楔形螺紋緊固件性能試驗(yàn)研究

張 翼，吳云峰，方紅榮，周浩洋，武文華

楔形螺紋緊固件性能試驗(yàn)研究

張 翼1，吳云峰1，方紅榮1，周浩洋1，武文華2

（1．北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2．大連理工大學(xué)，大連，116024）

為了驗(yàn)證楔形螺紋緊固件的防松性能，分析了楔形螺紋緊固件的特點(diǎn)，選取4種適合航天產(chǎn)品使用的緊固件防松方式進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，獲得了防松性能對(duì)比結(jié)果，證明楔形螺紋較傳統(tǒng)防松方式效果更好。在楔形螺紋緊固件扭矩系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)中，以扭矩、預(yù)緊力測(cè)量為手段，以應(yīng)變值為橋梁，得到了本次試驗(yàn)所用M10規(guī)格楔形螺紋緊固件試驗(yàn)件的扭矩系數(shù)。試驗(yàn)方法和結(jié)果，為該類螺紋的進(jìn)一步研究提供了參考借鑒。

楔形螺紋；扭矩系數(shù)；防松螺母

0 引 言

楔形螺紋是目前在一定范圍應(yīng)用的特種螺紋結(jié)構(gòu)，如鐵路、汽車、橋梁、工程機(jī)械、煤炭開采等領(lǐng)域[1]。中國(guó)也相應(yīng)地對(duì)此種螺紋型式開展了一系列研究。徐阿玲等詳細(xì)分析了楔形螺紋的基本牙型和工作原理[2]。劉遠(yuǎn)模用解析幾何方法討論了楔形螺紋的直徑、塞規(guī)牙頂寬度和公差帶等問題并對(duì)量規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定探討[3，4]。中國(guó)機(jī)械部制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)楔形螺紋的螺牙牙型、尺寸公差、內(nèi)外螺紋的配合位置、螺紋標(biāo)記、螺紋量規(guī)、螺紋絲錐等方面進(jìn)行了詳細(xì)要求[5]，以指導(dǎo)廠家實(shí)際生產(chǎn)。

航空航天產(chǎn)品具有工作條件惡劣，緊固件使用數(shù)量多等特點(diǎn)，因此，在航空航天領(lǐng)域?qū)πㄐ温菁y緊固件進(jìn)行相應(yīng)研究，將對(duì)進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)產(chǎn)品連接可靠性起到重要作用。

1 常用緊固件防松方式

常用緊固件防松方式包括：破壞螺紋副防松、機(jī)械固定防松和增大摩擦力防松等[6]。

a）破壞螺紋副防松。采用焊接、粘結(jié)或打沖點(diǎn)等方式，將可拆卸螺紋連接改變?yōu)椴豢刹鹦堵菁y連接的防松方式，是一種可靠的傳統(tǒng)防松方式，其缺點(diǎn)是螺紋緊固件不能重復(fù)使用，且操作麻煩。該方法常用于某些要求高可靠防松又不需要拆卸的重要場(chǎng)合。

b）機(jī)械固定防松。機(jī)械防松是在擰緊螺母后使用鎖緊元件將螺母和螺栓鎖住，防止它們相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，最常用的是使用開口銷、串聯(lián)鋼絲和止動(dòng)墊圈等，其防松可靠性取決于機(jī)械固定件的靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度。它的缺點(diǎn)是制造和安裝復(fù)雜。

c）增大摩擦力的防松。利用增加螺紋間或螺母與支撐面間的摩擦力或同時(shí)增加兩者摩擦力的方法來達(dá)到防松的目的。其最大的優(yōu)點(diǎn)是適用于狹小的空間，可以進(jìn)行多次的反復(fù)裝拆，可以自動(dòng)裝配，而且其中某些緊固件，如尼龍圈鎖緊螺母、全金屬自鎖螺母，其防松可靠性已達(dá)到較高水平。因此，這種防松方法在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣。

