HLN硬鎖螺母防松原理解析

魏延剛，韓仁偉，傅冠銘

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連116028；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司 大連機務段，遼寧 大連 116000)*

螺紋聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、聯(lián)接可靠等優(yōu)點，被廣泛應用到機械、航空、建筑等各種領(lǐng)域.在應用螺紋聯(lián)接時，必須考慮聯(lián)接防松問題，聯(lián)接防松直接影響到機器的正常運作.正常情況下，聯(lián)接螺紋因滿足自鎖條件而不會輕易發(fā)生自動松脫，但是應用到?jīng)_擊、振動、變載和在溫差環(huán)境中的螺紋聯(lián)接，可能會因預緊力的減小或者螺紋副接觸面間摩擦力的降低而導致螺栓與螺母之間發(fā)生松動.發(fā)生松動的螺紋聯(lián)接，輕者影響機器的正常運作，重者則會釀成重大安全事故.所以，對螺紋聯(lián)接防松問題的研究既有學術(shù)價值又具有重大的應用價值.

近些年，國內(nèi)學者及工程技術(shù)人員針對螺紋聯(lián)接的防松措施及其機理有一些研究.2003年，李貴軒等介紹了幾種類型的防松方法，其中包括施必牢防松螺母和唐氏螺紋防松結(jié)構(gòu)[1].2005年，朱述川等介紹了施必牢防松螺母的應用情況，說明了施必牢防松螺母的防松效果[2].李俊良等在2006年提出利用鐵基形狀記憶合金研制一種新型防松螺母的設(shè)計思想，并通過試驗證明了這種螺母的防松性能[3-4].2010年，楊廣雪等利用有限元軟件，分析了一種帶橫向切口的新型防松螺母，并對比分析了新型防松螺母和標準螺母的防松效果[5].2012年，宋庭鋒介紹了一種新型的防松墊圈，并通過振動測試臺對該防松墊圈及幾種常用防松方法的防松特性和預緊力特性進行了測試對比，證明了該墊圈防松效果好、聯(lián)接可靠[6].2017年，唐羽介紹了施必牢螺紋和MJ螺紋兩種特殊的防松螺紋[7]，方子帆等研究了動態(tài)組合載荷作用下螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動機理[8].

HLN硬鎖螺母，由日本哈德洛克(Hard Lock)工業(yè)株式會社制造，世界很多國家甚至一些工業(yè)制造強國如英國、美國等都在訂購使用，HLN硬鎖螺母已被我國的高鐵所采用[9～10]，由此可知，HLN硬鎖螺母的市場份額有多大，所以，分析研究HLN硬鎖螺母的防松性能對我國緊固件制造行業(yè)的發(fā)展具有重要意義.那么如何來驗證HLN硬鎖螺母的防松性能呢？也就是如何計算HLN硬鎖螺母所產(chǎn)生的摩擦力矩呢？用常規(guī)力學分析的方法顯然是難以求解.然而，根據(jù)接觸力學原理，應用有限元方法來仿真HLN硬鎖螺母螺栓聯(lián)接可以求解HLN硬鎖螺母所產(chǎn)生的摩擦力矩.

本文擬用有限元方法對某HLN硬鎖螺母進行仿真分析，驗證并研究HLN硬鎖螺母的防松原理及防松性能，為螺栓聯(lián)接的防松創(chuàng)新研究提供參考.

1 防松原理簡析

圖1和圖2分別為右旋螺紋HLN硬鎖螺母的實物模型圖和采用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接的軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖.HLN硬鎖螺母由上下兩種“凹”“凸”形狀的螺母配合而成，兩者的配合面為圓錐面，凸螺母和凹螺母均與螺栓之間形成螺紋聯(lián)接.下方呈凸狀的螺母，在加工圓錐面時，圓錐面的軸心與螺紋軸心有稍許錯動，即偏心加工；上方呈凹狀的螺母圓錐面，則不作偏心加工.應用時螺母的擰緊順序為“先凸后凹”，放松順序為“先凹后凸”.由于凸螺母錐面具有偏心，所以擰緊凹螺母后，凹凸螺母在一側(cè)相互擠壓，而相對應的另一側(cè)則會產(chǎn)生間隙，也就是最大擠壓母線與最大間隙母線相差180°；即圖2軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖中的左側(cè)為最大擠壓側(cè)，右側(cè)為最大間隙側(cè).這樣，在螺紋間不僅產(chǎn)生軸向緊固力Fa，而且凸螺母在其偏心一側(cè)與螺栓之間產(chǎn)生徑向壓力Fr1，凹螺母在凸螺母偏心一側(cè)的對立側(cè)與螺栓之間也將產(chǎn)生徑向壓力Fr2，徑向壓力Fr1和Fr2不會隨螺紋之間的橫向振動而消失，這兩處的徑向壓力在徑向平面內(nèi)形成了阻礙螺母和螺栓之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的附加摩擦力矩；而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趨于更緊，如圖2所示.螺紋之間的上述3種緊固力均產(chǎn)生阻礙螺母和螺栓之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的摩擦力矩，尤其是徑向壓力Fr1和Fr2不會隨螺紋之間的橫向振動而消失，保證了螺母穩(wěn)定的防松性能，這便是這種螺母防松的機理.

