余 威，李建剛，黃 帥，劉婭婷，閆 路，李連鵬，林萬鵬，余磊磊

(1.北京首航科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

0 引言

楔形螺紋又稱自鎖內(nèi)螺紋、預(yù)載荷鎖緊螺紋，是一種新型的不加任何鎖緊機(jī)構(gòu)但具有鎖緊功能的內(nèi)螺紋，其防松能力大大高于有效力矩螺母，已被世界上許多國家使用。目前有美國軍方螺紋標(biāo)準(zhǔn)NASM85353-2000《施必牢螺紋》[1]和我國機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10971-2010《30°楔形防松螺紋》[2]。國外施必勞螺紋已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、高鐵領(lǐng)域，國內(nèi)以民用汽車、高鐵領(lǐng)域居多，軍工領(lǐng)域應(yīng)用極少。國內(nèi)雖然有施必勞螺紋的制造廠家，但是由于該螺紋未公開螺紋具體尺寸，因此國內(nèi)無施必勞螺紋的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。JB/T 10971-2010《30°楔形防松螺紋》標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)械部首次發(fā)布楔形螺紋具體尺寸，但對于緊固件產(chǎn)品的開發(fā)和綜合性能研究極少，本文從楔形螺紋工作原理及緊固件應(yīng)用性能方面進(jìn)行了研究。

1 楔形螺紋尺寸、工作原理及優(yōu)勢

1.1 楔形螺紋尺寸[2-3]

楔形螺紋牙型與普通螺紋牙型基本相同，唯一的區(qū)別是在內(nèi)螺紋的小徑上有一個(gè)30°的楔形斜面，見圖1。根據(jù)JB/T 10971-2010《30°楔形防松螺紋》標(biāo)準(zhǔn)，其大徑、中徑、小徑基本尺寸比普通螺紋略大，見表1。

圖1 楔形螺紋基本牙型Fig.1 Wedge thread basic tooth profile

圖2 普通螺紋基本牙型Fig.2 Basic thread basic tooth profile

規(guī)格楔形螺紋基本尺寸/mmD6D2D1普通螺紋基本尺寸/mmD6D2D1M5×08515448244381544804134M6×1618856465216653504917M8×125821675436994871886647M10×15102511156587751090268376

1.2 楔形螺紋工作原理[4-5]

與普通螺紋相比，楔形螺紋可以明顯改善螺紋的受力狀況。普通螺紋連接時(shí)，軸向力主要集中在內(nèi)螺紋的第1牙和第2牙上，其余各牙基本上不受力，因此，當(dāng)擰緊力矩較大時(shí)，應(yīng)力集中在第1、2牙螺紋處，很容易產(chǎn)生彎曲和剪切變形。承載負(fù)荷面將受力一個(gè)個(gè)牙傳遞，造成螺紋牙依次剪切和磨損，導(dǎo)致螺紋強(qiáng)度大幅度下降，最終產(chǎn)生脫扣。

楔形螺紋結(jié)構(gòu)獨(dú)特，全部螺紋牙尖緊緊地頂在30°楔形斜面上，而且螺旋線上每牙承受的負(fù)載都比較均勻，同樣負(fù)荷能分散到每個(gè)面上，使螺紋牙各處產(chǎn)生的防松摩擦力相近，能夠有效抗擊橫向振動。

(a)普通螺紋嚙合示意圖

(b)楔形螺紋嚙合示意圖圖3 楔形螺紋嚙合示意圖Fig.3 Meshing diagram of wedge thread

研究數(shù)據(jù)顯示，普通螺紋在第一螺紋嚙合面和第二螺紋嚙合面承載了70%～80%的負(fù)荷，而以后幾個(gè)嚙合面承受的負(fù)荷很少。這樣，普通螺紋緊固件在工作振動負(fù)荷條件下，就很容易克服螺紋接觸面上的鎖緊力而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動、松脫。螺紋受力分析如圖4所示。圖中顯示了楔形螺紋徑向負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向負(fù)載，因此，所產(chǎn)生的摩擦力也大大增加，達(dá)到更高的防松脫效果。

(a)普通螺紋 (b)楔形螺紋圖4 楔形螺紋和普通螺紋的受力分析Fig.4 Stress analysis of wedge thread and common thread