2 楔形螺紋的防松原理

楔形螺紋大徑上有一個(gè)30°的楔形斜面牙型的螺紋，其防松性能顯著優(yōu)于普通螺紋緊固件。當(dāng)螺栓、螺母相互擰緊時(shí)，螺栓的牙尖就緊緊地頂在螺紋的30°楔形斜面上，從而產(chǎn)生較普通螺紋更大的鎖緊力。

楔形螺紋結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于產(chǎn)生了30°楔形斜面，在相同螺栓軸向力的作用下，楔形螺紋螺母與螺栓之間產(chǎn)生的作用力為2，V型螺紋螺栓螺母之間產(chǎn)生的作用力為1.15，楔形螺紋緊固件將產(chǎn)生更好的緊固效果。V形螺紋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 楔形螺紋

圖2 V形螺紋

3 緊固件防松性能對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證楔形螺紋緊固件的防松性能，采用GJB715.3A-2002《緊固件試驗(yàn)方法》對(duì)其防松性能與常用防松連接方式進(jìn)行比對(duì)。

3.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)GJB715.3A-2002《緊固件試驗(yàn)方法》規(guī)定的沖擊加速振動(dòng)法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3、圖4所示，振動(dòng)方向?yàn)榇怪庇诼菟ㄝS向。

圖3 試驗(yàn)工裝示意

圖4 沖擊加速振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)先將套筒插入振動(dòng)工裝的長(zhǎng)孔中，并將螺栓和螺母裝在套筒內(nèi)。然后施加規(guī)定的預(yù)緊力矩。振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)工裝被固定在振動(dòng)臺(tái)上，連同振動(dòng)臺(tái)一起振動(dòng)。同時(shí)，套筒在長(zhǎng)孔中還要自由運(yùn)動(dòng)，螺栓-螺母組件同時(shí)受到振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)和套筒的自由沖擊振動(dòng)。

3.2 試驗(yàn)件及試驗(yàn)條件

選擇彈簧墊圈、雙螺母、打沖點(diǎn)、楔形螺紋緊固件4種防松方式進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。這4種防松方式的原理見表1，試驗(yàn)件種類及數(shù)量見表2。根據(jù)某產(chǎn)品要求的環(huán)境試驗(yàn)條件，在頻率30 Hz、振幅11 mm正弦振動(dòng)條件下振動(dòng)2 h，比較各種防松方式螺母松脫失效數(shù)目。試驗(yàn)前在螺栓和螺母上做標(biāo)記，一旦螺母相對(duì)螺栓松動(dòng)，標(biāo)記位置會(huì)發(fā)生改變。

表1 4種防松方式工作原理

Tab.1 Working Principle for Four Kinds of Locking Modes

序號(hào)防松方式工作原理 1打沖點(diǎn)在擰緊后，用沖點(diǎn)鉚接的方法使螺栓（螺釘）、螺母產(chǎn)生局部變形，阻止其相互松動(dòng)。用于不需要拆卸的場(chǎng)合 2雙螺母先擰內(nèi)螺母，再擰外螺母，對(duì)2個(gè)螺母施加相同的擰緊力矩，增大了螺紋面摩擦力 3彈簧墊圈利用彈簧墊圈的張力為螺紋連接提供鎖緊作用 4楔形螺紋緊固件在螺紋的牙底處有一個(gè)30°的楔形斜面，當(dāng)螺栓與螺母互相擰緊時(shí)，螺栓的牙尖就緊緊地頂在螺紋的楔形斜面上，從而產(chǎn)生了很大的鎖緊力。由于牙形的角度改變，使施加在螺紋間接觸所產(chǎn)生的法向力與螺栓軸成60°角，螺紋法向壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于扣緊壓力，大大增加防松摩擦力。

表2 試驗(yàn)件種類及數(shù)量

Tab.2 Test Articles

防松方式項(xiàng)目打沖點(diǎn)雙螺母彈簧墊圈楔形螺紋緊固件 螺紋規(guī)格M10×1.5螺母 GB/T 5782-2000 M10×60螺栓 數(shù)量/套8×28×28×28×2

