蒋春花

（江苏省江阴中等专业学校，江苏 无锡 214437）

1 项目背景

一颗小小的螺母，却发挥着巨大的作用。小到玩具、家用电器、生产中的机床、日常生活中的交通工具，大到航空航天工程，螺母起着至关重要的作用。

高速铁路发展至今，全球高铁在行驶速度上排行以中国为首，其次是韩国。高铁中就有大家日常生活中经常用到的小部件——螺母。这小小的螺母，在高铁中有着很强大的作用。众所周知，高铁的行驶时速为250 km/h，“复兴号”的时速更是达到了350 km/h。面对这样的行驶速度，高铁上的每个螺母都需要承受相当严酷的考验。螺母松动，将会造成无法弥补的重大事故。铁轨上普通的螺丝，在这种高强度振动中难免有所松动，若采用人工拧紧方式，则需要花费大量的人力和财力[1-2]。

如何确保在重复使用的过程中让螺母的自锁效果达到最佳呢？所以急需一种新型的自锁、防松螺母，螺杆和螺母锁紧后，在工作环境下能防止松脱，在外力作用下又能拆解重复使用。

2 项目研究过程

2.1 锁紧过程

此款新型自锁、防松螺母是直接配合螺丝、丝杆锁紧在其中间的物体，新型自锁、防松螺母通过和螺栓一样规则的渐进式旋螺纹，通过螺纹的丝牙旋转压紧在其中间的物体，旋转新型自锁、防松螺母，其螺母体紧贴着螺栓的丝牙，直接拉紧螺栓与新型自锁、防松螺母之间的物体。螺母体的压力＝螺丝丝杆的拉力＝被拉紧物体的支撑力。

螺母体越旋越紧，同时这三个力也越来越大。螺母体是由“螺母本体”和“锁紧压紧螺母”两部分组合而成的。螺母体的下压力越来越大，“螺母本体”下压力和“锁紧压紧螺母”下压力也就越来越大，大到一定的力的时候，由于在“锁紧压紧螺母”上圆平面设计有两道凹型槽，在“锁紧压紧螺母”上圆平面外侧设计的第一道凹型槽的外圆平面直接接触着“螺母本体”，这样就直接作用于“螺母本体”下压力。

2.2 各元件的作用

在“锁紧压紧螺母”形变的过程中，“O 型防松圈”同时也被压形变，因为“O 型防松圈”只有唯一的形变空间就是螺丝丝杆，只能紧贴着压紧螺丝丝杆，这样就达到螺母防松的效果。

由于其“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的，在下压力作用下，使其“锁紧压紧螺母”的本体发生形变，“锁紧压紧螺母”和螺丝丝杆都会有一些缝隙。“锁紧压紧螺母”的本体发生形变就会向螺丝丝杆形变，产生向上和向内的力，直接就咬住、卡住、抱着螺丝丝杆，达到螺母防松的效果。

2.3 松开过程

要松开新型自锁、防松螺母，就必须反向旋转螺母，由于其“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的，在下压力变小的作用下，弹性的金属回弹复位，同时就会脱离螺丝丝杆，可以轻松旋拧螺母。

在“锁紧压紧螺母”形变回弹的过程中，“O 型防松圈”同时也被压形变回弹，由此“O 型防松圈”脱离压紧螺丝丝杆，这样就能轻松旋拧螺母。

2.4 结构特点

此款新型自锁、防松螺母采用普通的钢材就可以加工完成，制作简单，适合批量全自动生产[3]。经过市场调研，目前创新设计的新型螺母，比普通螺母和弹簧垫圈的成本多30%左右，但是它有着普通防松螺母完全不可比拟的优势，真正做到自锁、防松，并能重复使用。

3 项目创新之处

1）本产品主要是由“螺母本体”“锁紧压紧螺母”“O 型防松圈”组成，“螺母本体”就是普通的螺母，外部是正六边形，中心内圆是一定规则的渐进式旋螺纹，螺母上下面为平面。“螺母本体”和“锁紧压紧螺母”是通过焊接而成的，是一致的渐进式旋螺纹，在两者之间丝牙处有凹型槽，安装“O 型防松圈”，达到螺母体弹压、咬住卡住丝杆的多合一不松动的效果，填补了国内螺母产品的空白。

2）“锁紧压紧螺母”是采用弹性的金属制造而成的，在“锁紧压紧螺母”圆平面上下设计有两道交叉凹槽，并按圆心分成若干份的弹性形变缝。在旋紧过程中，“锁紧压紧螺母”发生形变就向丝杆产生向上、向下和向内的弹压力，直接就咬住、卡住、抱着丝杆，达到螺母防松的效果。