1.3 楔形螺紋緊固件優(yōu)勢分析[6-8]

1.3.1 螺紋結(jié)構(gòu)承載更加均勻

在普通的60°V型螺紋里，第一條旋合螺紋承受大部分夾緊負(fù)載，通過圖4受力分析可知，80%的負(fù)載落在頭兩條螺紋上。

螺紋本身就存在一些螺距誤差，因此，在無負(fù)載的情況下，所有的外螺紋從不會和內(nèi)螺紋接觸。由于普通螺紋配合為面接觸，當(dāng)施加負(fù)載時(shí)，就會隨之產(chǎn)生兩種情況。外螺紋緊固件開始在其頭部和第一條旋合螺紋之間出現(xiàn)伸展或拉長，這時(shí)，第一條旋合螺紋開始變形或偏移；當(dāng)夾緊負(fù)載繼續(xù)增加時(shí)，第二條螺紋開始承受一些負(fù)載。

在同等載荷下，獨(dú)特的楔形鎖緊螺紋就避免了這種負(fù)載集中的問題。因?yàn)檫@種螺紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使螺紋配合由面接觸變?yōu)榫€接觸。這種線接觸形式在負(fù)載下螺紋牙尖形變時(shí)，能使載荷均勻分配到每個(gè)螺紋牙，使承載更加均勻。

1.3.2 支持反復(fù)拆裝

大部分普通螺紋自鎖螺母主要靠螺紋形變產(chǎn)生徑向載荷實(shí)現(xiàn)自鎖功能，這種自鎖螺母在反復(fù)拆裝過程中主要靠材料彈性來保證自鎖。從螺紋擰入開始至產(chǎn)生軸向載荷整個(gè)裝配過程，螺紋處于大摩擦力矩和彈性變形過程中，而反復(fù)裝配后的載荷也會讓材料發(fā)生塑性變形，其自鎖功能會逐漸減小直至消失，所以這種自鎖螺母要求具備15次鎖緊性能要求。而楔形螺紋靠擰緊時(shí)的徑向載荷實(shí)現(xiàn)鎖緊，而不是螺紋變形，所以楔形螺紋緊固件在沒有軸向載荷情況下可以反復(fù)拆裝，而不喪失緊固件的鎖緊力，這是優(yōu)越于其他鎖緊緊固件的一個(gè)重要特點(diǎn)。楔形鎖緊的螺紋緊固件擰開和再擰緊達(dá)50次，而其鎖緊力無明顯損失。

1.3.3 操作簡單易裝配

在無負(fù)載情況下，楔形鎖緊螺紋要比標(biāo)準(zhǔn)螺紋的配合間隙大，這就為簡化裝配操作、特別是為自旋裝配創(chuàng)造了條件。與普通扭矩緊固件相比，這種螺紋鎖緊緊固件不管是用手工還是用于自動裝配機(jī)，都極易裝配。

1.3.4 良好的經(jīng)濟(jì)性

多數(shù)緊固件的鎖緊主要依靠彈簧墊圈、尼龍塞塊、化學(xué)黏結(jié)劑、螺紋的永久變形來實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)和安裝過程復(fù)雜，且對配合螺栓及裝配基體會造成永久性損傷，配合螺栓亦是同時(shí)更換，綜合成本較高。楔形螺紋50次以上的拆裝有效性，安裝的便利性，對基體的損傷程度小，經(jīng)濟(jì)性較普通自鎖螺母高。

1.4 楔形螺紋緊固件在航天航空典型應(yīng)用

航天、航空系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境多為振動、高溫、低溫等交叉環(huán)境，較為復(fù)雜，可應(yīng)用多種楔形螺紋緊固件，如楔形螺紋螺套、楔形螺紋法蘭面螺母及楔形螺紋托板螺母等[9]。北京首都科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司根據(jù)航天航空緊固件特點(diǎn)，生產(chǎn)了如下幾種類型楔形螺紋緊固件，如圖5～圖7所示。

