一種單螺母螺紋連接防松結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)

鄒科務(wù)，麻秦凡，李 立，柴 歡

0 引言

螺紋連接在接觸網(wǎng)零部件連接中使用廣泛，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著我國(guó)鐵路的不斷提速和高鐵線路的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)接觸網(wǎng)零部件連接的可靠性提出了更高要求，連接裝置在振動(dòng)、沖擊、疲勞載荷以及較大溫差下都應(yīng)具有較高可靠性。由于列車通過(guò)時(shí)受電弓與接觸線垂向耦合引起系統(tǒng)振動(dòng)，接觸網(wǎng)零部件在整個(gè)壽命周期內(nèi)需承受該振動(dòng)約300萬(wàn)次，此時(shí)，常規(guī)的螺紋連接裝置已不能滿足要求，對(duì)防松螺母的研制已勢(shì)在必行。

目前，行業(yè)內(nèi)較多地采用具有較好防松性能的錐壓抱緊螺母、偏心式防松螺母等，其結(jié)構(gòu)均為主副雙螺母型式。這些產(chǎn)品在一些特殊區(qū)段或位置，不能滿足零件對(duì)空間限界的要求，或產(chǎn)品安裝后的空間裕量太小，存在一定的安裝風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)接觸網(wǎng)上螺紋連接既要保證防松性能，又要滿足其高度限制的要求，需設(shè)計(jì)一種特殊的單螺母結(jié)構(gòu)，以滿足接觸網(wǎng)防松和空間限制的要求。

1 普通螺紋連接的現(xiàn)狀

普通的螺紋連接本身具有自鎖功能，螺紋緊固后，在連接副摩擦力的作用下，未施加附加扭矩時(shí)連接不會(huì)松動(dòng)。

普通螺紋連接擰緊、松卸過(guò)程示意如圖1所示。

圖1 普通螺紋連接擰緊、松卸過(guò)程示意

圖中F為水平推力，F(xiàn)q為軸向力，F(xiàn)f為摩擦力，F(xiàn)n為法向反力，λ為螺紋升角，ρ為當(dāng)量摩擦角。螺紋擰緊時(shí)，滑塊沿著斜面上升，受到的滑動(dòng)摩擦力沿斜面向下，根據(jù)力的多邊形平衡法則，得

螺紋松卸時(shí)，滑塊沿斜面下降，受到的滑動(dòng)摩擦力沿斜面向上，根據(jù)力的多邊形平衡法則，得

普通牙型角為60°，μ′為摩擦系數(shù)，μ為當(dāng)量摩擦系數(shù)，則有

則松退螺母所需要的力矩為

式中：d為直徑。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)三角形螺紋，λ一般為2.5°～3°，μ′一般≥0.1，則(λ- arctan1.155μ′)≤0，即T松為負(fù)值，因此，只有當(dāng)螺母受到松卸方向的外部載荷或扭矩時(shí)，螺母才會(huì)松動(dòng)[1]。

緊固件安裝連接后，螺紋承受了一定的初始預(yù)緊力。螺紋副表面的材料靠預(yù)緊力提供正壓力使螺紋之間的摩擦阻力最大。當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)變化，如振動(dòng)、沖擊、交變載荷等情況，此時(shí)螺紋副靜載環(huán)境消失，螺紋副承受的預(yù)緊力可能突然衰減或瞬間消失，使螺紋副之間的摩擦力急劇下降；同時(shí)，由于被連接零件自身的慣性以及各零件之間的相互作用，帶動(dòng)螺紋副朝松卸方向出現(xiàn)微小位移，長(zhǎng)期出現(xiàn)該狀況時(shí)就會(huì)導(dǎo)致緊固件出現(xiàn)松脫現(xiàn)象。

普通連接型式螺紋之間本身存在間隙，當(dāng)緊固件安裝后，實(shí)際只有2～3扣螺紋處于壓緊狀態(tài)，其余大部分螺紋處于虛接狀態(tài)，這部分螺紋不能提供足夠的摩擦阻力來(lái)防止螺紋回退（圖2）[2]。

圖2 普通連接螺紋應(yīng)力示意圖

以M12標(biāo)準(zhǔn)螺紋為例，M12-6g的螺栓配合M12-6H的螺母，查閱GB/T 15756—2008《普通螺紋 極限尺寸》，其最大螺紋間隙在徑向可達(dá)0.384 mm，而常規(guī)的螺紋安裝形式只能實(shí)現(xiàn)2～3扣螺紋接觸（軸向接觸）。這樣一來(lái)，徑向間隙和軸向間隙兩個(gè)因素累加，就會(huì)導(dǎo)致在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中很多情況下會(huì)出現(xiàn)螺紋副松動(dòng)的現(xiàn)象。

2 螺紋防松過(guò)程分析

觀察電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防松緊固裝置中運(yùn)用較多的錐壓抱緊螺母和偏心式防松螺母，其防松效果相較于普通螺紋連接型式有了明顯的提升，可大體歸納為：（1）消除螺紋副的固有間隙，或是將間隙進(jìn)行定向；（2）增加螺紋副材料的接觸面積或接觸點(diǎn)數(shù)量；（3）通過(guò)增加螺紋副材料之間的正壓力增加螺紋摩擦力。

