自鎖螺母力矩衰減速度研究！

自鎖螺母力矩衰減速度研究！

目前在航空領域發動機的製造，生產，維修中螺紋連線安全性受到了高度重視，尤其對於自鎖螺母來說，由於具有良好的抗震防松，可重複利用，因此成為了航空業廣泛採用的螺紋連線元件。

自鎖螺母採用塑性變形在螺紋副形成摩擦力以防止螺紋出現鬆動，但在重複使用中螺紋副間自鎖力矩會逐漸減少，尤其在發動機存在衝擊或者顯著載荷變動情況下，這種現象更加明顯。

在本研究中針對內、外部因素對螺紋連線鬆動的影響進行分析，希望能夠為後續航空領域發動機的研製、使用、維護提供指導依據。

1、自鎖螺母的使用週期

從自鎖螺母原理上來看，為確保螺紋連線功能和可旋和性，要求螺紋配合面之間保持一定空隙。

根據研究結構鬆動模式，主要是在處於動載荷條件下螺紋之間存在相對振動進而會降低螺紋副摩擦係數，使螺母迴轉甚至出現鬆動，在航空元件中螺紋連線線是其重要元件，螺紋防松的設計對於產品來說具有十分重要的意義。

常見的防松方式包括三種類型：

第一、破壞螺旋副運動關係的防松模式，主要利用焊接或充填能夠使螺母螺栓螺紋出現區域性變形，實現螺紋防松的效果。

第二、機械放鬆，是指在擰緊螺母后可以使用附加鎖緊元件以防出現螺母和螺栓相對轉動的情況，常採用的是開口銷、止動墊圈等，可增加螺紋副重量和拆卸難度。

第三、摩擦力防松，主要藉助增加接觸面摩擦力進而達到螺母防松效果。

對於自鎖螺母來說，可透過螺母鎖緊區域實現徑向變形進而實現防松效果，當螺栓旋入自鎖螺母收口變形位置時，螺母的收口變形位置會對螺栓形成徑向擠壓作用力，進而使螺紋形成靜摩擦力，而使螺紋表面具有抗鬆動力矩。

製作螺母防松無需藉助其他輔助鎖緊元件，其也是目前航空領域元部件的重要防松措施，但隨著自鎖螺母的使用會使其自鎖力距出現衰減。

結合現有研究，對自鎖螺母經過15次重複實驗之後會接近自鎖力距的極限值，在使用過程中由於螺紋副鎖緊區域和裝備狀態，加工質量等問題，導致其生產的產品無法達到預期壽命，因此需採取有效措施以降低自鎖螺母使用中鎖緊力矩衰減，以提高其使用週期。

2、自鎖螺母力矩衰減的影響因素分析

2。1 選材和熱處理方法

結合發動機裝配位置設計工況對於航空領域的緊韌體來說，可以選擇不鏽鋼，結構鋼或者鈦合金等多種材料進行緊韌體材料，選擇上逐漸呈現高強度和耐高溫等趨勢。在發動機自鎖螺母設計中廣泛使用一些高溫合金材料。

合理選擇材料是確保產品質量的關鍵。自鎖螺母的使用壽命與現有的實驗研究證明，螺母使用材料以及熱處理方法均會影響其自鎖螺母的力矩衰減，同時還需要注意螺紋的材料、硬度和塗層匹配性。

2。2 鎖緊結構

選擇合適的材料和控制好熱處理方法對於提升螺母的鎖緊繫統來說具有顯著影響，但由於自鎖螺母主要依靠摩擦力進行防松，因此防松結構形式、尺寸在受力過程中螺紋連線件的運動對於螺紋鬆動產生的影響是比較明顯的，因此自鎖螺母使用週期會受到螺母鎖緊結構特點和鎖緊區域變形量的影響。

第一，典型的鎖緊結構，目前對於航空領域來說常使用的自鎖螺母鎖緊結構是橢圓壓扁結構，非金屬嵌件結構和開槽收口結構。

非金屬嵌件是使用非金屬材料的彈性效能以實現薄膜防松效果，其餘均採用鎖緊區域收口變形的自鎖作用以實現防松。

透過對發動機中自鎖螺母的實際使用情況結果發現，對於不同鎖緊區域的結構自鎖螺母的使用效果，重複使用穩定性均會存在較大差異，利用有限元軟體對螺紋副不同鎖緊結構實現模擬分析，結果發現螺紋副中配體的受力變形情況會影響鎖緊區的接觸面積和受力均勻效能，並且與鎖緊效能穩定性具有直接聯絡。

3、實驗分析

3。1 自鎖螺母的材料

為進一步分析鎖緊區域結構變形對於鎖緊力矩衰減產生的影響，在本研究中以10個產品為一組開展鎖緊力矩效能分析。在處於室內條件下選取相同規格的非金屬嵌件螺母以及橢圓收口，開槽收口，三點收口的自鎖螺母開展力矩實驗分析，如下所示為實驗結果。

