CN111720420A - 一种新型防松结构螺栓及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型防松结构螺栓及其安装方法，所述螺栓包括依次固定连接的螺栓头、光杆、螺纹杆，所述螺纹杆上设有旋向相同的基本螺纹、锁紧螺纹，所述基本螺纹位于螺纹杆远离螺栓头的一侧，所述锁紧螺纹位于螺纹杆靠近螺栓头的一侧，所述基本螺纹与螺母上的内螺纹相匹配，所述锁紧螺纹的螺距Px小于基本螺纹的螺距P，所述锁紧螺纹的大径超出于所述基本螺纹的大径，所述锁紧螺纹可被拉伸至与螺母相旋合。本发明具有结构简单、防松效果好、可控拉断力(或具有可拆卸性)、安装方法简单而独特、适用范围广泛等优点。

Description

一种新型防松结构螺栓及其安装方法

技术领域

本发明属于紧固件设计与制造领域，尤其是涉及一种新型防松结构螺栓及其安装方法。

背景技术

紧固件被称为“工业之米”，广泛使用在各个领域。紧固件最常见的使用方式是螺栓与螺母配合，实现紧固和连接作用。但一般的紧固件防松性能不强，需要在安装时增加一些防松措施，如配合防松垫圈或者防松螺母等。目前的防松方法，有以下不足之处：

1、防松紧固件结构复杂，通过组件或添加配合零件来实现防松；

2、依赖垫圈、螺母来实现的防松，往往效果不佳。如螺母相对同规格的螺栓而言，其可承受的最大载荷以及振动均处于较低水平，如果想要获得更好的防松性能，则只能通过使用更大规格的紧固件组件来实现。

3、组件多也同样伴随安装复杂的问题；

4、适用范围有限，无法大范围使用；

5、防松结构无法拆卸及维修。

本发明与现有技术相比，具有结构简单、防松效果好、可控拉断力、安装方法简单而独特、适用范围广泛以及具有可拆卸性等优点。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种新型防松结构螺栓及其安装方法，以解决现有的螺栓防松结构和安装复杂、防松效果不佳、适用范围有限的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种新型防松结构螺栓，所述螺栓包括依次固定连接的螺栓头、光杆、螺纹杆，所述螺纹杆上设有旋向相同的基本螺纹、锁紧螺纹，所述基本螺纹位于螺纹杆远离螺栓头的一侧，所述锁紧螺纹位于螺纹杆靠近螺栓头的一侧，所述基本螺纹与螺母上的内螺纹相匹配，所述锁紧螺纹的螺距Px小于基本螺纹的螺距P，所述锁紧螺纹的大径超出于所述基本螺纹的大径，所述锁紧螺纹可被拉伸至与螺母相旋合。

进一步地，所述锁紧螺纹的螺牙横截面积等于所述基本螺纹的螺牙横截面积。

进一步地，所述螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε小于所述螺栓所使用材料的屈服点所对应的形变量，优选地，所述螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε位于0.1-所述螺栓所使用材料的屈服点所对应的形变量之间。

进一步地，所述锁紧螺纹的螺距Px、基本螺纹的螺距P、螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε满足如下关系：Px＝P/(1+ε)，所述锁紧螺纹的牙底张开角度θx略小于基本螺纹的牙底张开角度θ，优选地，所述锁紧螺纹的牙底张开角度θx与基本螺纹的牙底张开角度θ满足如下关系： tan(θx/2)＝(Px/P)²·tan(θ/2)。采用上述技术方案，在对锁紧螺纹施加拉力之后，使变形后的锁紧螺纹的螺距等于基本螺纹螺距，变形后的锁紧螺纹的牙底张开角度等于基本螺纹的牙底张开角度，以满足锁紧螺牙横截面积与基本螺牙横截面积相等的要求，使螺母能顺利旋至锁紧螺纹部位，达到旋合目的。

进一步地，所述基本螺纹和锁紧螺纹之间设有辅助安装段，所述辅助安装段的外周开设有一沿周向延伸的断颈槽，所述断颈槽的槽高度s为基本螺纹的螺距P的1～3倍。

进一步地，所述基本螺纹和锁紧螺纹之间设有过渡螺纹，所述过渡螺纹的牙底圆弧半径Rg与基本螺纹的牙底圆弧半径R、锁紧螺纹的牙底圆弧半径Rx满足如下关系：R＞Rg＞Rx；所述过渡螺纹的牙顶尺寸lg与基本螺纹的牙顶尺寸l、锁紧螺纹的牙顶尺寸lx满足如下关系：l＞lg＞lx。