試驗(yàn)件分為2組，每組8件。第1組擰緊力矩 43 N·m后開展振動(dòng)試驗(yàn)，第2組擰緊力矩50 N·m后開展振動(dòng)試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

為了更好地量化試驗(yàn)件防松效果，規(guī)定了“脫落”和“松動(dòng)”2種評(píng)價(jià)等級(jí)。在振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)件狀態(tài)進(jìn)行檢查，螺母發(fā)生嚴(yán)重松動(dòng)無法起到緊固作用定義為“脫落”。螺母和螺栓仍保持原有連接狀態(tài)，僅僅是試驗(yàn)前的刻線發(fā)生了偏移則定義為“松動(dòng)”。而“脫落”和“松動(dòng)”均稱為“失效”。

第1組試驗(yàn)考核6種防松方式在43 N·m擰緊力矩條件下的抗振壽命，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 43 N·m力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.3 Experimental Data for 43 N·m

防松方式試件數(shù)量套脫落數(shù)目套松動(dòng)數(shù)目套失效總數(shù)套 彈簧墊圈8011 雙螺母8213 打沖點(diǎn)8011 楔形螺紋緊固件8000

第2組試驗(yàn)考核5種防松方式在50 N·m擰緊力矩條件下的抗振壽命。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 50 N·m力矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.4 Experimental Data for 50 N·m

防松方式試件數(shù)量套脫落數(shù)目套松動(dòng)數(shù)目套失效總數(shù)套 彈簧墊圈8000 雙螺母8000 打沖點(diǎn)8011 楔形螺紋緊固件（1）8000 楔形螺紋緊固件（2）3000

表4中“楔形螺紋緊固件（1）”為采用全新產(chǎn)品開展第2組試驗(yàn)，“楔形螺紋緊固件（2）”為使用進(jìn)行完第1組試驗(yàn)后的產(chǎn)品開展第2組試驗(yàn)。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著所施加擰緊力矩的增加，緊固件的防松效果將會(huì)提高，而且抗振防松效果最好的為楔形螺紋緊固件，在2個(gè)擰緊力矩條件下均未產(chǎn)生失效。同時(shí)，經(jīng)歷了第1組試驗(yàn)的3件產(chǎn)品再經(jīng)歷第2組試驗(yàn)，其防松性能仍然良好。

4 楔形螺紋緊固件（螺母）扭矩系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)

在緊固件防松性能對(duì)比試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，楔形螺紋緊固件不僅防松效果好，而且反復(fù)使用后的防松性能依然出色，因此有必要繼續(xù)開展楔形螺母性能的進(jìn)一步研究工作。

扭矩系數(shù)是工程上用力矩法控制預(yù)緊力最重要的系數(shù)，對(duì)楔形螺紋緊固件的扭矩系數(shù)開展測(cè)試研究將有利于進(jìn)一步開展對(duì)緊固件施加力矩的量化工作。緊固件預(yù)緊力和被施加扭矩之間的關(guān)系為[7]

式中為擰緊扭矩，N·m；為扭矩系數(shù)；為螺栓軸向預(yù)緊力，kN；為螺栓的公稱直徑，mm。

對(duì)于特定的螺紋緊固件，測(cè)出擰緊力矩和螺栓軸向預(yù)緊力即可得到扭矩系數(shù)。

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)使用與防松性能對(duì)比試驗(yàn)中的部分工裝，包括：套筒、螺栓、墊圈和螺母。螺栓從套筒內(nèi)部穿過并利用楔形螺母擰緊。

從圖3可看出，緊固件通過螺栓、螺母、墊圈和套筒組合起來。套筒直接承受緊固件擰緊過程產(chǎn)生的預(yù)緊力。為了找到螺栓螺母擰緊過程中擰緊力矩和預(yù)緊力之間的關(guān)系，可以在套筒上布置應(yīng)變片，獲得套筒單獨(dú)在擰緊力矩和預(yù)緊力作用下的應(yīng)變值。以應(yīng)變值做為橋梁，可以建立擰緊力矩和預(yù)緊力之間的關(guān)系。

