楔形防松螺纹的防松性能分析

2018-07-09上海市计量测试技术研究院

上海计量测试 2018年3期

关键词：内螺纹量规紧固件

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

螺纹紧固件应用于各种机器及部件的装配连接之中。传统的紧固件有一个无法避免的共性，易松脱和易脱落，尤其在剧烈震动过程中，最终由于紧固件的自行脱落，问题会导致一台设备损坏、解体，酿成重大事故。

紧固件的松脱问题引起了世界上多国科学家和工程师的关注。为了解决这个问题，他们做了大量的实验和研究。他们采用锁片、尼龙嵌入、销钉、变形、涂胶等方法，一定程度上延缓了紧固件的脱落时间，但是，没有根本解决问题。

普通螺纹紧固件的易松脱问题的关键在于螺纹的结构和形状。美国工程师作了大量的研究后，为解决这个问题，重新设计了一种螺纹的形状，提出了此类具有特殊结构的30°楔形防松螺纹，从根本上解决了易松脱和易脱落的问题。

1 国内外研究现状

1.1 国外技术水平现状

30°楔形防松螺纹技术由美国人发明。在中国制订30°楔形防松螺纹标准前，世界上只有两套美国标准（美军标和Spiralock公司标准）。

1）美国航天工业协会标准的技术特点

（1）高精度（精密级公差3B），英寸单位制，主要用于航天、航空、兵器领域；

（2）内螺纹牙底斜面较长，内、外螺纹锁紧可靠；

（3）螺纹塞规为两件套，没有中径止规；

（4）有涂镀前和涂镀后两套螺纹尺寸；

（5）标准文本对外公开。

2）美国Spiralock公司（施必牢公司）的防松螺纹技术特点

（1）中等精度（中等级公差2B 或6H），有米制和英寸制两套单位制，应用领域广泛；

（2）内螺纹斜面较短，螺纹锁紧不太可靠（在极端条件下会出现外螺纹牙顶与内螺纹牙底斜面不接触情况），因此对螺纹尺寸控制要求较高，有时采用内、外螺纹配对装配；

（3）螺纹量规为三件套，含有中径止规；

（4）没有规定涂镀后螺纹的尺寸要求；

（5）公司标准保密，国内无人见过该标准文本（美国公司提供刃具和量规以及量规校准）。

该标准为美国技术垄断，其他国家并没有此类标准。美国公司标准对外保密，在检测技术方面，美国施必劳公司所做的大量的试验和测试数据，也并未公开。

1.2 国内技术水平现状

目前，国内在各个领域的应用，所使用的30°楔形防松螺纹大部分是美国施必劳公司生产的，其技术没有公开，国内无法直接采用。它的防松可靠性也不能满足中国要求。美国航天协会螺纹的防松性能可靠，从美国航天标准可找出防松螺纹参数的设计准则。将此设计准则运用到米制螺纹设计，可保证米制防松螺纹的锁紧性能。中国制订米制防松螺纹标准的工作原则是：将美国NAS 标准的设计原则用于中国米制防松螺纹标准。扩大此类螺纹精度范围，更好地满足军品和民品两大领域的需求。

提供螺纹量规和丝锥全套生产和检验技术信息。中国米制防松螺纹标准与美军标较为接近，与美国施必劳公司生产的30°楔形防松螺纹有着较大的差异性。

在检测技术方面，国内的30°楔形防松螺纹检测方法尚未规范化，基本上都是使用单位自制螺纹量规对其进行综合检验。对于防松性能的检验，也没有规范的定量标准。大部分厂家在检验其防松性能的时候使用的是振动试验和拉力测试，用性能试验的方法来验证其防松性能。

2 楔形螺纹防松原理

楔形防松螺纹，在内螺纹牙底处有一个角度（一般为30°）的楔形斜面，且为非对称螺纹，楔形防松螺纹的中径在承载时基本不接触，因而区别于传统螺纹的互相配合作用。防松螺纹的配合与接触发生在大径位置，内螺纹的大径替代了传统内螺纹中径在配合中的作用，成为螺纹质量控制的重点。普通螺纹接触面法向受力图如图1所示，楔形防松螺纹螺纹接触面法向受力图如图2所示。

图1 普通螺纹接触面法向受力图

图2 楔形防松螺纹螺纹接触面法向受力图

由图2可知，当楔形螺纹与螺纹紧固件配合时，外螺纹的牙尖正好顶在楔形内螺纹的楔形斜面上，接触点的方向力由于楔形螺纹牙型的变化而发生改变。在轴向施加相同大小的力F（载荷F相同）：

由公式得出的结果可知，摩擦力是由方向力的大小所决定，而楔形螺纹的方向力明显大于普通螺纹，故摩擦力也大很多，从而达到了防松的效果。

标准螺纹配合后，各牙之间的受力不均匀，且后几牙几乎是处于悬浮状态，不承载力。而第一牙，第二牙承载了螺栓张力的70%～80%，甚至更多，普通螺纹各牙受力分布图如图3所示。这种受力状态在剧烈震动下，由于巨大的承载力，可能会使第一牙发生塑性形变，造成松动。常见的标准螺纹头几牙就会容易磨损和滑丝。而楔形螺纹因其楔形斜面的变化结构，承载力在每一牙都较为平均，就不会产生普通螺纹的头几牙易磨损问题，应力分散，结构更为稳固。楔形防松螺纹各牙受力分布图如图4所示。