螺紋前三扣受力及防松能力探討

供稿|張振祥 / ZHANG Zhen-xiang

螺紋前三扣受力及防松能力探討

Discussion on Threaded Force of the First Three Buckle and Thread Locking Capability

供稿|張振祥 / ZHANG Zhen-xiang

內(nèi)容導(dǎo)讀

工程技術(shù)人員常會(huì)發(fā)現(xiàn)，普通螺紋受力部位前端的螺紋承受的壓力大，后端的螺紋受力小或者不受力，俗稱普通螺紋的前三扣受力。這一現(xiàn)象無論是課本還是相關(guān)學(xué)術(shù)論文都很少觸及。作者認(rèn)為“普通螺紋的前三扣受力”現(xiàn)象是螺紋結(jié)構(gòu)和材料的彈塑性造成的，文章闡述的觀點(diǎn)，謹(jǐn)供相關(guān)科研人員和現(xiàn)場(chǎng)操作的技術(shù)人員討論分析。

機(jī)體外螺紋連接，螺帽在外力(扭矩)作用下將工件夾緊的過程是外力使螺帽的內(nèi)螺紋不斷擠進(jìn)螺栓的外螺紋的過程。這使得螺母受壓，螺栓受拉。

螺紋前三扣受力現(xiàn)象

螺帽在外力(扭矩)作用下將工件夾緊的狀況下，普通螺紋的軸向方向并不是全旋合長(zhǎng)度內(nèi)的螺紋都受力，而是接近工件的前三扣螺紋受力大，后面的螺紋受力小甚至不受力，這一現(xiàn)象是工程技術(shù)人員可以隨時(shí)觀察到的事實(shí)。然而，“普通螺紋前三扣受力”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因不論是課本還是學(xué)術(shù)論文中都很少觸及。前三扣受力現(xiàn)象是普通螺紋不能防松的一個(gè)重要原因。然而，經(jīng)過測(cè)試三角螺紋、鋸齒螺紋、管螺紋，甚至是MJ航空專用螺紋都會(huì)出現(xiàn)前三扣受力現(xiàn)象，筆者認(rèn)為普通螺紋前三扣受力現(xiàn)象是由螺紋結(jié)構(gòu)和所用材料造成的。

螺紋前三扣受力探因

材料性能分析

假設(shè)內(nèi)外螺紋聯(lián)結(jié)副使用的是絕對(duì)剛性材料(材料不會(huì)產(chǎn)生任何變形)。

螺帽在緊固力矩的作用下將工件夾緊，即螺母的工作面接觸到工件表面并壓緊，產(chǎn)生緊固力與反作用力。由于內(nèi)外螺紋的螺距相同，材料又是絕對(duì)剛性的，因此內(nèi)外螺紋的每一扣的間距都以相同的位移在減小。因?yàn)槁菥嘞嗤?，材料又是絕對(duì)剛性的，所以每一扣內(nèi)外螺紋都同時(shí)相互接觸同時(shí)受力，螺紋聯(lián)結(jié)副的軸力會(huì)均勻地分配給每一扣螺紋，這樣就不會(huì)有螺紋前后受力不均勻的現(xiàn)象。

實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)外螺紋聯(lián)結(jié)副使用的多為塑性材料。

緊固件聯(lián)結(jié)副所使用的材料，多數(shù)是碳鋼、不銹鋼、銅等塑性材料。從理論上說，有力的作用就會(huì)有變形。當(dāng)螺栓軸力比較小的時(shí)候，螺紋受力產(chǎn)生的變形量比較小，則每一扣螺紋受力比較均勻。光彈試驗(yàn)應(yīng)該能夠證實(shí)這一說法。在軸力比較小的時(shí)候，也相當(dāng)于這個(gè)聯(lián)結(jié)副的剛度比較大，剛度大變形自然小，全旋合長(zhǎng)度內(nèi)每一扣的變形量趨近于零，則每一扣都接觸都受力。這時(shí)受力是均勻的。

隨著軸力的增加，當(dāng)變形量不可忽略時(shí)，前兩扣螺紋受力會(huì)迅速增加，緊隨其后的螺紋受力增加緩慢，再后面的螺紋受力不但不會(huì)增大而且還會(huì)減小，并最終趨近于零。這是因?yàn)樵谳S力的作用下，第一、二扣螺紋之間的螺距發(fā)生變化：內(nèi)螺紋受壓螺距減小，實(shí)際作用螺距小于正常螺距(正常螺距是螺紋加工后的實(shí)際螺距)；外螺紋受拉螺距加大，實(shí)際作用螺距大于正常螺距。此時(shí)，如果第一、二扣螺紋的剪切變形不大，則第三扣螺紋受力將減小。這是由于第一、二扣螺距的增、減疊加之和會(huì)累加到第三扣螺紋上，第三扣及以后各扣螺紋會(huì)平移，材料還具有一定的剛性，并且平移離開的量，就是前兩扣螺距增減疊加之和，平移的這個(gè)距離也就是第一、二扣螺紋材料發(fā)生彈塑性變形的累積，使得第三扣及以后各扣螺紋接觸壓力減小了。依此類推，如果，第一、二扣螺紋的剪切變形和彈性變形大于螺距變形的累加之和，因緊固力矩的作用，則螺母會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于外螺紋平移，以后各扣內(nèi)外螺紋相互靠近，則第三扣螺紋受力加大。如果前兩扣螺紋，沒有發(fā)生剪切變形，從第三扣起，以后各扣螺紋受力逐漸減少。

