楔形螺纹紧固件性能试验研究

张 翼，吴云峰，方红荣，周浩洋，武文华

楔形螺纹紧固件性能试验研究

张 翼1，吴云峰1，方红荣1，周浩洋1，武文华2

（1．北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2．大连理工大学，大连，116024）

为了验证楔形螺纹紧固件的防松性能，分析了楔形螺纹紧固件的特点，选取4种适合航天产品使用的紧固件防松方式进行振动试验，获得了防松性能对比结果，证明楔形螺纹较传统防松方式效果更好。在楔形螺纹紧固件扭矩系数测试试验中，以扭矩、预紧力测量为手段，以应变值为桥梁，得到了本次试验所用M10规格楔形螺纹紧固件试验件的扭矩系数。试验方法和结果，为该类螺纹的进一步研究提供了参考借鉴。

楔形螺纹；扭矩系数；防松螺母

0 引 言

楔形螺纹是目前在一定范围应用的特种螺纹结构，如铁路、汽车、桥梁、工程机械、煤炭开采等领域[1]。中国也相应地对此种螺纹型式开展了一系列研究。徐阿玲等详细分析了楔形螺纹的基本牙型和工作原理[2]。刘远模用解析几何方法讨论了楔形螺纹的直径、塞规牙顶宽度和公差带等问题并对量规设计进行了一定探讨[3，4]。中国机械部制订相关标准对楔形螺纹的螺牙牙型、尺寸公差、内外螺纹的配合位置、螺纹标记、螺纹量规、螺纹丝锥等方面进行了详细要求[5]，以指导厂家实际生产。

航空航天产品具有工作条件恶劣，紧固件使用数量多等特点，因此，在航空航天领域对楔形螺纹紧固件进行相应研究，将对进一步提高结构产品连接可靠性起到重要作用。

1 常用紧固件防松方式

常用紧固件防松方式包括：破坏螺纹副防松、机械固定防松和增大摩擦力防松等[6]。

a）破坏螺纹副防松。采用焊接、粘结或打冲点等方式，将可拆卸螺纹连接改变为不可拆卸螺纹连接的防松方式，是一种可靠的传统防松方式，其缺点是螺纹紧固件不能重复使用，且操作麻烦。该方法常用于某些要求高可靠防松又不需要拆卸的重要场合。

b）机械固定防松。机械防松是在拧紧螺母后使用锁紧元件将螺母和螺栓锁住，防止它们相对转动，最常用的是使用开口销、串联钢丝和止动垫圈等，其防松可靠性取决于机械固定件的静强度或疲劳强度。它的缺点是制造和安装复杂。

c）增大摩擦力的防松。利用增加螺纹间或螺母与支撑面间的摩擦力或同时增加两者摩擦力的方法来达到防松的目的。其最大的优点是适用于狭小的空间，可以进行多次的反复装拆，可以自动装配，而且其中某些紧固件，如尼龙圈锁紧螺母、全金属自锁螺母，其防松可靠性已达到较高水平。因此，这种防松方法在航空航天领域应用最广。

2 楔形螺纹的防松原理

楔形螺纹大径上有一个30°的楔形斜面牙型的螺纹，其防松性能显著优于普通螺纹紧固件。当螺栓、螺母相互拧紧时，螺栓的牙尖就紧紧地顶在螺纹的30°楔形斜面上，从而产生较普通螺纹更大的锁紧力。

楔形螺纹结构如图1所示，由于产生了30°楔形斜面，在相同螺栓轴向力的作用下，楔形螺纹螺母与螺栓之间产生的作用力为2，V型螺纹螺栓螺母之间产生的作用力为1.15，楔形螺纹紧固件将产生更好的紧固效果。V形螺纹结构如图2所示。

图1 楔形螺纹

图2 V形螺纹

3 紧固件防松性能对比试验

为了验证楔形螺纹紧固件的防松性能，采用GJB715.3A-2002《紧固件试验方法》对其防松性能与常用防松连接方式进行比对。

3.1 试验方法

依据GJB715.3A-2002《紧固件试验方法》规定的冲击加速振动法进行试验。试验系统如图3、图4所示，振动方向为垂直于螺栓轴向。

图3 试验工装示意

图4 冲击加速振动试验系统

试验时先将套筒插入振动工装的长孔中，并将螺栓和螺母装在套筒内。然后施加规定的预紧力矩。振动时，振动工装被固定在振动台上，连同振动台一起振动。同时，套筒在长孔中还要自由运动，螺栓-螺母组件同时受到振动台的振动和套筒的自由冲击振动。