圖5 楔形螺紋螺套Fig.5 The wedge sleeve thread

圖6 楔形螺紋法蘭面螺母Fig.6 Wedge thread flange nut

圖7 楔形螺紋單耳、雙耳、游動托板螺母Fig.7 Wedged thread single ear, double ears, moving plate nut

2 楔形螺紋緊固件防松效果研究

本文以GH2132系列楔形螺紋單耳、雙耳托板螺母產(chǎn)品(強(qiáng)度σb=1000MPa～1200MPa、精度4H、鈍化)參照QJ3079.1A-2011《全金屬自鎖螺母通用規(guī)范》[10]中常用的試驗(yàn)項(xiàng)目，研究楔形螺紋的防松效果。

2.1 最小安裝力矩試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：先將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副安裝在綜合性能試驗(yàn)機(jī)的測軸力裝置中(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)，對試驗(yàn)產(chǎn)品按梯度施加不同的安裝力矩值以測知相對應(yīng)的預(yù)緊力值，最后將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副按已測知預(yù)緊力的安裝力矩值分別安裝在振動臺上(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)進(jìn)行振動試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，可預(yù)先給定一適中安裝力矩值安裝在振動臺上做振動試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)結(jié)果，若有松脫現(xiàn)象，則按一定梯度逐次加大安裝力矩；若無松脫現(xiàn)象，則按一定梯度逐次減小安裝力矩，直至確定出最小極限安裝力矩值。要求每組試驗(yàn)產(chǎn)品做振動試驗(yàn)時(shí)只能安裝一種安裝力矩且每組試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。正弦波振動、振動頻率為30Hz、全振幅(11.43±0.4)mm，次數(shù)60000次，試驗(yàn)過程如圖8所示，扭拉系數(shù)曲線見圖9～圖12，試驗(yàn)結(jié)果詳見表2。

圖8 試驗(yàn)過程Fig.8 Test process

項(xiàng)目安裝力矩試驗(yàn)推薦最小安裝力矩RLM5×08安裝力矩/(N·m)預(yù)緊力/kN扭拉系數(shù)k振動試驗(yàn)結(jié)果345219231279031033035有松脫810121517358467500565581045043047052057無松脫10467043—RLM6×1安裝力矩/(N·m)預(yù)緊力/kN扭拉系數(shù)k振動試驗(yàn)結(jié)果358200217325035038041有松脫1012151820382461520612604043045048050055無松脫15520048—RLM8×125安裝力矩/(N·m)預(yù)緊力/kN扭拉系數(shù)k振動試驗(yàn)結(jié)果1012340334036045有松脫15202530354039644655667076683005056056056057060無松脫20446056—

圖9 RLM5×0.8 GH2132楔形螺紋托板螺母扭拉系數(shù)kFig.9 The torsional coefficient k of RLM5×0.8GH2132 wedged nut

圖10 RLM6×1.0 GH2132楔形螺紋托板螺母扭拉系數(shù)kFig.10 The torsional coefficient k of RLM6×1GH2132 wedged nut

圖11 RLM8×1.25 GH2132楔形螺紋托板螺母扭拉系數(shù)kFig.11 The torsional coefficient k of RLM8×1.25GH2132 wedged nut

圖12 3種規(guī)格GH2132楔形螺紋托板螺母扭拉系數(shù)k對比圖Fig.12 The torsional coefficient k of the 3 types ofGH2132 wedged nuts

通過該試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對試驗(yàn)產(chǎn)品施加不同的安裝力矩，預(yù)緊力隨安裝力矩增大而同步增大，扭拉系數(shù)k值隨安裝力矩增大而逐漸增大，然后逐漸穩(wěn)定。本次實(shí)驗(yàn)獲得了產(chǎn)品在正常使用條件下的最小安裝力矩。

2.2 反復(fù)拆裝50次后的振動試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：用最小安裝力矩將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副安裝在振動板上(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)，進(jìn)行50次反復(fù)安裝拆卸后，再以規(guī)定的最小安裝力矩安裝在振動臺上做振動試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)結(jié)果。要求每組振動試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。試驗(yàn)過程如圖13所示，試驗(yàn)結(jié)果詳見表3。

圖13 試驗(yàn)過程Fig.13 Test process

規(guī)格振動試驗(yàn)振動頻率振動次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果安裝力矩/(N·m)試驗(yàn)產(chǎn)品序號(振動后松脫力矩/(N·m))12345RLM5×0．830Hz60000無松脫1010．029．869．2710．139．82RLM6×1．030Hz60000無松脫1514．2114．2613．9714．2614．83RLM8×1．2530Hz60000無松脫2018．3619．1719．2518．8920．12