本发明还公开了上述的一种新型防松结构螺栓的安装方法，包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头放入使用环境或者上工装中，光杆的厚度等于适用的夹层厚度；

步骤二：将配合安装的螺母旋入螺栓下端的基本螺纹部位；

步骤三：使用下工装，旋入螺栓下端的基本螺纹部位，施加预定的拉力 F，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，拉力值设定为螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε时对应的拉力值，使锁紧螺纹部分慢慢张开，施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母为止；

步骤四：保持拉力F，螺母旋合至夹层下端，与夹层接触；

步骤五：继续增大施加的拉力，直至达到设计的拉断力值，断颈槽被拉断，拉开的锁紧螺纹重新因为弹力变形而恢复起始状态，使螺栓和螺母的螺纹部分夹紧密连接，形成防松结构。

本发明还公开了上述的另一种新型防松结构螺栓的安装方法，包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头放入使用环境或者上工装中，光杆的厚度等于适用的夹层厚度；

步骤二：将配合安装的螺母旋入螺栓下端的基本螺纹部位；

步骤三：使用下工装，旋入螺栓下端基本螺纹部位，施加预定的拉力F，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，拉力值设定为螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε时对应的拉力值，使锁紧螺纹部分慢慢张开，施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母为止；

步骤四：螺母旋合至夹层下端，与夹层接触；

步骤五：卸载拉力，旋出下工装，完成安装。

相对于现有技术，本发明所述的新型防松结构螺栓及其安装方法具有以下优势：

(1)本发明不同于传统防松结构的防松原理，本发明利用材料的弹性变形区，通过弹性变形收缩，达到防松目的，安装时，锁紧螺纹部分通过外加拉力发生弹性变形，螺距增大至与基本螺纹部分一致，进行安装；在安装后，卸去外加拉力，通过弹性变形，锁紧螺纹部分回复原形状，夹紧与之配合的螺母，最终实现防松目的，如要破坏防松结构，那么必须施加破坏材料极限强度的外力，防松能力相对传统防松结构显著提升；

(2)本发明在螺栓尾部设计一段辅助安装区，并在辅助安装区前增加断颈槽，利用断颈槽将基本螺纹(辅助安装部分)和锁紧螺纹(工作部分) 分开，以达到可控拉断力的目的；

(3)本发明结构灵活多样，只要涉及不等距螺纹结构，原理上都属于本发明的范围之内，可拆卸，便于紧固结构的维修，且拆卸不会对防松结构造成任何不利影响。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的结构图；

图2为本发明实施例2所述的新型防松结构螺栓的结构图；

图3为本发明实施例1和2所述的新型防松结构螺栓的基本螺纹的结构图；

图4为本发明实施例1和2所述的新型防松结构螺栓的锁紧螺纹的结构图；

图5为本发明实施例1和2所述的新型防松结构螺栓的锁紧螺纹与螺母配合的结构图；

图6为本发明实施例1和2所述的新型防松结构螺栓锁紧螺纹与螺母配合的受力示意图；

图7为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的安装步骤1示意图；

图8为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的安装步骤2示意图；

图9为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的安装步骤3示意图；

图10为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的安装步骤4示意图；

图11为本发明实施例1所述的新型防松结构螺栓的安装步骤5示意图；

图12为传统防松结构示意图；

图13为本发明对比例1及对比例2所述的螺栓紧固结构示意图；

图14为本发明对比例2及对比例2所述的螺栓紧固结构示意图。

图15为本发明实施例1及实施例2所述的基本螺纹横截面(图中黑色部分)示意图；

图16为本发明实施例1及实施例2所述的锁紧螺纹横截面(图中黑色部分)示意图。

附图标记说明：

1、螺栓；11、螺栓头；12、光杆；13、螺纹杆；131、基本螺纹；132、锁紧螺纹；133、过渡螺纹；134、断颈槽；2、螺母；3、夹层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1：可控拉断力防松螺栓

