新型自鎖、防松螺母的制作與應用*

蔣春花

（江蘇省江陰中等專業學校，江蘇 無錫 214437）

1 項目背景

一顆小小的螺母，卻發揮著巨大的作用。小到玩具、家用電器、生產中的機床、日常生活中的交通工具，大到航空航天工程，螺母起著至關重要的作用。

高速鐵路發展至今，全球高鐵在行駛速度上排行以中國為首，其次是韓國。高鐵中就有大家日常生活中經常用到的小部件——螺母。這小小的螺母，在高鐵中有著很強大的作用。眾所周知，高鐵的行駛時速為250 km/h，“復興號”的時速更是達到了350 km/h。面對這樣的行駛速度，高鐵上的每個螺母都需要承受相當嚴酷的考驗。螺母松動，將會造成無法彌補的重大事故。鐵軌上普通的螺絲，在這種高強度振動中難免有所松動，若采用人工擰緊方式，則需要花費大量的人力和財力[1-2]。

如何確保在重復使用的過程中讓螺母的自鎖效果達到最佳呢？所以急需一種新型的自鎖、防松螺母，螺桿和螺母鎖緊后，在工作環境下能防止松脫，在外力作用下又能拆解重復使用。

2 項目研究過程

2.1 鎖緊過程

此款新型自鎖、防松螺母是直接配合螺絲、絲桿鎖緊在其中間的物體，新型自鎖、防松螺母通過和螺栓一樣規則的漸進式旋螺紋，通過螺紋的絲牙旋轉壓緊在其中間的物體，旋轉新型自鎖、防松螺母，其螺母體緊貼著螺栓的絲牙，直接拉緊螺栓與新型自鎖、防松螺母之間的物體。螺母體的壓力＝螺絲絲桿的拉力＝被拉緊物體的支撐力。

螺母體越旋越緊，同時這三個力也越來越大。螺母體是由“螺母本體”和“鎖緊壓緊螺母”兩部分組合而成的。螺母體的下壓力越來越大，“螺母本體”下壓力和“鎖緊壓緊螺母”下壓力也就越來越大，大到一定的力的時候，由于在“鎖緊壓緊螺母”上圓平面設計有兩道凹型槽，在“鎖緊壓緊螺母”上圓平面外側設計的第一道凹型槽的外圓平面直接接觸著“螺母本體”，這樣就直接作用于“螺母本體”下壓力。

2.2 各元件的作用

在“鎖緊壓緊螺母”形變的過程中，“O 型防松圈”同時也被壓形變，因為“O 型防松圈”只有唯一的形變空間就是螺絲絲桿，只能緊貼著壓緊螺絲絲桿，這樣就達到螺母防松的效果。

由于其“鎖緊壓緊螺母”是采用具有一定彈性的金屬制造而成的，在下壓力作用下，使其“鎖緊壓緊螺母”的本體發生形變，“鎖緊壓緊螺母”和螺絲絲桿都會有一些縫隙。“鎖緊壓緊螺母”的本體發生形變就會向螺絲絲桿形變，產生向上和向內的力，直接就咬住、卡住、抱著螺絲絲桿，達到螺母防松的效果。

2.3 松開過程

要松開新型自鎖、防松螺母，就必須反向旋轉螺母，由于其“鎖緊壓緊螺母”是采用具有一定彈性的金屬制造而成的，在下壓力變小的作用下，彈性的金屬回彈復位，同時就會脫離螺絲絲桿，可以輕松旋擰螺母。

在“鎖緊壓緊螺母”形變回彈的過程中，“O 型防松圈”同時也被壓形變回彈，由此“O 型防松圈”脫離壓緊螺絲絲桿，這樣就能輕松旋擰螺母。

2.4 結構特點

此款新型自鎖、防松螺母采用普通的鋼材就可以加工完成，制作簡單，適合批量全自動生產[3]。經過市場調研，目前創新設計的新型螺母，比普通螺母和彈簧墊圈的成本多30%左右，但是它有著普通防松螺母完全不可比擬的優勢，真正做到自鎖、防松，并能重復使用。

3 項目創新之處

1）本產品主要是由“螺母本體”“鎖緊壓緊螺母”“O 型防松圈”組成，“螺母本體”就是普通的螺母，外部是正六邊形，中心內圓是一定規則的漸進式旋螺紋，螺母上下面為平面。“螺母本體”和“鎖緊壓緊螺母”是通過焊接而成的，是一致的漸進式旋螺紋，在兩者之間絲牙處有凹型槽，安裝“O 型防松圈”，達到螺母體彈壓、咬住卡住絲桿的多合一不松動的效果，填補了國內螺母產品的空白。

2）“鎖緊壓緊螺母”是采用彈性的金屬制造而成的，在“鎖緊壓緊螺母”圓平面上下設計有兩道交叉凹槽，并按圓心分成若干份的彈性形變縫。在旋緊過程中，“鎖緊壓緊螺母”發生形變就向絲桿產生向上、向下和向內的彈壓力，直接就咬住、卡住、抱著絲桿，達到螺母防松的效果。

