內(nèi)人士會(huì)從四個(gè)方面來進(jìn)行分析探究：螺栓強(qiáng)度、螺栓質(zhì)量、預(yù)緊扭矩、疲勞強(qiáng)度。但是，這些分析探究的觀點(diǎn)基本上都站不住腳 。螺栓的強(qiáng)度是螺栓安全使用的最基本因素，往往螺栓斷裂后，人們首先會(huì)擔(dān)心其強(qiáng)度是否足夠。因此，我們從螺栓的強(qiáng)度開始分析。

其一，“螺栓強(qiáng)度”觀點(diǎn)。

    正常情況下，螺栓強(qiáng)度在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)給予很高安全系數(shù)，且實(shí)際使用中很多螺栓的規(guī)格不斷加大。因此，螺栓的強(qiáng)度不僅是足夠的，而且是“超乎尋?！钡刈銐?。以140液壓錘側(cè)板螺栓為例。液壓錘自重1.8噸，側(cè)板使用8只規(guī)格M48強(qiáng)度等級(jí)10.9級(jí)的螺栓緊固，每只螺栓最小拉力載荷為150噸，全部螺栓的最小拉力載荷為1200噸，是液壓錘自身重量的666倍。螺栓強(qiáng)度的安全系數(shù)相當(dāng)高，但液壓錘側(cè)板螺栓斷裂仍時(shí)有發(fā)生。

    風(fēng)電塔筒螺栓斷裂導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組倒蹋的事故也時(shí)有發(fā)生，其塔筒由三級(jí)構(gòu)成，底層全部螺栓最小拉力載荷為12000噸，中層為9000噸，上層7000噸。應(yīng)該來說螺栓強(qiáng)度是足夠的。風(fēng)電葉片螺栓斷裂也較多見。如葉片使用56只規(guī)格M30強(qiáng)度等級(jí)10.9級(jí)螺栓緊固，每只螺栓最小拉力載荷為58噸，全部螺栓緊小拉力載荷為3200噸，螺栓斷裂肯定不是強(qiáng)度問題。

    某吊車回轉(zhuǎn)支承螺栓一次發(fā)生三只螺栓斷裂。其回轉(zhuǎn)支承一圈安裝68只規(guī)格M56強(qiáng)度等級(jí)10.9級(jí)的螺栓，每只螺栓最小拉力載荷為210噸，全部螺栓最小拉力載荷高達(dá)14000噸。因此如僅從強(qiáng)度角度來看，螺栓不應(yīng)該斷裂。

    當(dāng)然，強(qiáng)度的增加對(duì)螺栓的安全是有利的，但是問題在于螺栓的強(qiáng)度不能無限制地增加。轎車輪胎螺栓雖然也發(fā)生一些斷裂事故，但與卡車相比就顯得不那么突出了。一般轎車輪胎共使用20只規(guī)格M14或M16強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)的細(xì)牙螺栓。M14單個(gè)螺栓的最小拉力載荷為13噸，全部螺栓的最小拉力載荷為260噸。而一般轎車的重量只有1.5噸。以2噸計(jì)算的話，全部螺栓的最小拉力載荷竟是車身重量的130倍，安全系數(shù)相對(duì)較高。

    對(duì)于載重20噸的卡車而言，如果保證與轎車相同的安全系數(shù)，其螺栓規(guī)格需同比例放大三倍，即使用規(guī)格M42或M48的螺栓，這種大規(guī)格的螺栓在卡車上根本無法安裝。因此，卡車輪胎螺栓的問題便突出了。

    其二，“螺栓質(zhì)量”觀點(diǎn)。

    螺栓俗稱標(biāo)準(zhǔn)件，其加工制造是專業(yè)化和規(guī)?；?。螺栓生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的頭部鐓制、螺紋輾壓本身就是對(duì)材料的檢驗(yàn)。如果不是有意偷工減料或生產(chǎn)某個(gè)環(huán)節(jié)的忽視，正常生產(chǎn)出的螺栓是不會(huì)有質(zhì)量問題的。螺栓的主要性能指標(biāo)為強(qiáng)度和延伸率，因此，我們?cè)谏a(chǎn)時(shí)要控制好這兩個(gè)基本指標(biāo)。

    其三，“預(yù)緊扭矩”觀點(diǎn)。

    很多分析認(rèn)為，螺栓斷裂原因是因?yàn)榘惭b方法不當(dāng)，預(yù)緊扭矩不均，導(dǎo)致螺栓受力不均而斷裂。我們稍做分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種觀點(diǎn)也是站不住腳的。

    的確，即便我們使用精度較高的扭矩扳手，其預(yù)緊扭矩仍有誤差，在螺栓上產(chǎn)生的軸向拉力偏差則更大。但是，這些偏差不可能導(dǎo)致螺栓斷裂。例如假設(shè)預(yù)緊扭矩的誤差導(dǎo)致螺栓軸向預(yù)緊力偏差達(dá)±20%，預(yù)緊力按0.6倍螺栓的屈服強(qiáng)度確定。

