楔形螺紋緊固件預緊力矩設計方法研究

秦玉靈 李超鋒 李曉東

（北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

引言

航天領域傳統螺紋緊固件主要通過增加螺桿軸向拉力或采用自鎖螺母等方式進行防松，防松效果較差，因此螺紋的緊固和防松機理一直是國內外學者研究的重點[1-3]。當前箭上螺栓多沿用美國上世紀70 年代結構形式，且箭上和星上所用螺栓結構形式差異較大，沒有統一的設計要求和規范。隨著航天技術的飛速發展，緊固件技術已經逐漸跟不上型號發展需求，亟需出臺相關要求和設計規范。

1 楔形螺紋防松技術原理

楔形螺紋亦稱施必牢螺紋，獨特的螺紋結構形式使其具有良好的防松抗疲勞性能。楔形螺紋牙底處有一個30°的楔形斜面[4-6]，如圖1 所示。當螺栓螺母相互擰緊時，螺栓的牙尖就緊緊地頂在楔形螺紋的楔形斜面上，從而產生了很大的鎖緊力，由此防止相對于母螺紋產生的任何螺紋的橫向移動。由于牙型的角度改變，使施加在螺紋間接觸所產生的法向力與螺栓軸向成60°角，而不是標準螺紋那樣的30°角。由此可知，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必然大大增加。

圖1 楔形螺紋結構示意圖

楔形螺紋由于配合面為楔形斜面（楔形螺旋面），使得旋合區各螺紋的受力極為均勻，克服了橫向間隙及各牙受力不均勻現象（如圖2 所示），避免了普通螺紋前兩牙的大應力（如圖3所示）。從設計上保證了楔形螺紋良好的抗振防松性能，同時可顯著地提高緊固件壽命。圖4 和表1 為施必牢公司在測試楔形螺紋與標準螺紋受力特點時做的光彈試驗研究結果，可明顯看出楔形螺紋各螺牙間承載的均勻性及標準螺紋各螺牙承載的不均勻性。

表1 各螺牙承載情況對比

圖2 楔形螺紋連接件受力特點

圖3 標準螺紋連接件受力特點

圖4 光彈試驗結果

此外，楔形內螺紋與標準外螺紋嚙合具有自動對中功能，可避免螺紋嚙合時的受力偏載，但標準螺紋偏載下振動劇烈時整個嚙合螺紋偏載一側有可能導致的整體滑牙。同時自動對中功能緩解了螺栓六角頭部因垂直度不好或與接觸面的平行度不好而造成的連接松動或六角頭處容易發生的疲勞斷裂，如圖5 所示。

圖5 楔形螺紋配合的自對中功能

2 楔形螺紋連接件預緊力矩設計

2.1 預緊力矩設計原則

緊固件設計原則為螺釘擰緊后產生的摩擦力F大于或等于橫向振動載荷P。也就是說，螺栓要產生足夠的預緊力，才能保證在使用過程中此預緊力不會隨著劇烈的振動而衰減，進而有效防松。公式（1）用于計算預緊力矩：

式中，Mn為力矩，單位Nm；K 為力矩系數（綜合摩擦系數），無量綱，標準螺紋力矩系數無潤滑時該值一般取0.2，潤滑良好時取0.11～0.12；d 為螺栓的公稱直徑，單位mm；P0為螺栓預緊力（張力），單位kN，該值上限受制于螺栓強度（性能等級），可查國標。

可見，一定的力矩對應一定的預緊力。由楔形螺紋和標準螺紋受力分析可知，在相同力矩下，楔形螺紋所產生的夾緊力比標準螺紋所產生的夾緊力小。要達到相同的夾緊力，必須增加扭矩。據所查文獻，楔形螺紋預緊力矩一般高于標準螺紋，相關生產廠家給出的楔形螺紋力矩系數變化范圍一般為0.13～0.17[7]，且未對有潤滑和無潤滑狀態進行嚴格區分。對比上文標準螺紋“無潤滑時該值一般取0.2，潤滑良好時取0.11～0.12”的預緊力矩系數精確推薦值，楔形螺紋力矩系數K 變化范圍推薦值待細化。