3.2 试验件及试验条件

选择弹簧垫圈、双螺母、打冲点、楔形螺纹紧固件4种防松方式进行振动试验。这4种防松方式的原理见表1，试验件种类及数量见表2。根据某产品要求的环境试验条件，在频率30 Hz、振幅11 mm正弦振动条件下振动2 h，比较各种防松方式螺母松脱失效数目。试验前在螺栓和螺母上做标记，一旦螺母相对螺栓松动，标记位置会发生改变。

表1 4种防松方式工作原理

Tab.1 Working Principle for Four Kinds of Locking Modes

序号防松方式工作原理 1打冲点在拧紧后，用冲点铆接的方法使螺栓（螺钉）、螺母产生局部变形，阻止其相互松动。用于不需要拆卸的场合 2双螺母先拧内螺母，再拧外螺母，对2个螺母施加相同的拧紧力矩，增大了螺纹面摩擦力 3弹簧垫圈利用弹簧垫圈的张力为螺纹连接提供锁紧作用 4楔形螺纹紧固件在螺纹的牙底处有一个30°的楔形斜面，当螺栓与螺母互相拧紧时，螺栓的牙尖就紧紧地顶在螺纹的楔形斜面上，从而产生了很大的锁紧力。由于牙形的角度改变，使施加在螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角，螺纹法向压力远远大于扣紧压力，大大增加防松摩擦力。

表2 试验件种类及数量

Tab.2 Test Articles

防松方式项目打冲点双螺母弹簧垫圈楔形螺纹紧固件 螺纹规格M10×1.5螺母 GB/T 5782-2000 M10×60螺栓 数量/套8×28×28×28×2

试验件分为2组，每组8件。第1组拧紧力矩 43 N·m后开展振动试验，第2组拧紧力矩50 N·m后开展振动试验。

3.3 试验数据及分析

为了更好地量化试验件防松效果，规定了“脱落”和“松动”2种评价等级。在振动试验结束后对试验件状态进行检查，螺母发生严重松动无法起到紧固作用定义为“脱落”。螺母和螺栓仍保持原有连接状态，仅仅是试验前的刻线发生了偏移则定义为“松动”。而“脱落”和“松动”均称为“失效”。

第1组试验考核6种防松方式在43 N·m拧紧力矩条件下的抗振寿命，试验结果见表3。

表3 43 N·m力矩试验数据

Tab.3 Experimental Data for 43 N·m

防松方式试件数量套脱落数目套松动数目套失效总数套 弹簧垫圈8011 双螺母8213 打冲点8011 楔形螺纹紧固件8000

第2组试验考核5种防松方式在50 N·m拧紧力矩条件下的抗振寿命。试验数据见表4。

表4 50 N·m力矩试验数据

Tab.4 Experimental Data for 50 N·m

防松方式试件数量套脱落数目套松动数目套失效总数套 弹簧垫圈8000 双螺母8000 打冲点8011 楔形螺纹紧固件（1）8000 楔形螺纹紧固件（2）3000

表4中“楔形螺纹紧固件（1）”为采用全新产品开展第2组试验，“楔形螺纹紧固件（2）”为使用进行完第1组试验后的产品开展第2组试验。

从试验结果可以看出，随着所施加拧紧力矩的增加，紧固件的防松效果将会提高，而且抗振防松效果最好的为楔形螺纹紧固件，在2个拧紧力矩条件下均未产生失效。同时，经历了第1组试验的3件产品再经历第2组试验，其防松性能仍然良好。

4 楔形螺纹紧固件（螺母）扭矩系数测试试验

在紧固件防松性能对比试验过程中发现，楔形螺纹紧固件不仅防松效果好，而且反复使用后的防松性能依然出色，因此有必要继续开展楔形螺母性能的进一步研究工作。

扭矩系数是工程上用力矩法控制预紧力最重要的系数，对楔形螺纹紧固件的扭矩系数开展测试研究将有利于进一步开展对紧固件施加力矩的量化工作。紧固件预紧力和被施加扭矩之间的关系为[7]

式中为拧紧扭矩，N·m；为扭矩系数；为螺栓轴向预紧力，kN；为螺栓的公称直径，mm。

对于特定的螺纹紧固件，测出拧紧力矩和螺栓轴向预紧力即可得到扭矩系数。

4.1 试验方法

试验系统使用与防松性能对比试验中的部分工装，包括：套筒、螺栓、垫圈和螺母。螺栓从套筒内部穿过并利用楔形螺母拧紧。

从图3可看出，紧固件通过螺栓、螺母、垫圈和套筒组合起来。套筒直接承受紧固件拧紧过程产生的预紧力。为了找到螺栓螺母拧紧过程中拧紧力矩和预紧力之间的关系，可以在套筒上布置应变片，获得套筒单独在拧紧力矩和预紧力作用下的应变值。以应变值做为桥梁，可以建立拧紧力矩和预紧力之间的关系。

