螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化與防松應(yīng)用研究

李作霖，曾 忠

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

螺紋聯(lián)接作為目前應(yīng)用最廣泛的一種聯(lián)接方式，普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中。聯(lián)接中，具有較高的牢固可靠性尤其重要。因標(biāo)準(zhǔn)普通螺紋聯(lián)接具有自鎖性，所以在常溫及載荷變化不大時(shí)，具有較高的聯(lián)接可靠性，不會(huì)自行脫落。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷的狀況下，或者工作溫度變化很大時(shí),螺旋副之間的摩擦阻力極不穩(wěn)定,常常在某一瞬間急劇減小甚至消失,失去自鎖能力,螺旋副之間出現(xiàn)相對(duì)滑移轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。久而久之，導(dǎo)致螺紋聯(lián)接件的松脫。這種松脫會(huì)導(dǎo)致部件或整臺(tái)設(shè)備的損壞、解體,甚至釀成重大的機(jī)械事故或人身事故。

進(jìn)一步試驗(yàn)表明，之所以普通螺紋會(huì)不同程度的松脫，是因?yàn)椋浩胀菁y聯(lián)接當(dāng)預(yù)緊力矩較小時(shí),其鎖緊力主要集中在旋合的第一牙的螺紋面上,隨后各牙螺紋的旋合幾乎都處在“浮游”狀態(tài),隨著旋緊力矩的增大以及伴隨而來(lái)的第一牙螺紋的變形,才使第二牙承受載荷并產(chǎn)生鎖緊力。普通螺紋聯(lián)接,載荷的80%以上總是由第一、二牙承擔(dān)的,其余各牙幾乎都處在“浮游”狀態(tài),這種狀態(tài)在振動(dòng)、沖擊作用下,極易使螺旋副之間出現(xiàn)相對(duì)滑移轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

為了防止螺紋聯(lián)接件的松脫，各國(guó)的工程技術(shù)的人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，采用雙螺母、尼龍嵌入件、銷(xiāo)釘、鎖片、力矩緊鎖螺母等磨擦防松、機(jī)械防松，以及最終破壞螺旋副運(yùn)動(dòng)關(guān)系的防松方法。雖然這些方法在一定程度上延長(zhǎng)了螺紋聯(lián)接件的松脫時(shí)間，但其不同的缺點(diǎn)暴露無(wú)遺，如：需增加輔助材料，造成資源浪費(fèi)，工藝復(fù)雜，鎖緊功能只有一次有效，不能重復(fù)使用，即便是可以重復(fù)使用的力矩鎖緊螺母，也是有拆裝次數(shù)的限制，在反復(fù)拆裝后防松性能下降較大，特別是不能在高溫下或低溫環(huán)境下正常使用。

尋找一種更優(yōu)的方法來(lái)防止螺紋聯(lián)接件的松脫，是當(dāng)前社會(huì)值得大家研究的一個(gè)課題。

楔形自鎖螺紋的出現(xiàn)，讓這個(gè)課題有了一個(gè)明確的方向。試問(wèn)，能否改變螺紋形狀來(lái)達(dá)到聯(lián)接件的防松效果呢？

1 國(guó)內(nèi)外研究狀況

1977年，美國(guó)人Horace D. Holmes 首先提出一項(xiàng)依靠改變螺紋幾何形狀來(lái)達(dá)到螺紋防松的技術(shù)——楔形防松螺紋技術(shù)。1995年，美國(guó)施必牢公司參加中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)，開(kāi)始在中國(guó)推廣楔形抗振螺紋技術(shù)。2000年，美國(guó)公司產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)鐵道行業(yè)。90年代初，上海鐵道學(xué)院軌道所開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)，并進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。它引導(dǎo)中國(guó)鐵道行業(yè)開(kāi)始使用楔形防松螺紋技術(shù)。2002年，鐵道部北京昌平機(jī)車(chē)車(chē)輛廠特沃力防松技術(shù)公司從美國(guó)特威力工具公司引入防松螺紋技術(shù)，也加入生產(chǎn)楔形抗振防松螺紋行列[2]。

近兩年，中國(guó)某些汽車(chē)骨干生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始試用楔形防松螺紋，航天和航空集團(tuán)也在積極準(zhǔn)備試用這種螺紋。

