一種新型智能防松螺母的研究

　　【塑料機械網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂】為了有效地解決螺紋聯(lián)接的松動、松脫問題，提出從功能材料人手利用鐵基形狀記憶合金來研制一種新型螺母的設(shè)計思想。從理論上分析了新型螺母的防松機理,并試驗研究了螺母的靜動態(tài)防松效果和重復(fù)使用性能。試驗結(jié)果表明，新型智能螺母具有很好的靜動態(tài)防松效果，并且可以重復(fù)使用。
 

　　在現(xiàn)代機械中，緊固件的數(shù)量約占機器零件總數(shù)量的60%，其中螺紋聯(lián)接是機械聯(lián)接中使用普遍的形式之一。一般的螺紋緊固都具有自鎖性，但在變載、沖擊、振動作用下，以及工作溫度變化較大時，螺母的松動、松脫時有發(fā)生。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計[1]，世界各國因緊固件松動、松脫所造成的直接經(jīng)濟損失達數(shù)十億以上。因此，如何簡單有效地防止螺母的松動問題已經(jīng)成為一個十分重要而又迫切的課題。
 

　　近幾年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者在螺母的防松方面進行了大量的研究，開發(fā)了許多新的防松方法。這些方法多是從結(jié)構(gòu)上入手,其基本防松原理仍是摩擦防松、機械防松等。研究者對防松螺紋聯(lián)接應(yīng)用于一些特定場合已有一些非常好的思路，并研究出了許多成功的模型，采用的方案也各具特色，如ST2型防松螺母[2]、凹凸型防松螺母[3]、加鍵防松螺母[4]以及針對鐵路中螺紋聯(lián)接松動的特點所研制開發(fā)的新型防松螺母[5]等；此外還有偏心錐面防松螺母、加鎖防松螺母、防盜螺栓和切向舌簧防盜螺紋聯(lián)接件等新型螺紋聯(lián)接防松形式。這些新型的防松方法在某些工作狀況下收到了一定的防松效果。隨著新型功能材料的出現(xiàn)，目前國內(nèi)外已經(jīng)開始嘗試從材料入手來解決螺母松動問題，并取得了一定的成效。比如美國F15，F(xiàn)16軍用戰(zhàn)斗機所采用的形狀記憶合金(簡稱SMA)智能螺栓組和管接頭，成功地解決了飛機中關(guān)鍵聯(lián)接螺栓和管接頭的松動問題。但這里所用的SMA為價格昂貴的NiTi基SMA，大大限制了其推廣使用，但是為螺紋聯(lián)接松動問題的解決提出了一個很好的思路。
 

　　1、螺紋聯(lián)接松動的原因
 

　　在靜載荷作用下，緊固螺紋聯(lián)接一般都能自鎖。但在變載、沖擊、振動作用下，螺紋副之間的摩擦力矩可能減小或瞬間消失，這種現(xiàn)象多次重復(fù)后，終會導(dǎo)致聯(lián)接的松動。早Shin ji KASEI等人[6]通過靜態(tài)實驗的測試分析，認(rèn)為螺紋聯(lián)接自動松動的原因在于：當(dāng)螺紋聯(lián)接橫向力反復(fù)作用后，螺栓體的彈性扭轉(zhuǎn)變形。華南理工大學(xué)的何紅征[7]在此基礎(chǔ)上進行了進一步的研究，認(rèn)為螺紋聯(lián)接自動松脫的原因主要有3個方面：螺紋聯(lián)接體的初始變形、軸向載荷的作用以及橫向載荷的作用，其中橫向載荷起主要作用。諸多的實驗和實際使用也表明：螺紋聯(lián)接在橫向振動下比在軸向振動下更容易松動，較強烈的軸向振動作用較長時間后，可能使預(yù)緊力下降30%~40%，但是通常不會全部喪失預(yù)緊力；而強烈的橫向載荷卻往往使預(yù)緊力全部消失，緊固件脫落。因此，橫向動載荷(振動、沖擊和交變載荷等)以及由其引起的橫向振動是導(dǎo)致螺紋松動的主要原因。
 

