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《唐氏螺纹紧固件:真正“不会松动的螺栓”》

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2022/3/3     浏览次数:    

  螺纹紧固件是一种工业上使用普遍的紧固件。

  普通螺纹是一种单旋向、连续且等截面的螺纹。

  普通螺纹的发明已经有上千年的历史,普通螺纹紧固件的大规模使用也已经有几百年的历史。自螺纹紧固件的产生之日起,在振动和冲击载荷条件下容易松动的缺陷就始终伴随着它,为了解决螺纹紧固件的松动,人们使用了各种各样的办法,然而,这个问题始终没有得到根本的解决。

  普通螺纹紧固件的防松方法虽然有成千上万种,并且每年都会推陈出新,其防松原理可归纳为以下三种防松方式。

  第一种是摩擦防松。这是应用最广泛的一种防松方式,这种方式在螺纹副之间产生不随外力变化的正压力,以产生可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力。这种正压力可通过轴向或同时通过轴向和径向压紧螺纹副来实现。如采用弹性垫圈、双螺母、自锁螺母、偏心螺母和尼龙嵌件锁紧螺母等。这种防松方式的优点是螺栓的拆卸比较方便,缺点是只能减缓螺栓松动的速度,不能从根本上解决螺栓松动问题。

  分析其螺栓的松动机理:螺纹紧固件在紧固时,螺栓受拉,而螺母受压。当螺栓副受到冲击载荷作用下,螺栓和螺母受力都会加大,螺栓受力后会被拉长,而螺母受力后会被压扁,两者变形方向不一致,再加上径向力的作用,螺栓和螺母会发生相对的转动。而在冲力载荷消除后,螺栓和螺母不能恢复到原来的状态,其产生的转动不可逆转。因此,经过多次的振动后,螺栓的预紧力会逐步丧失。

  第二种是机械防松。是用止动件直接限制螺纹副的相对转动。如采用开口销、串连钢丝和止动垫圈等。这种方法致使螺栓的拆御不方便,且其机械机构所能承受的载荷太小,无法阻止螺栓的松动。

  以开口销为例,需在螺栓上打孔以安装开口销,开口销直径会比螺栓直径小得多,即便开口销的直径为螺栓直径的 1/2,且与螺栓材质相同,其能承受的载荷只有螺栓的 1/4,并且承受的是剪力。而金属受剪的能力要比受拉的能力弱得多,以受剪能力为受拉能力 1/3 来计算,开口销的能承受剪载荷的能力只有螺栓能受拉载荷能力 1/12,不能阻止螺栓的松动。串连钢丝和止动垫圈,它们的承受载荷的能力更小,更不能阻止螺栓松动。

  第三种方式是铆冲防松。在拧紧后采用冲点、焊接、粘接等方法,使螺纹副失去运动副特性而连接成为不可拆连接。这种方法不仅使螺栓变得不可拆御,而且其焊缝和铆点也不能阻止螺栓松动。

  以螺母对边尺寸是 1.5 倍螺栓直径计算,采用角焊的方法,其焊缝面积最大与螺栓截面相同。不考虑焊接对螺栓强度的影响,对于 8.8 级高强螺栓而言,一般焊条的许用应力为螺栓强度的 1/2,以焊缝许用剪力为许用拉力 1/3 计算,焊缝所能承受的载荷仅为螺栓所能承受载荷的 1/6,同样不能抵抗螺栓的冲击载荷,阻止螺栓的松动。

  上述普通螺纹的防松方法均可归纳为一类,即第三者力防松。显然,在螺栓和螺母工作面之外再附加一个第三者力,由于其所能提供的力量过小不足以抵抗螺栓的冲击载荷,无法阻止螺栓的松动。唐氏螺纹紧固件作为一种与普通螺纹不同的防松技术入编《机械设计手册》,它突破了普通螺纹及普通螺纹紧固件的防松概念,将螺纹及螺纹紧固件防松的历史翻开了新的一页。

  与普通螺纹不同,唐氏螺纹是一种双旋向、非连续且变截面的螺纹。与普通螺纹的防松方式不同,唐氏螺纹采用纯结构防松方式。与普通螺纹相比,唐氏螺纹的受力面积虽然减小了,其螺纹强度并不降低。




  唐氏螺纹的螺栓的同一螺纹段具有左右两种旋向的螺纹,它既可与左旋螺纹配合,又可与右旋螺纹配合。



  在连接时,使用左、右两种不同旋向的螺母。图中,在冲击载荷的条件下,右旋螺母会有松动的趋势,但由于左旋螺母的松动方向是锁紧螺母的拧紧方向,当右旋螺母松动时,其摩擦面带动左旋螺母拧紧,致使右旋螺母无法松动。


  从螺栓的振松实验来看,普通螺纹加弹性垫圈的防松方式仅经过 15 秒的振动,预紧力基本损失殆尽。而唐氏螺纹防松方式经过初始阶段和调整阶段,

  预紧力有所下降。到运行阶段后,其预紧力不再下降。实验数据证明唐氏螺纹紧固件的确是不会松动的螺栓。

  实际应用

  案例一:10.9 级 M110 四辊破碎机螺栓,原每天紧固,使用焊接方式防松

  后螺栓仍经常断裂。采用唐氏螺纹紧固件,跟踪一年,螺栓完好无松动。

  案例二:8.8 级 M24 振动给料机螺栓,原运行 3 分钟即松动。采用唐氏螺

  纹紧固件,跟踪三个月,螺栓完好无松动。案例三:10.9 级 M36 破碎锤螺栓,原每天紧固,隔天断裂 1 至 3 根。采用唐氏螺纹紧固件,跟踪二个月,螺栓完好无松动。

  案例四:普通压轨器用于工业厂房,原运行三个月大部分松动。采用唐氏防松压轨器,跟踪八年,压轨器完好无松动。

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