一种新型防松结构螺栓，如图1、图3-图6所示，所述螺栓1包括依次固定连接的螺栓头11、光杆12、螺纹杆13。所述螺纹杆13上设有旋向相同的基本螺纹131、锁紧螺纹132，所述基本螺纹131位于螺纹杆13远离螺栓头11的一侧，所述锁紧螺纹132位于螺纹杆13靠近螺栓头11的一侧。所述基本螺纹131与螺母2上的内螺纹相匹配，所述锁紧螺纹132的螺距Px小于基本螺纹131的螺距P，所述锁紧螺纹132的大径超出于所述基本螺纹 131的大径，所述锁紧螺纹132可被拉伸至与螺母2相旋合。

如图15-16所示，所述锁紧螺纹132的螺牙横截面积应等于所述基本螺纹131的螺牙的横截面积(可有小范围浮动)。这种设计可以使锁紧螺纹132 在拉力作用下张开的尺寸与基本螺纹131基本吻合，可使配合紧固结构的螺母2更具普遍性，对螺母2无任何特殊要求，适用范围广泛。

所述螺栓1被拉伸至与螺母2相旋合时的形变量ε(也即设计的基础变形量)小于所述螺栓1所使用材料的屈服点所对应的形变量，优选地，所述螺栓1被拉伸至与螺母2相旋合时的形变量ε位于0.1-所述螺栓1所使用材料的屈服点所对应的形变量之间。

所述螺栓1的工作区间是在其使用的材料的弹性变形区，通过弹性变形，实现防松功能。举例说明，所述螺栓1由钛合金TC4、钛合金TC16、高温合金A286、合金钢16CrSiNi制成，其屈服发生在形变量ε为0.2附近，那么其在设计时发生的变形量不能超过0.2，优选ε＝0.1～0.2(不包含0.2，当变形量在0.1以下时，不能提供足够的预紧力)。

为达到旋合目的，在对锁紧螺纹132施加拉力之后，应使变形后的锁紧螺纹132的螺距等于基本螺纹131螺距，因此所述锁紧螺纹132的螺距Px、基本螺纹131的螺距P、ε为螺栓1被拉伸至与螺母2相旋合时的形变量之间满足如下关系：Px＝P/(1+ε)。

所述基本螺纹131的牙底圆弧半径R与基本螺纹131的螺距P满足如下关系：R＝0.15011～0.18042P，如此规定并严格检查，对减小收尾部分应力集中、改善螺栓受力情况有重要作用(参考文献：李英亮等编著，紧固件概论[M]，北京：国防工业出版社，2014.1)。所述锁紧螺纹132的牙底圆弧半径Rx小于基本螺纹131的牙底圆弧半径R。

所述锁紧螺纹132的牙底张开角度θx与基本螺纹131的牙底张开角度θ满足如下关系：tan(θx/2)＝(Px/P)²·tan(θ/2)，以满足锁紧螺牙横截面积与基本螺牙横截面积相等的要求。

所述基本螺纹131和锁紧螺纹132之间设有辅助安装段，所述辅助安装段的外周开设有一沿周向延伸的断颈槽134，利用断颈槽134将基本螺纹131 (辅助安装部分)和锁紧螺纹132(工作部分)分开，所述断颈槽134的槽高度s为基本螺纹131的螺距P的1～3倍。根据设计的锁紧螺纹132螺距的不同，安装时所需拉力的不同，选择不同的槽高度s的断颈槽134，以达到可控拉断力的目的。

对于安装空间有限、且无拆卸要求的紧固连接结构，可使用本实施例所述的可控拉断力防松螺栓，螺栓选择原材料为钛合金(TC16)、高温合金 (A286)、合金钢(16CrSiNi)，选择弹性变形量为0.1时作为设计的基础变形量，本实施例的性能参数见表1。

表1实施例1的性能数据表

如图7-11所示，本发明的安装具体包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头11放入使用环境或者上工装中，光杆12的厚度等于适用的夹层3厚度；

步骤二：将配合安装的螺母2旋入防松螺栓下端的基本螺纹131部位，配合螺母2的螺纹为MJ6x1x7；

步骤三：使用下工装，旋入防松螺栓下端基本螺纹131，施加预定的拉力F，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，设定值为发生0.1形变量时对应的拉力值，使锁紧螺纹132部分慢慢张开。施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母2为止；