　　目前，針對上述螺母發(fā)生松動的原因，主要通過以下3種途徑來防止[1]：(1)防止摩擦力矩減少到臨界值以下；(2)阻尼振動，防止過強的力作用于螺紋聯(lián)接；(3)防止螺紋副之間的相對轉(zhuǎn)動。迄今為止國內(nèi)外研制開發(fā)的新型防松螺母或是從結(jié)構(gòu)入手，利用摩擦防松的機理，通過第1條途徑來防止松動(如ST2型螺母、凹凸型螺母等)；或是利用機械防松和止動的原理，通過第2條或第3條途徑來達到防松的目的(如加鍵防松螺母等)。雖然也取得了一些成效，但其防松效果仍不十分理想(如ST2型螺母，其鎖緊力僅提高了10%)；或者因其需要輔助零件、輔助加工而帶來了使用上的不便(如凹凸型螺母、鍥緊自鎖螺母和新型的防松結(jié)構(gòu)等)；或者從根本上改變可拆聯(lián)接的性質(zhì)(如加鍵防松螺母)；或者因其成本過高不易推廣等。因此，迄今為止，螺紋聯(lián)接的松動問題仍沒有得到的解決。
 

　　2、鐵基形狀記憶合金智能防松螺母
 

　　為了有效地解決螺紋聯(lián)接的松動問題，本文從新型功能材料人手，利用鐵基形狀記憶合金特殊的力學(xué)性能和物理性能，研制開發(fā)一種具有防松功能的新型螺母。這種螺母的特點在于它不改變螺母原結(jié)構(gòu)，只改變材料，利用材料本身的形狀記憶特性使螺紋連接牢固而不松動。這種螺母由于其本身的性能對上述防松的3種途徑均有所考慮：
 

　　對于第1條途徑，由于鐵基SMA的形狀記憶效應(yīng)(簡稱SME)和恢復(fù)效應(yīng)，螺母在恢復(fù)加熱處理之后，會產(chǎn)生很大恢復(fù)力，此恢復(fù)力可以轉(zhuǎn)化為摩擦自鎖力矩，并且在振動、沖擊過程中始終存在，所以能有效地防止摩擦力矩降到臨界值以下。
 

　　對于第2條途徑，鐵基SMA除了具有良好的SME以外，還具有擬彈效應(yīng)。這一性質(zhì)可使由該合金制成的螺母具有良好的阻尼減振性，在沖擊、振動和動載荷作用下可以吸收部分的能量，不僅起到防松的作用，而且還提高了螺紋聯(lián)接的疲勞壽命。
 

　　對于第3條途徑，由于恢復(fù)力的存在，而且振動和沖擊在合金的擬彈性作用下又有所降低，所以這種螺母相對螺栓的轉(zhuǎn)動比普通螺母要困難些，因而能有效地防止松動。
 

　　2.1設(shè)計構(gòu)思
 

　　新型防松螺母由價格低廉、性能優(yōu)良的第3代形狀記憶合金——鐵基形狀記憶合金制成。利用這種合金的形狀記憶效應(yīng)及其在約束態(tài)下的恢復(fù)效應(yīng)，將螺母內(nèi)螺紋加工成略小于螺栓外螺紋的尺寸，然后擴孔變形至標(biāo)準(zhǔn)螺母內(nèi)螺紋的尺寸，按規(guī)定力矩擰緊后，,對螺母加熱，螺母就會收縮產(chǎn)生徑向恢復(fù)力，該恢復(fù)力可以轉(zhuǎn)化為一定的自鎖摩擦力矩，防止螺紋副之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，進而達到防松的目的；另一方面，在預(yù)緊力作用下，螺紋牙將引起彎曲變形，產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，當(dāng)螺母加熱到As點(馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度)以上時，螺紋牙的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體發(fā)生逆相變，彎曲變形就會全部或部分恢復(fù)，但因受到螺栓螺紋牙的約束，會產(chǎn)生一個軸向恢復(fù)力，該恢復(fù)力也可以轉(zhuǎn)化為自鎖摩擦力矩起到一定的防松作用。此外，利用鐵基SMA彈性模量相對較小、變形量較大的特點，可有效地調(diào)節(jié)螺栓螺距和螺母螺距的差值，減小螺母應(yīng)力集中的、二圈螺紋部位所受的應(yīng)力值,改善螺栓螺紋的受力狀態(tài)，從而使螺紋聯(lián)接疲勞斷裂的概率大大降低，從本質(zhì)上有效地解決多年來傳統(tǒng)技術(shù)和方法未能解決的螺紋緊固件的松動、松脫和疲勞斷裂問題。
 

