利用滾柱機(jī)構(gòu)的永不松動(dòng)螺母的研究

段承鑫+金瑩+宋振熙+崔建鵬

摘 要：本研究是通過在螺母和螺栓兩接觸界面之間增加滾柱機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)螺母防松抗振目的，其基本結(jié)構(gòu)是在螺母上增加滾柱槽道，在槽道內(nèi)設(shè)置滾柱和彈簧壓片，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形和普通螺母相似、制造方便且裝卸靈活。

關(guān)鍵詞：滾柱機(jī)構(gòu)；防松；抗振；螺母

1 研究背景

一般的螺母在使用過程中，由于振動(dòng)等其它原因會(huì)自行松脫，而且在當(dāng)前機(jī)械設(shè)備的事故中，有80%以上的事故是由于緊固件的松動(dòng)而造成的。為了減少此類事故的發(fā)生，自鎖螺母應(yīng)運(yùn)而生。

自鎖螺母主要應(yīng)用在大型機(jī)械及高振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域，能夠在一定范圍內(nèi)克服普通螺母在服役條件下易松動(dòng)的缺點(diǎn)（不存在完全不松動(dòng)的螺母，僅僅是在鎖定能力上有差別）。目前已經(jīng)出現(xiàn)并投入生產(chǎn)的自鎖螺母已有10多種，其中國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的有3種，分別是：鋸齒式、偏心軸式（日本Hard Lock公司出品）、Spiralock式。通盤考察這10多種自鎖螺母，一般能提升自鎖能力約2-3倍，但是卻有如下缺點(diǎn)：

鋸齒式、緊環(huán)式、非圓螺廓式、卡圈式、雙金屬式、彈性變形式等自鎖螺母在振動(dòng)作用下，螺栓與螺母之間、以及螺母外面與工件之間產(chǎn)生金屬的塑性變形，使外螺紋之間松動(dòng)或使咬合面脫離；已有的自鎖螺母加工精度要求高，生產(chǎn)成本過大，如我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組（EMU）主要應(yīng)用的Hard Lock偏心軸自鎖螺母，其生產(chǎn)時(shí)所需要的精度遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)成本；Pilgrim式螺母需要在螺母內(nèi)部安裝液壓操控裝置，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜；Spiralock式螺母要把其內(nèi)螺紋的60°角牙局部加工成30°角；如鋸齒式、緊環(huán)式螺母等對(duì)被緊面的剛性、平整程度有一定要求；上述自鎖螺母除Hard Lock式、雙向緊固式、鋸齒式等之外，不支持螺母二次拆裝。

綜上所述，本研究擬采用滾柱鎖定原理，研制一種易加工生產(chǎn)、易安裝、低成本、適用范圍廣、抗振性好的“永不松動(dòng)”自鎖螺母。

2 可行性研究

本研究立足于傳統(tǒng)螺母標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)螺母的材料、外形尺寸、內(nèi)螺紋的機(jī)械加工等方面沒有較大改動(dòng)，并且適用于已有的標(biāo)準(zhǔn)螺母。通過在螺母和螺栓兩接觸界面之間增加滾柱機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)螺母防松抗振目的。

3 主要技術(shù)原理

圖1所示的是本研究設(shè)計(jì)的利用滾柱機(jī)構(gòu)的永不松動(dòng)螺母的結(jié)構(gòu)原理圖。在螺母某一端面加工出滾柱槽道，在槽道內(nèi)安裝滾柱和彈簧壓片。滾柱和彈簧壓片是在螺母擰緊后安裝到滾柱槽道里的。

圖2所示的是本研究設(shè)計(jì)的永不松動(dòng)螺母的滾柱機(jī)構(gòu)受力分析圖。圖中，F(xiàn)N1為滾柱槽道上端面給滾柱的約束力；FN2為被緊面給滾柱的約束力；Ff1為滾柱槽道上端面給滾柱的摩擦力；Ff1為被緊面給滾柱的摩擦力；FK為彈簧壓片給滾柱的彈力。

滾柱槽道上端面是傾斜的，在螺母擰緊方向低，在螺母松弛方向高，當(dāng)螺母松弛時(shí)，即螺母向松弛方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于槽道傾斜，螺母的運(yùn)動(dòng)受到滾柱阻礙，由此起到螺母防松的目的。在本研究設(shè)計(jì)中，在滾柱槽道內(nèi)增加了彈簧壓片，彈簧壓片對(duì)滾柱具有彈力作用，進(jìn)一步加強(qiáng)了螺母的防松抗振作用。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的螺母，對(duì)螺母加工精度要求不高，滾柱槽道斜面傾角可以在一定的范圍內(nèi)均有良好的鎖定效果，滾柱槽道的深度與寬度的加工范圍同樣可以放寬，對(duì)滾柱的長(zhǎng)度、直徑等方面的精度要求同樣可以放寬。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的螺母內(nèi)螺紋，則不對(duì)其進(jìn)行修改。螺母上滾柱槽道的加工可以通過金屬切削或是沖壓來實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本低，對(duì)已有設(shè)備的兼容性好，僅需對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備做微小改造，可以便捷地把已有的非自鎖螺母加工成本研究設(shè)計(jì)的螺母。對(duì)已有的被緊固機(jī)械設(shè)備兼容性好，易于安裝和拆卸，支持多次拆裝，且保證緊固效果相同。對(duì)螺母的外形尺寸沒有更多的要求，原有螺母的六角形結(jié)構(gòu)可保持不變。對(duì)原有螺母材料選擇和熱處理制度等方面沒有改動(dòng)，應(yīng)用前景非常廣泛。

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通訊作者：金瑩（1979，02-），女，漢族，遼寧省沈陽市，碩士，講師，沈陽化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、力學(xué)分析等研究。