自锁螺母(施必牢螺纹)的原理及应用...
各种机器及部件在连接装配中离不开紧固件，但是，如果紧固件在机械运转中产生松脱，会导致部件或整台设备的损坏、解体，甚至酿成重大的机械事
故或人身事故。为解决紧固件的松脱，从螺纹紧固件诞生开始，许多国家技术人员做了大量的试验研究，他们采用弹簧垫圈、销钉、尼龙嵌入、变形螺纹、双螺母拼刹、强力胶粘结等方法，能在一定程度上延缓紧固件自行松脱的时间，但是没有根本解决问题。
20世纪70年代，美国底特螺纹工具公司，经过长期研究，发现螺纹紧固件松脱问题的关键在于螺纹结构形状。在研究紧固件螺纹的形状及受力情况后，重新设计螺纹的几何形状，称为SPIRALOCK，意译为自锁螺旋线，中文译名“施必牢”，简称为自锁螺母，从根本上解决了紧固件的自行松脱问题。施必牢自锁螺母已广泛应用于国内外航天、航空、军工、汽车、港口机械、柴油机、铁道机车、磁悬浮轨道、工程机械、医疗器械等行业，在纺织工业、纺机、纺器行业也有广泛的使用前景。
1 自锁螺母的防松原理
自锁螺母的防松原理在于它的独特结构。如图1，在阴螺纹的牙底有一个30。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自锁螺纹的楔形面上，从而产生很大的锁紧力。由于牙形的角度改变，使螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角，而不是象普通螺纹那样形成30°角。显然该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。图2为普通螺纹与自锁螺纹的受力状态。当螺栓张力同样为P0时，传统的60°角螺纹的法向压力P=1．15P0，而自锁螺纹由于牙底有一个30°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=2P0，二者法向压力之比约为12：7，自锁螺纹的防松摩擦力相应地增加了。
自锁螺纹的楔形面还可以清除普通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。普通螺纹——60°角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。这样一来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点仅仅是螺母的第一、第二牙螺纹接触处，其余各牙基本不受力，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。由此类推，承载负荷面将受力逐个传递，相应造成螺纹依次的剪切和磨损，各牙的剪切和磨损破坏严重，导致螺母和螺纹强度大幅度下降，最终导致滑丝。而自锁螺纹由于结构独特，全部螺栓牙尖紧紧地顶在30。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，能够有效抗阻横向振动。据密西根大学的研究，自锁螺纹第一个承受负载面承受17 的负荷，而最后一个承载面也承受12．5 的负荷。因此它的每牙螺纹能均匀承受负载，不存在应力集中，就不易产生松脱或滑牙问题，疲劳强度也得到成倍的改善。
美国麻省理工学院(MIT)研究指出：SPIRALOCK 自锁螺纹与普通螺纹相比其抗侧向移动的能力，前者比后者大3倍，且螺纹受力均匀，每牙、每周都均匀承受负载，如图3所示。实验室用容克式(JUNKERS)振动试验机作横向负载振动试验，显示自锁螺纹具有优异的抗振动能力。如图4，一种是普通标准螺母，另一种是有效力矩锁紧螺母，还有一种是施必牢自锁螺母；用同样的标准螺栓和紧固负载力矩，同样的振幅频率；在同台试验机上试验2min，结果是：普通螺母几乎全部松脱，失去全部锁紧能力；有效力矩锁紧螺母失去7O 的锁紧能力，而施必牢白锁螺母在2 min内仍保持良好的白锁能力。
在以上试验的基础上，对三种螺母的重复使用性作进一步横向振动试验：施必牢自锁螺母能重复使用，经过反复拧紧和拧松，其自锁力不会衰减，保
持螺母原有锁紧效果；而普通螺母和有效力矩锁紧螺母，其锁紧力不断衰减，乃至完全丧失能力。
2 自锁螺母的优点
a)可靠的防振、防松性能；
b)可提高螺母及螺栓的使用寿命，可重复使用；
c)不受温度剧烈变化的影响，应用范围广；
d)自由旋转型，直到拧紧时才施加力矩，方便装、卸；
e)尺寸规格不受限制，能与标准螺栓匹配；
f)无需任何辅助锁紧元件，如弹簧垫圈、止动垫片等；样防松，防振性能的自锁螺孔，用于需要的场合；
h)自锁螺母对克服软质材料(如铝合金)滑牙问题有显著效果。
3 自锁螺母的应用
a)适用温度剧烈变化，环境异常恶劣的条件下，同时承受巨大振动负荷的场合，经过10次反复使用均无螺母松脱发生；
b)适用承受巨大振动的工作条件，如0 kHz-2 kHz高架轨道梁的振动；
c)适用承受强力冲击、颤动、弯曲负载的场合；
d)适用快速制动系统，在制动盘310°c高温下，具有良好的防松性能；
e)适用往复转动、移动、速度频繁变换机件的紧固；
f)适用永久性不能松动、滑脱机件连接的应用，如人造关节、人造膝等的连结器材；
g)可作为弹簧的可调螺母，具有良好的可调和自锁性能。
h)适用传递功率大、紧固要求高的场合，如主传动轴。
4 在纺织行业上的应用