試驗(yàn)結(jié)果表明，GH2132楔形螺紋托板螺母在經(jīng)過50次反復(fù)拆裝后可以滿足6萬次的振動試驗(yàn)要求。

2.3 高、低溫環(huán)境下的振動試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小安裝力矩安裝振動板上(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)，進(jìn)行50次反復(fù)安裝拆卸后，再以規(guī)定的最小安裝力矩安裝在振動臺上，置于高溫100℃的環(huán)境下做振動試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)結(jié)果，若無松脫現(xiàn)象，即可認(rèn)為試驗(yàn)產(chǎn)品高溫環(huán)境下的振動試驗(yàn)合格。

將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小安裝力矩安裝在振動板上(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)，進(jìn)行50次反復(fù)安裝拆卸后，再以規(guī)定的最小安裝力矩安裝在振動臺上，置于低溫-70℃的環(huán)境下做振動試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)結(jié)果。要求每組試驗(yàn)產(chǎn)品只能做一種溫度處理且每組試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。試驗(yàn)過程如圖14所示，試驗(yàn)結(jié)果詳見表4。

(a)高溫100℃振動試驗(yàn) (b)低溫-70℃振動試驗(yàn)圖14 試驗(yàn)過程Fig.14 Test process

規(guī)格振動試驗(yàn)振動頻率振動次數(shù)試驗(yàn)結(jié)果安裝力矩/(N·m)試驗(yàn)產(chǎn)品序號(振動后松脫力矩/(N·m))12345試驗(yàn)結(jié)果RLM5×0830Hz60000100℃1010161013102010311002無松脫30Hz60000-70℃108899529749811011無松脫RLM5×1830Hz60000100℃1514991507151014961507無松脫30Hz60000-70℃1514231418149614201486無松脫RLM5×1230Hz60000100℃2018871936187519241919無松脫30Hz60000-70℃2019251886193219331905無松脫

試驗(yàn)結(jié)果表明，GH2132楔形螺紋托板螺母在高溫100℃、低溫-70℃環(huán)境下也能滿足6萬次的振動要求。

2.4 高、低溫交變處理后的松脫力矩試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小安裝力矩安裝在襯套上(夾層為鋁2A12墊片(模擬鋁基體)、粗糙度Ra3.2)，進(jìn)行50次反復(fù)安裝拆卸之后，再以規(guī)定的最小安裝力矩安裝后，進(jìn)行高溫100℃——低溫-196℃——高溫100℃——低溫-196℃交變處理，要求每次保溫時(shí)間6小時(shí)、間隔時(shí)間為6小時(shí)(其中高溫100℃處理在高溫爐中進(jìn)行，低溫-196℃處理在液氮罐中進(jìn)行，間隔時(shí)間處理為常溫放置)。反復(fù)4次循環(huán)后，對其做卸載處理，并記錄整理松脫力矩值。

要求每組試驗(yàn)產(chǎn)品必須全部經(jīng)過高溫100℃——低溫-196℃——高溫100℃——低溫-196℃交變處理，且每組試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。同時(shí)，還將未經(jīng)過高、低溫交變處理的GH2132楔形螺紋托板螺母的松脫力矩?cái)?shù)據(jù)記錄表中，作為對比參照。要求試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。試驗(yàn)過程如圖15所示，試驗(yàn)結(jié)果詳見表5。

(a)高溫爐 (b)液氮罐

(c)力矩安裝圖15 試驗(yàn)設(shè)備及過程Fig.15 Test process

項(xiàng)目高、低溫交變處理后的松脫力矩試驗(yàn)試驗(yàn)產(chǎn)品序號123456平均值RLM5×08安裝力矩/(N·m)松脫力矩/(N·m)高溫100℃、低溫-196℃交變處理常溫?zé)o交變處理10—101769856932296039711951296968780896188848756865288878820RLM6×1安裝力矩/(N·m)松脫力矩/(N·m)高溫100℃、低溫-196℃交變處理常溫?zé)o交變處理15—1367513403147221460915485132101418412823124031301112717130511284912809RLM8×125安裝力矩/(N·m)松脫力矩/(N·m)高溫100℃、低溫-196℃交變處理常溫?zé)o交變處理20—2051617153180592066519996189521922419456190292028019338191912001219551

