CN117028392B - 紧固环紧固件及其组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种紧固环紧固件及其组件，属于连接件技术领域。它包括环形本体，所述的环形本体内侧为通道，所述的环形本体由弹性材料制得，所述的环形本体外侧壁上设置有受压面，所述的受压面横截面直径由一端向另一端逐步平滑变大，所述的受压面位于直径较小一侧的相邻面为受压顶面，所述的受压顶面与受压面圆角过渡。在螺杆疲劳伸长时有效防止螺纹副松动。
Description
技术领域
本发明属于连接件技术领域，涉及一种紧固环紧固件及其组件。
背景技术
螺纹紧固件防松无小事，不管在航天航空、轨道交通、大型设备等各个领域，一旦紧固件出现松动，就有存在事故发生的风险。根据不同的使用需求，常见的紧固件防松有摩擦防松、机械防松、破坏螺纹副防松等，其中摩擦防松是使螺纹连接副中始终存在不随外界影响的摩擦力来达到防松目的的方法，例如双螺母、弹簧垫圈等。
在中国专利文件中公开了一种防松螺丝专用防松垫片[专利号为2007201929612]，在垫片片体顶面上设有防松级进齿，通过防松级进齿对螺母进行定位达到防松的效果。在日本专利文件中公开了一种防松螺母组件[专利号为JP2000317755]，包括上下螺母，上下螺母中分别设置锥形槽和锥形台，锥形槽和锥形台相互配合偏心设置，在上下螺母反向拧动加紧的过程中增强摩擦力达到防松效果。
上述技术方案通过机械或摩擦手段提高了防松效果，但只片面的注重了螺母与垫片构件的防松，不仅仅上述技术方案存在这一不足，现有的防松紧固件技术均存有这一通病，只偏注重震动对紧固件松动影响，且在建筑幕墙领域无奈地采取电焊焊牢防松，严重忽略了紧固件松弛的另一主要原因来自于疲劳伸长，疲劳伸长率的90％来自于轴向拉力疲劳、剪切力疲劳、拉剪与震(振)动混合性疲劳，当然包括设计时未考虑弹簧垫圈增加负荷因素，从而导致紧固件的松驰。通常来讲，材料的弹性模量越大紧固件的伸长率越小；另外紧固件直径、长度、螺纹、承力对轴向力疲劳延伸率产生影响，直径较小的紧固件的伸长率较大，长度较大的紧固件的伸长率较大，而细螺纹的紧固件的伸长率也相对较大，承力较大疲劳加快，紧固件的伸长率也相对较大。剪切力疲劳主要来自于两个被连件之间的承力差产生的扭剪力、震动波和冲击波等形成的疲劳伸长率，例如轨道交通的“车站进出站处、弯道处钢轨连接、分道口钢轨连接、铁路钢结构桥梁等，因受刹车惯性和惯性侧剪冲击、震(振)动影响导致疲劳伸长，故经常性需要作松动维护，有的数天就得作拧紧或更换处理。侧向拉剪力疲劳、震动波和冲击波等形成的混合型疲劳伸长率，例如风力发电塔，当风叶受到风振波旋转发电的同时，其塔身受到的侧向力和不亚于地震当量的振动波，当有部分螺栓松动的侧向阵风冲击时，就会出现螺栓多米诺骨牌效应的迸断而导致倒塔事故，尤其是2类风场和3类风场的120m-220m的超高塔更容易出现螺栓疲劳伸长。
上述的紧固件在受拉剪、震动、载荷等共同作用使得疲劳伸长导致松动，人们采用重型、超重双圈型的弹簧垫圈来解决松动，且不知弹簧垫圈反弹力越大螺杆伸长率就更大，更为严重的还会导致紧固件螺纹失效螺杆断裂。或换大型号致成本增加，且浪费地球有限矿产资源。
发明内容
本发明的目的是针对上述克服紧固件在设计规定允许疲劳伸长率内导致紧固件松动的技术问题，同时克服弹簧垫圈反弹力增大疲劳伸长量的技术问题，提供一种紧固环紧固件及其组件。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本紧固环紧固件，包括环形本体，所述的环形本体内侧为通道，所述的环形本体由弹性材料制得，所述的环形本体外侧壁上设置有受压面，所述的受压面横截面直径由一端向另一端逐步平滑变大，所述的受压面位于直径较小一侧的相邻面为受压顶面，所述的受压顶面与受压面圆角过渡。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体任意一个端面或两个端面上设置至少有一个防松齿，所述的防松齿自圆心向外分布设置。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体设有可周向扩张的开口，所述的环形本体开口的两端分别向环形本体两端上下相错设置；