    仍以液壓錘為例，規(guī)格M48強(qiáng)度等級(jí)10.9級(jí)的螺栓承受的拉力最小為0.6*150*0.9*(1-0.2)=64.8噸，最大為0.6*150*0.9*(1+0.2)=97.2噸，全部螺栓預(yù)緊力最小為8*64.8=518.4噸，其最小預(yù)力仍為液壓錘自身重量的518.4/1.8=288倍，全部螺栓預(yù)緊力最大為97.2*8=777.6噸，為液壓錘重量的777.6/1.8=432倍，這樣的預(yù)緊力對(duì)液壓錘來說安全系數(shù)仍然是足夠的。單個(gè)螺栓的受力為其最小拉力載荷的43%~65%，即便加上負(fù)載的變化螺栓也不會(huì)發(fā)生斷裂。

    再以風(fēng)電葉片螺栓為例，規(guī)格M30強(qiáng)度等級(jí)10.9級(jí)螺栓承受的拉力最小為0.6*58*0.9*(1-0.2)=25噸，最大為0.6*58*0.9*(1+0.2) =37噸，單個(gè)螺栓的受力仍為其最小拉力載荷的43%~65%，也不會(huì)發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

    螺栓受力非常不均才會(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂，而情況一定是螺栓的受力發(fā)生了變化，部分螺栓承受絕大部分載荷或全部載荷的情況下才會(huì)出現(xiàn)。分析螺栓斷裂的原因一定要探究螺栓承受載荷變化的原因，而這種變化和安裝時(shí)的預(yù)緊扭矩不均沒有任何關(guān)系。

    其四，“疲勞強(qiáng)度”的觀點(diǎn)。

    較多分析認(rèn)為，螺栓斷裂的原因是螺栓疲勞損壞，并且給出螺栓斷面的圖片來支撐其觀點(diǎn)。但是我們稍做分析說明也會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)觀點(diǎn)是根本站不住腳的。

    強(qiáng)度高的螺栓其疲勞強(qiáng)度也高。上述例子中，螺栓最小拉力載荷選擇已經(jīng)大得讓人無法想象，螺栓的疲勞強(qiáng)度當(dāng)然不會(huì)存在問題。雖然疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的性質(zhì)不同。但是，兩者也有一個(gè)大致的關(guān)系。對(duì)于抗拉強(qiáng)度δb<1800MPa的鋼材，疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系為δ-1=0.5δb（姚衛(wèi)星《結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析》）。以140液壓錘為例，全部側(cè)板螺栓最小拉力載荷為1200噸，最少能承受600噸疲勞載荷，是液壓錘自身重量的333倍。很明顯，螺栓不會(huì)因疲勞而斷裂。

    再以風(fēng)電葉片螺栓為例，全部螺栓最小拉力載荷為3200噸，最少能承受1600噸疲勞載荷。因此，認(rèn)為螺栓是疲勞斷裂的觀點(diǎn)根本站不住腳。疲勞強(qiáng)度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。實(shí)際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗(yàn)。一般試驗(yàn)時(shí)規(guī)定，鋼在經(jīng)受107次交變載荷作用時(shí)不產(chǎn)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。

    在工程實(shí)踐中，我們不考慮無限多次交變載荷的作用，僅考慮試驗(yàn)規(guī)定的螺栓承受10的7次方交變載荷，答案是否定的。螺栓橫向振松實(shí)驗(yàn)一般為1500次交變載荷作用，普通螺栓一般在交變載荷100次的作用下就會(huì)發(fā)生松動(dòng)。而發(fā)生螺栓斷裂一般都是交變載荷較大的場(chǎng)合，基本上沒有螺栓能在震動(dòng)107次情況下仍舊保持緊固。也就是說，在疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)問題之前，螺栓就已經(jīng)松動(dòng)了，考慮疲勞強(qiáng)度也就沒有意義。

    螺栓斷裂的前提一定是載荷超過了其自身承受的能力，而載荷的增加是因?yàn)槠渚o固狀態(tài)發(fā)生了變態(tài)，緊固狀態(tài)發(fā)生變化來源于螺紋松動(dòng)！

    螺紋松動(dòng)是螺栓斷裂的根本原因。從理論上分析：

    其一，從沖擊力的角度看。沖擊力公式為Ft=mv，即沖擊力F乘沖擊時(shí)間t等于物體質(zhì)量m乘沖擊速度v。在振動(dòng)頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動(dòng)間隙成正比。當(dāng)螺栓的松動(dòng)間隙增加時(shí)，沖擊力F同時(shí)增大。沖擊力F的增大導(dǎo)致螺栓的松動(dòng)間隙進(jìn)一步增大，而螺栓間隙的增大導(dǎo)致沖擊力F進(jìn)一步增大，直至螺栓斷裂。

