技術(shù) | 自鎖螺母力矩衰減速度研究

來源：GAF螺絲君 2021-05-24 瀏覽：5706

【緊固件工業(yè)網(wǎng)】目前在航空領(lǐng)域發(fā)動機(jī)的制造，生產(chǎn)，維修中螺紋連接安全性受到了高度重視，尤其對于自鎖螺母來說，由于具有良好的抗震防松，可重復(fù)利用，因此成為了航空業(yè)廣泛采用的螺紋連接元件。

自鎖螺母采用塑性變形在螺紋副形成摩擦力以防止螺紋出現(xiàn)松動，但在重復(fù)使用中螺紋副間自鎖力矩會逐漸減少，尤其在發(fā)動機(jī)存在沖擊或者顯著載荷變動情況下，這種現(xiàn)象更加明顯。

在本研究中針對內(nèi)、外部因素對螺紋連接松動的影響進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)楹罄m(xù)航空領(lǐng)域發(fā)動機(jī)的研制、使用、維護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

一、自鎖螺母的使用周期

從自鎖螺母原理上來看，為確保螺紋連接功能和可旋和性，要求螺紋配合面之間保持一定空隙。

根據(jù)研究結(jié)構(gòu)松動模式，主要是在處于動載荷條件下螺紋之間存在相對振動進(jìn)而會降低螺紋副摩擦系數(shù)，使螺母回轉(zhuǎn)甚至出現(xiàn)松動，在航空元件中螺紋連接線是其重要元件，螺紋防松的設(shè)計(jì)對于產(chǎn)品來說具有十分重要的意義。

常見的防松方式包括三種類型：

第一，破壞螺旋副運(yùn)動關(guān)系的防松模式，主要利用焊接或充填能夠使螺母螺栓螺紋出現(xiàn)局部變形，實(shí)現(xiàn)螺紋防松的效果。

第二，機(jī)械放松，是指在擰緊螺母后可以使用附加鎖緊元件以防出現(xiàn)螺母和螺栓相對轉(zhuǎn)動的情況，常采用的是開口銷、止動墊圈等，可增加螺紋副重量和拆卸難度。

第三，摩擦力防松，主要借助增加接觸面摩擦力進(jìn)而達(dá)到螺母防松效果。

對于自鎖螺母來說，可通過螺母鎖緊區(qū)域?qū)崿F(xiàn)徑向變形進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防松效果，當(dāng)螺栓旋入自鎖螺母收口變形位置時(shí)，螺母的收口變形位置會對螺栓形成徑向擠壓作用力，進(jìn)而使螺紋形成靜摩擦力，而使螺紋表面具有抗松動力矩。

制作螺母防松無需借助其他輔助鎖緊元件，其也是目前航空領(lǐng)域元部件的重要防松措施，但隨著自鎖螺母的使用會使其自鎖力距出現(xiàn)衰減。

結(jié)合現(xiàn)有研究，對自鎖螺母經(jīng)過15次重復(fù)實(shí)驗(yàn)之后會接近自鎖力距的極限值，在使用過程中由于螺紋副鎖緊區(qū)域和裝備狀態(tài)，加工質(zhì)量等問題，導(dǎo)致其生產(chǎn)的產(chǎn)品無法達(dá)到預(yù)期壽命，因此需采取有效措施以降低自鎖螺母使用中鎖緊力矩衰減，以提高其使用周期。

二、自鎖螺母力矩衰減的影響因素分析

（一）選材和熱處理方法

結(jié)合發(fā)動機(jī)裝配位置設(shè)計(jì)工況對于航空領(lǐng)域的緊固件來說，可以選擇不銹鋼，結(jié)構(gòu)鋼或者鈦合金等多種材料進(jìn)行緊固件材料，選擇上逐漸呈現(xiàn)高強(qiáng)度和耐高溫等趨勢。在發(fā)動機(jī)自鎖螺母設(shè)計(jì)中廣泛使用一些高溫合金材料。