步骤四：保持拉力F，螺母2旋合至夹层3下端，与夹层3接触，安装力矩根据不同规格选取，如本实施例中选取的型号符合的技术条件规定的安装力矩为13N·m。

步骤五：继续施加拉力，直至达到设计的拉断力值，断颈槽134被拉断，拉开的锁紧螺纹132重新因为弹力变形而恢复，使螺栓1和螺母2的螺纹部分夹紧密连接，形成防松结构。

安装时，锁紧螺纹132通过外加拉力发生弹性变形，螺距增大至与基本螺纹131一致，进行安装；在安装后，卸去外加拉力，通过弹性变形，锁紧螺纹132回复原形状，夹紧与之配合的螺母2，最终实现防松目的。

对于一般的防松结构，仅仅是通过对螺母2的塑性变形，达到过盈配合的目的，如图12所示。防松结构的破坏，只需施加克服螺母2塑性变形造成的过盈配合的外力即可。本发明改变防松结构的主要工作部件，直接在螺栓1上进行改进，通过螺纹部分的夹紧，实现防松目的，如要破坏放松结构，那么必须施加破坏材料极限强度的外力。如果与防松功能的螺母2配合(如自锁螺母2、高锁螺母2等)，则破坏防松结构除了破坏材料所需的外力之外，还需要额外增加克服螺母2塑性变形的外力，松脱力矩可达传统防松结构的3倍以上，防松能力相对传统防松结构显著提升。

实施例2：可拆卸型防松螺栓

如图2所示，与实施例1不同之处在于，本实施例的所述基本螺纹131 和锁紧螺纹132之间没有设有辅助安装段，而是设有过渡螺纹132，所述过渡螺纹132的牙底圆弧半径Rg与基本螺纹131的牙底圆弧半径R、锁紧螺纹132的牙底圆弧半径Rx满足如下关系：R＞Rg＞Rx；所述过渡螺纹132 的牙顶尺寸lg与基本螺纹131的牙顶尺寸l、锁紧螺纹132的牙顶尺寸lx满足如下关系：l＞lg＞lx。

通过结构的微调，本发明可调整为不同于实施例1的可拆卸结构。螺栓 1安装后，尾端辅助安装部分仍与工作部分连接，当需要拆卸时，可使用工装拉动辅助安装段，使夹紧的锁紧螺纹132再次张开，螺母2可自由旋出。弹性变形不会对材料形状及性能产生不利影响。

对于有拆卸维修要求的紧固连接结构，可使用本实施例所述的可拆卸型防松螺栓，螺栓选择原材料为TC4的钛合金，选择弹性变形量为0.1时作为设计的基础变形量，本实施例的性能参数见表2。

表2实施例2的性能数据表

本发明的安装具体包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头11放入使用环境或者上工装中，光杆12的厚度等于适用夹层3厚度；

步骤二：将配合安装的螺母2旋入防松螺栓下端的基本螺纹131部位，配合螺母2的螺纹为MJ5x0.8x5.5；

步骤三：使用下工装，旋入防松螺栓下端基本螺纹131，施加预定的拉力，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，设定值为发生0.1形变量时对应的拉力值，使锁紧螺纹132部分慢慢张开，施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母2为止；

步骤四：螺母2旋合至夹层3下端，与夹层3接触，安装力矩根据不同规格选取，如本实施例中选取的型号符合的技术条件规定的安装力矩为9 N·m。

步骤五：卸载拉力，旋出下工装，完成安装。

步骤六：当维修拆卸时，拆卸时，使用下工装旋入下端基本螺纹131部分，操作步骤与安装时相反，完成拆卸和维修。

对比例1

采用规格MJ6x1的TC16钛合金六角厚自锁螺母2与TC16钛合金螺栓紧固结构，如图13-图14所示，本对比例的性能参数见表3。

表3对比例1的性能数据表

材料	螺纹	收口处变形量	螺母安装力矩	松脱力矩(均值)
					TC16	MJ6x1x7	0.056	13N·m	0.7N·m
A286	MJ6x1x7	0.056	13N·m	0.9N·m
					16CrSiNi	MJ6x1x7	0.056	13N·m	1.3N·m