圖片

透過研究發現，嵌件自鎖螺母依靠非金屬材料彈性效能在整個過程中外螺紋牙型具有較大的包容面積，理論上自鎖力矩衰減程度較小，但實際使用過程中採用尼龍嵌件自鎖螺母在第1、第2次實驗中自鎖系能較好，由於受到溫度影響較大，裝配發熱之後力矩會快速衰減，使用溫度應低於100℃，因此這種型別的自鎖螺母受非金屬材料效能溫度的影響是比較大的。

對於金屬自鎖螺母主要依靠鎖緊區域收口變形情況，對螺紋副部擠壓接觸產生的過盈量，相比非金屬自鎖螺母來說，該材料的使用壽命受溫度影響較小，而鎖緊區域變形以及變形量控制產生的影響是比較大的。

對於自鎖螺母存在開槽收口和橢圓壓扁收口這兩種變形方式，後者工藝簡單，也是國內一些自鎖螺母常用形式。由於該變形方式僅需要依靠兩點接觸受力，其變形量對於自鎖力矩衰減產生的影響是比較大的。

開槽收口主要是指螺母尾部位置開6-8個均勻槽口之後徑向收口變形，使其能夠與外螺紋實現多點過盈接觸。透過研究分析，這種變形方法相對橢圓壓變變形方法來說受力更加均勻，且鎖緊力矩比較穩定。

對於不開槽三點收口的方式是新型自鎖螺母的設計方法，其能夠克服傳統開槽螺母的工藝缺陷，且整體受力均勻。透過現有的研究發現，採用三點變形方法對於提升螺母使用週期來說具有十分重要的意義。

3。2 鎖緊結構尺寸

結合典型結構螺母可實現自鎖鎖緊區域為薄壁圓柱形，因此其尺寸包含鎖緊區域軸向長度尺寸，外圓直徑和鎖緊區域變形量。

透過研究發現，在處於一定變形量條件下適當增加鎖緊區域軸向長度可增加螺紋副接觸面積，多次擰入螺栓後擰出力矩衰減斜率減小，可提升自鎖螺母的使用週期，同時還會從一定程度上增加螺紋副的重量，該方法與實際產品質量控制的理念不符合。

其次，在處於相同變數條件下可以適當改變鎖緊區域外周半徑，但整體來看衰減斜率基本一致，需要在保證首次擰入力矩不超過額定範圍下，適當增加收口區的壁厚，可提升螺母的使用週期，鎖緊區域的變形量能夠從一定程度上反映螺紋副中徑向過盈量大小，也是影響整個螺母鎖緊效能的重要因素。

要想使自鎖螺母獲得最小鎖緊力矩，需使其具備足夠過盈量，當過盈量較小，鎖緊力矩實驗不合格，這種情況下可適當增加收口變形量來提高產品合格率。

透過研究發現，收口變形量與鎖緊力矩增長並不是單純呈現線性關係的，尤其是橢圓壓扁收口的螺母，如果其變形量較大，會使力矩衰減斜率增加，降低螺母的使用週期。

從結構最佳化角度上來看，雖然自鎖螺母有不同的連線結構，方法，可設計為不同形式，但對於航空發動機來說要求元件的結構緊湊，常規螺母結構為十二角板擰結構，自鎖收口區可實現自鎖螺母的功能。

為確保板擰結構實現正常使用，要求鎖緊區域具有較大的包容面積，螺母軸向尺寸較長，現有的工藝可以使用簡單橢圓收口以實現自鎖效果，經過最佳化設計之後，該結構取消原有獨立收口變形橢圓段，適當延長軸線位置的十二角板擰區域，在該區域中緊扣螺母板擰區域可以採用三口收口方式使其形成自鎖區。

利用這種結構設計可適當提升板擰結構的裝配穩定性，同時還可增加自鎖區域的穩定性。

經過最佳化之後螺母收口區是12角裝配面，在不影響板擰結構使用的情況下可確保其自鎖效能。收口位置採用三點方法，其變形量相對橢圓收口來說要小，與螺栓接觸，自鎖區包容面積增加，由於收口區域受力均勻，因此會從一定程度上提升自鎖效能的穩定性。

4、結 論

總而言之，目前自鎖螺母作為一種重要的防松產品，其自鎖效能穩定性會影響產品連線效能。

在本研究中透過分析自鎖螺母的使用週期，闡述了最佳化提升自鎖螺母週期為目標，透過實驗最佳化之後，自鎖螺母鎖緊效能有顯著提升，進一步說明該方法對於提升緊韌體的維護性可靠性來說具有十分重要的意義。