新型自锁、防松螺母的制作与应用*

2022-05-14 04:09蒋春花
南方农机 2022年10期
关键词:丝杆垫圈螺母

蒋春花

(江苏省江阴中等专业学校,江苏 无锡 214437)

1 项目背景

一颗小小的螺母,却发挥着巨大的作用。小到玩具、家用电器、生产中的机床、日常生活中的交通工具,大到航空航天工程,螺母起着至关重要的作用。

高速铁路发展至今,全球高铁在行驶速度上排行以中国为首,其次是韩国。高铁中就有大家日常生活中经常用到的小部件——螺母。这小小的螺母,在高铁中有着很强大的作用。众所周知,高铁的行驶时速为250 km/h,“复兴号”的时速更是达到了350 km/h。面对这样的行驶速度,高铁上的每个螺母都需要承受相当严酷的考验。螺母松动,将会造成无法弥补的重大事故。铁轨上普通的螺丝,在这种高强度振动中难免有所松动,若采用人工拧紧方式,则需要花费大量的人力和财力[1-2]。

如何确保在重复使用的过程中让螺母的自锁效果达到最佳呢?所以急需一种新型的自锁、防松螺母,螺杆和螺母锁紧后,在工作环境下能防止松脱,在外力作用下又能拆解重复使用。

2 项目研究过程

2.1 锁紧过程

此款新型自锁、防松螺母是直接配合螺丝、丝杆锁紧在其中间的物体,新型自锁、防松螺母通过和螺栓一样规则的渐进式旋螺纹,通过螺纹的丝牙旋转压紧在其中间的物体,旋转新型自锁、防松螺母,其螺母体紧贴着螺栓的丝牙,直接拉紧螺栓与新型自锁、防松螺母之间的物体。螺母体的压力=螺丝丝杆的拉力=被拉紧物体的支撑力。

螺母体越旋越紧,同时这三个力也越来越大。螺母体是由“螺母本体”和“锁紧压紧螺母”两部分组合而成的。螺母体的下压力越来越大,“螺母本体”下压力和“锁紧压紧螺母”下压力也就越来越大,大到一定的力的时候,由于在“锁紧压紧螺母”上圆平面设计有两道凹型槽,在“锁紧压紧螺母”上圆平面外侧设计的第一道凹型槽的外圆平面直接接触着“螺母本体”,这样就直接作用于“螺母本体”下压力。

2.2 各元件的作用

在“锁紧压紧螺母”形变的过程中,“O 型防松圈”同时也被压形变,因为“O 型防松圈”只有唯一的形变空间就是螺丝丝杆,只能紧贴着压紧螺丝丝杆,这样就达到螺母防松的效果。

由于其“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的,在下压力作用下,使其“锁紧压紧螺母”的本体发生形变,“锁紧压紧螺母”和螺丝丝杆都会有一些缝隙。“锁紧压紧螺母”的本体发生形变就会向螺丝丝杆形变,产生向上和向内的力,直接就咬住、卡住、抱着螺丝丝杆,达到螺母防松的效果。

2.3 松开过程

要松开新型自锁、防松螺母,就必须反向旋转螺母,由于其“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的,在下压力变小的作用下,弹性的金属回弹复位,同时就会脱离螺丝丝杆,可以轻松旋拧螺母。

在“锁紧压紧螺母”形变回弹的过程中,“O 型防松圈”同时也被压形变回弹,由此“O 型防松圈”脱离压紧螺丝丝杆,这样就能轻松旋拧螺母。

2.4 结构特点

此款新型自锁、防松螺母采用普通的钢材就可以加工完成,制作简单,适合批量全自动生产[3]。经过市场调研,目前创新设计的新型螺母,比普通螺母和弹簧垫圈的成本多30%左右,但是它有着普通防松螺母完全不可比拟的优势,真正做到自锁、防松,并能重复使用。

3 项目创新之处

1)本产品主要是由“螺母本体”“锁紧压紧螺母”“O 型防松圈”组成,“螺母本体”就是普通的螺母,外部是正六边形,中心内圆是一定规则的渐进式旋螺纹,螺母上下面为平面。“螺母本体”和“锁紧压紧螺母”是通过焊接而成的,是一致的渐进式旋螺纹,在两者之间丝牙处有凹型槽,安装“O 型防松圈”,达到螺母体弹压、咬住卡住丝杆的多合一不松动的效果,填补了国内螺母产品的空白。