試驗(yàn)結(jié)果表明，GH2132楔形螺紋托板螺母經(jīng)過高、低溫交變處理后的松脫力矩與常溫下的松脫力矩相比，變化不大，能在高、低溫交變環(huán)境下使用。

2.5 軸向載荷和拉脫試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓(強(qiáng)度σb=1300MPa～1600MPa、精度5g6g、GH4169材質(zhì)、鈍化)組成的螺紋副(試驗(yàn)螺栓尾部至少旋出試驗(yàn)產(chǎn)品2倍螺距)放在萬能試驗(yàn)機(jī)上，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值對其進(jìn)行軸向載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)后，若試驗(yàn)螺栓能夠輕松旋出且試驗(yàn)產(chǎn)品的內(nèi)螺紋無變形，即可認(rèn)為試驗(yàn)產(chǎn)品的軸向載荷試驗(yàn)合格。

將試驗(yàn)產(chǎn)品與試驗(yàn)螺栓組成的螺紋副(試驗(yàn)螺栓尾部至少旋出試驗(yàn)產(chǎn)品2倍螺距)放在萬能試驗(yàn)機(jī)上，施加一定的軸向載荷進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，直至試驗(yàn)產(chǎn)品的內(nèi)螺紋變形且試驗(yàn)螺栓不能輕松旋出。試驗(yàn)后，記錄該試驗(yàn)產(chǎn)品所施加的軸向載荷最大值，即為拉脫力值。要求試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量不少于5件。試驗(yàn)過程如組圖16所示，結(jié)果詳見表6。

圖16 試驗(yàn)過程Fig.16 Test process

項(xiàng)目軸向載荷和拉脫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)產(chǎn)品序號123456平均值RLM5×08軸向載荷/kN無裂紋及破壞產(chǎn)品無裂紋、破壞情況，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求—拉脫力值/kN≥15628112289772901328115276942888528466RLM6×1軸向載荷/kN無裂紋及破壞產(chǎn)品無裂紋、破壞情況，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求—拉脫力值/kN≥22135848347323511636816367643571335832RLM8×125軸向載荷/kN無裂紋及破壞產(chǎn)品無裂紋、破壞情況，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求—拉脫力值/kN≥40352643509005302152119501835082251615

試驗(yàn)結(jié)果表明，GH2132楔形螺紋托板螺母的軸向拉脫力值較大，可以滿足正常的使用要求。

3 結(jié)論

1)研制的楔形螺紋螺母振動防松效果顯著，施加一定安裝力矩，并反復(fù)拆裝50次，仍能滿足振動循環(huán)6萬次的要求；

2)研制的楔形螺紋螺母在-196℃～100℃交變溫度范圍內(nèi)，松脫力矩較常溫狀態(tài)下無變化，可滿足零件在-196℃～100℃溫度范圍內(nèi)反復(fù)使用的要求；

3)研制的楔形螺紋螺母在-70℃～100℃溫度范圍內(nèi)，振動6萬次循環(huán)不松動，防松效果無明顯降低，可滿足零件在-70℃～100℃溫度范圍內(nèi)振動環(huán)境下使用的要求；

4)依靠預(yù)緊力試驗(yàn)與振動試驗(yàn)的對比關(guān)系，摸索出不同規(guī)格楔形螺紋的最小安裝力矩；

5)楔形螺紋螺母具有安裝方便、使用可靠、實(shí)用性強(qiáng)、防松效果好等優(yōu)點(diǎn)，在一定環(huán)境下可替代部分普通自鎖螺母應(yīng)用于螺紋連接結(jié)構(gòu)；

6)由于楔形螺紋的結(jié)構(gòu)、防松特點(diǎn)，所施加力矩大于普通自鎖螺母，在擰緊時(shí)才能產(chǎn)生防松性能，卸載瞬間防松效果即消失，在某些重要連接部位設(shè)計(jì)選用時(shí)還需進(jìn)行驗(yàn)證。

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