螺紋螺距分析

螺紋聯(lián)結(jié)副的螺距相等，也是產(chǎn)生螺紋受力不均勻的原因之一。如果螺紋的螺距互不相等——第二扣以后的螺距減小量能夠剛好抵消前一扣及前幾扣螺距的變形量之和，則每一扣的受力將均勻一致。如此，螺母、螺栓的螺距應(yīng)該是一個(gè)變化的數(shù)列，理論上能夠避免螺紋前三扣受力的不利情況發(fā)生。然而，實(shí)際生產(chǎn)加工中這樣的螺紋將很難進(jìn)行加工。另外，螺紋的變形量也是隨著受力大小的變化而變化，不是一個(gè)定值。

螺紋牙型分析

螺紋牙型角一致也是產(chǎn)生螺紋前三扣受力的原因之一。內(nèi)外螺紋牙型角一致，使得內(nèi)外螺紋牙根處受剪切力最大(目前螺紋的破壞形勢(shì)以剪切破壞為主)。如果內(nèi)螺紋牙型頂角大于外螺紋牙型頂角(反之亦然)。則外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙根相接觸，內(nèi)螺紋牙根受剪切力，外螺紋牙根底部和內(nèi)螺紋牙頂不接觸，處于空隙狀態(tài)。此時(shí)外螺紋牙頂受懸臂力，外螺紋在懸臂力作用下產(chǎn)生的變形較大，前三扣受力現(xiàn)象將得以改善。

MJ航空專用螺紋防松性能

我國(guó)的MJ航空專用螺紋的牙型角是60°，但內(nèi)、外螺紋牙型角的極限偏差不一致，內(nèi)螺紋牙型角的極限偏差大于外螺紋牙型角的極限偏差。實(shí)際生產(chǎn)中，由于內(nèi)、外螺紋牙型角的極限偏差的存在，會(huì)有一部分螺母和螺栓配合時(shí)，外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙根相接觸，使外螺紋形成懸臂受力。能夠?qū)崿F(xiàn)這一理想狀況的螺母和螺栓不會(huì)很多，因?yàn)楹娇諏Ｓ寐菁y，它的內(nèi)外螺紋牙型角的極限偏差很接近。

以M20，螺距為2.5 mm的MJ航空專用螺紋為例，內(nèi)螺紋牙型角的極限偏差是 51′，外螺紋牙型角的極限偏差是39′。當(dāng)內(nèi)外螺紋牙型角的偏差都在39′以內(nèi)時(shí)，螺母和螺栓配合有點(diǎn)像過渡配合，此時(shí)會(huì)有3種情況：①外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙底相接觸；②象普通螺母那樣，面面接觸；③內(nèi)螺紋牙頂與外螺紋牙底相接觸。①、③兩種情況相對(duì)于普通螺紋有利于防松。因?yàn)棰?、③兩種情況的內(nèi)、外螺紋會(huì)存儲(chǔ)一些彈性勢(shì)能，相當(dāng)于增加了一個(gè)彈性墊圈。然而，由于角度偏差值很小，從而作用甚微。當(dāng)內(nèi)螺紋牙型角的極限偏差在39′至51′時(shí)，此時(shí)均為外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙底接觸，這種情況有利于螺紋防松。另外，由于(51′-39′)/2差值較小，只能說外螺紋牙有存儲(chǔ)一部分彈性勢(shì)能的趨勢(shì)，但實(shí)際作用很小。

最初制定航空專用螺紋牙型角的極限偏差標(biāo)準(zhǔn)的初衷應(yīng)該是利于螺紋防松。然而，這份標(biāo)準(zhǔn)制定的并不完美。如果外螺紋牙型角的極限偏差選擇為-39′，內(nèi)螺紋牙型角的極限偏差選擇為+51′，則防松的理念就更加明確了，防松的意義也大一些。筆者認(rèn)為，牙型角的極限偏差再大一些會(huì)更好。較大牙型角極限偏差的螺紋連接會(huì)形成外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙底相接觸的形式，即形成外螺紋懸臂受力的有利于螺紋防松的緊固形式。相對(duì)于普通螺紋來說，就相當(dāng)于增加了彈性系數(shù)很大的彈性墊圈。在外加扭矩作用下，它能夠存儲(chǔ)很大的彈性勢(shì)能，能夠補(bǔ)償、抵消較輕微震動(dòng)產(chǎn)生的松懈力。從螺紋防松的意義上說，牙型角的較大極限偏差也僅僅是具備了防松的一個(gè)條件。畢竟，螺紋防松還需要內(nèi)外螺紋之間保持足夠強(qiáng)大的徑向作用力。

