李天雷¹，李　宏²，邓智昌²，王　卓²，丁晓宇¹
（1.北京理工大学机械与车辆学院，北京，100081；2.内蒙古机械集团有限公司，内蒙古包头　014030）

　　螺纹连接优点众多，是机械产品中应用Z广泛的连接方式之一。螺栓连接结构的松动不仅会降低预紧力，而且还会诱发螺栓断裂^[1]，造成严重事故。常用的防松方法有很多，其中楔形螺母是近些年受关注度较高的防松产品。20世纪70年代美国底特律工具公司经过长期研究，设计出楔形螺母，有效地解决了螺栓连接的松动问题^[2]。楔形螺母凭借其良好的防松性能，在汽车工业、工程机械、铁路系统和轨道交通、医疗、航天等领域得到很好的应用。近年来，楔形螺母在工程领域的应用研究仍在继续。许克杨等人^[3]介绍了楔形角螺纹在主齿凸缘螺母的应用，改善了主齿凸缘螺母的松脱问题；朱衍顺等人^[4]对楔形螺母在重卡驱动桥壳上的应用展开研究，利用桥壳疲劳试验机验证了楔形螺母具有很好的防松效果；D.M.S.Ronden等人^[5]在医学领域GUPP（Generic Upper Port Plug）的研究上采用楔形螺母对仪器进行紧固；张挺等人^[6-7]将楔形螺母与其他紧固件进行比较研究，探究了不同紧固件的防松性能；A.S.Tremsin等人^[8]则是利用能量分辨中子透射成像法对楔形螺母进行非破坏性检测，使得楔形螺母的检测手段有了新的突破。虽然许多学者利用各种方法检验楔形螺母的防松性能，然而对于究竟采用什么样的安装工艺才能确保Z优的防松性能并未给出说明。公开文献资料中也缺乏对其拧紧工艺的相关参考。笔者通过试验来探究初始轴向预紧力对楔形螺母防松性能的影响。
　　1　试验研究
　　1.1　理论分析
　　20世纪60年代后期，德国工程师G.H.Junker[9]从横向动载条件入手展开对螺栓连接松动问题的研究，对螺栓连接件施加横向振动载荷，发现螺栓连接在横向动载的条件下非常容易发生松动，于是Junker设计了横向振动试验机。横向振动试验机如图2所示，被测螺栓通过螺母紧固到往复运动的活动板和固定架上，滚动轴承用来减小活动板和基座之间的摩擦，活动板通过连杆与偏心轮相连而受到往复循环的横向载荷，试验螺栓的轴向力以及施加的横向力通过力传感器测得，往复活动板的位移由位移传感器测量得到。通过预紧力的衰减曲线，可以分析螺栓的防松性能。Junker的研究工作深化了人们对于螺栓连接松动机理的认识，他设计的试验方法和设备后来也被其他学者广泛采用，并被称为Junker测试（或Junker试验）。利用横向振动试验机，可以用来探究初始轴向预紧力对楔形螺母防松性能的影响。

　　1.2　横向振动试验
　　横向振动试验如表1所列。试验中，楔形螺母及螺栓的材料均为45，强度等级均为8.8级，为保证试验安全，要求轴向预紧力不超过螺栓屈服极限的70%（即为23kN）。按照国家标准GB/T10431—2008紧固件横向振动试验方法，试验振幅为1mm，频率为12.5Hz，振动周期为2000个。横向振动试验机可以精确控制螺栓轴向力的大小，初始轴向预紧力分别为10、12、15、18、23kN共5组，试验来观测不同初始轴向预紧力所对应螺母的松动情况，并记录不同周期对应的预紧力。

　　1.3　结果分析
　　横向振动试验机会自动记录振动过程中螺栓轴向力变化情况，检测记录的数据会同步到电脑，得到振动过程中的轴向预紧力衰减曲线，曲线的衰减斜率越低，说明防松性能越好。轴向预紧力衰减曲线如图2所示。从图2可以观察到，当楔形螺母的初始轴向预紧力为23kN时，其防松性能反而低于施加相同初始轴向力普通粗牙螺母的防松性能。在使用楔形螺母拧紧普通螺栓时，当初始轴向预紧力为10kN时，轴向预紧力下降较快，轴向预紧力的变化不稳定，由于未达到防松所需的预紧力，因而楔形螺母不能达到防松效果；当初始轴向预紧力为23kN时，楔形螺母也无法达到防松效果；能够达到防松效果的初始轴向预紧力在12~18kN之间（螺栓屈服极限的35%～55%）。