所述的环形本体受压面的外锥面或外弧面两端的初始角度∠不小于30°，不大于80°﹔
或采取以下公式，制造通用性调节范围取±20％：
式中：∠--初始角度；
ηbc——e2和e3含横向分担率(％)；
σb——紧固件疲劳伸长率(％)；
γa——过渡圆角影响系数，圆角半径当≤2.0mm时取6.5、>2.0mm时取4、>3.0mm时取2.5。
E——环形本体反弹力影响系数，轻型和标准型取1.45、重型1.6、超重型取1.8。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体上的受压面为外锥面或外弧面，所述的受压面上向外突出或向内凹陷形成至少一个向环形本体端两面延伸的止转齿，所述的止转齿的齿峰呈逆时针或顺时针向一侧倾斜。
在上述的紧固环紧固件中，所述的止转齿与受压顶面上的防松齿数量相等，且相互连通，防松齿的齿峰倾斜方向与止转齿相同。
在上述的紧固环紧固件中，止转齿与防松齿圆弧过渡。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体两端面在开口处分别向环形本体外侧设置有至少一个翘起段，所述的翘起段上翘起有防松齿，所述的翘起防松齿为圆角，或防松齿设有下沉式倾斜过渡段；
所述受压顶面上翘起的防松齿与受压面的翘起的止转齿圆弧过渡为翘起圆角，或防松齿与止转齿设有下沉式倾斜过渡段。
在上述的紧固环紧固件中，所述的止转齿和防松齿齿脊或齿槽呈弧形，且止转齿和防松齿齿脊或齿槽弧线同弧。
在上述的紧固环紧固件中，所述的通道中设置有锁固齿，所述的锁固齿自环形本体一个端面向另一个端面设置。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体内穿设有螺杆，所述的螺杆的动力头下方设置有锥形台，所述的环形本体内侧靠近螺杆的动力头一端设置有锥形或弧形豁口。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体在受外力压缩后内径周长小于或等于通道中螺杆杆体外径周长。
在上述的紧固环紧固件中，开口的初始开口宽度为：
m＝dmin·γb
式中：m--初始开口宽度(mm)；
dmin——螺杆最小直径(mm)；
γb——环开口弹压保证系数，根据等级和大小取13.5％-40％。
在上述的紧固环紧固件中，环形本体的内侧至少在上下处的一侧设有小于等于螺杆的防落定位收口。
在上述的紧固环紧固件中，所述的环形本体开口两端上下错位的有效弹压高度Wbh为：
Wbh＝2S·γh
式中：Wbh--有效弹压高度(mm)；
S——环条高度(mm)；
γh——环弹压保证系数。
本采用上述紧固环紧固件的紧固组件，所述的环形本体外设置有容置腔，所述的容置腔中设置有与受压面相同朝向的内锥面，容置腔设置在容环件、螺杆的动力头上或者被连接件上。
在上述的紧固组件中，所述的环形本体小头直径大于容置腔小头直径且小于大头直径，所述的容置腔与环形本体外形相适配。
在上述的紧固组件中，所述的容置腔侧壁上设置有与止转齿相适配的凸齿，所述的凸齿齿峰与止转齿齿峰朝向相反，
或/和所述的容置腔腔底上设置有锁紧齿，所述的环形本体靠近容置腔底一侧设置有防松齿，所述的锁紧齿齿峰倾斜方向与防松齿相反。
在上述的紧固组件中，所述的容环件外形呈多边形，所述的容环件上设置有止转结构。
在上述的紧固组件中，所述的止转结构为设置在容环件上且与螺杆相适配的螺纹孔；
或所述的止转结构包括设置在容环件上的定位孔，所述的定位孔中设置有插设在被连接件上的止转销钉；
或所述的止转结构包括与被连接件固定连接的止转块，所述的止转块抵靠在容环件上。