2.2 預緊力矩系數K 值修正

由預緊力矩計算公式（1）計算M6 和M8 兩種尺寸楔形和標準螺栓預緊力矩值。分析公式（1）可知，P0為決定預緊力矩值的關鍵因素，該值取決于螺栓材料。

相關楔形螺紋產品說明書中給出了不同性能等級及不同螺母表面處理狀態的各規格楔形螺紋緊固件預緊力矩工程參考值，該參考值使用的預緊力值取螺栓保證載荷的50%～70%[8]，在工程領域廣為應用并得到了有效驗證。因此，可根據該值對楔形螺紋預緊力矩系數K 范圍進一步細化和修正。

由公式（1）計算所得各不同性能等級M6 和M8 螺栓預緊力矩系數見表2，根據相關國家標準得到性能等級8.8、10.9、12.9 的螺栓性能數據[9]。由表2 可知，潤滑狀態相同的情況下，不同性能等級螺栓對應預緊力矩系數變化范圍基本相同，由此確定楔形螺紋連接件預緊力矩系數范圍有潤滑狀態下取0.13～0.15，無潤滑狀態下取0.20～0.25。

表2 預緊力矩系數K 值修正

2.3 預緊力矩理論值計算

在相關文獻中，給出了2 個預緊力矩上限工程經驗公式[10]。一種認為最大預緊力P0不能超過螺栓屈服極限的80%，即：

式中，σs為螺栓材料屈服強度，單位為MPa；As為螺栓螺紋公稱截面面積，單位為mm2。

另一種則直接將最大預緊力確定為不能超過螺栓極限抗拉強度的35%，即：

將公式（2）或公式（3）代入公式（1），即可確定相應最大預緊力矩。

對于30CrMnSiA、45# 鋼等屈服強度和強度極限十分接近的材料制成的螺栓，當螺栓尺寸比較小，如M4、M5、M6，且防松和承載相比防松占主要地位時，采用公式（2）計算；當螺栓尺寸比較大，如M8 以上，且防松和承載相比承載占主要地位時，采用公式（3）計算；對于類似1Cr18Ni9Ti 這類屈服強度遠低于強度極限的材料制成的螺栓，按公式（2）確定最大預緊力矩。45# 鋼楔形螺紋連接件預緊力矩計算值見表3。

表3 楔形螺紋連接件預緊力矩M 計算值（單位為 Nm）

表4 楔形螺紋預緊力矩試驗要求

3 楔形螺紋連接件防松效果驗證

考慮到設備安裝處結構材料一般為鋁合金，故試驗工裝采用鋁合金板，板上螺紋孔處安裝鋼襯套，鋼襯套內為楔形螺紋結構，試驗工裝及試驗狀態如圖6 所示。

圖6 試驗工裝（左）及試驗狀態（右）示意圖

驗證試驗中，螺栓預緊力矩按表1 取整，用如圖7 的典型地面運輸振動條件0.86g 和典型飛行振動條件15.4g 進行試驗驗證。試驗方向為軸向和橫向2 個方向，時間為運輸120min，飛行3min，試驗子樣為M6 和M8 螺栓各80 個。

圖7 地面運輸試驗（左）和飛行試驗（右）控制圖譜

試驗結束后檢查發現，試驗前螺栓劃線無錯位，用力矩扳手逐一檢查螺栓緊固情況時，預緊力矩值有小幅掉落，但螺栓未松動，說明按推薦的預緊力矩值均可有效預緊。

4 結論

a）楔形螺紋連接件獨特的結構形式使其較標準螺紋連接件具有更良好的抗振防松性能；

b）楔形螺紋連接件預緊力矩系數范圍建議按以下數值選取：有潤滑狀態下取0.13～0.15，無潤滑狀態下取0.20～0.25；

c）經試驗驗證，文中45#鋼M6 和M8 楔形螺紋預緊力矩值能有效緊固，可用本文方法設計其他材料及規格的楔形螺紋預緊力矩值，試驗驗證后可逐步形成楔形螺紋緊固件預緊力矩設計規范。