魏延剛，韓仁偉，傅冠銘

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028；2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司 大連機(jī)務(wù)段，遼寧 大連 116000)*

螺紋聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、聯(lián)接可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到機(jī)械、航空、建筑等各種領(lǐng)域.在應(yīng)用螺紋聯(lián)接時(shí)，必須考慮聯(lián)接防松問(wèn)題，聯(lián)接防松直接影響到機(jī)器的正常運(yùn)作.正常情況下，聯(lián)接螺紋因滿足自鎖條件而不會(huì)輕易發(fā)生自動(dòng)松脫，但是應(yīng)用到?jīng)_擊、振動(dòng)、變載和在溫差環(huán)境中的螺紋聯(lián)接，可能會(huì)因預(yù)緊力的減小或者螺紋副接觸面間摩擦力的降低而導(dǎo)致螺栓與螺母之間發(fā)生松動(dòng).發(fā)生松動(dòng)的螺紋聯(lián)接，輕者影響機(jī)器的正常運(yùn)作，重者則會(huì)釀成重大安全事故.所以，對(duì)螺紋聯(lián)接防松問(wèn)題的研究既有學(xué)術(shù)價(jià)值又具有重大的應(yīng)用價(jià)值.

近些年，國(guó)內(nèi)學(xué)者及工程技術(shù)人員針對(duì)螺紋聯(lián)接的防松措施及其機(jī)理有一些研究.2003年，李貴軒等介紹了幾種類(lèi)型的防松方法，其中包括施必牢防松螺母和唐氏螺紋防松結(jié)構(gòu)[1].2005年，朱述川等介紹了施必牢防松螺母的應(yīng)用情況，說(shuō)明了施必牢防松螺母的防松效果[2].李俊良等在2006年提出利用鐵基形狀記憶合金研制一種新型防松螺母的設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)試驗(yàn)證明了這種螺母的防松性能[3-4].2010年，楊廣雪等利用有限元軟件，分析了一種帶橫向切口的新型防松螺母，并對(duì)比分析了新型防松螺母和標(biāo)準(zhǔn)螺母的防松效果[5].2012年，宋庭鋒介紹了一種新型的防松墊圈，并通過(guò)振動(dòng)測(cè)試臺(tái)對(duì)該防松墊圈及幾種常用防松方法的防松特性和預(yù)緊力特性進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比，證明了該墊圈防松效果好、聯(lián)接可靠[6].2017年，唐羽介紹了施必牢螺紋和MJ螺紋兩種特殊的防松螺紋[7]，方子帆等研究了動(dòng)態(tài)組合載荷作用下螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)松動(dòng)機(jī)理[8].

HLN硬鎖螺母，由日本哈德洛克(Hard Lock)工業(yè)株式會(huì)社制造，世界很多國(guó)家甚至一些工業(yè)制造強(qiáng)國(guó)如英國(guó)、美國(guó)等都在訂購(gòu)使用，HLN硬鎖螺母已被我國(guó)的高鐵所采用[9～10]，由此可知，HLN硬鎖螺母的市場(chǎng)份額有多大，所以，分析研究HLN硬鎖螺母的防松性能對(duì)我國(guó)緊固件制造行業(yè)的發(fā)展具有重要意義.那么如何來(lái)驗(yàn)證HLN硬鎖螺母的防松性能呢？也就是如何計(jì)算HLN硬鎖螺母所產(chǎn)生的摩擦力矩呢？用常規(guī)力學(xué)分析的方法顯然是難以求解.然而，根據(jù)接觸力學(xué)原理，應(yīng)用有限元方法來(lái)仿真HLN硬鎖螺母螺栓聯(lián)接可以求解HLN硬鎖螺母所產(chǎn)生的摩擦力矩.

本文擬用有限元方法對(duì)某HLN硬鎖螺母進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證并研究HLN硬鎖螺母的防松原理及防松性能，為螺栓聯(lián)接的防松創(chuàng)新研究提供參考.

