螺纹前三扣受力及防松能力探讨

供稿|张振祥 / ZHANG Zhen-xiang

螺纹前三扣受力及防松能力探讨

Discussion on Threaded Force of the First Three Buckle and Thread Locking Capability

供稿|张振祥 / ZHANG Zhen-xiang

内容导读

工程技术人员常会发现，普通螺纹受力部位前端的螺纹承受的压力大，后端的螺纹受力小或者不受力，俗称普通螺纹的前三扣受力。这一现象无论是课本还是相关学术论文都很少触及。作者认为“普通螺纹的前三扣受力”现象是螺纹结构和材料的弹塑性造成的，文章阐述的观点，谨供相关科研人员和现场操作的技术人员讨论分析。

机体外螺纹连接，螺帽在外力(扭矩)作用下将工件夹紧的过程是外力使螺帽的内螺纹不断挤进螺栓的外螺纹的过程。这使得螺母受压，螺栓受拉。

螺纹前三扣受力现象

螺帽在外力(扭矩)作用下将工件夹紧的状况下，普通螺纹的轴向方向并不是全旋合长度内的螺纹都受力，而是接近工件的前三扣螺纹受力大，后面的螺纹受力小甚至不受力，这一现象是工程技术人员可以随时观察到的事实。然而，“普通螺纹前三扣受力”现象产生的原因不论是课本还是学术论文中都很少触及。前三扣受力现象是普通螺纹不能防松的一个重要原因。然而，经过测试三角螺纹、锯齿螺纹、管螺纹，甚至是MJ航空专用螺纹都会出现前三扣受力现象，笔者认为普通螺纹前三扣受力现象是由螺纹结构和所用材料造成的。

螺纹前三扣受力探因

材料性能分析

假设内外螺纹联结副使用的是绝对刚性材料(材料不会产生任何变形)。

螺帽在紧固力矩的作用下将工件夹紧，即螺母的工作面接触到工件表面并压紧，产生紧固力与反作用力。由于内外螺纹的螺距相同，材料又是绝对刚性的，因此内外螺纹的每一扣的间距都以相同的位移在减小。因为螺距相同，材料又是绝对刚性的，所以每一扣内外螺纹都同时相互接触同时受力，螺纹联结副的轴力会均匀地分配给每一扣螺纹，这样就不会有螺纹前后受力不均匀的现象。

实际生产中内外螺纹联结副使用的多为塑性材料。

紧固件联结副所使用的材料，多数是碳钢、不锈钢、铜等塑性材料。从理论上说，有力的作用就会有变形。当螺栓轴力比较小的时候，螺纹受力产生的变形量比较小，则每一扣螺纹受力比较均匀。光弹试验应该能够证实这一说法。在轴力比较小的时候，也相当于这个联结副的刚度比较大，刚度大变形自然小，全旋合长度内每一扣的变形量趋近于零，则每一扣都接触都受力。这时受力是均匀的。

随着轴力的增加，当变形量不可忽略时，前两扣螺纹受力会迅速增加，紧随其后的螺纹受力增加缓慢，再后面的螺纹受力不但不会增大而且还会减小，并最终趋近于零。这是因为在轴力的作用下，第一、二扣螺纹之间的螺距发生变化：内螺纹受压螺距减小，实际作用螺距小于正常螺距(正常螺距是螺纹加工后的实际螺距)；外螺纹受拉螺距加大，实际作用螺距大于正常螺距。此时，如果第一、二扣螺纹的剪切变形不大，则第三扣螺纹受力将减小。这是由于第一、二扣螺距的增、减叠加之和会累加到第三扣螺纹上，第三扣及以后各扣螺纹会平移，材料还具有一定的刚性，并且平移离开的量，就是前两扣螺距增减叠加之和，平移的这个距离也就是第一、二扣螺纹材料发生弹塑性变形的累积，使得第三扣及以后各扣螺纹接触压力减小了。依此类推，如果，第一、二扣螺纹的剪切变形和弹性变形大于螺距变形的累加之和，因紧固力矩的作用，则螺母会发生相对转动，相当于外螺纹平移，以后各扣内外螺纹相互靠近，则第三扣螺纹受力加大。如果前两扣螺纹，没有发生剪切变形，从第三扣起，以后各扣螺纹受力逐渐减少。

螺纹螺距分析

螺纹联结副的螺距相等，也是产生螺纹受力不均匀的原因之一。如果螺纹的螺距互不相等——第二扣以后的螺距减小量能够刚好抵消前一扣及前几扣螺距的变形量之和，则每一扣的受力将均匀一致。如此，螺母、螺栓的螺距应该是一个变化的数列，理论上能够避免螺纹前三扣受力的不利情况发生。然而，实际生产加工中这样的螺纹将很难进行加工。另外，螺纹的变形量也是随着受力大小的变化而变化，不是一个定值。

螺纹牙型分析

螺纹牙型角一致也是产生螺纹前三扣受力的原因之一。内外螺纹牙型角一致，使得内外螺纹牙根处受剪切力最大(目前螺纹的破坏形势以剪切破坏为主)。如果内螺纹牙型顶角大于外螺纹牙型顶角(反之亦然)。则外螺纹牙顶与内螺纹牙根相接触，内螺纹牙根受剪切力，外螺纹牙根底部和内螺纹牙顶不接触，处于空隙状态。此时外螺纹牙顶受悬臂力，外螺纹在悬臂力作用下产生的变形较大，前三扣受力现象将得以改善。