　　2.2防松原理
 

　　與普通螺母相比，由于新型螺母本身制造材料的特殊性能，這種新型鐵基形狀記憶合金智能螺母在預(yù)緊、恢復(fù)加熱后，受到以下3個摩擦力矩的作用：
 

　　(1) 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力矩T1。鐵基合金螺母與普通螺母一樣，由于預(yù)緊力Fα的作用而受到自鎖摩擦力矩(包括螺紋副間自鎖作用產(chǎn)生的力矩和螺母、螺栓頭支撐面與被聯(lián)接件之間的摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩)的作用，由螺紋力學(xué)知識，該力矩可通過式(1)計算[1]：摘自(中國機械工業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計信息部)
 

　　(2) 軸向恢復(fù)力產(chǎn)生的自鎖摩擦力矩T2。這部分摩擦力矩是螺紋牙因受到彎曲應(yīng)力作用和螺母受力端由于受到壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體，在隨后的恢復(fù)加熱過程中由于受到約束而產(chǎn)生軸向恢復(fù)力Fα’(圖1)，F(xiàn)α’也會產(chǎn)生一定的自鎖摩擦力矩，其大小由式(2)可得到：
 

　　(3) 徑向恢復(fù)力產(chǎn)生的自鎖摩擦力矩T3。這種鐵基合金制成的螺母由于進行了徑向的預(yù)變形，在恢復(fù)加熱過程中就會發(fā)生徑向收縮，收縮過程中因受到螺栓的約束作用產(chǎn)生一個很大的徑向恢復(fù)應(yīng)力σr(圖2)。根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)力分析及有關(guān)的螺紋力學(xué)知識，該恢復(fù)力產(chǎn)生的摩擦力矩可表示如下：
 

　　式(3)中,H為螺紋牙高，H1為螺母的高度，P為螺紋螺距，α’為螺紋垂直截面的牙形半角，α為軸向截面的牙形半角，μs為螺紋面的摩擦系數(shù),d2為螺紋中徑,d為螺紋的公稱直徑。
 

所以，鐵基合金智能放松螺母的放松力矩為
 

　　由上述分析可知，與普通的螺紋聯(lián)接相比,新型螺紋聯(lián)接的防松力矩增加了0.8T2和T3兩項，因此可以達到很好的防松效果。
 

　　這里以M10 mmX1.5 mm的螺紋配合為例進行計算。根據(jù)天津大學(xué)關(guān)于鐵基形狀記憶合金管接頭的研究實驗結(jié)果[8],假設(shè)徑向恢復(fù)力(大)為150 MPa,其產(chǎn)生的自鎖摩擦力矩為:
 

　　由于軸向恢復(fù)力從理論上難以確定，這里根據(jù)M10mmX1.5mm螺母的靜態(tài)試驗結(jié)果，確定軸向恢復(fù)產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力Fα’=577. 2676 N(對應(yīng)的恢復(fù)處理溫度為400 ℃)，又由式(2)可得自鎖摩擦力矩為:
 

　　根據(jù)屈服點擰緊法[9]可確定這種螺母的預(yù)緊力大小為6 100N，由式(1)可得其對應(yīng)的自鎖摩擦力矩為：
 

　　又由式(4)可得鐵基合金螺母的防松力矩T’s =18.283 0N?m，而在同樣的預(yù)緊力下，普通螺母的1.892 2倍，可見新型放松螺母具有很好的靜態(tài)放松性能。
 