3）在“鎖緊壓緊螺母”旋緊的過程中，“O 型防松圈”同時也被壓形變，因為“O 型防松圈”只有唯一的形變空間就是絲桿，只能卡住、抱住、壓緊絲桿，這樣就達到螺母防松的效果。

4 附圖說明

在“鎖緊壓緊螺母”上圓平面外側設計第一道凹型槽，凹型槽把“鎖緊壓緊螺母”上圓平面分為上外圓平面和上內圓平面，其上外圓平面高于上內圓平面，螺栓與螺母鎖緊的狀態如圖1 所示。上平面的凹型槽和下平面的凹型槽是有一定的錯位的，這樣就使上平面的凹型槽和下平面的凹型槽之間的金屬產生形變，下壓力越大，其形變越大，直至“鎖緊壓緊螺母”凹型槽外圓平面和內圓平面一致。

圖1 螺栓與螺母鎖緊示意圖

鎖緊之后，鎖緊壓緊螺母體從第一道凹型槽內側到第二道凹型槽，再到圓平面內側螺牙口，按圓心分成若干份的彈性形變縫，剖視圖如圖2 所示。這樣就可以保證在形變的過程中不會撕裂或者損壞“鎖緊壓緊螺母”的本體，有助于更加順利地產生形變。“鎖緊壓緊螺母”是采用具有一定彈性的金屬制造而成的，利用彈性性能，達到螺母防松的效果。

圖2 自鎖螺紋剖視圖

5 實驗過程

在實驗的過程中，借助于企業的橫向振動試驗機，驗證本產品的防松性能[4]。

將被測緊固件擰緊在試驗裝置上，借助于橫向振動試驗機，比較普通螺母＋平墊圈、普通螺母＋彈性墊圈、雙螺母、新型防松螺母的防松效果[5]。

5.1 實驗材料

為了達到一定的實驗目的，本次實驗購買合格防松緊固件產品，分別抽取相同規格、相同等級的試樣各5 件，比較普通螺母＋平墊圈、普通螺母＋彈性墊圈、雙螺母、新型防松螺母的防松效果[6]。

5.2 實驗過程

5.2.1 普通螺母+平墊圈

按規定的試驗預夾緊力將螺母安裝到位，實測預夾緊力為35 kN～36 kN。普通螺母5件試樣在振動800次左右時，就失去了緊固能力，螺母就開始松動[7]。

5.2.2 普通螺母+彈性墊圈

實測預夾緊力為35 kN～36 kN，5 件樣品在完成振動1 500 次左右，螺母開始松動，說明普通螺母＋彈性墊圈具有一定的防松能力，防松效果比普通螺母＋彈性墊圈的效果好一些。

5.2.3 雙螺母

雙螺母實測預夾緊力為37 kN～41 kN，雙螺母的5 件試樣在振動2 000 次左右時螺母開始松動，說明雙螺母具有一定的防松能力，其效果比普通螺母＋彈性墊圈的效果略好一些[8]。

5.2.4 新型自鎖、防松螺母

新型自鎖、防松螺母的實測預夾緊力為3 5 kN～36 kN，5 件試樣在完成振動3 000 次后，螺母才開始松動，說明其防松效果非常好。

5.3 實驗結果

防松效果比較如表1所示。

表1 效果比較

1）對比普通螺母＋平墊圈與普通螺母＋彈性墊圈的防松實驗得出結論：5 件試樣的實測預緊力相同的情況下，普通螺母＋彈性墊圈的振動次數幾乎是普通螺母＋平墊圈的2 倍，螺母才開始松動，說明普通螺母＋彈性墊圈的防松效果更好。

2）對比普通螺母＋彈性墊圈與雙螺母的防松實驗得出結論：由于雙螺母的實測預緊力比普通螺母＋彈性墊圈更高一些，振動次數也更高一些，光看數據無法比較出兩者的防松效果。但是在實驗的過程中，從時間上比較，雙螺母更持久一些，所以雙螺母防松效果略好一些[9]。

3）對比雙螺母與新型自鎖、防松螺母的防松實驗得出結論：新型自鎖、防松螺母實測預緊力比雙螺母小，但是振動次數是雙螺母的1.5 倍，所以防松效果是4種結構中最好的。

6 改進之處

新型自鎖、防松螺母的鎖緊效果比傳統的防松方式效果好很多，螺母的使用壽命也延長了[10]。但也存在一些弊端，比如“O 型防松圈”在防松過程中被壓形變，長期重復使用也會有所磨損而影響螺母的防松效果；墊圈是由彈性金屬制成的，在自然受壓過程中，金屬也會產生一定的磨損，從而導致其使用壽命受到影響。后續需要進一步實驗和測試，進行材料方面的改進。