MJ航空专用螺纹防松性能

我国的MJ航空专用螺纹的牙型角是60°，但内、外螺纹牙型角的极限偏差不一致，内螺纹牙型角的极限偏差大于外螺纹牙型角的极限偏差。实际生产中，由于内、外螺纹牙型角的极限偏差的存在，会有一部分螺母和螺栓配合时，外螺纹牙顶与内螺纹牙根相接触，使外螺纹形成悬臂受力。能够实现这一理想状况的螺母和螺栓不会很多，因为航空专用螺纹，它的内外螺纹牙型角的极限偏差很接近。

以M20，螺距为2.5 mm的MJ航空专用螺纹为例，内螺纹牙型角的极限偏差是 51′，外螺纹牙型角的极限偏差是39′。当内外螺纹牙型角的偏差都在39′以内时，螺母和螺栓配合有点像过渡配合，此时会有3种情况：①外螺纹牙顶与内螺纹牙底相接触；②象普通螺母那样，面面接触；③内螺纹牙顶与外螺纹牙底相接触。①、③两种情况相对于普通螺纹有利于防松。因为①、③两种情况的内、外螺纹会存储一些弹性势能，相当于增加了一个弹性垫圈。然而，由于角度偏差值很小，从而作用甚微。当内螺纹牙型角的极限偏差在39′至51′时，此时均为外螺纹牙顶与内螺纹牙底接触，这种情况有利于螺纹防松。另外，由于(51′-39′)/2差值较小，只能说外螺纹牙有存储一部分弹性势能的趋势，但实际作用很小。

最初制定航空专用螺纹牙型角的极限偏差标准的初衷应该是利于螺纹防松。然而，这份标准制定的并不完美。如果外螺纹牙型角的极限偏差选择为-39′，内螺纹牙型角的极限偏差选择为+51′，则防松的理念就更加明确了，防松的意义也大一些。笔者认为，牙型角的极限偏差再大一些会更好。较大牙型角极限偏差的螺纹连接会形成外螺纹牙顶与内螺纹牙底相接触的形式，即形成外螺纹悬臂受力的有利于螺纹防松的紧固形式。相对于普通螺纹来说，就相当于增加了弹性系数很大的弹性垫圈。在外加扭矩作用下，它能够存储很大的弹性势能，能够补偿、抵消较轻微震动产生的松懈力。从螺纹防松的意义上说，牙型角的较大极限偏差也仅仅是具备了防松的一个条件。毕竟，螺纹防松还需要内外螺纹之间保持足够强大的径向作用力。

新型防松螺母

笔者在变牙型防松螺母的启发下，设计了一种双变牙型防松螺母，经防松性能检测，防松能力为91.4%～96.3%。可以说，双变牙型防松螺母(如图1所示)很好地解决了螺纹前三扣受力的问题。

普通螺纹螺栓外螺纹牙顶与双变牙型防松螺母内螺纹牙底部接触处，外螺纹牙顶接触面积较小从而变形较大，因此普通螺纹螺栓与双变牙型防松螺母全旋合长度内每一扣螺纹都将受力。

选择4级M12双变牙型防松螺母和普通螺母进行扭力对比试验。用200 N · m级扭矩扳手，从0到60 N · m施加扭矩。普通螺母从开始显示产生紧固扭矩后，再旋转30°即达到60 N · m。双变牙型防松螺母从开始显示紧固扭矩后，再旋转90°才达到60 N · m。由此计算双变牙型防松螺母其变形量为60°/360°×1.75 mm = 0.292 mm。因此，实测双变牙型4级M12螺母在0～60 N · m的紧固力矩作用下变形量为0.292 mm，这个变形量大于螺纹副在紧固力矩作用下螺纹牙产生的拉压弹塑性变形量，从而使双变牙型防松螺母很好地解决了防松问题。

双变牙型防松螺母防松原理：1)外螺纹牙顶受力。外螺纹在外力的作用下产生了弹性变形，从而储存了比较强大弹性势能，犹如在螺纹连接副中增加了弹性系数很大的弹簧垫圈这样就能够抵消螺母与螺栓在震动中产生的松懈力。2)双变牙型防松螺纹全旋合长度内每一扣螺纹均受力，而且受力比较均匀，避免了螺纹前三扣受力现象的产生。3)防松斜面在内外螺纹之间产生了很大的径向力，使内外螺纹之间不能发生任何方向的移动、转动。

双变牙型防松螺母还通过了航天部门的防松性能检测：在0.75倍最大扭矩下高频震动3万次不出现松动者为合格。双变牙型防松螺母还在0.6倍、0.5倍最大扭矩下高频震动3万次没有出现松动。

图1 双变牙型防松螺母与普通螺栓的配合状态图

图2 防松性能检测试验台

变牙型、双变牙型属于结构防松，只改变了螺纹牙型，适合于普通外螺纹。螺母所用材质同普通国标螺母一样。双变牙型防松螺母防松系数高，抗震防松性能强，防松性能可靠，可重复使用。双变牙型防松螺纹不受温度变化及环境酸碱度的影响，应用环境范围广泛。双变牙型防松螺母尺寸规格与国标螺母一样，和标准的外螺纹匹配无需任何辅助锁紧元件(如弹簧垫圈止动垫片等)，安装没有方向性，安装拆卸所用工具也与国标螺母一样。双变牙型防松螺母适合所有国标螺母及特殊的外形要求。

张振祥，男，1982年毕业于齐齐哈尔铁路工程学校，在铁道部北京工程机械厂技术科工作，参与试制铁路货场用小型缓冲器、铁路货车用ST系列闸调器等。1987年—1992年在清华夜大机械制造及自动化专业学习。1992年—2000年在铁道部北京工程机械厂钢结构车间任助理工程师、工程师，负责钢结构工艺安排。2000年调入铁道部驻厂验收室，从事铁路产验收工作。

铁道部驻北京(南口)机车车辆验收室，北京 102202

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.12