圖1 實物模型圖 圖2 采用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元仿真分析驗證

眾所周知，標準螺母螺栓聯(lián)接若不采用其他防松措施時，擰緊螺母時是靠螺母和被聯(lián)接件之間所產(chǎn)生的壓力，而使螺栓產(chǎn)生軸向拉力，從而使螺母和螺栓的螺紋牙之間產(chǎn)生一個摩擦力矩，使螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間也產(chǎn)生一個摩擦力矩.如果不擰緊螺母，也就是不使螺母和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生壓力，則螺母和螺栓的螺紋牙之間，以及螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間都不會產(chǎn)生摩擦力矩.

使用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接，擰緊螺母時除了由于螺母和被聯(lián)接件之間所產(chǎn)生的壓力，而使螺母和螺栓的螺紋牙之間產(chǎn)生一個摩擦力矩，使螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間也產(chǎn)生一個摩擦力矩外，還會產(chǎn)生由于擰緊凹螺母時，凸螺母的偏心距引起的凹螺母螺紋牙、凸螺母螺紋牙與螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩.如果不擰緊凸螺母，只是擰緊凹螺母，也就是不使螺母和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生壓力，則與標準螺母螺栓聯(lián)相同，就不會產(chǎn)生由于螺母和被聯(lián)接件之間的壓力所產(chǎn)生的螺母和螺栓螺紋牙之間，以及螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間的摩擦力矩，而只有由于凹凸螺母所引起的附加摩擦力矩.因此，為了驗證HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接的防松性能，可在螺母和被聯(lián)接件之間不產(chǎn)生壓力的條件下進行仿真計算，這樣求解出的摩擦力矩就是由于凸狀的螺母所引起的螺母和螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩.

而獲得螺母和被聯(lián)接件之間不產(chǎn)生壓力條件最簡單可行的方法就是去掉模型中的被聯(lián)接件，對凸螺母施加固定約束，而將凹螺母擰緊，在螺栓頭部施加一定的松退轉(zhuǎn)角，就可以求解出螺母和螺栓發(fā)生相對轉(zhuǎn)動趨勢或轉(zhuǎn)動時螺母和螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩.

2.1 有限元仿真模型建立

取某軌道車輛車鉤的高強度聯(lián)接螺栓為研究對象，螺栓的基本參數(shù)為：紋公稱直徑為d=36mm，中經(jīng)為d2=33.402 mm，小徑d1=31.670mm，螺距為P=4 mm，螺旋升角為α=2.183°，螺栓螺紋牙型為粗牙普通螺紋，旋向為右旋.HLN硬鎖螺母凹凸螺母螺紋圈數(shù)分別為3圈、6圈，錐面錐角為5°.M36高強度螺栓和母螺的材料均取為42CrMo，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.33，屈服強度極限940 MPa.

螺紋部分為研究重點，對模型非關(guān)鍵處進行合理簡化，同時忽略被聯(lián)接件，HLN硬鎖螺母的三維幾何模型如圖3所示；HLN硬鎖螺母及標準螺母與標準螺栓配合的有限元分析網(wǎng)格圖如圖4所示，生成的節(jié)點數(shù)分別為566 604和505 178個，單元數(shù)428 160和393 728個，單元類型為C3D8R.由于HLN硬鎖螺母結(jié)構(gòu)的特殊性，在定義接觸屬性時設(shè)置螺紋接觸為雙側(cè)接觸.根據(jù)凹螺母、凸螺母和螺栓的材料，所有接觸對的摩擦系均取0.1.

(a)凹螺母 (b)凸螺母

(a)HLN硬鎖螺母 (b)標準螺母螺

分析步為兩步，第一步是對螺母和螺栓施加固定約束，通過軟件的過盈計算功能計算接觸對之間的接觸力和應力等；第二步保持對螺母施加固定約束，在螺栓頭部施加12°的松退轉(zhuǎn)角，求解出螺母和螺栓發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時螺母和螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩、接觸力和應力等.為了節(jié)省計算時間和容量，僅計算到對螺栓頭部施加1.5°的松退轉(zhuǎn)角.