对比例2

采用规格MJ5x0.8的TC4钛合金六角厚自锁螺母2与TC4钛合金螺栓紧固结构，如图13-图14所示，本对比例的性能参数见表4。

表4对比例2的性能数据表

材料	螺纹	收口处变形量	螺母安装力矩	松脱力矩(均值)
					TC4	MJ5x0.8x5.5	0.052	9N·m	0.5N·m

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型防松结构螺栓，其特征在于：所述螺栓包括依次固定连接的螺栓头、光杆、螺纹杆，所述螺纹杆上设有旋向相同的基本螺纹、锁紧螺纹，所述基本螺纹位于螺纹杆远离螺栓头的一侧，所述锁紧螺纹位于螺纹杆靠近螺栓头的一侧，所述基本螺纹与螺母上的内螺纹相匹配，所述锁紧螺纹的螺距Px小于基本螺纹的螺距P，所述锁紧螺纹的大径超出于所述基本螺纹的大径，所述锁紧螺纹可被拉伸至与螺母相旋合。

2.根据权利要求1所述的新型防松结构螺栓，其特征在于：所述锁紧螺纹的螺牙横截面积等于所述基本螺纹的螺牙横截面积。

3.根据权利要求2所述的新型防松结构螺栓，其特征在于：所述螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε小于所述螺栓所使用材料的屈服点所对应的形变量，优选地，所述螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε位于0.1-所述螺栓所使用材料的屈服点所对应的形变量之间。

4.根据权利要求2所述的新型防松结构螺栓，其特征在于：所述锁紧螺纹的螺距Px、基本螺纹的螺距P、螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε满足如下关系：Px＝P/(1+ε)，所述锁紧螺纹的牙底张开角度θx略小于基本螺纹的牙底张开角度θ，优选地，所述锁紧螺纹的牙底张开角度θx与基本螺纹的牙底张开角度θ满足如下关系：tan(θx/2)＝(Px/P)²·tan(θ/2)。

5.根据权利要求1所述的新型防松结构螺栓，其特征在于：所述基本螺纹和锁紧螺纹之间设有辅助安装段，所述辅助安装段的外周开设有一沿周向延伸的断颈槽，所述断颈槽的槽高度s为基本螺纹的螺距P的1～3倍。

6.根据权利要求1所述的新型防松结构螺栓，其特征在于：所述基本螺纹和锁紧螺纹之间设有过渡螺纹，所述过渡螺纹的牙底圆弧半径Rg与基本螺纹的牙底圆弧半径R、锁紧螺纹的牙底圆弧半径Rx满足如下关系：R＞Rg＞Rx；所述过渡螺纹的牙顶尺寸lg与基本螺纹的牙顶尺寸l、锁紧螺纹的牙顶尺寸lx满足如下关系：l＞lg＞lx。

7.权利要求5所述的新型防松结构螺栓的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头放入使用环境或者上工装中，光杆的厚度等于适用的夹层厚度；

步骤二：将配合安装的螺母旋入螺栓下端的基本螺纹部位；

步骤三：使用下工装，旋入螺栓下端的基本螺纹部位，施加预定的拉力F，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，拉力值设定为螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε时对应的拉力值，使锁紧螺纹部分慢慢张开，施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母为止；

步骤四：保持拉力F，螺母旋合至夹层下端，与夹层接触；

步骤五：继续增大施加的拉力，直至达到设计的拉断力值，断颈槽被拉断，拉开的锁紧螺纹重新因为弹力变形而恢复起始状态，使螺栓和螺母的螺纹部分夹紧密连接，形成防松结构。

8.权利要求6所述的新型防松结构螺栓的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将螺栓头放入使用环境或者上工装中，光杆的厚度等于适用的夹层厚度；

步骤二：将配合安装的螺母旋入螺栓下端的基本螺纹部位；

步骤三：使用下工装，旋入螺栓下端基本螺纹部位，施加预定的拉力F，拉力值设定应根据材料的应力应变曲线确定，拉力值设定为螺栓被拉伸至与螺母相旋合时的形变量ε时对应的拉力值，使锁紧螺纹部分慢慢张开，施加的拉力可以适当小幅调整，达到可以继续旋入螺母为止；

步骤四：螺母旋合至夹层下端，与夹层接触；

步骤五：卸载拉力，旋出下工装，完成安装。

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