HLN硬锁螺母防松原理解析

魏延刚，韩仁伟，傅冠铭

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连116028；2.中国铁路沈阳局集团有限公司 大连机务段，辽宁 大连 116000)*

螺纹联接具有结构简单、拆装方便、联接可靠等优点，被广泛应用到机械、航空、建筑等各种领域.在应用螺纹联接时，必须考虑联接防松问题，联接防松直接影响到机器的正常运作.正常情况下，联接螺纹因满足自锁条件而不会轻易发生自动松脱，但是应用到冲击、振动、变载和在温差环境中的螺纹联接，可能会因预紧力的减小或者螺纹副接触面间摩擦力的降低而导致螺栓与螺母之间发生松动.发生松动的螺纹联接，轻者影响机器的正常运作，重者则会酿成重大安全事故.所以，对螺纹联接防松问题的研究既有学术价值又具有重大的应用价值.

近些年，国内学者及工程技术人员针对螺纹联接的防松措施及其机理有一些研究.2003年，李贵轩等介绍了几种类型的防松方法，其中包括施必牢防松螺母和唐氏螺纹防松结构[1].2005年，朱述川等介绍了施必牢防松螺母的应用情况，说明了施必牢防松螺母的防松效果[2].李俊良等在2006年提出利用铁基形状记忆合金研制一种新型防松螺母的设计思想，并通过试验证明了这种螺母的防松性能[3-4].2010年，杨广雪等利用有限元软件，分析了一种带横向切口的新型防松螺母，并对比分析了新型防松螺母和标准螺母的防松效果[5].2012年，宋庭锋介绍了一种新型的防松垫圈，并通过振动测试台对该防松垫圈及几种常用防松方法的防松特性和预紧力特性进行了测试对比，证明了该垫圈防松效果好、联接可靠[6].2017年，唐羽介绍了施必牢螺纹和MJ螺纹两种特殊的防松螺纹[7]，方子帆等研究了动态组合载荷作用下螺栓联接结构松动机理[8].

HLN硬锁螺母，由日本哈德洛克(Hard Lock)工业株式会社制造，世界很多国家甚至一些工业制造强国如英国、美国等都在订购使用，HLN硬锁螺母已被我国的高铁所采用[9～10]，由此可知，HLN硬锁螺母的市场份额有多大，所以，分析研究HLN硬锁螺母的防松性能对我国紧固件制造行业的发展具有重要意义.那么如何来验证HLN硬锁螺母的防松性能呢？也就是如何计算HLN硬锁螺母所产生的摩擦力矩呢？用常规力学分析的方法显然是难以求解.然而，根据接触力学原理，应用有限元方法来仿真HLN硬锁螺母螺栓联接可以求解HLN硬锁螺母所产生的摩擦力矩.

本文拟用有限元方法对某HLN硬锁螺母进行仿真分析，验证并研究HLN硬锁螺母的防松原理及防松性能，为螺栓联接的防松创新研究提供参考.

1 防松原理简析

图1和图2分别为右旋螺纹HLN硬锁螺母的实物模型图和采用HLN硬锁螺母的螺栓联接的轴剖面结构示意图.HLN硬锁螺母由上下两种“凹”“凸”形状的螺母配合而成，两者的配合面为圆锥面，凸螺母和凹螺母均与螺栓之间形成螺纹联接.下方呈凸状的螺母，在加工圆锥面时，圆锥面的轴心与螺纹轴心有稍许错动，即偏心加工；上方呈凹状的螺母圆锥面，则不作偏心加工.应用时螺母的拧紧顺序为“先凸后凹”，放松顺序为“先凹后凸”.由于凸螺母锥面具有偏心，所以拧紧凹螺母后，凹凸螺母在一侧相互挤压，而相对应的另一侧则会产生间隙，也就是最大挤压母线与最大间隙母线相差180°；即图2轴剖面结构示意图中的左侧为最大挤压侧，右侧为最大间隙侧.这样，在螺纹间不仅产生轴向紧固力Fa，而且凸螺母在其偏心一侧与螺栓之间产生径向压力Fr1，凹螺母在凸螺母偏心一侧的对立侧与螺栓之间也将产生径向压力Fr2，径向压力Fr1和Fr2不会随螺纹之间的横向振动而消失，这两处的径向压力在径向平面内形成了阻碍螺母和螺栓之间发生相对转动的附加摩擦力矩；而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趋于更紧，如图2所示.螺纹之间的上述3种紧固力均产生阻碍螺母和螺栓之间发生相对转动的摩擦力矩，尤其是径向压力Fr1和Fr2不会随螺纹之间的横向振动而消失，保证了螺母稳定的防松性能，这便是这种螺母防松的机理.