2 楔形螺紋防松原理

之所以楔形螺紋具有比普通螺紋更強(qiáng)的防松能力，歸功于楔形螺紋的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，楔形螺紋的牙型不再是普通的三角形，而是在內(nèi)螺紋的牙底有一個(gè)30o的楔形斜面，當(dāng)兩螺紋緊固件相互配合時(shí)，外螺紋的牙尖緊緊的頂在內(nèi)螺紋的楔形斜面上，因楔形螺紋牙形的改變，使得接觸點(diǎn)的法向力也發(fā)生改變。由圖2和圖3可知，在相同的軸向載荷條件下（F相同）：

即：契形螺紋的法向力大于普通螺紋法向力。又由摩擦力公式：

式中，u為摩擦力系數(shù)Fn為法向壓力。

可知，在u相同的條件下，F(xiàn)n越大，摩擦力也越大。

因此可以得出：契形螺紋接觸的法向力比普通螺紋接觸的法向力大的多，因而產(chǎn)生的摩擦力也大的多，從而達(dá)到防松效果。

圖1 楔形螺紋基本牙型結(jié)構(gòu)圖

另外，根據(jù)普通螺紋及楔形螺紋各牙形的受力情況（如圖4、圖5所示）可知：普通螺紋在兩螺紋緊固件相互連接時(shí)，第一個(gè)牙及第二個(gè)牙承受了總應(yīng)力的80%，而其余牙一直處于“漂浮”狀態(tài)，承擔(dān)著很少的力，當(dāng)外力增大時(shí)，應(yīng)力一個(gè)個(gè)牙的傳下去，造成牙面依次磨損，導(dǎo)致滑牙[3]。如果再加上強(qiáng)烈的振動(dòng)，螺紋緊固件就很容易克服鎖緊力而導(dǎo)致自行的松脫。而楔形螺紋因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，每牙承受的載荷都比較均勻，同樣負(fù)載能分散到各點(diǎn)各面，消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長(zhǎng)了螺紋緊固件的壽命。

圖2 普通螺紋接觸面的法向受力圖

圖3 楔形螺紋接觸面的法向受力圖

圖4 普通螺紋緊固件各牙受力分布圖

圖5 楔形螺紋緊固件各牙受力分布圖

3 防松性能對(duì)比分析試驗(yàn)

分別用型號(hào)為M10的普通螺母及上海底特精密緊固件有限公司生產(chǎn)的“施必牢2型六角自鎖防脫螺母”與同一型號(hào)的螺栓配合，在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)下進(jìn)行防松性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：在振動(dòng)頻率f=30.5Hz，預(yù)緊力同為18Nm時(shí)，普通螺母14min后，自行松脫，失去了聯(lián)接緊固作用；而“施必牢2型六角自鎖防脫螺母”卻一直未脫落，直到180min后，才出現(xiàn)松脫。通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)證明：楔形螺紋的防松性能要比普通螺紋的好，在生產(chǎn)中使用楔形螺紋緊固件要比使用普通螺紋緊固件更安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

楔形防松螺紋技術(shù)的出現(xiàn)，為克服螺紋緊固件的自行松脫問(wèn)題提出了新思想。楔形防松螺紋技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，使我們清醒的認(rèn)識(shí)到，螺紋防松不僅僅只有使用墊圈、雙螺母等普通方法，而是還有一種更有效，更環(huán)保的只需改變螺紋形狀的防松方法。

無(wú)論是在內(nèi)螺紋或外螺紋的防松研究上，我國(guó)都已經(jīng)具有一定的水平，但是要想把研究上升到制定全國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)及廣泛的應(yīng)用卻還需走一段艱難的路程。尤其是對(duì)內(nèi)螺紋牙底的角度等參數(shù)的設(shè)計(jì)，以后各參數(shù)間的關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究。相信在不久的將來(lái)，我國(guó)防松螺紋的研究會(huì)得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，防松螺紋的應(yīng)用會(huì)發(fā)揮更大的作用。

[1] 崔東印,汪人和,王可法.螺紋聯(lián)接的防松和楔緊自鎖螺紋[J].測(cè)試與設(shè)備,1998.

[2] 徐阿玲,竇志偉.防松螺紋技術(shù)的應(yīng)用研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2009.

[3] 張力.美國(guó)施必牢Spiralock防松螺母[J].城市軌道交通研究,2005(5).

[4] 李曉濱.螺紋及其聯(lián)結(jié)[M].中國(guó)計(jì)劃出版社,2004.

[5] 孫峰,唐宗才.唐氏螺紋的防松原理及效果[J].機(jī)械工程師,2002.

[6] 李貴軒,李建輝.螺紋聯(lián)接的松動(dòng)分析與防松措施[J].煤礦機(jī)械,2003.