合理選擇材料是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。自鎖螺母的使用壽命與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究證明，螺母使用材料以及熱處理方法均會影響其自鎖螺母的力矩衰減，同時(shí)還需要注意螺紋的材料、硬度和涂層匹配性。

（二）鎖緊結(jié)構(gòu)

選擇合適的材料和控制好熱處理方法對于提升螺母的鎖緊系統(tǒng)來說具有顯著影響，但由于自鎖螺母主要依靠摩擦力進(jìn)行防松，因此防松結(jié)構(gòu)形式、尺寸在受力過程中螺紋連接件的運(yùn)動對于螺紋松動產(chǎn)生的影響是比較明顯的，因此自鎖螺母使用周期會受到螺母鎖緊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鎖緊區(qū)域變形量的影響。

第一，典型的鎖緊結(jié)構(gòu)，目前對于航空領(lǐng)域來說常使用的自鎖螺母鎖緊結(jié)構(gòu)是橢圓壓扁結(jié)構(gòu)，非金屬嵌件結(jié)構(gòu)和開槽收口結(jié)構(gòu)。

非金屬嵌件是使用非金屬材料的彈性性能以實(shí)現(xiàn)薄膜防松效果，其余均采用鎖緊區(qū)域收口變形的自鎖作用以實(shí)現(xiàn)防松。

通過對發(fā)動機(jī)中自鎖螺母的實(shí)際使用情況結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同鎖緊區(qū)域的結(jié)構(gòu)自鎖螺母的使用效果，重復(fù)使用穩(wěn)定性均會存在較大差異，利用有限元軟件對螺紋副不同鎖緊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺紋副中配體的受力變形情況會影響鎖緊區(qū)的接觸面積和受力均勻性能，并且與鎖緊性能穩(wěn)定性具有直接聯(lián)系。

三、實(shí)驗(yàn)分析

（一）自鎖螺母的材料

為進(jìn)一步分析鎖緊區(qū)域結(jié)構(gòu)變形對于鎖緊力矩衰減產(chǎn)生的影響，在本研究中以10個(gè)產(chǎn)品為一組開展鎖緊力矩性能分析。在處于室內(nèi)條件下選取相同規(guī)格的非金屬嵌件螺母以及橢圓收口，開槽收口，三點(diǎn)收口的自鎖螺母開展力矩實(shí)驗(yàn)分析，如下所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

緊固件工業(yè)網(wǎng)-上海緊固件展-自鎖螺母

通過研究發(fā)現(xiàn)，嵌件自鎖螺母依靠非金屬材料彈性性能在整個(gè)過程中外螺紋牙型具有較大的包容面積，理論上自鎖力矩衰減程度較小，但實(shí)際使用過程中采用尼龍嵌件自鎖螺母在第1、第2次實(shí)驗(yàn)中自鎖系能較好，由于受到溫度影響較大，裝配發(fā)熱之后力矩會快速衰減，使用溫度應(yīng)低于100℃，因此這種類型的自鎖螺母受非金屬材料性能溫度的影響是比較大的。

對于金屬自鎖螺母主要依靠鎖緊區(qū)域收口變形情況，對螺紋副部擠壓接觸產(chǎn)生的過盈量，相比非金屬自鎖螺母來說，該材料的使用壽命受溫度影響較小，而鎖緊區(qū)域變形以及變形量控制產(chǎn)生的影響是比較大的。

對于自鎖螺母存在開槽收口和橢圓壓扁收口這兩種變形方式，后者工藝簡單，也是國內(nèi)一些自鎖螺母常用形式。由于該變形方式僅需要依靠兩點(diǎn)接觸受力，其變形量對于自鎖力矩衰減產(chǎn)生的影響是比較大的。

開槽收口主要是指螺母尾部位置開6-8個(gè)均勻槽口之后徑向收口變形，使其能夠與外螺紋實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)過盈接觸。通過研究分析，這種變形方法相對橢圓壓變變形方法來說受力更加均勻，且鎖緊力矩比較穩(wěn)定。