1 防松原理簡(jiǎn)析

圖1和圖2分別為右旋螺紋HLN硬鎖螺母的實(shí)物模型圖和采用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接的軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖.HLN硬鎖螺母由上下兩種“凹”“凸”形狀的螺母配合而成，兩者的配合面為圓錐面，凸螺母和凹螺母均與螺栓之間形成螺紋聯(lián)接.下方呈凸?fàn)畹穆菽?，在加工圓錐面時(shí)，圓錐面的軸心與螺紋軸心有稍許錯(cuò)動(dòng)，即偏心加工；上方呈凹狀的螺母圓錐面，則不作偏心加工.應(yīng)用時(shí)螺母的擰緊順序?yàn)椤跋韧购蟀肌保潘身樞驗(yàn)椤跋劝己笸埂?由于凸螺母錐面具有偏心，所以擰緊凹螺母后，凹凸螺母在一側(cè)相互擠壓，而相對(duì)應(yīng)的另一側(cè)則會(huì)產(chǎn)生間隙，也就是最大擠壓母線與最大間隙母線相差180°；即圖2軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖中的左側(cè)為最大擠壓側(cè)，右側(cè)為最大間隙側(cè).這樣，在螺紋間不僅產(chǎn)生軸向緊固力Fa，而且凸螺母在其偏心一側(cè)與螺栓之間產(chǎn)生徑向壓力Fr1，凹螺母在凸螺母偏心一側(cè)的對(duì)立側(cè)與螺栓之間也將產(chǎn)生徑向壓力Fr2，徑向壓力Fr1和Fr2不會(huì)隨螺紋之間的橫向振動(dòng)而消失，這兩處的徑向壓力在徑向平面內(nèi)形成了阻礙螺母和螺栓之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的附加摩擦力矩；而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趨于更緊，如圖2所示.螺紋之間的上述3種緊固力均產(chǎn)生阻礙螺母和螺栓之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力矩，尤其是徑向壓力Fr1和Fr2不會(huì)隨螺紋之間的橫向振動(dòng)而消失，保證了螺母穩(wěn)定的防松性能，這便是這種螺母防松的機(jī)理.

圖1 實(shí)物模型圖 圖2 采用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接軸剖面結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元仿真分析驗(yàn)證

眾所周知，標(biāo)準(zhǔn)螺母螺栓聯(lián)接若不采用其他防松措施時(shí)，擰緊螺母時(shí)是靠螺母和被聯(lián)接件之間所產(chǎn)生的壓力，而使螺栓產(chǎn)生軸向拉力，從而使螺母和螺栓的螺紋牙之間產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩，使螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間也產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩.如果不擰緊螺母，也就是不使螺母和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生壓力，則螺母和螺栓的螺紋牙之間，以及螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間都不會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩.

使用HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接，擰緊螺母時(shí)除了由于螺母和被聯(lián)接件之間所產(chǎn)生的壓力，而使螺母和螺栓的螺紋牙之間產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩，使螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間也產(chǎn)生一個(gè)摩擦力矩外，還會(huì)產(chǎn)生由于擰緊凹螺母時(shí)，凸螺母的偏心距引起的凹螺母螺紋牙、凸螺母螺紋牙與螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩.如果不擰緊凸螺母，只是擰緊凹螺母，也就是不使螺母和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生壓力，則與標(biāo)準(zhǔn)螺母螺栓聯(lián)相同，就不會(huì)產(chǎn)生由于螺母和被聯(lián)接件之間的壓力所產(chǎn)生的螺母和螺栓螺紋牙之間，以及螺母與被聯(lián)接件的接觸面之間的摩擦力矩，而只有由于凹凸螺母所引起的附加摩擦力矩.因此，為了驗(yàn)證HLN硬鎖螺母的螺栓聯(lián)接的防松性能，可在螺母和被聯(lián)接件之間不產(chǎn)生壓力的條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，這樣求解出的摩擦力矩就是由于凸?fàn)畹穆菽杆鸬穆菽负吐菟菁y牙之間的附加摩擦力矩.

而獲得螺母和被聯(lián)接件之間不產(chǎn)生壓力條件最簡(jiǎn)單可行的方法就是去掉模型中的被聯(lián)接件，對(duì)凸螺母施加固定約束，而將凹螺母擰緊，在螺栓頭部施加一定的松退轉(zhuǎn)角，就可以求解出螺母和螺栓發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母和螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩.