纺织、纺机、纺器行业的开清棉打击机件、梳棉机锡林、精梳机钳板、分梳、分离机构；并条机和粗纱机开关车和制动机构；细纱机主传动轴、织机的开口、弓l纬、打纬机构；浆纱机、染整机的高温烘筒以及弹簧摇架、棉条筒万向轮、综框连接件等都对紧固件具有较高的要求，可以积极推广自锁螺母新技术。
自锁螺母是对传统螺纹技术的一次革命，目前已进入众多领域，应用范围不断扩大，我国铁路、港口、钢铁、汽车、桥梁、地铁等已广泛应用，纺织行业应用前景良好。
各种机器及部件在连接装配中离不开紧固件，但是，如果紧固件在机械运转中产生松脱，会导致部件或整台设备的损坏、解体，甚至酿成重大的机械事
故或人身事故。为解决紧固件的松脱，从螺纹紧固件诞生开始，许多国家技术人员做了大量的试验研究，他们采用弹簧垫圈、销钉、尼龙嵌入、变形螺纹、双螺母拼刹、强力胶粘结等方法，能在一定程度上延缓紧固件自行松脱的时间，但是没有根本解决问题。
20世纪70年代，美国底特螺纹工具公司，经过长期研究，发现螺纹紧固件松脱问题的关键在于螺纹结构形状。在研究紧固件螺纹的形状及受力情况后，重新设计螺纹的几何形状，称为SPIRALOCK，意译为自锁螺旋线，中文译名“施必牢”，简称为自锁螺母，从根本上解决了紧固件的自行松脱问题。施必牢自锁螺母已广泛应用于国内外航天、航空、军工、汽车、港口机械、柴油机、铁道机车、磁悬浮轨道、工程机械、医疗器械等行业，在纺织工业、纺机、纺器行业也有广泛的使用前景。
1 自锁螺母的防松原理
自锁螺母的防松原理在于它的独特结构。如图1，在阴螺纹的牙底有一个30。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自锁螺纹的楔形面上，从而产生很大的锁紧力。由于牙形的角度改变，使螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60°角，而不是象普通螺纹那样形成30°角。显然该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。图2为普通螺纹与自锁螺纹的受力状态。当螺栓张力同样为P0时，传统的60°角螺纹的法向压力P=1．15P0，而自锁螺纹由于牙底有一个30°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=2P0，二者法向压力之比约为12：7，自锁螺纹的防松摩擦力相应地增加了。
自锁螺纹的楔形面还可以清除普通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。普通螺纹——60°角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。这样一来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点仅仅是螺母的第一、第二牙螺纹接触处，其余各牙基本不受力，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。由此类推，承载负荷面将受力逐个传递，相应造成螺纹依次的剪切和磨损，各牙的剪切和磨损破坏严重，导致螺母和螺纹强度大幅度下降，最终导致滑丝。而自锁螺纹由于结构独特，全部螺栓牙尖紧紧地顶在30。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，能够有效抗阻横向振动。据密西根大学的研究，自锁螺纹第一个承受负载面承受17 的负荷，而最后一个承载面也承受12．5 的负荷。因此它的每牙螺纹能均匀承受负载，不存在应力集中，就不易产生松脱或滑牙问题，疲劳强度也得到成倍的改善。
美国麻省理工学院(MIT)研究指出：SPIRALOCK 自锁螺纹与普通螺纹相比其抗侧向移动的能力，前者比后者大3倍，且螺纹受力均匀，每牙、每周都均匀承受负载，如图3所示。实验室用容克式(JUNKERS)振动试验机作横向负载振动试验，显示自锁螺纹具有优异的抗振动能力。如图4，一种是普通标准螺母，另一种是有效力矩锁紧螺母，还有一种是施必牢自锁螺母；用同样的标准螺栓和紧固负载力矩，同样的振幅频率；在同台试验机上试验2min，结果是：普通螺母几乎全部松脱，失去全部锁紧能力；有效力矩锁紧螺母失去7O 的锁紧能力，而施必牢白锁螺母在2 min内仍保持良好的白锁能力。
在以上试验的基础上，对三种螺母的重复使用性作进一步横向振动试验：施必牢自锁螺母能重复使用，经过反复拧紧和拧松，其自锁力不会衰减，保
持螺母原有锁紧效果；而普通螺母和有效力矩锁紧螺母，其锁紧力不断衰减，乃至完全丧失能力。
2 自锁螺母的优点
a)可靠的防振、防松性能；
b)可提高螺母及螺栓的使用寿命，可重复使用；
c)不受温度剧烈变化的影响，应用范围广；
d)自由旋转型，直到拧紧时才施加力矩，方便装、卸；
e)尺寸规格不受限制，能与标准螺栓匹配；
f)无需任何辅助锁紧元件，如弹簧垫圈、止动垫片等；样防松，防振性能的自锁螺孔，用于需要的场合；
h)自锁螺母对克服软质材料(如铝合金)滑牙问题有显著效果。
3 自锁螺母的应用
a)适用温度剧烈变化，环境异常恶劣的条件下，同时承受巨大振动负荷的场合，经过10次反复使用均无螺母松脱发生；
b)适用承受巨大振动的工作条件，如0 kHz-2 kHz高架轨道梁的振动；
c)适用承受强力冲击、颤动、弯曲负载的场合；
d)适用快速制动系统，在制动盘310°c高温下，具有良好的防松性能；
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