2)“锁紧压紧螺母”是采用弹性的金属制造而成的,在“锁紧压紧螺母”圆平面上下设计有两道交叉凹槽,并按圆心分成若干份的弹性形变缝。在旋紧过程中,“锁紧压紧螺母”发生形变就向丝杆产生向上、向下和向内的弹压力,直接就咬住、卡住、抱着丝杆,达到螺母防松的效果。

3)在“锁紧压紧螺母”旋紧的过程中,“O 型防松圈”同时也被压形变,因为“O 型防松圈”只有唯一的形变空间就是丝杆,只能卡住、抱住、压紧丝杆,这样就达到螺母防松的效果。

4 附图说明

在“锁紧压紧螺母”上圆平面外侧设计第一道凹型槽,凹型槽把“锁紧压紧螺母”上圆平面分为上外圆平面和上内圆平面,其上外圆平面高于上内圆平面,螺栓与螺母锁紧的状态如图1 所示。上平面的凹型槽和下平面的凹型槽是有一定的错位的,这样就使上平面的凹型槽和下平面的凹型槽之间的金属产生形变,下压力越大,其形变越大,直至“锁紧压紧螺母”凹型槽外圆平面和内圆平面一致。

图1 螺栓与螺母锁紧示意图

锁紧之后,锁紧压紧螺母体从第一道凹型槽内侧到第二道凹型槽,再到圆平面内侧螺牙口,按圆心分成若干份的弹性形变缝,剖视图如图2 所示。这样就可以保证在形变的过程中不会撕裂或者损坏“锁紧压紧螺母”的本体,有助于更加顺利地产生形变。“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的,利用弹性性能,达到螺母防松的效果。

图2 自锁螺纹剖视图

5 实验过程

在实验的过程中,借助于企业的横向振动试验机,验证本产品的防松性能[4]。

将被测紧固件拧紧在试验装置上,借助于横向振动试验机,比较普通螺母+平垫圈、普通螺母+弹性垫圈、双螺母、新型防松螺母的防松效果[5]。

5.1 实验材料

为了达到一定的实验目的,本次实验购买合格防松紧固件产品,分别抽取相同规格、相同等级的试样各5 件,比较普通螺母+平垫圈、普通螺母+弹性垫圈、双螺母、新型防松螺母的防松效果[6]。

5.2 实验过程

5.2.1 普通螺母+平垫圈

按规定的试验预夹紧力将螺母安装到位,实测预夹紧力为35 kN~36 kN。普通螺母5件试样在振动800次左右时,就失去了紧固能力,螺母就开始松动[7]。

5.2.2 普通螺母+弹性垫圈

实测预夹紧力为35 kN~36 kN,5 件样品在完成振动1 500 次左右,螺母开始松动,说明普通螺母+弹性垫圈具有一定的防松能力,防松效果比普通螺母+弹性垫圈的效果好一些。

5.2.3 双螺母

双螺母实测预夹紧力为37 kN~41 kN,双螺母的5 件试样在振动2 000 次左右时螺母开始松动,说明双螺母具有一定的防松能力,其效果比普通螺母+弹性垫圈的效果略好一些[8]。

5.2.4 新型自锁、防松螺母

新型自锁、防松螺母的实测预夹紧力为3 5 kN~36 kN,5 件试样在完成振动3 000 次后,螺母才开始松动,说明其防松效果非常好。

5.3 实验结果

防松效果比较如表1所示。

表1 效果比较

1)对比普通螺母+平垫圈与普通螺母+弹性垫圈的防松实验得出结论:5 件试样的实测预紧力相同的情况下,普通螺母+弹性垫圈的振动次数几乎是普通螺母+平垫圈的2 倍,螺母才开始松动,说明普通螺母+弹性垫圈的防松效果更好。

2)对比普通螺母+弹性垫圈与双螺母的防松实验得出结论:由于双螺母的实测预紧力比普通螺母+弹性垫圈更高一些,振动次数也更高一些,光看数据无法比较出两者的防松效果。但是在实验的过程中,从时间上比较,双螺母更持久一些,所以双螺母防松效果略好一些[9]。

3)对比双螺母与新型自锁、防松螺母的防松实验得出结论:新型自锁、防松螺母实测预紧力比双螺母小,但是振动次数是双螺母的1.5 倍,所以防松效果是4种结构中最好的。

6 改进之处

新型自锁、防松螺母的锁紧效果比传统的防松方式效果好很多,螺母的使用寿命也延长了[10]。但也存在一些弊端,比如“O 型防松圈”在防松过程中被压形变,长期重复使用也会有所磨损而影响螺母的防松效果;垫圈是由弹性金属制成的,在自然受压过程中,金属也会产生一定的磨损,从而导致其使用寿命受到影响。后续需要进一步实验和测试,进行材料方面的改进。

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