螺纹连接优点众多，是机械产品中应用最广泛的连接方式之一。螺栓连接结构的松动不仅会降低预紧力，而且还会诱发螺栓断裂[1]，造成严重事故。常用的防松方法有很多，其中楔形螺母是近些年受关注度较高的防松产品。20 世纪 70 年代美国底特律工具公司经过长期研究，设计出楔形螺母，有效地解决了螺栓连接的松动问题[2]。楔形螺母凭借其良好的防松性能，在汽车工业、工程机械、铁路系统和轨道交通、医疗、航天等领域得到很好的应用。

近年来，楔形螺母在工程领域的应用研究仍在继续。许克杨等人[3]介绍了楔形角螺纹在主齿凸缘螺母的应用，改善了主齿凸缘螺母的松脱问题；朱衍顺等人[4]对楔形螺母在重卡驱动桥壳上的应用展开研究，利用桥壳疲劳试验机验证了楔形螺母具有很好的防松效果；D． M． S． Ronden 等人[5]在医学领域 GUPP (Generic Upper Port Plug) 的研究上采用楔形螺母对仪器进行紧固；张挺等人[6-7]将楔形螺母与其他紧固件进行比较研究，探究了不同紧固件的防松性能；A． S． Tremsin 等人[8]则是利用能量分辨中子透射成像法对楔形螺母进行非破坏性检测，使得楔形螺母的检测手段有了新的突破。虽然许多学者利用各种方法检验楔形螺母的防松性能，然而对于究竟采用什么样的安装工艺才能确保最优的防松性能并未给出说明。公开文献资料中也缺乏对其拧紧工艺的相关参考。笔者通过试验来探究初始轴向预紧力对楔形螺母防松性能的影响。

1 试验研究

1.1 理论分析

20 世纪 60 年代后期，德国工程师 G． H． Junker[9]从横向动载条件入手展开对螺栓连接松动问题的研究，对螺栓连接件施加横向振动载荷，发现螺栓连接在横向动载的条件下非常容易发生松动，于是 Junker设计了横向振动试验机。横向振动试验机如图2所示，被测螺栓通过螺母紧固到往复运动的活动板和固定架上，滚动轴承用来减小活动板和基座之间的摩擦，活动板通过连杆与偏心轮相连而受到往复循环的横向载荷，试验螺栓的轴向力以及施加的横向力通过力传感器测得，往复活动板的位移由位移传感器测量得到。通过预紧力的衰减曲线，可以分析螺栓的防松性能。Junker 的研究工作深化了人们对于螺栓连接松动机理的认识，他设计的试验方法和设备后来也被其他学者广泛采用，并被称为 Junker 测试 (或 Junker 试验)。利用横向振动试验机，可以用来探究初始轴向预紧力对楔形螺母防松性能的影响。

  

图1 横向振动试验机Fig. 1 Transverse vibration test machine

 

1. 滚动轴承 2. 位移传感器 3. 试验螺母 4. 试验螺栓5. 活动板 6. 横向力传感器 7. 连杆 8. 偏心轮 9. 基座10. 轴向力传感器

1.2 横向振动试验

横向振动试验如表1所列。试验中，楔形螺母及螺栓的材料均为 45，强度等级均为 8．8 级，为保证试验安全，要求轴向预紧力不超过螺栓屈服极限的 70% (即为 23 kN)。按照国家标准 GB/T 10431—2008 紧固件横向振动试验方法，试验振幅为 1 mm，频率为 12．5 Hz，振动周期为 2 000 个。横向振动试验机可以精确控制螺栓轴向力的大小，初始轴向预紧力分别为 10、12、15、18、23 kN 共 5 组，试验来观测不同初始轴向预紧力所对应螺母的松动情况，并记录不同周期对应的预紧力。

在语言习得领域,多模态理论和POA理论有着很大的适切性。在教学驱动环节,多模态理论能够很好地激发学生的兴趣,但是从两者的适切性角度探讨英语教学的研究鲜有涉及。更从未见在多模态环境下,以POA教学法展开的关于高校非英语专业大学生英语听说课的相关研究。

 

表1 横向振动试验Tab. 1 Transverse vibration test

  

试验样件表面处理材料强度等级初始轴向预紧力/kN普通粗牙螺母 M10电镀锌螺栓M10×70达克罗处理楔形螺母M10达克罗处理螺栓M10×70达克罗处理45 钢8．8 级23 45 钢8．8 级10、12、15、18、23

1.3 结果分析

横向振动试验机会自动记录振动过程中螺栓轴向力变化情况，检测记录的数据会同步到电脑，得到振动过程中的轴向预紧力衰减曲线，曲线的衰减斜率越低，说明防松性能越好。轴向预紧力衰减曲线如图2所示。从图2可以观察到，当楔形螺母的初始轴向预紧力为 23 kN 时，其防松性能反而低于施加相同初始轴向力普通粗牙螺母的防松性能。在使用楔形螺母拧紧普通螺栓时，当初始轴向预紧力为 10 kN 时，轴向预紧力下降较快，轴向预紧力的变化不稳定，由于未达到防松所需的预紧力，因而楔形螺母不能达到防松效果；当初始轴向预紧力为 23 kN 时，楔形螺母也无法达到防松效果；能够达到防松效果的初始轴向预紧力在 12 ～ 18 kN 之间 (螺栓屈服极限的 35%～55%)。

  

图2 轴向预紧力衰减曲线Fig. 2 Decay curve of axial pre-tightening force

2 有限元计算分析

2.1 有限元模型的建立

  