　　2.3試驗研究
 

　　為了驗證鐵基形狀記憶合金螺母的防松效果，利用擴徑棒使蜾母母材(經(jīng)過950 ℃固溶處理)內(nèi)徑預(yù)變形5%，然后攻絲制成M10 mmX1.5 mm的鐵基形狀記憶合金防松螺母，將其與螺栓在6 100 N預(yù)緊力作用下擰緊，隨后再進行適當(dāng)溫度的恢復(fù)加熱處理，即可達到防松目的。將按該工藝方法制成的防松螺母與常規(guī)螺母進行對比試驗。
 

　　試驗結(jié)果表明： (1)靜載下，在相同的預(yù)緊力下，防松螺母經(jīng)200℃退火后，與普通螺母相比，防松螺母的松動力矩提高了21. 48%；當(dāng)恢復(fù)溫度為400℃時,其松動力矩可提高200.98%，與上述的理論計算結(jié)果基本相近。(2)借助于疲勞試驗機(工作頻率為80~ 250 Hz)和螺栓組試驗臺測試了在相同預(yù)緊力和振動條件(靜載為8. 00 kN,載荷幅為4.00kN,沖擊系數(shù)為O.5)下防松螺母和普通螺母的防松壽命測試表明，防松螺母具有較高的防松壽命，普通螺母在振動10000次后發(fā)生松動,而防松螺母的振動壽命達到了50000次(對應(yīng)恢復(fù)溫度為200℃)。理論證明,若提高恢復(fù)退火溫度，鐵基形狀記憶合金螺母的防松壽命將還會有所提高。
 

　　螺紋聯(lián)接相對其它聯(lián)接方式的優(yōu)勢之一在于拆卸方便，具有較好重復(fù)使用性能。這種新型螺母的重復(fù)使用性可以通過控制合金恢復(fù)退火溫度的辦法來實現(xiàn)。為了驗證該新型智能螺母的重復(fù)使用性，這里以按上述工藝方法加工成的M10 mm螺母，在不同溫度(分別是200, 250, 300，350,400,450,500 ℃)下對螺母進行恢復(fù)退火，在每一溫度下退火后，測試其松動力矩，然后將螺母用相同預(yù)緊力重新預(yù)緊，再對螺母進行恢復(fù)退火，重復(fù)上述過程所得試驗結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，隨著恢復(fù)溫度的逐漸升高，自鎖摩擦力矩的增加量(與普通螺母比較)也逐漸增大；當(dāng)恢復(fù)溫度達到一定溫度時，自鎖摩擦力矩的增加量開始逐漸減小。對于這現(xiàn)象可以解釋為：這種防松螺母的防松性能主要決定于加熱后螺母的可恢復(fù)變形量(即可恢復(fù)的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體含量)。隨著恢復(fù)退火溫度的逐漸升高，可恢復(fù)的應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體含量逐漸升高，但應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體量是一定的，隨著恢復(fù)退火處理的反復(fù)進行，預(yù)變形所誘發(fā)的馬氏體量(即可恢復(fù)的馬氏體量)逐漸減少，結(jié)果導(dǎo)致自鎖摩擦力矩增加量逐斷下降?？傊?，通過控制退火溫度能將較大自鎖摩擦力矩分多次加到螺紋聯(lián)接中，既可使螺母能夠重復(fù)使用，又保證了螺母拆卸的方便。
 

 

　　理論和試驗都表明，鐵基形狀記憶合金智能螺母在不改變原螺母結(jié)構(gòu)尺寸的情況下與螺栓相配合，不僅可以大幅度提高自鎖摩擦力矩，達到防松、防斷的目的，而且加工方便，可以重復(fù)使用。它的研制成功不僅可以有效地保證鐵路運輸?shù)陌踩?，而且還能廣泛地應(yīng)用于如汽車、飛機、發(fā)動機等振動劇烈、聯(lián)接要求高的各種場合，可帶來較大的社會效益和經(jīng)濟效益。