以上3點(diǎn)歸納可視同為螺紋防松需要同時(shí)解決螺紋副固有的間隙問(wèn)題、螺紋副材料的接觸面積問(wèn)題、螺紋副螺紋之間的摩擦力問(wèn)題。在了解了影響螺紋緊固件松動(dòng)的主要因素后，下文從影響因素的本質(zhì)入手逐一進(jìn)行分析。

2.1 螺紋副固有的間隙問(wèn)題

螺紋副的間隙是固有的，其生產(chǎn)加工機(jī)制決定了間隙的存在及不穩(wěn)定性，只能在使用過(guò)程中予以消除或改善。螺紋間隙可分為軸向間隙與徑向間隙。

對(duì)于軸向間隙，由于螺紋在軸向需要承受一定的預(yù)緊力，對(duì)該預(yù)緊力一般有一定的限制要求，單方面通過(guò)施加扭矩雖然可消除更多的軸向間隙，但卻破壞了預(yù)緊力，失去了緊固件作為連接的意義，得不償失。

對(duì)于徑向間隙，螺母端面在安裝狀態(tài)下與螺紋軸向一般為垂直關(guān)系，平行于螺母端面施加一個(gè)徑向力并不會(huì)影響螺母承受的預(yù)緊力，當(dāng)該徑向力克服了螺母端面與平墊圈之間的摩擦力時(shí)，螺母沿徑向移動(dòng)，螺紋副的徑向間隙就會(huì)被定向（單邊消除）。

2.2 螺紋副材料的接觸面積問(wèn)題

由上文可知，普通螺紋連接的實(shí)際情況是僅2～3扣螺紋處于接觸狀態(tài)，其余螺紋處于虛接狀態(tài)，這是由螺紋的連接機(jī)制導(dǎo)致。為了使螺母高度范圍內(nèi)更多的螺紋互相接觸，同時(shí)不破壞螺母的初始預(yù)緊力，這就要求螺母在軸向不能移動(dòng)，故可以考慮螺母在徑向上接觸更多的螺紋。螺紋的徑向尺寸理論上是一致的，只要移動(dòng)螺母，便可使螺紋副上更多的螺紋互相接觸。

2.3 螺紋副螺紋之間的摩擦力問(wèn)題

當(dāng)需要增大摩擦力時(shí)，螺紋副的材料須有一定的正壓力，正壓力越大摩擦力越大。外界能夠施加于螺母的力只有一個(gè)扭矩，如果該扭矩直接作用于螺紋，由于螺紋是圓周結(jié)構(gòu)，徑向分力互相抵消，螺紋上只剩軸向分力，為增大螺紋副上的壓力，只有增大扭矩，而增加扭矩會(huì)破壞螺母的初始預(yù)緊力，不可行。此時(shí)需要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使螺母承受一定的徑向力，然后通過(guò)增加螺紋副上的壓力實(shí)現(xiàn)螺紋之間摩擦力的增大。

3 防松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

在進(jìn)行單螺母防松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮不能破壞螺母是承擔(dān)預(yù)緊力的主要載體這個(gè)基本特點(diǎn)，同時(shí)還要考慮螺母扭矩不能出現(xiàn)大的變化，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

單螺母防松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)解決上述3個(gè)問(wèn)題，應(yīng)采取相應(yīng)輔助措施使螺紋副之間的接觸產(chǎn)生有效變化。緊固件的連接通常需要在螺母與被連接基體之間安裝墊圈，在墊圈與螺母之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不會(huì)大幅增加產(chǎn)品高度，也不會(huì)顛覆產(chǎn)品的加工工藝。

通過(guò)上述防松過(guò)程分析可知，單螺母防松首先需要解決的是如何給螺母本體施加一個(gè)徑向（水平）力，通過(guò)分析，該徑向力須來(lái)自第三方。普通平墊圈在受到螺母下行壓力時(shí)，墊圈隨著螺母下移，螺母和平墊圈均不會(huì)產(chǎn)生徑向位移（圖3（a）），而當(dāng)需要螺母在下行過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生徑向移動(dòng)時(shí)，可在墊圈上設(shè)置輔助斜面（圖3（b））。

圖3 單螺母防松結(jié)構(gòu)

如圖3（b）所示，螺母下降相同高度，普通平面結(jié)構(gòu)的平墊圈水平位移為0，而斜面結(jié)構(gòu)的斜墊圈產(chǎn)生了水平位移A。觀察發(fā)現(xiàn)，斜墊圈產(chǎn)生的位移A并沒(méi)有對(duì)螺母產(chǎn)生徑向作用，螺母本身并未出現(xiàn)水平位移。

為使斜墊圈的徑向位移帶動(dòng)螺母產(chǎn)生徑向壓力，可在墊圈上設(shè)置凸臺(tái)，螺母上設(shè)置凹槽，凸臺(tái)與凹槽相互配合，如圖4所示。