4.2 試驗(yàn)件和試驗(yàn)過程

選擇楔形螺母和普通螺栓作為試驗(yàn)件。試驗(yàn)件包括一組GB/T 5782-2000 M10×60螺栓和M10×1.5的楔形螺紋緊固件（螺母）。

試驗(yàn)包括2項(xiàng)，分別是套筒壓縮試驗(yàn)和套筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，分別見圖5和圖6。

圖5 套筒壓縮試驗(yàn)

圖6 套筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

套筒壓縮試驗(yàn)中通過材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)套筒進(jìn)行正向壓縮模擬軸向預(yù)緊力作用，同時(shí)測(cè)量應(yīng)變量。套筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中通過扭力試驗(yàn)機(jī)對(duì)套筒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)模擬緊固件擰緊過程中施加力矩過程，同時(shí)通過應(yīng)變測(cè)量其應(yīng)變量。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

對(duì)套筒進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 套筒壓縮試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Experimental Results for Sleeve Compressing Test

預(yù)緊力kN369121518 應(yīng)變132×10-6245×10-6355×10-6471×10-6594×10-6728×10-6

將式（2）帶入式（1），可以得到扭矩系數(shù)與扭矩、套筒應(yīng)變的關(guān)系：

套筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，對(duì)同一試驗(yàn)件反復(fù)施加8次 58 N·m力矩，試驗(yàn)結(jié)果及根據(jù)式（3）計(jì)算得到的扭矩系數(shù)如表6所示。

表6 套筒扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.6 Experimental Results for Sleeve Torsion Test

次數(shù)12345678 應(yīng)變1191×10-61254×10-61072×10-6901×10-6887×10-6851×10-6798×10-6780×10-6 扭矩系數(shù)0.200.190.220.260.260.270.290.30

從表6中可以看出，計(jì)算得到的扭矩系數(shù)隨擰緊次數(shù)的增加而變大，從8次擰緊過程看，第1~3次擰緊系數(shù)接近，第4~6次擰緊系數(shù)接近，第7~8次擰緊系數(shù)接近。總體來看，本次參加試驗(yàn)的楔形螺紋緊固件扭矩系數(shù)較現(xiàn)有的V形螺紋0.15~0.20[9]的扭矩系數(shù)更大。

5 結(jié) 論

本文對(duì)多種防松方式進(jìn)行了多子樣的沖擊加速振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明相較于傳統(tǒng)防松方式，楔形螺紋緊固件具有優(yōu)異的防松能力。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展了楔形螺紋緊固件的扭矩系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該緊固件的扭矩系數(shù)較其它普通V形螺紋稍高，因此要獲得相同的預(yù)緊力，則需要較普通螺紋型式更大的擰緊力矩。

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Experimental Research on Characters for Wedging Screw Thread Locknuts

Zhang Yi1, Wu Yun-feng1, Fang Hong-rong1, Zhou Hao-yang1, Wu Wen-hua2

(1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076；2. Dalian University of Technology, Dalian,116024)

To verify the locking performance of wedging screw thread locknuts, the characters of wedging screw thread are analyzed, and the advantage by the vibrating test for four kinds of fastener widely used in aerospace field is acquired. By measuring the torque and unbalance load, the test acquires the torque coefficient for M10 wedging screw thread nuts. The testing way and results for wedging screw thread locknuts, supplies a reference for further study in fastener field.

wedging screw thread; torque coefficient; locknuts

V414

A

1004-7182(2020)01-0123-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20200122

2017-01-09；

2019-12-23

國(guó)家863課題重復(fù)使用增壓輸送技術(shù)（2014AA7021006）

張 翼（1980-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣苈废到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

吳云峰（1985-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣苈废到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

方紅榮（1978-），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)仿真。

周浩洋（1974-），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樵鰤狠斔拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

武文華（1974-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣腆w力學(xué)。