科技论坛
螺栓的改进设计
陈鸣
（牡丹江技师学院，黑龙江牡丹江157011）
摘要：针对爆检的防松设计和抵抗拉伸变形或拉断的设计进行了分析。
关键词：检：防松设计；防失效设计 1传统的螺栓防失效设计
从分析可以看出，防止螺栓失效，主要应解决三个间题：（1)防松，零既券
主要指是旋转性松动。因非旋转性松动，主要由拉伸应力和偏心等原因所产生的附加弯曲应力所导致，可与提高抗拉强度一起解决。（2)提高螺栓的抗拉强度。（3)提高螺栓的抗剪强度。不讨论材料、数量、加工、安装和使用等方面的间题和措施，主要注重于从单个螺栓的结构上探讨防失效的改进设计。一些已有的成功改进如下：
1.1防松设计
螺栓联接防松的根本间题，在于防止螺纹副的相对转动。
传统螺纹的防松方法的共同点就是依靠第三者力防松，比如机械固定、焊接或粘接，增大摩擦力的结构等，其防松效果取决于第三者力的大小，结构防松则完全依靠螺栓自身结构，即改变螺栓本身的结构，来达到防松效果。
1.1.1防松螺纹。连接用的三角形螺纹都有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不易自动松脱。但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，联接仍有可能松脱。螺栓连接螺纹存在的技术难题和矛盾是：栓连接需要连接可靠，不能松动，但作为一种可拆卸连接，又难以避免发生松动。随着设计要求的提高，螺栓螺纹的防松设计越来越得到重视。
(1)唐氏防松螺纹。唐氏防松螺纹是一种双旋螺纹，主要的特点是同时其有左旋和右旋螺纹。它既可以和左旋螺纹配合，又可以和右旋螺纹配合，依靠左旋及右旋螺母的相互制约，将紧固螺母的松退力转变成锁紧螺母的疗紧力。它完全依靠螺纹自身结构，而不依靠第三者力，是-种纯结构式的防松形式。唐氏螺纹如图1所示可见，当联接时，使用两只不同旋向的螺母：工作支承面上的螺母称为紧固螺母，非支承面上的螺母称为锁繁螺母。使用时，先将紧固螺母预紧，然后再将锁紧螺母预繁。在振动、冲击情况下，繁固螺母会发生松动：但是，由于紧固螺母的松退方向是锁紧螺母的疗繁方向，领紧螺母的拧紧恰恰就阻止了紧固螺母的松退，使繁固螺母无法松动。(2)施必牢螺纹。（图2)施必牢(spiralock)螺纹是一种典型的自由旋转型锁紧螺纹，美国施必牢公司发明并首先使用于宇宙飞船的主发动机上。现已在美国广泛应用于汽车和工程机械中，是一项成熟的技术。其牙型与普通螺纹基本相同，区别是在内螺纹牙形沟槽的底部有一个30°的惯形面，当该螺母与普通牙形的外螺纹配合时，外螺纹的牙项繁繁地锲人内螺纹牙根的30°锲面上，产生很大的锁繁力，并且是每牙螺纹都起锁紧作用，且受力均匀。同时，施加在模形面上所产生的法向作用力与螺栓的轴线成60°夹角，而不是普通标准娜致那样的30°角。显然前者所产生的法向作用力远大于后者，所产生的防松摩擦力和抗横向振动的能力也就必然极大地增加了。(3)VRFS-2型防松螺栓。(图3)该螺栓的螺纹与施必牢螺纹相类似，都是锲形螺纹，防松机理相同，但一个用于螺母，一个用于螺栓。
1.12防滑转螺栓头。利用螺栓头与周围工件的摩擦达到防松的效果。
(1)碟形凸缘螺栓。如图4所示，螺栓头部的下方有碟形凸缘，在热处理后具有弹性。选取较大的摩擦直径，可取得较大的锁繁力矩。而且随所加预繁力不同，锁繁力矩也不同，故可根据需要调整。面凸缘平坦的环形接触面，亦不致损伤工件表面。（2)异形螺栓头防滑转螺栓。异形实螺栓可以依靠与周围机件的摩擦而起到防滑转的效果，效果明显。
12抵抗拉伸变形或拉断的设计
螺栓联接承受轴向变载荷时，其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常都发生在应力集中较严重之处，即螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹。
1.2.1减小螺栓刚度
+
家
紫需螺母(菌）
图1唐氏螺纹的结构(左)和防松原理(右）
来
图2施必牢螺纹的受力状况
中器
图3VRFS-2型防松螺栓螺纹结构
· 85 -细紧螺件（在族）
图4碟形凸缘螺栓
(1)适当增加螺栓的长度；(2)采用腰状杆螺栓；(3)采用空心螺栓；(4)在螺母下面安装上弹性元件。
122改善螺纹牙上载荷分布不均的现象。螺栓紧固后，螺栓受拉，而螺母受压，螺栓与螺母的受力变形无法达到一致，导致各螺纹段的受力非常不均。目前已公认螺纹约有1/3的载荷集中在第一圈上，第八图以后的螺纹牙几乎不承受载荷。因此改善螺纹抗拉强度也应改善载荷分布不均的现象。使螺纹受力比较均匀的原理有：使受力越大的螺牙刚度越减小，减少螺距变化差；将部分力转移到原受力小的螺牙上。目前方法大都是减小螺栓和螺母两者承载时螺距的变化差
(1)悬置螺母，使螺栓和螺母同时受拉，以减小螺距差；(2)内斜螺母，使螺纹牙受力位置由上而下逐渐外移；而载荷将向上移。从而各图螺纹受载趋于均匀；（3)环槽螺母，利用螺母下部受拉目富于弹性可提高螺栓疲劳强度达30%：（4)环槽/内斜螺母；(5)钢丝螺套。
2结论
经过上面一系列的分析，对各大类螺栓的常见失效有了一个系统清晰的认识，为之后的改进设计打下了坚实的基础。经过这些改进，这些螺栓的性能都得到了不小的提升，同时，生产制造成本并没有太大上涨，可以说是性价比不错的改进
这些螺栓的改进设计更多的是一种概念设计，如同车展上的各种概念车，还需要更多的实验测试；针对螺栓连接的常见失效，对这些螺栓进行了很多结构的特殊化，所以这此螺栓制造上背定较复杂，但性能和可靠性不会让人失望