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

　　在現(xiàn)代機(jī)械中，緊固件的數(shù)量約占機(jī)器零件總數(shù)量的60%，其中螺紋聯(lián)接是機(jī)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(dòng)作用下，以及工作溫度變化較大時(shí)，螺母的松動(dòng)、松脫時(shí)有發(fā)生。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[1]，世界各國(guó)因緊固件松動(dòng)、松脫所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億以上。因此，如何簡(jiǎn)單有效地防止螺母的松動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)十分重要而又迫切的課題。
 

　　近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者在螺母的防松方面進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)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(jī)械防松等。研究者對(duì)防松螺紋聯(lián)接應(yīng)用于一些特定場(chǎng)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(duì)鐵路中螺紋聯(lián)接松動(dòng)的特點(diǎn)所研制開(kāi)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(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始嘗試從材料入手來(lái)解決螺母松動(dòng)問(wèn)題，并取得了一定的成效。比如美國(guó)F15，F(xiàn)16軍用戰(zhàn)斗機(jī)所采用的形狀記憶合金(簡(jiǎn)稱(chēng)SMA)智能螺栓組和管接頭，成功地解決了飛機(jī)中關(guān)鍵聯(lián)接螺栓和管接頭的松動(dòng)問(wèn)題。但這里所用的SMA為價(jià)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(dòng)問(wèn)題的解決提出了一個(gè)很好的思路。
 

　　1、螺紋聯(lián)接松動(dòng)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致聯(lián)接的松動(dòng)。早Shin ji KASEI等人[6]通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試分析，認(rèn)為螺紋聯(lián)接自動(dòng)松動(dòng)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(jìn)行了進(jìn)一步的研究，認(rèn)為螺紋聯(lián)接自動(dòng)松脫的原因主要有3個(gè)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(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用也表明：螺紋聯(lián)接在橫向振動(dòng)下比在軸向振動(dòng)下更容易松動(dòng)，較強(qiáng)烈的軸向振動(dòng)作用較長(zhǎng)時(shí)間后，可能使預(yù)緊力下降30%~40%，但是通常不會(huì)全部喪失預(yù)緊力；而強(qiáng)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(dòng)載荷(振動(dòng)、沖擊和交變載荷等)以及由其引起的橫向振動(dòng)是導(dǎo)致螺紋松動(dòng)的主要原因。
 

　　目前，針對(duì)上述螺母發(fā)生松動(dòng)的原因，主要通過(guò)以下3種途徑來(lái)防止[1]：(1)防止摩擦力矩減少到臨界值以下；(2)阻尼振動(dòng)，防止過(guò)強(qiáng)的力作用于螺紋聯(lián)接；(3)防止螺紋副之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。迄今為止國(guó)內(nèi)外研制開(kāi)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(jī)理，通過(guò)第1條途徑來(lái)防止松動(dòng)(如ST2型螺母、凹凸型螺母等)；或是利用機(jī)械防松和止動(dòng)的原理，通過(guò)第2條或第3條途徑來(lái)達(dá)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(lái)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(guò)高不易推廣等。因此，迄今為止，螺紋聯(lián)接的松動(dòng)問(wèn)題仍沒(méi)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(dòng)問(wèn)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(kāi)發(fā)一種具有防松功能的新型螺母。這種螺母的特點(diǎn)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(dòng)。這種螺母由于其本身的性能對(duì)上述防松的3種途徑均有所考慮：
 

　　對(duì)于第1條途徑，由于鐵基SMA的形狀記憶效應(yīng)(簡(jiǎn)稱(chēng)SME)和恢復(fù)效應(yīng)，螺母在恢復(fù)加熱處理之后，會(huì)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(dòng)、沖擊過(guò)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(duì)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(dòng)和動(dòng)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(duì)于第3條途徑，由于恢復(fù)力的存在，而且振動(dòng)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(duì)螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)比普通螺母要困難些，因而能有效地防止松動(dòng)。
 

　　2.1設(shè)計(jì)構(gòu)思
 

　　新型防松螺母由價(jià)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(kuò)孔變形至標(biāo)準(zhǔn)螺母內(nèi)螺紋的尺寸，按規(guī)定力矩?cái)Q緊后，,對(duì)螺母加熱，螺母就會(huì)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)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(diǎn)(馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度)以上時(shí)，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(huì)全部或部分恢復(fù)，但因受到螺栓螺紋牙的約束，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(duì)較小、變形量較大的特點(diǎn)，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(lái)傳統(tǒng)技術(shù)和方法未能解決的螺紋緊固件的松動(dòng)、松脫和疲勞斷裂問(wèn)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(gè)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(shí)，該力矩可通過(guò)式(1)計(jì)算[1]：摘自(中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)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(guò)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(huì)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(jìn)行了徑向的預(yù)變形，在恢復(fù)加熱過(guò)程中就會(huì)發(fā)生徑向收縮，收縮過(guò)程中因受到螺栓的約束作用產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，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(chēng)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(xiàng)，因此可以達(dá)到很好的防松效果。
 

　　這里以M10 mmX1.5 mm的螺紋配合為例進(jìn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(jiàn)新型放松螺母具有很好的靜態(tài)放松性能。
 

　　2.3試驗(yàn)研究
 

　　為了驗(yàn)證鐵基形狀記憶合金螺母的防松效果，利用擴(kuò)徑棒使蜾母母材(經(jīng)過(guò)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(jìn)行適當(dāng)溫度的恢復(fù)加熱處理，即可達(dá)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。
 

　　試驗(yàn)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(dòng)力矩提高了21. 48%；當(dāng)恢復(fù)溫度為400℃時(shí),其松動(dòng)力矩可提高200.98%，與上述的理論計(jì)算結(jié)果基本相近。(2)借助于疲勞試驗(yàn)機(jī)(工作頻率為80~ 250 Hz)和螺栓組試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了在相同預(yù)緊力和振動(dòng)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(cè)試表明，防松螺母具有較高的防松壽命，普通螺母在振動(dòng)10000次后發(fā)生松動(dòng),而防松螺母的振動(dòng)壽命達(dá)到了50000次(對(duì)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(huì)有所提高。
 

　　螺紋聯(lián)接相對(duì)其它聯(lián)接方式的優(yōu)勢(shì)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(guò)控制合金恢復(fù)退火溫度的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)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(duì)螺母進(jìn)行恢復(fù)退火，在每一溫度下退火后，測(cè)試其松動(dòng)力矩，然后將螺母用相同預(yù)緊力重新預(yù)緊，再對(duì)螺母進(jìn)行恢復(fù)退火，重復(fù)上述過(guò)程所得試驗(yàn)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(dá)到一定溫度時(shí)，自鎖摩擦力矩的增加量開(kāi)始逐漸減小。對(duì)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(jìn)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。總之，通過(guò)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(yàn)都表明，鐵基形狀記憶合金智能螺母在不改變?cè)菽附Y(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(dá)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(yùn)輸?shù)陌踩疫€能廣泛地應(yīng)用于如汽車(chē)、飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等振動(dòng)劇烈、聯(lián)接要求高的各種場(chǎng)合，可帶來(lái)較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。