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一種新型智能防松螺母的研究
作者:      發布時間:2019/3/29 13:42:59     來源:    點擊數:4983

摘要:為了有效地解決螺紋聯接的松動、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防松效果和重復使用性能。試驗結果表明,新型智能螺母具有很好的靜動態防松效果,并且可以重復使用。

關鍵詞:防松;螺母;鐵基形狀記憶合金

在現代機械中,緊固件的數量約占機器零件總數量的60%,其中螺紋聯接是機械聯接中使用最普遍的形式之一。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、松脫時有發生。據有關資料統計[1],世界各國因緊固件松動、松脫所造成的直接經濟損失達數十億以上。因此,如何簡單有效地防止螺母的松動問題已經成為一個十分重要而又迫切的課題。

近幾年來,國內外的許多學者在螺母的防松方面進行了大量的研究,開發了許多新的防松方法。這些方法多是從結構上入手,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接應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接松動的特點所研制開發的新型防松螺母[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接件等新型螺紋聯接防松形式。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,目前國內外已經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F15F16軍用戰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鍵聯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NiTiSMA,大大限制了其推廣使用,但是為螺紋聯接松動問題的解決提出了一個很好的思路。

    1、螺紋聯接松動的原因

在靜載荷作用下,緊固螺紋聯接一般都能自鎖。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,這種現象多次重復后,最終會導致聯接的松動。最早Shin ji KASEI等人[6]通過靜態實驗的測試分析,認為螺紋聯接自動松動的原因在于:當螺紋聯接橫向力反復作用后,螺栓體的彈性扭轉變形。華南理工大學的何紅征[7]在此基礎上進行了進一步的研究,認為螺紋聯接自動松脫的原因主要有3個方面:螺紋聯接體的初始變形、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,可能使預緊力下降30%~40%,但是通常不會全部喪失預緊力;而強烈的橫向載荷卻往往使預緊力全部消失,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致螺紋松動的主要原因。

目前,針對上述螺母發生松動的原因,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接;(3)防止螺紋副之間的相對轉動。迄今為止國內外研制開發的新型防松螺母或是從結構入手,利用摩擦防松的機理,通過第1條途徑來防止松動(ST2型螺母、凹凸型螺母等);或是利用機械防松和永久止動的原理,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(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構等);或者從根本上改變可拆聯接的性質(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,螺紋聯接的松動問題仍沒有得到完美的解決。

    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性能和物理性能,研制開發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構,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(簡稱SME)和恢復效應,螺母在恢復加熱處理之后,會產生很大恢復力,此恢復力可以轉化為摩擦自鎖力矩,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。這一性質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接的疲勞壽命。

對于第3條途徑,由于恢復力的存在,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動比普通螺母要困難些,因而能有效地防止松動。

2.1設計構思

新型防松螺母由價格低廉、性能優良的第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及其在約束態下的恢復效應,將螺母內螺紋加工成略小于螺栓外螺紋的尺寸,然后擴孔變形至標準螺母內螺紋的尺寸,按規定力矩擰緊后,,對螺母加熱,螺母就會收縮產生徑向恢復力,該恢復力可以轉化為一定的自鎖摩擦力矩,防止螺紋副之間發生相對轉動,進而達到防松的目的;另一方面,在預緊力作用下,螺紋牙將引起彎曲變形,產生應力誘發馬氏體,當螺母加熱到As(馬氏體向奧氏體轉變的開始溫度)以上時,螺紋牙的應力誘發馬氏體發生逆相變,彎曲變形就會全部或部分恢復,但因受到螺栓螺紋牙的約束,會產生一個軸向恢復力,該恢復力也可以轉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,可有效地調節螺栓螺距和螺母螺距的差值,減小螺母應力最集中的第一、二圈螺紋部位所受的應力值,改善螺栓螺紋的受力狀態,從而使螺紋聯接疲勞斷裂的概率大大降低,從本質上有效地解決多年來傳統技術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緊、恢復加熱后,受到以下3個摩擦力矩的作用:

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

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

(3) 徑向恢復力產生的自鎖摩擦力矩T3。這種鐵基合金制成的螺母由于進行了徑向的預變形,在恢復加熱過程中就會發生徑向收縮,收縮過程中因受到螺栓的約束作用產生一個很大的徑向恢復應力σr(2)。根據材料力學應力分析及有關的螺紋力學知識,該恢復力產生的摩擦力矩可表示如下:

(3),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,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,與普通的螺紋聯接相比,新型螺紋聯接的防松力矩增加了0.8T2T3兩項,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。根據天津大學關于鐵基形狀記憶合金管接頭的研究實驗結果[8],假設徑向恢復力(最大)150 MPa,其產生的自鎖摩擦力矩為:

由于軸向恢復力從理論上難以確定,這里根據M10mmX1.5mm螺母的靜態試驗結果,確定軸向恢復產生的軸向預緊力Fα’=577. 2676 N(對應的恢復處理溫度為400 ),又由式(2)可得自鎖摩擦力矩為:

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

又由式(4)可得鐵基合金螺母的防松力矩Ts =18.283 0N?m,而在同樣的預緊力下,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(經過950 ℃固溶處理)內徑預變形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預緊力作用下擰緊,隨后再進行適當溫度的恢復加熱處理,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螺母進行對比試驗。

試驗結果表明: (1)靜載下,在相同的預緊力下,防松螺母經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%;當恢復溫度為400℃時,其松動力矩可提高200.98%,與上述的理論計算結果基本相近。(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緊力和振動條件(靜載為8. 00 kN,載荷幅為4.00kN,沖擊系數為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次后發生松動,而防松螺母的振動壽命達到了50000(對應恢復溫度為200)。理論證明,若提高恢復退火溫度,鐵基形狀記憶合金螺母的防松壽命將還會有所提高。

螺紋聯接相對其它聯接方式的優勢之一在于拆卸方便,具有較好重復使用性能。這種新型螺母的重復使用性可以通過控制合金恢復退火溫度的辦法來實現。為了驗證該新型智能螺母的重復使用性,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, 300350,400,450,500 )下對螺母進行恢復退火,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緊力重新預緊,再對螺母進行恢復退火,重復上述過程所得試驗結果如表1所示,結果表明,隨著恢復溫度的逐漸升高,自鎖摩擦力矩的增加量(與普通螺母比較)也逐漸增大;當恢復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變形量(即可恢復的應力誘發馬氏體含量)。隨著恢復退火溫度的逐漸升高,可恢復的應力誘發的馬氏體含量逐漸升高,但應力誘發的馬氏體量是一定的,隨著恢復退火處理的反復進行,預變形所誘發的馬氏體量(即可恢復的馬氏體量)逐漸減少,結果導致自鎖摩擦力矩增加量逐斷下降。總之,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接中,既可使螺母能夠重復使用,又保證了螺母拆卸的方便。

3、結語

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構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,可以重復使用。它的研制成功不僅可以有效地保證鐵路運輸的安全,而且還能廣泛地應用于如汽車、飛機、發動機等振動劇烈、聯接要求高的各種場合,可帶來較大的社會效益和經濟效益。

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