揭秘高铁螺母的原理

【一】30°楔形螺纹技术的防松原理

    各种机器及部件在连接装配中离不开紧固件。紧固件给机械工业带来了方便，但是，它有一个不可避免的弱点，在剧烈震动中会自行松脱，致使部件或设备在运转中损坏甚至酿成重大事故。

    为什么30°楔形螺纹能有效地解决松动问题呢？这是因为它的独特的结构。在30°楔形阴螺纹的牙底处有一个30度的楔形斜面，当螺栓螺母相互拧紧时，螺栓的牙尖就紧紧地顶在阴螺纹的楔形斜面上，从而产生了很大的锁紧力。

    由于牙形的角度改变，使施加在螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60度角，而不是像普通螺纹那样的30度角。显然30°楔形螺纹法向压力远远大于扣紧压力，因此，所产生的防松摩擦力也就必然大大增加了。

    从图可以看到二个箭头所表示的力均为Pɑ,传统的60度角螺纹的法向压力P=1.15Pɑ；而30°楔形螺纹由于牙底有一个30度角的楔形斜面，其法向压力的角度、大小均有改变，法向压力P=2Pɑ。

    这样，30°楔形螺纹与传统60度螺纹，二者的法向压力之比≈12∶7，防松摩擦力相应地增加了。30°楔形螺纹的楔形面还可以消除普通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。

    普通常规的60度V形螺纹，在其第一螺纹啮合面和第二螺纹啮合面承载了70-80%的负荷，而以后几个啮合面承受的负荷很少。

    这样，普通螺纹紧固件在工作振动负荷条件下，就很容易克服螺纹接触面上的锁紧力而产生转动,进而松脱。这就是普通螺纹紧固件松脱的原因所在。

    由于普通螺纹紧固件主要受力仅仅是螺母的第一第二牙螺纹接触处，其余各牙基本上不受力，因此，当拧紧力矩较大时，应力集中在第一牙螺纹处，第一牙螺纹很容易产生弯曲和剪切变形，只有这样，才使第二牙螺纹面承受应力并产生锁紧力。

    以此类推，承载负荷面，将受力依次一个个传递，相应造成螺纹依次的剪切和磨损，各牙的剪切和磨损破坏十分严重，导致螺母的螺纹强度大幅度下降，最终产生滑牙。

    而30°楔形螺纹由于结构独特，全部螺栓牙尖紧紧地顶在30度楔形斜面上，而且螺旋线上每牙承受的负载都比较均匀，同样负荷能分散到每个面，每个点上，使螺纹上各处产生防松摩擦力相近，能够有效抗击横向振动。

    在紧固件正常工作中，螺纹每牙能均匀承受负载，不存在应力集中。因此， 就不会产生松脱或滑牙问题，疲劳强度也得到成倍的改善。

    在实验室实验中，用容克式（JUNKERS）振动试验机作了横向负载振动试验，30°楔形螺纹显示出它具有非常优异的抗振动能力。

    他们试验了三种基本的螺母：一种是普通的标准螺母，一种是有效力矩锁紧螺母和一种30°楔形螺帽。用同样的标准螺栓、同样的紧固负载力矩、同样的振幅频率和同样的实验室，同一台试验机上，控制二分钟的试验时间。

    结果是：普通标准螺母几乎立即全部松脱了，失去了全部锁紧能力；有效力矩锁紧螺母失去了70%的锁紧能力；而30°楔形螺母在两分钟试验期间仍保持了他们应有的自锁能力。