图3 楔形螺母连接有限元模型Fig. 3 FEA model of wedge nut joint

设定初始轴向预紧力分别为 15、20、25 kN，振动 20 个周期后，得到螺栓轴向预紧力在振动过程中的衰减仿真曲线如图4所示。由图4可知：初始轴向预紧力为 15、20 kN 的防松效果明显好于 25 kN 的结果；剩余轴向预紧力在第 5 个周期后开始稳定衰减；轴向预紧力衰减速率的快慢反映了楔形螺母防松性能的好坏。

2.2 有限元研究

楔形螺母连接有限元模型如图3所示。选择双线性模型来近似模拟材料的塑性特性，具体材料参数：弹性模量为 206 GPa，泊松比为 0．3，屈服极限为 350 MPa，切线模量为 1 550 MPa，摩擦因数为 0．15。楔形螺母连接网格的划分、单元及材料的定义、接触对的设置均在 Hypermesh 中完成；约束、轴向预紧力及横向周期载荷的施加均在 ANSYS 中实现。由图3可知，对螺栓头部施加 x、y、z 方向的约束，活动板下侧施加 y、z 方向的约束；采用 PRETS179 单元来进行轴向预紧力的施加；螺母的作用主要是使螺栓在轴向伸长，因此可直接将螺栓非螺纹部分“切开”，添加PRETS179 单元产生轴向预紧力；在活动板的侧面施加 x 方向的横向周期载荷，振幅取 0．1 mm。

  

图4 轴向预紧力衰减仿真曲线Fig. 4 Decay simulation curve of axial pre-tightening force

楔形螺母在与普通螺栓配合使用时，如果初始轴向预紧力过小，无法达到防松所需的轴向预紧力而容易松脱；结合有限元仿真结果可知，如果初始轴向预紧力过大，外螺纹牙顶和内螺纹楔形面的咬合关系被破坏，这种接触状态已经不符合楔形螺母设计的初衷，不同节距上的应力也不再是近似均匀分布，自然无法达到相应的防松效果；因此，楔形螺母在使用时不能使用过大的初始轴向预紧力。

  

图5 轴向预紧力对螺纹面接触应力的影响Fig. 5 Inf l uence of axial pre-tightening force on contact stress of thread surface

 

  

图6 轴向预紧力对楔形面接触应力的影响Fig. 6 Inf l uence of axial pre-tightening force on contact stress of wedge surface

初始轴向预紧力对螺纹面接触应力的影响如图5所示。提取楔形螺母上每个节距内的楔形面所受平均接触应力，轴向预紧力对楔形面接触应力的影响如图6 所示。由图5、6 可知：当初始轴向预紧力为 15、20 kN 时，螺栓螺纹牙紧紧顶在楔形螺母的楔形面上，这种接触状态符合楔形螺母设计的初衷，此时轴向预紧力在不同节距上是近似均匀分布的；而当初始轴向预紧力为 25 kN 时，由于存在显著的变形，螺栓螺纹牙与楔形螺母之间的接触区域已经不局限于楔形面上，即外螺纹牙顶和内螺纹楔形面的咬合关系被破坏，这种接触状态已经不符合楔形螺母设计的初衷，轴向预紧力在不同节距上也不再是均匀分布，此时的接触状态与普通六角螺母的螺纹接触状态相近，自然也就无法起到相应的防松效果。

3 结语

初始轴向预紧力控制在螺栓屈服极限 35%～55%时，能够保证楔形螺母与普通螺栓连接结构达到很好的防松效果。进而推广到一般的楔形螺母，对于规格、材料、热处理工艺等条件确定的楔形螺母螺栓结构，其屈服极限值是固定的，该种规格楔形螺母的初始轴向预紧力则为其屈服极限值的 35%～55% 。

《水利工程代码编制规范》（SL 213—2012）的出版为各类水利工程基础资料的编写及管理，信息的采集、存储、检索、分析、输出及交换提供技术规范，为我国水利、防汛抗旱各部门建设防汛抗旱信息系统提供了技术支持。

当衰减值分别为20dB和30dB时，图6和图7均有准确测量数据，图7和图8没有测量数据，说明文献[1]和文献[2]的测量方法可准确测量fc=|2ft±fj|类型互调发射，但受到频谱分析仪动态范围的限制，无法对fc=|3ft±fj|类型的互调发射进行测量.文献[3]的测量结果与本文的测量结果一致.

参 考 文 献

[1]王 荣．汽车螺栓断裂失效分析 [J]．理化检验 - 物理分册，2005，41(9)：471-474．

[2]张 力．美国施必牢 Spiralock 防松螺母：独具特色的螺纹构造 无与伦比的防松性能 [J]．城市轨道交通研究，2005(5)：74-75．

[3]许克杨，陈 利，潘 毅．30°楔形角螺纹在主齿凸缘螺母上应用的研究 [J]．装备制造技术，2017(4)：129-131．

[4]朱衍顺，宋年秀，黄玉亭．施必牢螺纹在重卡驱动桥壳上的应用研究 [J]．青岛理工大学学报，2013，34(5)：92-95．

[5]RONDEN D M S，DAMMANN A，ELZENDOORN B，et al．The remote handling compatibility analysis of the ITER generic upperport plug structure [J]． Fusion Engineering and Design，2014，89(7-8)：1009-1013．

[6]张 挺，姜招喜，冯 梅，等．紧固件抗振防松性能比较[J]．金属制品，2012，38(1)：78-80．

[7]陈 静．螺纹紧固件防松技术应用研究 [J]．现代制造，2017(24)：95-96．

[8]TREMSIN A S，YAU T Y, KOCKELMANN W． Nondestructive examination of loads in regular and self-locking Spiralock® threads through energy-resolved neutron imaging [J]．Strain，2016，52 (6)：548-558．

[9]JUNKER G H． Criteria for self-loosening of fasteners under vibration [J]． Aircraft Engineering and Aerospace Technology，1969，44(10)：10-16． □