2.1 有限元仿真模型建立

取某軌道車(chē)輛車(chē)鉤的高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓為研究對(duì)象，螺栓的基本參數(shù)為：紋公稱(chēng)直徑為d=36mm，中經(jīng)為d2=33.402 mm，小徑d1=31.670mm，螺距為P=4 mm，螺旋升角為α=2.183°，螺栓螺紋牙型為粗牙普通螺紋，旋向?yàn)橛倚?HLN硬鎖螺母凹凸螺母螺紋圈數(shù)分別為3圈、6圈，錐面錐角為5°.M36高強(qiáng)度螺栓和母螺的材料均取為42CrMo，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度極限940 MPa.

螺紋部分為研究重點(diǎn)，對(duì)模型非關(guān)鍵處進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，同時(shí)忽略被聯(lián)接件，HLN硬鎖螺母的三維幾何模型如圖3所示；HLN硬鎖螺母及標(biāo)準(zhǔn)螺母與標(biāo)準(zhǔn)螺栓配合的有限元分析網(wǎng)格圖如圖4所示，生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為566 604和505 178個(gè)，單元數(shù)428 160和393 728個(gè)，單元類(lèi)型為C3D8R.由于HLN硬鎖螺母結(jié)構(gòu)的特殊性，在定義接觸屬性時(shí)設(shè)置螺紋接觸為雙側(cè)接觸.根據(jù)凹螺母、凸螺母和螺栓的材料，所有接觸對(duì)的摩擦系均取0.1.

(a)凹螺母 (b)凸螺母

(a)HLN硬鎖螺母 (b)標(biāo)準(zhǔn)螺母螺

分析步為兩步，第一步是對(duì)螺母和螺栓施加固定約束，通過(guò)軟件的過(guò)盈計(jì)算功能計(jì)算接觸對(duì)之間的接觸力和應(yīng)力等；第二步保持對(duì)螺母施加固定約束，在螺栓頭部施加12°的松退轉(zhuǎn)角，求解出螺母和螺栓發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母和螺栓螺紋牙之間的附加摩擦力矩、接觸力和應(yīng)力等.為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和容量，僅計(jì)算到對(duì)螺栓頭部施加1.5°的松退轉(zhuǎn)角.

三月份，棍噶扎勒參率領(lǐng)僧徒與起事者抗衡之時(shí)，塔爾巴哈臺(tái)城內(nèi)的起事者勢(shì)力以禮拜寺為中心四處蔓延。此時(shí)，塔爾巴哈臺(tái)起事發(fā)生已近四個(gè)月，塔爾巴哈臺(tái)城被困近三個(gè)月，城內(nèi)無(wú)法逃跑之幾萬(wàn)名軍民被回民軍圍困的陷入餓死的邊緣。棍噶扎勒參回寺后，坐立不安，沿途耳聞目睹的塔爾巴哈臺(tái)慘狀。[注]噶桑勒協(xié)著，吳鈞譯：《察罕呼圖克圖袞噶嘉勒贊傳》，甘肅人民出版社，2002年，第32～33頁(yè)。正此時(shí)，塔爾巴哈臺(tái)城內(nèi)被圍困官員和民眾，又派人前來(lái)請(qǐng)求棍噶扎勒參繼續(xù)率軍解圍塔爾巴哈臺(tái)城。[注]噶桑勒協(xié)著，吳鈞譯：《察罕呼圖克圖袞噶嘉勒贊傳》，甘肅人民出版社，2002年，第33頁(yè)。

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

2.2.1 偏心距HLN硬鎖螺母防松性能的影響

為了研究凸螺母的偏心距離對(duì)防松性能的影響，用有限元法對(duì)三個(gè)偏心距25、50和75 μm的凸螺母模型進(jìn)行有限元仿真.圖5為三個(gè)模型的HLN硬鎖螺母聯(lián)接在松退1.5°過(guò)程中各自克服的螺紋副摩擦力矩變化情況的擬合曲線.圖中橫座標(biāo)分析全歷程1對(duì)應(yīng)的是松退角12°，所以歷程0.125對(duì)應(yīng)的是松退角1.5°.從曲線圖5 可以看出，三個(gè)偏心距HLN硬鎖螺母聯(lián)接的螺紋副摩擦力矩隨松退轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律一致，松退轉(zhuǎn)角由0°～0.3°時(shí)(橫座標(biāo)為0.025)之間，螺紋副摩擦力矩快速增加，三個(gè)偏心距25、50和75 μm對(duì)應(yīng)的螺紋副摩擦力矩分別達(dá)到約500 000，900 000 和1250000N·m；松退轉(zhuǎn)角達(dá)到0.3°之后，螺紋副摩擦力矩增加的速率大大降低.顯然，凸螺母偏心距越大，HLN硬鎖螺母松退時(shí)需要克服的螺紋副摩擦力矩越大，說(shuō)明偏心距越大新型螺母防松性能越好.