新型防松螺母

筆者在變牙型防松螺母的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)了一種雙變牙型防松螺母，經(jīng)防松性能檢測(cè)，防松能力為91.4%～96.3%?？梢哉f，雙變牙型防松螺母(如圖1所示)很好地解決了螺紋前三扣受力的問題。

普通螺紋螺栓外螺紋牙頂與雙變牙型防松螺母內(nèi)螺紋牙底部接觸處，外螺紋牙頂接觸面積較小從而變形較大，因此普通螺紋螺栓與雙變牙型防松螺母全旋合長(zhǎng)度內(nèi)每一扣螺紋都將受力。

選擇4級(jí)M12雙變牙型防松螺母和普通螺母進(jìn)行扭力對(duì)比試驗(yàn)。用200 N · m級(jí)扭矩扳手，從0到60 N · m施加扭矩。普通螺母從開始顯示產(chǎn)生緊固扭矩后，再旋轉(zhuǎn)30°即達(dá)到60 N · m。雙變牙型防松螺母從開始顯示緊固扭矩后，再旋轉(zhuǎn)90°才達(dá)到60 N · m。由此計(jì)算雙變牙型防松螺母其變形量為60°/360°×1.75 mm = 0.292 mm。因此，實(shí)測(cè)雙變牙型4級(jí)M12螺母在0～60 N · m的緊固力矩作用下變形量為0.292 mm，這個(gè)變形量大于螺紋副在緊固力矩作用下螺紋牙產(chǎn)生的拉壓彈塑性變形量，從而使雙變牙型防松螺母很好地解決了防松問題。

雙變牙型防松螺母防松原理：1)外螺紋牙頂受力。外螺紋在外力的作用下產(chǎn)生了彈性變形，從而儲(chǔ)存了比較強(qiáng)大彈性勢(shì)能，猶如在螺紋連接副中增加了彈性系數(shù)很大的彈簧墊圈這樣就能夠抵消螺母與螺栓在震動(dòng)中產(chǎn)生的松懈力。2)雙變牙型防松螺紋全旋合長(zhǎng)度內(nèi)每一扣螺紋均受力，而且受力比較均勻，避免了螺紋前三扣受力現(xiàn)象的產(chǎn)生。3)防松斜面在內(nèi)外螺紋之間產(chǎn)生了很大的徑向力，使內(nèi)外螺紋之間不能發(fā)生任何方向的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)。

雙變牙型防松螺母還通過了航天部門的防松性能檢測(cè)：在0.75倍最大扭矩下高頻震動(dòng)3萬次不出現(xiàn)松動(dòng)者為合格。雙變牙型防松螺母還在0.6倍、0.5倍最大扭矩下高頻震動(dòng)3萬次沒有出現(xiàn)松動(dòng)。

圖1 雙變牙型防松螺母與普通螺栓的配合狀態(tài)圖

圖2 防松性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

變牙型、雙變牙型屬于結(jié)構(gòu)防松，只改變了螺紋牙型，適合于普通外螺紋。螺母所用材質(zhì)同普通國(guó)標(biāo)螺母一樣。雙變牙型防松螺母防松系數(shù)高，抗震防松性能強(qiáng)，防松性能可靠，可重復(fù)使用。雙變牙型防松螺紋不受溫度變化及環(huán)境酸堿度的影響，應(yīng)用環(huán)境范圍廣泛。雙變牙型防松螺母尺寸規(guī)格與國(guó)標(biāo)螺母一樣，和標(biāo)準(zhǔn)的外螺紋匹配無需任何輔助鎖緊元件(如彈簧墊圈止動(dòng)墊片等)，安裝沒有方向性，安裝拆卸所用工具也與國(guó)標(biāo)螺母一樣。雙變牙型防松螺母適合所有國(guó)標(biāo)螺母及特殊的外形要求。

張振祥，男，1982年畢業(yè)于齊齊哈爾鐵路工程學(xué)校，在鐵道部北京工程機(jī)械廠技術(shù)科工作，參與試制鐵路貨場(chǎng)用小型緩沖器、鐵路貨車用ST系列閘調(diào)器等。1987年—1992年在清華夜大機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)習(xí)。1992年—2000年在鐵道部北京工程機(jī)械廠鋼結(jié)構(gòu)車間任助理工程師、工程師，負(fù)責(zé)鋼結(jié)構(gòu)工藝安排。2000年調(diào)入鐵道部駐廠驗(yàn)收室，從事鐵路產(chǎn)驗(yàn)收工作。

鐵道部駐北京(南口)機(jī)車車輛驗(yàn)收室，北京 102202

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.12