    其二，從沖擊動(dòng)能的角度看。沖擊動(dòng)能E=?mv2，在振動(dòng)頻率不變的情況下，沖擊速度v與螺栓的松動(dòng)間隙成正比。當(dāng)螺栓松動(dòng)間隙增加時(shí)，沖擊動(dòng)能E呈平方次增加并且釋放在螺栓上，導(dǎo)致螺栓斷裂。顯然，如果螺栓不松動(dòng)，松動(dòng)間隙為零。沖擊力F和沖擊動(dòng)能E都為零，螺栓不會(huì)斷裂。

    螺栓因沖擊力的作用而發(fā)生斷裂，其過程也是螺栓先產(chǎn)生微裂紋，隨著沖擊力的作用、沖擊動(dòng)能的釋放，裂紋逐漸增大，直至螺栓斷裂。這種斷裂的過程和人們分析的疲勞斷裂的過程恰恰是相同的。值得一提的是氫脆問題，一些人將螺栓斷裂的原因歸結(jié)為氫脆。實(shí)際上，氫脆的產(chǎn)生只是給螺栓的斷裂提供了一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。如果沒有氫脆產(chǎn)生，螺栓松動(dòng)后，隨著沖擊力的加大，螺栓也會(huì)出現(xiàn)斷裂。既然螺栓的斷裂是因?yàn)槁菁y松動(dòng)所引起的，那么解決螺紋松動(dòng)問題就成了解決螺松斷裂問題的唯一路途。

    問題在于，普通螺紋不能解決螺栓的防松問題已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)。螺紋緊固件的大規(guī)模使用已經(jīng)幾百年了，其振松問題一直存在。人們考慮，既然螺栓的松動(dòng)是因?yàn)槁菟朔寺菁y副之間的摩擦力，那么采用增加摩擦力的方法便成了人們的首選，這就是摩擦防松方式；當(dāng)然，也可以設(shè)置機(jī)械機(jī)構(gòu)來阻止螺栓的松動(dòng)，這就是機(jī)械防松方式；人們還考慮將螺紋副直接鉚死或焊死的方法來阻止螺栓松動(dòng)，這就是鉚沖防松方式。歸根結(jié)底，人們總希望有“堵”方式來解決螺栓的防松問題。沿著“堵”的思路和軌跡，人們發(fā)明了成千上萬種辦法來解決螺栓松動(dòng)。國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局每年要受理上百件有關(guān)螺栓螺母防松方面的專利，人們不斷推陳出各種各樣的螺紋防松結(jié)構(gòu)，但是它們結(jié)構(gòu)各異、本質(zhì)雷同，造成魚目混珠，防松性能無法分辨的局面。而成千上萬種防松結(jié)構(gòu)本身恰恰證明螺栓的防松沒有解決。

    螺栓松動(dòng)“堵”不住，難道就沒有其它解決方案了嗎？

    中國(guó)文化的精髓在于相生相克，而浸潤(rùn)中華五千年文化的唐氏螺紋緊固件給出了答案。唐氏螺紋緊固件采用結(jié)構(gòu)防松方式，將右旋螺母的松退力轉(zhuǎn)化成左旋螺母的擰緊力，破解了螺紋防松的千古難題。

    唐氏螺紋在同一螺紋段兼容左右兩種旋向的螺紋，既可與左旋螺紋配合，又可與右旋螺紋配合。在連接時(shí)，使用左、右兩種不同旋向的螺母。使用時(shí)先將右旋螺母擰緊，然后再將左旋螺母擰緊。

    在振動(dòng)、沖擊的情況下，右旋螺母會(huì)發(fā)生松動(dòng)的趨勢(shì)，但由于右旋螺母的松退方向是左旋螺母的擰緊方向，左旋螺母的擰緊正好阻止了右旋螺母的松退。唐氏螺紋兼容左右旋兩種螺紋，突破了普通螺紋單旋向、等截面、全連接的螺紋概念，是一種雙旋向、變截面、非連續(xù)的螺紋。唐氏螺紋的發(fā)明是螺紋領(lǐng)域自螺紋發(fā)明以來最重大的突破。

    唐氏螺紋不再依靠摩擦力防松，也不再依靠機(jī)械機(jī)構(gòu)阻止螺紋松動(dòng)，更不是采用破壞螺紋副的方式阻止螺紋松動(dòng)。與普通螺紋的滯阻防松類型不同，它依靠螺紋自身的結(jié)構(gòu)解決螺紋的防松問題，是一種嶄新的結(jié)構(gòu)防松類型。唐氏螺紋的防松方式突破了傳統(tǒng)的普通螺紋防松方式局限，是螺紋防松領(lǐng)域的最重大突破。正是這種防松方式的突破，破解了螺紋防松的千古難題。

    正如阮中唐教授所說的，唐氏螺紋是中國(guó)人在機(jī)械基礎(chǔ)件領(lǐng)域?qū)κ澜缱龀龅奈ㄒ回暙I(xiàn)，其社會(huì)價(jià)值遠(yuǎn)超其市場(chǎng)價(jià)值。使用唐氏螺紋緊固件才能真正解決螺栓松動(dòng)問題，從而從根本上杜絕螺栓松動(dòng)。