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一种新型智能防松螺母的研究

2019-1-7 9:31:00

摘要:为了有效地解决螺纹联接的松动、松脱问题,提出从功能材料人手利用铁基形状记忆合金来研制一种新型螺母的设计思想。从理论上分析了新型螺母的防松机理,并试验研究了螺母的静动态防松效果和重复使用性能。试验结果表明,新型智能螺母具有很好的静动态防松效果,并且可以重复使用。

关键词:防松;螺母;铁基形状记忆合金

在现代机械中,紧固件的数量约占机器零件总数量的60%,其中螺纹联接是机械联接中使用最普遍的形式之一。一般的螺纹紧固都具有自锁性,但在变载、冲击、振动作用下,以及工作温度变化较大时,螺母的松动、松脱时有发生。据有关资料统计[1],世界各国因紧固件松动、松脱所造成的直接经济损失达数十亿以上。因此,如何简单有效地防止螺母的松动问题已经成为一个十分重要而又迫切的课题。

近几年来,国内外的许多学者在螺母的防松方面进行了大量的研究,开发了许多新的防松方法。这些方法多是从结构上入手,其基本防松原理仍是摩擦防松、机械防松等。研究者对防松螺纹联接应用于一些特定场合已有一些非常好的思路,并研究出了许多成功的模型,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]、加键防松螺母[4]以及针对铁路中螺纹联接松动的特点所研制开发的新型防松螺母[5]等;此外还有偏心锥面防松螺母、加锁防松螺母、防盗螺栓和切向舌簧防盗螺纹联接件等新型螺纹联接防松形式。这些新型的防松方法在某些工作状况下收到了一定的防松效果。随着新型功能材料的出现,目前国内外已经开始尝试从材料入手来解决螺母松动问题,并取得了一定的成效。比如美国F15,F16军用战斗机所采用的形状记忆合金(简称SMA)智能螺栓组和管接头,成功地解决了飞机中关键联接螺栓和管接头的松动问题。但这里所用的SMA为价格昂贵的NiTi基SMA,大大限制了其推广使用,但是为螺纹联接松动问题的解决提出了一个很好的思路。

1、螺纹联接松动的原因

在静载荷作用下,紧固螺纹联接一般都能自锁。但在变载、冲击、振动作用下,螺纹副之间的摩擦力矩可能减小或瞬间消失,这种现象多次重复后,最终会导致联接的松动。最早Shin ji KASEI等人[6]通过静态实验的测试分析,认为螺纹联接自动松动的原因在于:当螺纹联接横向力反复作用后,螺栓体的弹性扭转变形。华南理工大学的何红征[7]在此基础上进行了进一步的研究,认为螺纹联接自动松脱的原因主要有3个方面:螺纹联接体的初始变形、轴向载荷的作用以及横向载荷的作用,其中横向载荷起主要作用。诸多的实验和实际使用也表明:螺纹联接在横向振动下比在轴向振动下更容易松动,较强烈的轴向振动作用较长时间后,可能使预紧力下降30%~40%,但是通常不会全部丧失预紧力;而强烈的横向载荷却往往使预紧力全部消失,紧固件脱落。因此,横向动载荷(振动、冲击和交变载荷等)以及由其引起的横向振动是导致螺纹松动的主要原因。 目前,针对上述螺母发生松动的原因,主要通过以下3种途径来防止[1]:(1)防止摩擦力矩减少到临界值以下;(2)阻尼振动,防止过强的力作用于螺纹联接;(3)防止螺纹副之间的相对转动。迄今为止国内外研制开发的新型防松螺母或是从结构入手,利用摩擦防松的机理,通过第1条途径来防止松动(如ST2型螺母、凹凸型螺母等);或是利用机械防松和永久止动的原理,通过第2条或第3条途径来达到防松的目的(如加键防松螺母等)。虽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,其锁紧力仅提高了10%);或者因其需要辅助零件、辅助加工而带来了使用上的不便(如凹凸型螺母、锲紧自锁螺母和新型的防松结构等);或者从根本上改变可拆联接的性质(如加键防松螺母);或者因其成本过高不易推广等。因此,迄今为止,螺纹联接的松动问题仍没有得到完美的解决。

2、铁基形状记忆合金智能防松螺母

为了有效地解决螺纹联接的松动问题,本文从新型功能材料人手,利用铁基形状记忆合金特殊的力学性能和物理性能,研制开发一种具有防松功能的新型螺母。这种螺母的特点在于它不改变螺母原结构,只改变材料,利用材料本身的形状记忆特性使螺纹连接牢固而不松动。这种螺母由于其本身的性能对上述防松的3种途径均有所考虑:

对于第1条途径,由于铁基SMA的形状记忆效应(简称SME)和恢复效应,螺母在恢复加热处理之后,会产生很大恢复力,此恢复力可以转化为摩擦自锁力矩,并且在振动、冲击过程中始终存在,所以能有效地防止摩擦力矩降到临界值以下。

对于第2条途径,铁基SMA除了具有良好的SME以外,还具有拟弹效应。这一性质可使由该合金制成的螺母具有良好的阻尼减振性,在冲击、振动和动载荷作用下可以吸收部分的能量,不仅起到防松的作用,而且还提高了螺纹联接的疲劳寿命。

对于第3条途径,由于恢复力的存在,而且振动和冲击在合金的拟弹性作用下又有所降低,所以这种螺母相对螺栓的转动比普通螺母要困难些,因而能有效地防止松动。

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