/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

螺紋緊固件應(yīng)用于各種機(jī)器及部件的裝配連接之中。傳統(tǒng)的緊固件有一個(gè)無法避免的共性，易松脫和易脫落，尤其在劇烈震動(dòng)過程中，最終由于緊固件的自行脫落，問題會(huì)導(dǎo)致一臺(tái)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(guó)科學(xué)家和工程師的關(guān)注。為了解決這個(gè)問題，他們做了大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guó)工程師作了大量的研究后，為解決這個(gè)問題，重新設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外技術(shù)水平現(xiàn)狀

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

1）美國(guó)航天工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)特點(diǎn)

（1）高精度（精密級(jí)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(zhǎng)，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(duì)外公開。

2）美國(guó)Spiralock公司（施必牢公司）的防松螺紋技術(shù)特點(diǎn)

（1）中等精度（中等級(jí)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(huì)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(duì)螺紋尺寸控制要求較高，有時(shí)采用內(nèi)、外螺紋配對(duì)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(guó)內(nèi)無人見過該標(biāo)準(zhǔn)文本（美國(guó)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(guó)技術(shù)壟斷，其他國(guó)家并沒有此類標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)公司標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外保密，在檢測(cè)技術(shù)方面，美國(guó)施必勞公司所做的大量的試驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)，也并未公開。

1.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)水平現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，所使用的30°楔形防松螺紋大部分是美國(guó)施必勞公司生產(chǎn)的，其技術(shù)沒有公開，國(guó)內(nèi)無法直接采用。它的防松可靠性也不能滿足中國(guó)要求。美國(guó)航天協(xié)會(huì)螺紋的防松性能可靠，從美國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)可找出防松螺紋參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。將此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則運(yùn)用到米制螺紋設(shè)計(jì)，可保證米制防松螺紋的鎖緊性能。中國(guó)制訂米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)的工作原則是：將美國(guó)NAS 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則用于中國(guó)米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)。擴(kuò)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(yàn)技術(shù)信息。中國(guó)米制防松螺紋標(biāo)準(zhǔn)與美軍標(biāo)較為接近，與美國(guó)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(cè)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)的30°楔形防松螺紋檢測(cè)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(duì)其進(jìn)行綜合檢驗(yàn)。對(duì)于防松性能的檢驗(yàn)，也沒有規(guī)范的定量標(biāo)準(zhǔn)。大部分廠家在檢驗(yàn)其防松性能的時(shí)候使用的是振動(dòng)試驗(yàn)和拉力測(cè)試，用性能試驗(yàn)的方法來驗(yàn)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(gè)角度（一般為30°）的楔形斜面，且為非對(duì)稱螺紋，楔形防松螺紋的中徑在承載時(shí)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(diǎn)。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(shí)，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(diǎn)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(dòng)下，由于巨大的承載力，可能會(huì)使第一牙發(fā)生塑性形變，造成松動(dòng)。常見的標(biāo)準(zhǔn)螺紋頭幾牙就會(huì)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(huì)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?yàn)樘厥獾慕Y(jié)構(gòu)實(shí)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

[1]武文華，陰宏宇.楔形螺紋螺栓結(jié)構(gòu)防松性能實(shí)驗(yàn)研究[C].//2015中國(guó)力學(xué)大會(huì)論文集.上海：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2015：124-124.

[2]劉遠(yuǎn)模.楔形螺紋的數(shù)學(xué)關(guān)系[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008（11）：40-43.

[3]陳靜.螺紋緊固件防松技術(shù)應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代制造，2017（24）：95-96.

[4]許克楊，陳利，潘毅.30°楔形角螺紋在主齒凸緣螺母上應(yīng)用的研究[J].裝備制造技術(shù)，2017（4）：129-131.

[5]李作霖，曾忠.螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化與防松應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（23）：76-77.

[6]陳阿玲，竇志偉.防松螺紋技術(shù)的應(yīng)用研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2009（3）：17-18.