楔形防松螺紋的防松性能分析

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

螺紋緊固件應(yīng)用于各種機器及部件的裝配連接之中。傳統(tǒng)的緊固件有一個無法避免的共性，易松脫和易脫落，尤其在劇烈震動過程中，最終由于緊固件的自行脫落，問題會導(dǎo)致一臺設(shè)備損壞、解體，釀成重大事故。

緊固件的松脫問題引起了世界上多國科學(xué)家和工程師的關(guān)注。為了解決這個問題，他們做了大量的實驗和研究。他們采用鎖片、尼龍嵌入、銷釘、變形、涂膠等方法，一定程度上延緩了緊固件的脫落時間，但是，沒有根本解決問題。

普通螺紋緊固件的易松脫問題的關(guān)鍵在于螺紋的結(jié)構(gòu)和形狀。美國工程師作了大量的研究后，為解決這個問題，重新設(shè)計了一種螺紋的形狀，提出了此類具有特殊結(jié)構(gòu)的30°楔形防松螺紋，從根本上解決了易松脫和易脫落的問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外技術(shù)水平現(xiàn)狀

30°楔形防松螺紋技術(shù)由美國人發(fā)明。在中國制訂30°楔形防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)前，世界上只有兩套美國標(biāo)準(zhǔn)（美軍標(biāo)和Spiralock公司標(biāo)準(zhǔn)）。

1）美國航天工業(yè)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點

（1）高精度（精密級公差3B），英寸單位制，主要用于航天、航空、兵器領(lǐng)域；

（2）內(nèi)螺紋牙底斜面較長，內(nèi)、外螺紋鎖緊可靠；

（3）螺紋塞規(guī)為兩件套，沒有中徑止規(guī)；

（4）有涂鍍前和涂鍍后兩套螺紋尺寸；

（5）標(biāo)準(zhǔn)文本對外公開。

2）美國Spiralock公司（施必牢公司）的防松螺紋技術(shù)特點

（1）中等精度（中等級公差2B 或6H），有米制和英寸制兩套單位制，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；

（2）內(nèi)螺紋斜面較短，螺紋鎖緊不太可靠（在極端條件下會出現(xiàn)外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋牙底斜面不接觸情況），因此對螺紋尺寸控制要求較高，有時采用內(nèi)、外螺紋配對裝配；

（3）螺紋量規(guī)為三件套，含有中徑止規(guī)；

（4）沒有規(guī)定涂鍍后螺紋的尺寸要求；

（5）公司標(biāo)準(zhǔn)保密，國內(nèi)無人見過該標(biāo)準(zhǔn)文本（美國公司提供刃具和量規(guī)以及量規(guī)校準(zhǔn)）。

該標(biāo)準(zhǔn)為美國技術(shù)壟斷，其他國家并沒有此類標(biāo)準(zhǔn)。美國公司標(biāo)準(zhǔn)對外保密，在檢測技術(shù)方面，美國施必勞公司所做的大量的試驗和測試數(shù)據(jù)，也并未公開。

1.2 國內(nèi)技術(shù)水平現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，所使用的30°楔形防松螺紋大部分是美國施必勞公司生產(chǎn)的，其技術(shù)沒有公開，國內(nèi)無法直接采用。它的防松可靠性也不能滿足中國要求。美國航天協(xié)會螺紋的防松性能可靠，從美國航天標(biāo)準(zhǔn)可找出防松螺紋參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則。將此設(shè)計準(zhǔn)則運用到米制螺紋設(shè)計，可保證米制防松螺紋的鎖緊性能。中國制訂米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)的工作原則是：將美國NAS 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計原則用于中國米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)。擴大此類螺紋精度范圍，更好地滿足軍品和民品兩大領(lǐng)域的需求。

提供螺紋量規(guī)和絲錐全套生產(chǎn)和檢驗技術(shù)信息。中國米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)與美軍標(biāo)較為接近，與美國施必勞公司生產(chǎn)的30°楔形防松螺紋有著較大的差異性。

在檢測技術(shù)方面，國內(nèi)的30°楔形防松螺紋檢測方法尚未規(guī)范化，基本上都是使用單位自制螺紋量規(guī)對其進(jìn)行綜合檢驗。對于防松性能的檢驗，也沒有規(guī)范的定量標(biāo)準(zhǔn)。大部分廠家在檢驗其防松性能的時候使用的是振動試驗和拉力測試，用性能試驗的方法來驗證其防松性能。

2 楔形螺紋防松原理

楔形防松螺紋，在內(nèi)螺紋牙底處有一個角度（一般為30°）的楔形斜面，且為非對稱螺紋，楔形防松螺紋的中徑在承載時基本不接觸，因而區(qū)別于傳統(tǒng)螺紋的互相配合作用。防松螺紋的配合與接觸發(fā)生在大徑位置，內(nèi)螺紋的大徑替代了傳統(tǒng)內(nèi)螺紋中徑在配合中的作用，成為螺紋質(zhì)量控制的重點。普通螺紋接觸面法向受力圖如圖1所示，楔形防松螺紋螺紋接觸面法向受力圖如圖2所示。

圖1 普通螺紋接觸面法向受力圖

圖2 楔形防松螺紋螺紋接觸面法向受力圖

由圖2可知，當(dāng)楔形螺紋與螺紋緊固件配合時，外螺紋的牙尖正好頂在楔形內(nèi)螺紋的楔形斜面上，接觸點的方向力由于楔形螺紋牙型的變化而發(fā)生改變。在軸向施加相同大小的力F（載荷F相同）：

由公式得出的結(jié)果可知，摩擦力是由方向力的大小所決定，而楔形螺紋的方向力明顯大于普通螺紋，故摩擦力也大很多，從而達(dá)到了防松的效果。

標(biāo)準(zhǔn)螺紋配合后，各牙之間的受力不均勻，且后幾牙幾乎是處于懸浮狀態(tài)，不承載力。而第一牙，第二牙承載了螺栓張力的70%～80%，甚至更多，普通螺紋各牙受力分布圖如圖3所示。這種受力狀態(tài)在劇烈震動下，由于巨大的承載力，可能會使第一牙發(fā)生塑性形變，造成松動。常見的標(biāo)準(zhǔn)螺紋頭幾牙就會容易磨損和滑絲。而楔形螺紋因其楔形斜面的變化結(jié)構(gòu)，承載力在每一牙都較為平均，就不會產(chǎn)生普通螺紋的頭幾牙易磨損問題，應(yīng)力分散，結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固。楔形防松螺紋各牙受力分布圖如圖4所示。

3 結(jié)語

楔形防松螺紋由于其結(jié)構(gòu)的變化，使得承載力在每一牙都較為平均，從而解決了普通螺紋頭幾牙容易發(fā)生塑性形變和滑絲的問題。楔形防松螺紋也因為特殊的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了防松效果，成為了緊固螺紋領(lǐng)域廣受關(guān)注和使用的螺紋結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，前景光明。

圖3 普通螺紋各牙受力分布圖

圖4 楔形防松螺紋各牙受力分布圖

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