圖5 螺紋副摩擦力矩變化曲線圖

表1為松退過(guò)程中各聯(lián)接螺母克服的螺紋副摩擦力矩隨轉(zhuǎn)角的變化數(shù)值.表中數(shù)據(jù)表明，HLN硬鎖螺母的防松效果非常好，松退過(guò)程中克服的螺紋副摩擦力矩相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)螺母大幅增加，偏心距為25 μm的新型螺母松退1.5°時(shí)克服的螺紋副摩擦力矩就已經(jīng)達(dá)到639 251 N·mm，而且隨著偏心距的增加其螺紋副接觸面間的摩擦力矩也隨之增大，偏心距為50和75 μm的新型螺母松退1.5°時(shí)克服的螺紋副摩擦力矩分別為1 193 263和1 372 653 N·mm.

表1 松退過(guò)程中各聯(lián)接螺母克服的螺紋副摩擦力矩 N·mm

2.2.2 凹螺母擰緊后HLN硬鎖螺母聯(lián)接的等效應(yīng)力分析

(a)凹螺母

三種偏心距的HLN硬鎖螺母在擰緊凹螺母后螺栓的等效應(yīng)力分布規(guī)律相同，只是最大應(yīng)力的數(shù)值不同，為節(jié)省篇幅在此僅給出偏心距為50μm的HLN硬鎖螺母在擰緊凹螺母后螺栓螺紋部分的等效應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖7.由圖可知，螺栓與凹螺母接觸部分的等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)分布在與凸螺母偏心一側(cè)相對(duì)的接觸位置；螺栓與凸螺母接觸部分的等效應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)分布在凸螺母偏心一側(cè)的接觸位置；而且與凸螺母接觸部分的最大等效應(yīng)力大于凹螺母接觸部分的最大等效應(yīng)力.而且偏心距越大，螺栓的最大等效應(yīng)力越大；偏心距為25、50和75 μm時(shí)，螺栓的最大等效應(yīng)分別約為466、575 和682 MPa.三種偏心距時(shí)，螺栓的最大等效應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度極限940 MPa，即滿足強(qiáng)度條件.

(a)凸螺母偏心一側(cè)

螺栓螺紋的應(yīng)力分布規(guī)律符合新型螺母的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即應(yīng)力分布較大的區(qū)域均在與凹凸螺母貼緊配合的一側(cè).

3 結(jié)論

綜上分析，在實(shí)際應(yīng)用HLN硬鎖螺母時(shí)，凸螺母擰緊后將產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，當(dāng)螺紋有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，這個(gè)預(yù)緊力就會(huì)與普通螺紋聯(lián)接一樣，在螺紋之間產(chǎn)生摩擦力矩；當(dāng)再次擰緊凹螺母后，由于凸螺母錐面偏心的作用，凹凸螺母間還將產(chǎn)生徑向抱緊力，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的附加螺紋副摩擦力矩，而且凸螺母的松退方向正好使凹螺母趨于更緊，這樣當(dāng)HLN硬鎖螺母試圖在各種因素的作用下產(chǎn)生松退時(shí)，需要克服非常大的螺紋副摩擦力矩，因而，HLN硬鎖螺母具有極強(qiáng)的防松能力.

HLN硬鎖螺母凸螺母錐面偏心距越大，防松性能越高；但螺紋接觸面處的應(yīng)力也就越大.因此，HLN硬鎖螺母應(yīng)用中要對(duì)凸螺母錐面偏心距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得聯(lián)接強(qiáng)度和防松性能皆佳的螺栓聯(lián)接.