楔形螺紋防松效果驗證與應用

王晟東 李 梓 屈嬋嬋

（西安煤礦機械有限公司，陜西 西安710200）

近年來，隨著國內高產高效礦井發展的需要，煤機產品的質量可靠性要求也越來越高。面對復雜的工況條件，采煤機在使用過程中會經常遇到機器運行過程中的振動，檢修過程中螺栓的多次拆卸、擰緊等一系列影響螺扣多次使用的因素存在，使得各部件的連接緊固件在長時間的使用過程中產生松動、甚至脫落，致使部件或采煤機在運轉中損壞甚至釀成重大事故。采煤機整機聯接的緊固性是采煤機質量提升重要標志，螺栓連接是工業設備結構中最常用最方便的方法之一，但螺母的防松技術一直是困擾機械設計的難題。防松墊圈墊片、雙螺母結構、凸緣壓點螺紋等等自鎖結構形式，都是為了使緊固的螺母免于自行松脫，尤其在振動較強的機械設備上更為重要。

1 楔形螺紋防松原理

標準螺紋嚙合后，嚙合各牙的受力狀態及其不均勻。前兩牙受力之和一般可達螺栓張力的70%以上，這是一種很不穩定的受力狀態，在強烈振動情況下，第一牙的應力可能超過屈服點而發生塑性變形，使第二牙螺紋承受應力并產生鎖緊力，以此類推，承載負荷面將受力依次傳遞，造成螺紋依次的剪切和磨損，導致螺紋強度大幅下降，最終產生滑牙。

在30°楔形螺紋的陰螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面，當螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊地頂在陰螺紋的楔形斜面上，從而產生了很大的鎖緊力。由于牙形角度的改變，使施加在螺紋間接觸所產生的法向力與螺栓軸向成60°，而不是像普通螺紋那樣的30°。傳統的60°螺紋的法向壓力P=1.15Pα；而30°楔形螺紋由于牙底有一個30 度角的楔形斜面，其法向壓力的角度、大小均有改變，法向壓力P=2Pα 。這樣30°楔形螺紋與傳統60°螺紋，二者的法向壓力之比約等于12∶7，防松摩擦力相應地增加了。30°楔形螺紋的楔形面還可以消除普通螺紋受力不均勻、脫扣咬死等問題。顯然30°楔形螺紋法向壓力遠遠大于扣緊壓力，因此,所產生的防松摩擦力也就必然增加了。

30°楔形螺紋由于結構獨特，在其正常工作中，螺紋每牙均勻的承受負載，不存在應力集中。因此，就不會產生松脫或滑牙問題，疲勞強度也得到了成倍的改善。

2 楔形螺紋的加工難點

根據我公司現有產品特點，大部分螺紋加工采用鉆削、絲錐攻絲的方法來獲得成型螺紋，根據制造業楔形螺紋的加工方法，我們優選刀具——絲錐，下一階段可考慮定制楔形螺紋車刀、銑刀來滿足我們公司多設備使用。

目前，30°楔形螺紋技術已經得到普遍認可，在國內應用的地方越來越多，但在加工過程中存在幾處技術難點：（1）該螺紋精度要求很高，加工難度較大；（2）標準螺紋檢具是一通一止，但30°楔形螺紋為一通兩止，對產品本身的加工精度有更高的要求，包括螺母孔徑、垂直度等均有嚴格的要求；（3）標準螺母是先攻絲然后再做熱處理，但是30°楔形防松螺母必須先熱處理后攻絲來保證產品的穩定性，所以攻絲成本增加。

3 楔形螺紋、普通螺紋振動試驗對比

3.1 試驗準備

為了驗證材料類型、配合面粗糙度等參數對防松效果的影響，試驗件材料選擇公司產品常用材質Q235、Q460，螺紋試驗件接觸面粗糙度選擇Ra6.3、Ra12.5，試驗件配合彈簧墊圈、墊片，依照GB/T10431-2008 規范進行試驗。自制楔形螺紋試驗樣品50 件，選用普通牙型試驗樣品30 件。

3.2 試驗裝置與參數設定

試驗設備為橫向振動試驗機,試驗頻率為12.5Hz，最大振動次數為1875 次，最大振動時間150 秒。

3.3 試驗內容

（1）第一組試驗各參數如下表：

試驗對象 材料 配合表面粗糙度 次數 M12 楔形螺紋 5 Q460C Ra6.3 M12 普通螺母 5

（2）第二組試驗各參數如下表：

（3）第三組試驗各參數如下表：

?試驗對象 材料 配合表面粗糙度 次數 M16 普通螺紋 3 M16 楔形螺母 35CrMo Ra6.3 3

4 結果分析

4.1 楔形螺紋在加載到一定扭矩后，緊固軸力與初始軸力之間變化大，而普通螺紋兩者差值較大，嚴重影響連接件之間緊固力；

4.2 通過振動試驗曲線圖可知，相同緊固軸力在相同加載頻率情況下，普通螺紋衰減速率明顯大于楔形螺紋；

4.3 通過表項數據分析，楔形螺紋多次加載后，而仍然可加載更高緊固軸力,而普通螺紋一次加載后已經失效，根本無法重復加載；

4.4 對比第一、二組加載曲線，在相同情況下，表面粗糙度越高，軸力衰減越明顯，失效越快；

4.5 不同材料的螺紋孔，失效情況有較大不同。

5 楔形螺紋在采煤機上的應用情況

目前，我公司已將30°楔形螺紋應用于矮機身行走箱殼體，之前該部件存在螺栓松動或螺栓斷裂的情況。通過跟蹤該機型的使用情況及市場反饋，尚未發現有螺栓松脫及螺栓斷裂的情況發生。證明楔形螺紋在采煤機重載振動情況下具有明顯的防松效果。楔形螺紋在我公司的應用較之普通螺紋呈現出了以下幾點優勢：

（1）大幅提高螺紋連接件的防松效果，延長使用壽命5 倍以上；

（2）楔形螺紋反復拆卸應用的次數提高10 倍以上；

（3）減少螺紋連接松動造成的故障，降低整機維護成本，提高經濟效益。

后續我們將會在對采煤機更多關鍵部位連接處使用楔形螺紋，以期提高采煤機的可靠性和使用安全。

6 結論

本文研究了楔形螺紋的防松原理，通過橫向振動試驗，對比楔形螺紋與普通螺紋預緊力的衰減程度，證明楔形螺紋的抗振防松效果明顯優于普通螺紋。并將該成果應用于采煤機某型號行走箱殼體，提高了采煤機運行過程的安全性。