3）在“锁紧压紧螺母”旋紧的过程中，“O 型防松圈”同时也被压形变，因为“O 型防松圈”只有唯一的形变空间就是丝杆，只能卡住、抱住、压紧丝杆，这样就达到螺母防松的效果。

4 附图说明

在“锁紧压紧螺母”上圆平面外侧设计第一道凹型槽，凹型槽把“锁紧压紧螺母”上圆平面分为上外圆平面和上内圆平面，其上外圆平面高于上内圆平面，螺栓与螺母锁紧的状态如图1 所示。上平面的凹型槽和下平面的凹型槽是有一定的错位的，这样就使上平面的凹型槽和下平面的凹型槽之间的金属产生形变，下压力越大，其形变越大，直至“锁紧压紧螺母”凹型槽外圆平面和内圆平面一致。

图1 螺栓与螺母锁紧示意图

锁紧之后，锁紧压紧螺母体从第一道凹型槽内侧到第二道凹型槽，再到圆平面内侧螺牙口，按圆心分成若干份的弹性形变缝，剖视图如图2 所示。这样就可以保证在形变的过程中不会撕裂或者损坏“锁紧压紧螺母”的本体，有助于更加顺利地产生形变。“锁紧压紧螺母”是采用具有一定弹性的金属制造而成的，利用弹性性能，达到螺母防松的效果。

图2 自锁螺纹剖视图

5 实验过程

在实验的过程中，借助于企业的横向振动试验机，验证本产品的防松性能[4]。

将被测紧固件拧紧在试验装置上，借助于横向振动试验机，比较普通螺母＋平垫圈、普通螺母＋弹性垫圈、双螺母、新型防松螺母的防松效果[5]。

5.1 实验材料

为了达到一定的实验目的，本次实验购买合格防松紧固件产品，分别抽取相同规格、相同等级的试样各5 件，比较普通螺母＋平垫圈、普通螺母＋弹性垫圈、双螺母、新型防松螺母的防松效果[6]。

5.2 实验过程

5.2.1 普通螺母+平垫圈

按规定的试验预夹紧力将螺母安装到位，实测预夹紧力为35 kN～36 kN。普通螺母5件试样在振动800次左右时，就失去了紧固能力，螺母就开始松动[7]。

5.2.2 普通螺母+弹性垫圈

实测预夹紧力为35 kN～36 kN，5 件样品在完成振动1 500 次左右，螺母开始松动，说明普通螺母＋弹性垫圈具有一定的防松能力，防松效果比普通螺母＋弹性垫圈的效果好一些。

5.2.3 双螺母

双螺母实测预夹紧力为37 kN～41 kN，双螺母的5 件试样在振动2 000 次左右时螺母开始松动，说明双螺母具有一定的防松能力，其效果比普通螺母＋弹性垫圈的效果略好一些[8]。

5.2.4 新型自锁、防松螺母

新型自锁、防松螺母的实测预夹紧力为3 5 kN～36 kN，5 件试样在完成振动3 000 次后，螺母才开始松动，说明其防松效果非常好。

5.3 实验结果

防松效果比较如表1所示。

表1 效果比较

1）对比普通螺母＋平垫圈与普通螺母＋弹性垫圈的防松实验得出结论：5 件试样的实测预紧力相同的情况下，普通螺母＋弹性垫圈的振动次数几乎是普通螺母＋平垫圈的2 倍，螺母才开始松动，说明普通螺母＋弹性垫圈的防松效果更好。

2）对比普通螺母＋弹性垫圈与双螺母的防松实验得出结论：由于双螺母的实测预紧力比普通螺母＋弹性垫圈更高一些，振动次数也更高一些，光看数据无法比较出两者的防松效果。但是在实验的过程中，从时间上比较，双螺母更持久一些，所以双螺母防松效果略好一些[9]。

3）对比双螺母与新型自锁、防松螺母的防松实验得出结论：新型自锁、防松螺母实测预紧力比双螺母小，但是振动次数是双螺母的1.5 倍，所以防松效果是4种结构中最好的。

6 改进之处

新型自锁、防松螺母的锁紧效果比传统的防松方式效果好很多，螺母的使用寿命也延长了[10]。但也存在一些弊端，比如“O 型防松圈”在防松过程中被压形变，长期重复使用也会有所磨损而影响螺母的防松效果；垫圈是由弹性金属制成的，在自然受压过程中，金属也会产生一定的磨损，从而导致其使用寿命受到影响。后续需要进一步实验和测试，进行材料方面的改进。