三月份，棍噶扎勒參率領(lǐng)僧徒與起事者抗衡之時，塔爾巴哈臺城內(nèi)的起事者勢力以禮拜寺為中心四處蔓延。此時，塔爾巴哈臺起事發(fā)生已近四個月，塔爾巴哈臺城被困近三個月，城內(nèi)無法逃跑之幾萬名軍民被回民軍圍困的陷入餓死的邊緣。棍噶扎勒參回寺后，坐立不安，沿途耳聞目睹的塔爾巴哈臺慘狀。[注]噶桑勒協(xié)著，吳鈞譯：《察罕呼圖克圖袞噶嘉勒贊傳》，甘肅人民出版社，2002年，第32～33頁。正此時，塔爾巴哈臺城內(nèi)被圍困官員和民眾，又派人前來請求棍噶扎勒參繼續(xù)率軍解圍塔爾巴哈臺城。[注]噶桑勒協(xié)著，吳鈞譯：《察罕呼圖克圖袞噶嘉勒贊傳》，甘肅人民出版社，2002年，第33頁。

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

2.2.1 偏心距HLN硬鎖螺母防松性能的影響

為了研究凸螺母的偏心距離對防松性能的影響，用有限元法對三個偏心距25、50和75 μm的凸螺母模型進行有限元仿真.圖5為三個模型的HLN硬鎖螺母聯(lián)接在松退1.5°過程中各自克服的螺紋副摩擦力矩變化情況的擬合曲線.圖中橫座標分析全歷程1對應的是松退角12°，所以歷程0.125對應的是松退角1.5°.從曲線圖5 可以看出，三個偏心距HLN硬鎖螺母聯(lián)接的螺紋副摩擦力矩隨松退轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律一致，松退轉(zhuǎn)角由0°～0.3°時(橫座標為0.025)之間，螺紋副摩擦力矩快速增加，三個偏心距25、50和75 μm對應的螺紋副摩擦力矩分別達到約500 000，900 000 和1250000N·m；松退轉(zhuǎn)角達到0.3°之后，螺紋副摩擦力矩增加的速率大大降低.顯然，凸螺母偏心距越大，HLN硬鎖螺母松退時需要克服的螺紋副摩擦力矩越大，說明偏心距越大新型螺母防松性能越好.

圖5 螺紋副摩擦力矩變化曲線圖

表1為松退過程中各聯(lián)接螺母克服的螺紋副摩擦力矩隨轉(zhuǎn)角的變化數(shù)值.表中數(shù)據(jù)表明，HLN硬鎖螺母的防松效果非常好，松退過程中克服的螺紋副摩擦力矩相對標準螺母大幅增加，偏心距為25 μm的新型螺母松退1.5°時克服的螺紋副摩擦力矩就已經(jīng)達到639 251 N·mm，而且隨著偏心距的增加其螺紋副接觸面間的摩擦力矩也隨之增大，偏心距為50和75 μm的新型螺母松退1.5°時克服的螺紋副摩擦力矩分別為1 193 263和1 372 653 N·mm.

表1 松退過程中各聯(lián)接螺母克服的螺紋副摩擦力矩 N·mm

2.2.2 凹螺母擰緊后HLN硬鎖螺母聯(lián)接的等效應力分析

(a)凹螺母

三種偏心距的HLN硬鎖螺母在擰緊凹螺母后螺栓的等效應力分布規(guī)律相同，只是最大應力的數(shù)值不同，為節(jié)省篇幅在此僅給出偏心距為50μm的HLN硬鎖螺母在擰緊凹螺母后螺栓螺紋部分的等效應力分布云圖，見圖7.由圖可知，螺栓與凹螺母接觸部分的等效應力的高應力區(qū)分布在與凸螺母偏心一側(cè)相對的接觸位置；螺栓與凸螺母接觸部分的等效應力的高應力區(qū)分布在凸螺母偏心一側(cè)的接觸位置；而且與凸螺母接觸部分的最大等效應力大于凹螺母接觸部分的最大等效應力.而且偏心距越大，螺栓的最大等效應力越大；偏心距為25、50和75 μm時，螺栓的最大等效應分別約為466、575 和682 MPa.三種偏心距時，螺栓的最大等效應力值均小于材料的屈服強度極限940 MPa，即滿足強度條件.

(a)凸螺母偏心一側(cè)

螺栓螺紋的應力分布規(guī)律符合新型螺母的結(jié)構(gòu)特點，即應力分布較大的區(qū)域均在與凹凸螺母貼緊配合的一側(cè).

3 結(jié)論

綜上分析，在實際應用HLN硬鎖螺母時，凸螺母擰緊后將產(chǎn)生一定的預緊力，當螺紋有相對轉(zhuǎn)動趨勢時，這個預緊力就會與普通螺紋聯(lián)接一樣，在螺紋之間產(chǎn)生摩擦力矩；當再次擰緊凹螺母后，由于凸螺母錐面偏心的作用，凹凸螺母間還將產(chǎn)生徑向抱緊力，從而產(chǎn)生相當大的附加螺紋副摩擦力矩，而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趨于更緊，這樣當HLN硬鎖螺母試圖在各種因素的作用下產(chǎn)生松退時，需要克服非常大的螺紋副摩擦力矩，因而，HLN硬鎖螺母具有極強的防松能力.

HLN硬鎖螺母凸螺母錐面偏心距越大，防松性能越高；但螺紋接觸面處的應力也就越大.因此，HLN硬鎖螺母應用中要對凸螺母錐面偏心距進行優(yōu)化設(shè)計，以獲得聯(lián)接強度和防松性能皆佳的螺栓聯(lián)接.