　　2　有限元计算分析
　　2.1　有限元模型的建立
　　楔形螺母连接有限元模型如图3所示。选择双线性模型来近似模拟材料的塑性特性，具体材料参数：弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，屈服极限为350MPa，切线模量为1550MPa，摩擦因数为0.15。楔形螺母连接网格的划分、单元及材料的定义、接触对的设置均在Hypermesh中完成；约束、轴向预紧力及横向周期载荷的施加均在ANSYS中实现。由图3可知，对螺栓头部施加x、y、z方向的约束，活动板下侧施加y、z方向的约束；采用PRETS179单元来进行轴向预紧力的施加；螺母的作用主要是使螺栓在轴向伸长，因此可直接将螺栓非螺纹部分“切开”，添加PRETS179单元产生轴向预紧力；在活动板的侧面施加x方向的横向周期载荷，振幅取0.1mm。

　　2.2　有限元研究
　　设定初始轴向预紧力分别为15、20、25kN，振动20个周期后，得到螺栓轴向预紧力在振动过程中的衰减仿真曲线如图4所示。由图4可知：初始轴向预紧力为15、20kN的防松效果明显好于25kN的结果；剩余轴向预紧力在第5个周期后开始稳定衰减；轴向预紧力衰减速率的快慢反映了楔形螺母防松性能的好坏。
　　初始轴向预紧力对螺纹面接触应力的影响如图5所示。提取楔形螺母上每个节距内的楔形面所受平均接触应力，轴向预紧力对楔形面接触应力的影响如图6所示。由图5、6可知：当初始轴向预紧力为15、20kN时，螺栓螺纹牙紧紧顶在楔形螺母的楔形面上，这种接触状态符合楔形螺母设计的初衷，此时轴向预紧力在不同节距上是近似均匀分布的；而当初始轴向预紧力为25kN时，由于存在显著的变形，螺栓螺纹牙与楔形螺母之间的接触区域已经不局限于楔形面上，即外螺纹牙顶和内螺纹楔形面的咬合关系被破坏，这种接触状态已经不符合楔形螺母设计的初衷，轴向预紧力在不同节距上也不再是均匀分布，此时的接触状态与普通六角螺母的螺纹接触状态相近，自然也就无法起到相应的防松效果。楔形螺母在与普通螺栓配合使用时，如果初始轴向预紧力过小，无法达到防松所需的轴向预紧力而容易松脱；结合有限元仿真结果可知，如果初始轴向预紧力过大，外螺纹牙顶和内螺纹楔形面的咬合关系被破坏，这种接触状态已经不符合楔形螺母设计的初衷，不同节距上的应力也不再是近似均匀分布，自然无法达到相应的防松效果；因此，楔形螺母在使用时不能使用过大的初始轴向预紧力。

　　3　结语
　　初始轴向预紧力控制在螺栓屈服极限35%～55%时，能够保证楔形螺母与普通螺栓连接结构达到很好的防松效果。进而推广到一般的楔形螺母，对于规格、材料、热处理工艺等条件确定的楔形螺母螺栓结构，其屈服极限值是固定的，该种规格楔形螺母的初始轴向预紧力则为其屈服极限值的35%～55%。
　　参　考　文　献
　　[1]　王　荣．汽车螺栓断裂失效分析 [J]．理化检验 - 物理分册，2005，41(9)：471-474.
　　[2]　张　力．美国施必牢 Spiralock 防松螺母：独具特色的螺纹构造无与伦比的防松性能 [J]．城市轨道交通研究，2005(5)：74-75.
　　[3]　许克杨，陈　利，潘　毅．30°楔形角螺纹在主齿凸缘螺母上应用的研究 [J]．装备制造技术，2017(4)：129-131.
　　[4]　朱衍顺，宋年秀，黄玉亭．施必牢螺纹在重卡驱动桥壳上的应用研究 [J]．青岛理工大学学报，2013，34(5)：92-95.
　　[5]　RONDEN D M S，DAMMANN A，ELZENDOORN B，et al.The remote handling compatibility analysis of the ITER genericupperport plug structure [J]. Fusion Engineering and Design，2014，89(7-8)：1009-1013.
　　[6]　张　挺，姜招喜，冯　梅，等．紧固件抗振防松性能比较[J]．金属制品，2012，38(1)：78-80.
　　[7]　陈　静．螺纹紧固件防松技术应用研究 [J]．现代制造，2017 (24)：95-96.
　　[8]　T R E M S I N A S，YAU T Y, KOCKELMANN W. N o ndestructive examination of loads in regular and self-locking Spiralock® threads through energy-resolved neutron imaging [J]. Strain，2016，52 (6)：548-558.
　　[9]　JUNKER G H. Criteria for self-loosening of fasteners under vibration [J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology，1969，44(10)：10-16. 

来源：《矿山机械》2018年5期