螺紋結構優化與防松應用研究

李作霖，曾 忠

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

螺紋聯接作為目前應用最廣泛的一種聯接方式，普遍應用于工業生產及人們的日常生活中。聯接中，具有較高的牢固可靠性尤其重要。因標準普通螺紋聯接具有自鎖性，所以在常溫及載荷變化不大時，具有較高的聯接可靠性，不會自行脫落。但在沖擊、振動或變載荷的狀況下，或者工作溫度變化很大時,螺旋副之間的摩擦阻力極不穩定,常常在某一瞬間急劇減小甚至消失,失去自鎖能力,螺旋副之間出現相對滑移轉動[1]。久而久之，導致螺紋聯接件的松脫。這種松脫會導致部件或整臺設備的損壞、解體,甚至釀成重大的機械事故或人身事故。

進一步試驗表明，之所以普通螺紋會不同程度的松脫，是因為：普通螺紋聯接當預緊力矩較小時,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,隨著旋緊力矩的增大以及伴隨而來的第一牙螺紋的變形,才使第二牙承受載荷并產生鎖緊力。普通螺紋聯接,載荷的80%以上總是由第一、二牙承擔的,其余各牙幾乎都處在“浮游”狀態,這種狀態在振動、沖擊作用下,極易使螺旋副之間出現相對滑移轉動[2]。

為了防止螺紋聯接件的松脫，各國的工程技術的人員進行了大量的試驗研究，采用雙螺母、尼龍嵌入件、銷釘、鎖片、力矩緊鎖螺母等磨擦防松、機械防松，以及最終破壞螺旋副運動關系的防松方法。雖然這些方法在一定程度上延長了螺紋聯接件的松脫時間，但其不同的缺點暴露無遺，如：需增加輔助材料，造成資源浪費，工藝復雜，鎖緊功能只有一次有效，不能重復使用，即便是可以重復使用的力矩鎖緊螺母，也是有拆裝次數的限制，在反復拆裝后防松性能下降較大，特別是不能在高溫下或低溫環境下正常使用。

尋找一種更優的方法來防止螺紋聯接件的松脫，是當前社會值得大家研究的一個課題。

楔形自鎖螺紋的出現，讓這個課題有了一個明確的方向。試問，能否改變螺紋形狀來達到聯接件的防松效果呢？

1 國內外研究狀況

1977年，美國人Horace D. Holmes 首先提出一項依靠改變螺紋幾何形狀來達到螺紋防松的技術——楔形防松螺紋技術。1995年，美國施必牢公司參加中國國際機床展覽會，開始在中國推廣楔形抗振螺紋技術。2000年，美國公司產品進入中國鐵道行業。90年代初，上海鐵道學院軌道所開始研究這項技術，并進行規模化生產。它引導中國鐵道行業開始使用楔形防松螺紋技術。2002年，鐵道部北京昌平機車車輛廠特沃力防松技術公司從美國特威力工具公司引入防松螺紋技術，也加入生產楔形抗振防松螺紋行列[2]。

近兩年，中國某些汽車骨干生產企業開始試用楔形防松螺紋，航天和航空集團也在積極準備試用這種螺紋。

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的防松能力，歸功于楔形螺紋的獨特結構。

如圖1所示，楔形螺紋的牙型不再是普通的三角形，而是在內螺紋的牙底有一個30o的楔形斜面，當兩螺紋緊固件相互配合時，外螺紋的牙尖緊緊的頂在內螺紋的楔形斜面上，因楔形螺紋牙形的改變，使得接觸點的法向力也發生改變。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Fn為法向壓力。

可知，在u相同的條件下，Fn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，因而產生的摩擦力也大的多，從而達到防松效果。

圖1 楔形螺紋基本牙型結構圖

另外，根據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，第一個牙及第二個牙承受了總應力的80%，而其余牙一直處于“漂浮”狀態，承擔著很少的力，當外力增大時，應力一個個牙的傳下去，造成牙面依次磨損，導致滑牙[3]。如果再加上強烈的振動，螺紋緊固件就很容易克服鎖緊力而導致自行的松脫。而楔形螺紋因其獨特的結構，每牙承受的載荷都比較均勻，同樣負載能分散到各點各面，消除應力集中現象，延長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 防松性能對比分析試驗

分別用型號為M10的普通螺母及上海底特精密緊固件有限公司生產的“施必牢2型六角自鎖防脫螺母”與同一型號的螺栓配合，在振動試驗臺下進行防松性能對比試驗，結果表明：在振動頻率f=30.5Hz，預緊力同為18Nm時，普通螺母14min后，自行松脫，失去了聯接緊固作用；而“施必牢2型六角自鎖防脫螺母”卻一直未脫落，直到180min后，才出現松脫。通過這個試驗證明：楔形螺紋的防松性能要比普通螺紋的好，在生產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 結束語

楔形防松螺紋技術的出現，為克服螺紋緊固件的自行松脫問題提出了新思想。楔形防松螺紋技術在國內外的廣泛應用，使我們清醒的認識到，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，更環保的只需改變螺紋形狀的防松方法。

無論是在內螺紋或外螺紋的防松研究上，我國都已經具有一定的水平，但是要想把研究上升到制定全國的標準及廣泛的應用卻還需走一段艱難的路程。尤其是對內螺紋牙底的角度等參數的設計，以后各參數間的關系還需要進一步的研究。相信在不久的將來，我國防松螺紋的研究會得到進一步的加強，防松螺紋的應用會發揮更大的作用。

[1] 崔東印,汪人和,王可法.螺紋聯接的防松和楔緊自鎖螺紋[J].測試與設備,1998.

[2] 徐阿玲,竇志偉.防松螺紋技術的應用研究[J].航空標準化與質量，2009.

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

[4] 李曉濱.螺紋及其聯結[M].中國計劃出版社,2004.

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

[6] 李貴軒,李建輝.螺紋聯接的松動分析與防松措施[J].煤礦機械,2003.