图1 实物模型图 图2 采用HLN硬锁螺母的螺栓联接轴剖面结构示意图

2 有限元仿真分析验证

众所周知，标准螺母螺栓联接若不采用其他防松措施时，拧紧螺母时是靠螺母和被联接件之间所产生的压力，而使螺栓产生轴向拉力，从而使螺母和螺栓的螺纹牙之间产生一个摩擦力矩，使螺母与被联接件的接触面之间也产生一个摩擦力矩.如果不拧紧螺母，也就是不使螺母和被联接件之间产生压力，则螺母和螺栓的螺纹牙之间，以及螺母与被联接件的接触面之间都不会产生摩擦力矩.

使用HLN硬锁螺母的螺栓联接，拧紧螺母时除了由于螺母和被联接件之间所产生的压力，而使螺母和螺栓的螺纹牙之间产生一个摩擦力矩，使螺母与被联接件的接触面之间也产生一个摩擦力矩外，还会产生由于拧紧凹螺母时，凸螺母的偏心距引起的凹螺母螺纹牙、凸螺母螺纹牙与螺栓螺纹牙之间的附加摩擦力矩.如果不拧紧凸螺母，只是拧紧凹螺母，也就是不使螺母和被联接件之间产生压力，则与标准螺母螺栓联相同，就不会产生由于螺母和被联接件之间的压力所产生的螺母和螺栓螺纹牙之间，以及螺母与被联接件的接触面之间的摩擦力矩，而只有由于凹凸螺母所引起的附加摩擦力矩.因此，为了验证HLN硬锁螺母的螺栓联接的防松性能，可在螺母和被联接件之间不产生压力的条件下进行仿真计算，这样求解出的摩擦力矩就是由于凸状的螺母所引起的螺母和螺栓螺纹牙之间的附加摩擦力矩.

而获得螺母和被联接件之间不产生压力条件最简单可行的方法就是去掉模型中的被联接件，对凸螺母施加固定约束，而将凹螺母拧紧，在螺栓头部施加一定的松退转角，就可以求解出螺母和螺栓发生相对转动趋势或转动时螺母和螺栓螺纹牙之间的附加摩擦力矩.

2.1 有限元仿真模型建立

取某轨道车辆车钩的高强度联接螺栓为研究对象，螺栓的基本参数为：纹公称直径为d=36mm，中经为d2=33.402 mm，小径d1=31.670mm，螺距为P=4 mm，螺旋升角为α=2.183°，螺栓螺纹牙型为粗牙普通螺纹，旋向为右旋.HLN硬锁螺母凹凸螺母螺纹圈数分别为3圈、6圈，锥面锥角为5°.M36高强度螺栓和母螺的材料均取为42CrMo，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.33，屈服强度极限940 MPa.

螺纹部分为研究重点，对模型非关键处进行合理简化，同时忽略被联接件，HLN硬锁螺母的三维几何模型如图3所示；HLN硬锁螺母及标准螺母与标准螺栓配合的有限元分析网格图如图4所示，生成的节点数分别为566 604和505 178个，单元数428 160和393 728个，单元类型为C3D8R.由于HLN硬锁螺母结构的特殊性，在定义接触属性时设置螺纹接触为双侧接触.根据凹螺母、凸螺母和螺栓的材料，所有接触对的摩擦系均取0.1.

(a)凹螺母 (b)凸螺母

(a)HLN硬锁螺母 (b)标准螺母螺

分析步为两步，第一步是对螺母和螺栓施加固定约束，通过软件的过盈计算功能计算接触对之间的接触力和应力等；第二步保持对螺母施加固定约束，在螺栓头部施加12°的松退转角，求解出螺母和螺栓发生相对转动时螺母和螺栓螺纹牙之间的附加摩擦力矩、接触力和应力等.为了节省计算时间和容量，仅计算到对螺栓头部施加1.5°的松退转角.