對于不開槽三點(diǎn)收口的方式是新型自鎖螺母的設(shè)計(jì)方法，其能夠克服傳統(tǒng)開槽螺母的工藝缺陷，且整體受力均勻。通過現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，采用三點(diǎn)變形方法對于提升螺母使用周期來說具有十分重要的意義。

（二）鎖緊結(jié)構(gòu)尺寸

結(jié)合典型結(jié)構(gòu)螺母可實(shí)現(xiàn)自鎖鎖緊區(qū)域?yàn)楸”趫A柱形，因此其尺寸包含鎖緊區(qū)域軸向長度尺寸，外圓直徑和鎖緊區(qū)域變形量。

通過研究發(fā)現(xiàn)，在處于一定變形量條件下適當(dāng)增加鎖緊區(qū)域軸向長度可增加螺紋副接觸面積，多次擰入螺栓后擰出力矩衰減斜率減小，可提升自鎖螺母的使用周期，同時(shí)還會從一定程度上增加螺紋副的重量，該方法與實(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量控制的理念不符合。

其次，在處于相同變量條件下可以適當(dāng)改變鎖緊區(qū)域外周半徑，但整體來看衰減斜率基本一致，需要在保證首次擰入力矩不超過額定范圍下，適當(dāng)增加收口區(qū)的壁厚，可提升螺母的使用周期，鎖緊區(qū)域的變形量能夠從一定程度上反映螺紋副中徑向過盈量大小，也是影響整個(gè)螺母鎖緊性能的重要因素。

要想使自鎖螺母獲得最小鎖緊力矩，需使其具備足夠過盈量，當(dāng)過盈量較小，鎖緊力矩實(shí)驗(yàn)不合格，這種情況下可適當(dāng)增加收口變形量來提高產(chǎn)品合格率。

通過研究發(fā)現(xiàn)，收口變形量與鎖緊力矩增長并不是單純呈現(xiàn)線性關(guān)系的，尤其是橢圓壓扁收口的螺母，如果其變形量較大，會使力矩衰減斜率增加，降低螺母的使用周期。

從結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度上來看，雖然自鎖螺母有不同的連接結(jié)構(gòu)，方法，可設(shè)計(jì)為不同形式，但對于航空發(fā)動機(jī)來說要求元件的結(jié)構(gòu)緊湊，常規(guī)螺母結(jié)構(gòu)為十二角板擰結(jié)構(gòu)，自鎖收口區(qū)可實(shí)現(xiàn)自鎖螺母的功能。

為確保板擰結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常使用，要求鎖緊區(qū)域具有較大的包容面積，螺母軸向尺寸較長，現(xiàn)有的工藝可以使用簡單橢圓收口以實(shí)現(xiàn)自鎖效果，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，該結(jié)構(gòu)取消原有獨(dú)立收口變形橢圓段，適當(dāng)延長軸線位置的十二角板擰區(qū)域，在該區(qū)域中緊扣螺母板擰區(qū)域可以采用三口收口方式使其形成自鎖區(qū)。

利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可適當(dāng)提升板擰結(jié)構(gòu)的裝配穩(wěn)定性，同時(shí)還可增加自鎖區(qū)域的穩(wěn)定性。

經(jīng)過優(yōu)化之后螺母收口區(qū)是12角裝配面，在不影響板擰結(jié)構(gòu)使用的情況下可確保其自鎖性能。收口位置采用三點(diǎn)方法，其變形量相對橢圓收口來說要小，與螺栓接觸，自鎖區(qū)包容面積增加，由于收口區(qū)域受力均勻，因此會從一定程度上提升自鎖性能的穩(wěn)定性。

四、結(jié) 論

總而言之，目前自鎖螺母作為一種重要的防松產(chǎn)品，其自鎖性能穩(wěn)定性會影響產(chǎn)品連接性能。

在本研究中通過分析自鎖螺母的使用周期，闡述了優(yōu)化提升自鎖螺母周期為目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化之后，自鎖螺母鎖緊性能有顯著提升，進(jìn)一步說明該方法對于提升緊固件的維護(hù)性可靠性來說具有十分重要的意義。

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