利用滾柱機構的永不松動螺母的研究

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構來實現螺母防松抗振目的，其基本結構是在螺母上增加滾柱槽道，在槽道內設置滾柱和彈簧壓片，設計結構簡單，外形和普通螺母相似、制造方便且裝卸靈活。

關鍵詞：滾柱機構；防松；抗振；螺母

1 研究背景

一般的螺母在使用過程中，由于振動等其它原因會自行松脫，而且在當前機械設備的事故中，有80%以上的事故是由于緊固件的松動而造成的。為了減少此類事故的發生，自鎖螺母應運而生。

自鎖螺母主要應用在大型機械及高振動機械領域，能夠在一定范圍內克服普通螺母在服役條件下易松動的缺點（不存在完全不松動的螺母，僅僅是在鎖定能力上有差別）。目前已經出現并投入生產的自鎖螺母已有10多種，其中國內廣泛應用的有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：

鋸齒式、緊環式、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作用下，螺栓與螺母之間、以及螺母外面與工件之間產生金屬的塑性變形，使外螺紋之間松動或使咬合面脫離；已有的自鎖螺母加工精度要求高，生產成本過大，如我國高速鐵路動車組（EMU）主要應用的Hard Lock偏心軸自鎖螺母，其生產時所需要的精度遠超國內工業生產成本；Pilgrim式螺母需要在螺母內部安裝液壓操控裝置，結構過于復雜；Spiralock式螺母要把其內螺紋的60°角牙局部加工成30°角；如鋸齒式、緊環式螺母等對被緊面的剛性、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、易安裝、低成本、適用范圍廣、抗振性好的“永不松動”自鎖螺母。

2 可行性研究

本研究立足于傳統螺母標準，對螺母的材料、外形尺寸、內螺紋的機械加工等方面沒有較大改動，并且適用于已有的標準螺母。通過在螺母和螺栓兩接觸界面之間增加滾柱機構來實現螺母防松抗振目的。

3 主要技術原理

圖1所示的是本研究設計的利用滾柱機構的永不松動螺母的結構原理圖。在螺母某一端面加工出滾柱槽道，在槽道內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所示的是本研究設計的永不松動螺母的滾柱機構受力分析圖。圖中，FN1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，當螺母松弛時，即螺母向松弛方向運動時，由于槽道傾斜，螺母的運動受到滾柱阻礙，由此起到螺母防松的目的。在本研究設計中，在滾柱槽道內增加了彈簧壓片，彈簧壓片對滾柱具有彈力作用，進一步加強了螺母的防松抗振作用。

4 結束語

本研究設計的螺母，對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，對滾柱的長度、直徑等方面的精度要求同樣可以放寬。采用國家標準的螺母內螺紋，則不對其進行修改。螺母上滾柱槽道的加工可以通過金屬切削或是沖壓來實現，生產成本低，對已有設備的兼容性好，僅需對現有生產線和生產設備做微小改造，可以便捷地把已有的非自鎖螺母加工成本研究設計的螺母。對已有的被緊固機械設備兼容性好，易于安裝和拆卸，支持多次拆裝，且保證緊固效果相同。對螺母的外形尺寸沒有更多的要求，原有螺母的六角形結構可保持不變。對原有螺母材料選擇和熱處理制度等方面沒有改動，應用前景非常廣泛。

參考文獻

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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，沈陽化工大學能源與動力工程學院，主要從事機械設計、力學分析等研究。