三月份，棍噶扎勒参率领僧徒与起事者抗衡之时，塔尔巴哈台城内的起事者势力以礼拜寺为中心四处蔓延。此时，塔尔巴哈台起事发生已近四个月，塔尔巴哈台城被困近三个月，城内无法逃跑之几万名军民被回民军围困的陷入饿死的边缘。棍噶扎勒参回寺后，坐立不安，沿途耳闻目睹的塔尔巴哈台惨状。[注]噶桑勒协著，吴钧译：《察罕呼图克图衮噶嘉勒赞传》，甘肃人民出版社，2002年，第32～33页。正此时，塔尔巴哈台城内被围困官员和民众，又派人前来请求棍噶扎勒参继续率军解围塔尔巴哈台城。[注]噶桑勒协著，吴钧译：《察罕呼图克图衮噶嘉勒赞传》，甘肃人民出版社，2002年，第33页。

2.2 有限元仿真结果分析

2.2.1 偏心距HLN硬锁螺母防松性能的影响

为了研究凸螺母的偏心距离对防松性能的影响，用有限元法对三个偏心距25、50和75 μm的凸螺母模型进行有限元仿真.图5为三个模型的HLN硬锁螺母联接在松退1.5°过程中各自克服的螺纹副摩擦力矩变化情况的拟合曲线.图中横座标分析全历程1对应的是松退角12°，所以历程0.125对应的是松退角1.5°.从曲线图5 可以看出，三个偏心距HLN硬锁螺母联接的螺纹副摩擦力矩随松退转角的变化规律一致，松退转角由0°～0.3°时(横座标为0.025)之间，螺纹副摩擦力矩快速增加，三个偏心距25、50和75 μm对应的螺纹副摩擦力矩分别达到约500 000，900 000 和1250000N·m；松退转角达到0.3°之后，螺纹副摩擦力矩增加的速率大大降低.显然，凸螺母偏心距越大，HLN硬锁螺母松退时需要克服的螺纹副摩擦力矩越大，说明偏心距越大新型螺母防松性能越好.

图5 螺纹副摩擦力矩变化曲线图

表1为松退过程中各联接螺母克服的螺纹副摩擦力矩随转角的变化数值.表中数据表明，HLN硬锁螺母的防松效果非常好，松退过程中克服的螺纹副摩擦力矩相对标准螺母大幅增加，偏心距为25 μm的新型螺母松退1.5°时克服的螺纹副摩擦力矩就已经达到639 251 N·mm，而且随着偏心距的增加其螺纹副接触面间的摩擦力矩也随之增大，偏心距为50和75 μm的新型螺母松退1.5°时克服的螺纹副摩擦力矩分别为1 193 263和1 372 653 N·mm.

表1 松退过程中各联接螺母克服的螺纹副摩擦力矩 N·mm

2.2.2 凹螺母拧紧后HLN硬锁螺母联接的等效应力分析

(a)凹螺母

三种偏心距的HLN硬锁螺母在拧紧凹螺母后螺栓的等效应力分布规律相同，只是最大应力的数值不同，为节省篇幅在此仅给出偏心距为50μm的HLN硬锁螺母在拧紧凹螺母后螺栓螺纹部分的等效应力分布云图，见图7.由图可知，螺栓与凹螺母接触部分的等效应力的高应力区分布在与凸螺母偏心一侧相对的接触位置；螺栓与凸螺母接触部分的等效应力的高应力区分布在凸螺母偏心一侧的接触位置；而且与凸螺母接触部分的最大等效应力大于凹螺母接触部分的最大等效应力.而且偏心距越大，螺栓的最大等效应力越大；偏心距为25、50和75 μm时，螺栓的最大等效应分别约为466、575 和682 MPa.三种偏心距时，螺栓的最大等效应力值均小于材料的屈服强度极限940 MPa，即满足强度条件.

(a)凸螺母偏心一侧

螺栓螺纹的应力分布规律符合新型螺母的结构特点，即应力分布较大的区域均在与凹凸螺母贴紧配合的一侧.

3 结论

综上分析，在实际应用HLN硬锁螺母时，凸螺母拧紧后将产生一定的预紧力，当螺纹有相对转动趋势时，这个预紧力就会与普通螺纹联接一样，在螺纹之间产生摩擦力矩；当再次拧紧凹螺母后，由于凸螺母锥面偏心的作用，凹凸螺母间还将产生径向抱紧力，从而产生相当大的附加螺纹副摩擦力矩，而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趋于更紧，这样当HLN硬锁螺母试图在各种因素的作用下产生松退时，需要克服非常大的螺纹副摩擦力矩，因而，HLN硬锁螺母具有极强的防松能力.

HLN硬锁螺母凸螺母锥面偏心距越大，防松性能越高；但螺纹接触面处的应力也就越大.因此，HLN硬锁螺母应用中要对凸螺母锥面偏心距进行优化设计，以获得联接强度和防松性能皆佳的螺栓联接.