自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用…

作者:刘荣清 ,秋黎凤(1.棉纺手册编写组,上海200092;2.全国纺织器材科技信息中心,陕西咸阳712000)

 

各种机器及部件在连接装配中离不开紧固件,但是,如果紧固件在机械运转中产生松脱,会导致部件或整台设备的损坏、解体,甚至酿成重大的机械事

故或人身事故。为解决紧固件的松脱,从螺纹紧固件诞生开始,许多国家技术人员做了大量的试验研究,他们采用弹簧垫圈、销钉、尼龙嵌入、变形螺纹、双螺母拼刹、强力胶粘结等方法,能在一定程度上延缓紧固件自行松脱的时间,但是没有根本解决问题。

20世纪70年代,美国底特螺纹工具公司,经过长期研究,发现螺纹紧固件松脱问题的关键在于螺纹结构形状。在研究紧固件螺纹的形状及受力情况后,重新设计螺纹的几何形状,称为SPIRALOCK,意译为自锁螺旋线,中文译名“施必牢”,简称为自锁螺母,从根本上解决了紧固件的自行松脱问题。施必牢自锁螺母已广泛应用于国内外航天、航空、军工、汽车、港口机械、柴油机、铁道机车、磁悬浮轨道、工程机械、医疗器械等行业,在纺织工业、纺机、纺器行业也有广泛的使用前景。

1 自锁螺母的防松原理

自锁螺母的防松原理在于它的独特结构。如图1,在阴螺纹的牙底有一个30。的楔形斜面,当螺栓、螺母相互拧紧时,螺栓的牙尖就紧紧地顶在自锁螺纹的楔形面上,从而产生很大的锁紧力。由于牙形的角度改变,使螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角,而不是象普通螺纹那样形成30°角。显然该螺纹法向压力远远大于扣紧压力,因此所产生的防松摩擦力也就必然大大增加。图2为普通螺纹与自锁螺纹的受力状态。当螺栓张力同样为P0时,传统的60°角螺纹的法向压力P=1.15P0,而自锁螺纹由于牙底有一个30°角的楔形斜面,其法向压力的角度、大小均有改变,法向压力P=2P0,二者法向压力之比约为12:7,自锁螺纹的防松摩擦力相应地增加了。

自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用...

    自锁螺纹的楔形面还可以清除普通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。普通螺纹——60°角V形螺纹,在其第一螺纹啮合面和第二螺纹啮合面承载了70 ~80 的负荷,而以后几个啮合面承受的负荷很少。这样一来普通螺纹紧固件在工作振动负荷条件下,就很容易克服螺纹接触面上的锁紧力而产生转动,进而松脱,这就是普通螺纹紧固件松脱的原因所在。

自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用...

    由于普通螺纹紧固件主要受力点仅仅是螺母的第一、第二牙螺纹接触处,其余各牙基本不受力,因此当拧紧力矩较大时,应力集中在第一牙螺纹处,第

一牙螺纹很容易产生弯曲和剪切变形,只有这样,才使第二牙螺纹面承受应力并产生锁紧力。由此类推,承载负荷面将受力逐个传递,相应造成螺纹依次的剪切和磨损,各牙的剪切和磨损破坏严重,导致螺母和螺纹强度大幅度下降,最终导致滑丝。而自锁螺纹由于结构独特,全部螺栓牙尖紧紧地顶在30。楔形斜面上,而且螺旋线上每牙承受的负载都比较均匀,同样负荷能分散到每个面、每个点上,使螺纹上各处产生防松摩擦力相近,能够有效抗阻横向振动。据密西根大学的研究,自锁螺纹第一个承受负载面承受17 的负荷,而最后一个承载面也承受12.5 的负荷。因此它的每牙螺纹能均匀承受负载,不存在应力集中,就不易产生松脱或滑牙问题,疲劳强度也得到成倍的改善。

美国麻省理工学院(MIT)研究指出:SPIRALOCK 自锁螺纹与普通螺纹相比其抗侧向移动的能力,前者比后者大3倍,且螺纹受力均匀,每牙、每周都均匀承受负载,如图3所示。实验室用容克式(JUNKERS)振动试验机作横向负载振动试验,显示自锁螺纹具有优异的抗振动能力。如图4,一种是普通标准螺母,另一种是有效力矩锁紧螺母,还有一种是施必牢自锁螺母;用同样的标准螺栓和紧固负载力矩,同样的振幅频率;在同台试验机上试验2min,结果是:普通螺母几乎全部松脱,失去全部锁紧能力;有效力矩锁紧螺母失去7O 的锁紧能力,而施必牢白锁螺母在2 min内仍保持良好的白锁能力。

自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用...

自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用...

    在以上试验的基础上,对三种螺母的重复使用性作进一步横向振动试验:施必牢自锁螺母能重复使用,经过反复拧紧和拧松,其自锁力不会衰减,保

持螺母原有锁紧效果;而普通螺母和有效力矩锁紧螺母,其锁紧力不断衰减,乃至完全丧失能力。

2 自锁螺母的优点

a)可靠的防振、防松性能;

b)可提高螺母及螺栓的使用寿命,可重复使用;

c)不受温度剧烈变化的影响,应用范围广;

d)自由旋转型,直到拧紧时才施加力矩,方便装、卸;

e)尺寸规格不受限制,能与标准螺栓匹配;

f)无需任何辅助锁紧元件,如弹簧垫圈、止动垫片等;样防松,防振性能的自锁螺孔,用于需要的场合;

h)自锁螺母对克服软质材料(如铝合金)滑牙问题有显著效果。

3 自锁螺母的应用

a)适用温度剧烈变化,环境异常恶劣的条件下,同时承受巨大振动负荷的场合,经过10次反复使用均无螺母松脱发生;

b)适用承受巨大振动的工作条件,如0 kHz-2 kHz高架轨道梁的振动;

c)适用承受强力冲击、颤动、弯曲负载的场合;

d)适用快速制动系统,在制动盘310°c高温下,具有良好的防松性能;

e)适用往复转动、移动、速度频繁变换机件的紧固;

f)适用永久性不能松动、滑脱机件连接的应用,如人造关节、人造膝等的连结器材;

g)可作为弹簧的可调螺母,具有良好的可调和自锁性能。

h)适用传递功率大、紧固要求高的场合,如主传动轴。

4 在纺织行业上的应用

纺织、纺机、纺器行业的开清棉打击机件、梳棉机锡林、精梳机钳板、分梳、分离机构;并条机和粗纱机开关车和制动机构;细纱机主传动轴、织机的开口、弓l纬、打纬机构;浆纱机、染整机的高温烘筒以及弹簧摇架、棉条筒万向轮、综框连接件等都对紧固件具有较高的要求,可以积极推广自锁螺母新技术。

5 结束语

自锁螺母是对传统螺纹技术的一次革命,目前已进入众多领域,应用范围不断扩大,我国铁路、港口、钢铁、汽车、桥梁、地铁等已广泛应用,纺织行业应用前景良好。

参考文献

[1]上海底特精密紧固件有限公司.美国施必牢独资公司有关技术资料[Z].

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