4.2 试验件和试验过程

选择楔形螺母和普通螺栓作为试验件。试验件包括一组GB/T 5782-2000 M10×60螺栓和M10×1.5的楔形螺纹紧固件（螺母）。

试验包括2项，分别是套筒压缩试验和套筒扭转试验，分别见图5和图6。

图5 套筒压缩试验

图6 套筒扭转试验

套筒压缩试验中通过材料试验机对套筒进行正向压缩模拟轴向预紧力作用，同时测量应变量。套筒扭转试验中通过扭力试验机对套筒进行扭转模拟紧固件拧紧过程中施加力矩过程，同时通过应变测量其应变量。

4.3 试验数据及分析

对套筒进行压缩试验，结果如表5所示。

表5 套筒压缩试验结果

Tab.5 Experimental Results for Sleeve Compressing Test

预紧力kN369121518 应变132×10-6245×10-6355×10-6471×10-6594×10-6728×10-6

将式（2）带入式（1），可以得到扭矩系数与扭矩、套筒应变的关系：

套筒扭转试验中，对同一试验件反复施加8次 58 N·m力矩，试验结果及根据式（3）计算得到的扭矩系数如表6所示。

表6 套筒扭转试验结果

Tab.6 Experimental Results for Sleeve Torsion Test

次数12345678 应变1191×10-61254×10-61072×10-6901×10-6887×10-6851×10-6798×10-6780×10-6 扭矩系数0.200.190.220.260.260.270.290.30

从表6中可以看出，计算得到的扭矩系数随拧紧次数的增加而变大，从8次拧紧过程看，第1~3次拧紧系数接近，第4~6次拧紧系数接近，第7~8次拧紧系数接近。总体来看，本次参加试验的楔形螺纹紧固件扭矩系数较现有的V形螺纹0.15~0.20[9]的扭矩系数更大。

5 结 论

本文对多种防松方式进行了多子样的冲击加速振动试验，试验结果证明相较于传统防松方式，楔形螺纹紧固件具有优异的防松能力。在此基础上，继续开展了楔形螺纹紧固件的扭矩系数测试试验。从试验结果可以看出，该紧固件的扭矩系数较其它普通V形螺纹稍高，因此要获得相同的预紧力，则需要较普通螺纹型式更大的拧紧力矩。

[1] 朱述川, 刘自富. 美国施必劳防松螺母在煤矿井筒装备上的应用[J]. 煤矿机械, 2006, 27(1): 9-10.

Zhu Shuchuan, Liu Zifu. The application of spiralock nut in coal mine shaft equipment[J]. Coal Mine Machinery, 2006, 27(1): 9-10.

[2] 徐阿玲, 窦志伟. 防松螺纹技术的应用研究[J]. 航空标准化与质量, 2009(3): 17-19.

Xu Aling, Dou Zhiwei. Research on the application of thread locking technology[J]. Aeronautic Standardization & Quality, 2009(3): 17-19.

[3] 刘远模. 楔形螺纹的数学关系[J]. 机械工业标准化与质量, 2008(11): 40-43.

Liu Yuan-mo. Design of wedging screw thread gauge[J]. Standardization and quality of machinery industry, 2008, (11): 40-43.

[4] 刘远模. 楔形螺纹量规设计[J]. 机械工业标准化与质量, 2008(12): 34-35.

Liu Yuanmo. Design of wedging screw thread gauge[J]. Standardization and Quality of Machinery Industry, 2008(11): 34-35.

[5] 张永华, 李晓滨. GB/T37462-2019, 30°楔形防松螺纹[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.

Zhang Yonghua, Li Xiaobin. GB/T37462-2019, Locking threads with 30 degree wedge ramp[S]. Beijing: Standards Press of China, 2019.

[6] 孙小炎, 杨林. 航天紧固件使用手册[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

Sun Xiaoyan, Yang Lin. Aerospace fastener manual[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2006.

[7] 王文斌, 等. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

Wang Wenbin, et al. Mechanical design manual[M]. Beijing: China Machine Press, 2004.

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

国家863课题重复使用增压输送技术（2014AA7021006）

张 翼（1980-），男，高级工程师，主要研究方向为管路系统设计。

吴云峰（1985-），男，高级工程师，主要研究方向为管路系统设计。

方红荣（1978-），男，博士，研究员，主要研究方向为结构仿真。

周浩洋（1974-），男，博士，研究员，主要研究方向为增压输送系统设计。

武文华（1974-），男，博士，教授，主要研究方向为固体力学。