圖4 設(shè)置凸臺(tái)與凹槽的單螺母防松結(jié)構(gòu)

如此一來(lái)，螺母受到緊固力矩帶動(dòng)斜墊圈下行，下行過(guò)程中受斜面影響，斜墊圈會(huì)朝徑向一側(cè)移動(dòng)，此時(shí)又由于凸臺(tái)與凹槽的相互配合，使螺母與斜墊圈形成一體，螺母也會(huì)向徑向一側(cè)移動(dòng)。

在實(shí)際安裝過(guò)程中，一般情況下，被連接基體表面均為平面，采用斜墊圈時(shí)，螺母安裝時(shí)會(huì)發(fā)生偏扭，為此需增加一個(gè)轉(zhuǎn)換墊圈，使緊固裝置實(shí)現(xiàn)平面連接的防松，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換墊圈示意圖

通過(guò)在單螺母下方增設(shè)斜墊圈，螺母與斜墊圈形成一體，螺母下行過(guò)程中受到斜墊圈徑向擠壓，螺母產(chǎn)生一個(gè)徑向位移A1，螺紋副之間的接觸點(diǎn)增多（圖6）。經(jīng)驗(yàn)證，要消除M12-6g/6H螺紋副之間0.384 mm的固有螺紋間隙，可將斜墊圈斜度設(shè)置為6°，此時(shí)螺母只需下行0.04 mm即可；當(dāng)螺母繼續(xù)下行時(shí)，螺紋副材料開始產(chǎn)生彈性變形，摩擦力增加至最大狀態(tài)。

圖6 增加斜墊圈后效果示意圖

經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)，螺母本身依然作為預(yù)緊力載體，預(yù)緊力變化不大但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了消除單向定位螺紋間隙和增加螺紋副之間的觸點(diǎn)及接觸面積的目的，并有效增加了螺紋副的徑向正壓力，使材料在徑向產(chǎn)生彈性變形，提高了材料之間的摩擦力。

當(dāng)螺母擰緊后，螺母與螺栓之間的螺紋間隙消失，兩者形成抱緊關(guān)系，螺母與螺栓都處于防松狀態(tài)，并且，在軸向預(yù)緊力和徑向正壓力的作用下，螺紋副材料處于彈性接觸狀態(tài)，此時(shí)摩擦力最大，同時(shí)可以抵消一部分螺紋副振動(dòng)。

螺紋受力如圖7所示，圖中，F(xiàn)1為螺紋副之間的摩擦力，F(xiàn)2為螺母與斜墊圈之間的摩擦力，L1為螺栓中徑，L2為凸臺(tái)外徑，M為螺母與斜墊圈之間摩擦力產(chǎn)生的力矩。螺母安裝后的力矩平衡式為F1×L1+M=F2×L2或F1×L1=F2×L2+M，為了不受力矩M影響，可在螺母與斜墊圈之間增加一些防滑齒（圖8），使螺母與斜墊圈不產(chǎn)生滑動(dòng)（形成一體），由此可得力矩平衡式：F1×L1=F2×L2。由于L1永遠(yuǎn)小于L2，故F1＞F2，即螺紋副之間摩擦力大于螺母與斜墊圈之間的摩擦力，滑動(dòng)首先會(huì)發(fā)生在螺母和斜墊圈之間。當(dāng)斜墊圈出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，由于斜墊圈傾斜角度不小于6°，而螺紋升角一般不大于3°（圖9），斜墊圈旋轉(zhuǎn)就會(huì)與轉(zhuǎn)換墊圈發(fā)生鎖死，因此斜墊圈不會(huì)松動(dòng)，螺紋副也不會(huì)發(fā)生松動(dòng)[3]。轉(zhuǎn)換墊圈出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)時(shí)，同理。

圖7 螺紋受力示意圖

圖8 防滑齒示意圖

圖9 傾斜角示意圖

以上設(shè)計(jì)目的均為消除螺紋間隙，增加螺紋副的摩擦力，使螺母與螺栓之間形成抱緊關(guān)系，實(shí)現(xiàn)螺母與螺栓同時(shí)防松。

該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）螺母結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)冷鐓批量生產(chǎn)，不需單獨(dú)增加工序；（2）螺母與螺栓同時(shí)實(shí)現(xiàn)防松，且螺栓不需要特制，配置標(biāo)準(zhǔn)螺栓即可；（3）對(duì)被連接的基體無(wú)特殊要求，無(wú)需設(shè)置防轉(zhuǎn)槽等；（4）單顆螺母配合斜墊圈實(shí)現(xiàn)防松，防松裝置整體尺寸較小，可適用于狹小空間或特殊位置的安裝。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出單螺母防松結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借鑒現(xiàn)有成熟的防松產(chǎn)品，從理論上分析緊固件防松過(guò)程，總結(jié)影響因素并提出解決思路，使螺母防松裝置能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化、簡(jiǎn)單化，同時(shí)還能夠達(dá)到良好的防松效果，一定程度上解決了狹小空間或特殊位置處緊固件連接的松脫問(wèn)題，為接觸網(wǎng)零部件防松提供了更多的選擇。