在上述的紧固组件中，被连接件或螺杆与环形本体相抵靠的面上设置有与防松齿相对应的防松结构，所述的防松结构为放射状齿、止转纹、凸块、防松齿的配合齿的一种。
在上述的紧固组件中，所述的止转齿、防松齿中齿的斜角α为90°-150°，与止转齿、防松齿配合的凸齿、锁紧齿、防松结构中齿的斜角α为90°-150°。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：
1.现有疲劳伸长率导致松动无法控制，另外弹簧垫圈的弹力100％为增加法向荷载而加大疲劳伸长率。
本发明采取圆角、角度∠、缝隙M加宽后获得突破，如图13有限元分析中，法向应力深红区在环形本体1受压面的中到大头处A；而横向应力深红区显示在环形本体过渡圆角与受压面的各半处B；而与螺杆周向抱紧处为深蓝或土黄，分析认为受轴芯向外的周向反弹力影响故传递的抱紧力较弱。如表1且通过分配法分担率为“法向33.78％，横向66.22％”，显示约≈2/3分配给e2、e3的横向反弹应力﹔有限元分析中，当螺母分别施压400N、800N、1200N时，反弹应力“e1：e2：e3为1.00：1.07：1.20”。可以看出分配法和有限元分析数据显示，这不但可解决螺杆所增加荷载的螺杆伸长量和破坏螺纹问题，还可通过e2、e3的弹压力增强使齿与齿的有效锁固防松和抗疲劳伸长，效果显著。
2.当螺杆疲劳在轴向伸长时，由于受压止转齿与防松齿圆角过渡，环形本体1上下弹压逐渐恢复原始状态，同时利用M的有效空间向外横向弹压，当将环形本体压入容置槽的面与容置槽底的距离大于环形本体初始未压缩的高度时，环形本体脱离容置槽底部向容置槽外移动，始终保持与容置槽底、螺杆或螺母抵靠连接，有效扩大了在螺纹紧固件不松动的状态下螺杆可伸长的长度。针对轻型、标准型、重型、超重型的环形本体，设计紧固件疲劳伸长总位移安全控制量、保证锁固弹力高度值的应用设计公式，并通过试验验证使该公式选型紧固件并配合紧固环达到持久不松动的技术效果。
3.止转齿呈向螺纹旋出方向倾斜设置，当螺杆拧入时，止转齿受力齿面较为平坦，容易拧入，拧紧后螺杆受震动具有旋出趋势时，止转齿与凸齿，防松齿与防松结构受力齿面较为陡峭，相互抵靠难以旋出，提高了防松效果，优先应用于一次性拧入无需中途拆卸的超级振动场景。
4.对需拆卸的场景，可转动容环件或动力头使凸齿向螺杆旋出转动，各止转齿受力齿面和凸齿受力齿面均为较平坦面，利用金属弹性使两齿之间出现间隙，恰利用该间隙可以拧松，达到无损拆卸。
5.当螺杆疲劳伸长时，环形本体在弹性作用下，上下弹压变高，同时出现外径向横向弹压，当疲劳伸长较大时环形本体侧壁与锥形圆台腔侧壁逐步脱离，由于止转齿与防松齿连通，尤其是止转齿与防松齿同时圆弧过渡，使承担止退功能的防松齿可顺利过渡给止转齿，与凸齿形成锁固，并在足够的横向扩张弹压作用下，确保齿锁固达到螺栓有效防松目的。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明提供的实施例一结构示意图；
图2是本发明提供的环形本体结构示意图；
图3是本发明提供的实施例二结构示意图；
图4是本发明提供的另一种垫块结构示意图；
图5是本发明提供的拧紧时止转齿与凸齿锁固原理图；
图6是本发明提供的环形本体翘起放大图；
图7是本发明提供的螺杆伸长时环形本体状态图；
图8是本发明提供的螺杆伸长时环形本体状态放大图；
图9是本发明提供的止转齿为尖角、螺杆伸长时环形本体状态图；
图10是本发明提供的螺栓拧紧时环形本体状态图；
图11是本发明提供的螺钉拧紧时环形本体状态图；
图12是本发明提供的螺栓施加扭矩时环形本体反弹力曲线图；
图13是本发明提供的环形本体法向受力有限元分析图；
图14是本发明提供的环形本体横向受力有限元分析图。
图中，环形本体1、受压面101、受压顶面102、通道2、止转齿3、锁固齿4、防松齿5、容置腔6、内锥面601、容环件7、螺纹孔701、锥壁702、凸齿8、锁紧齿9、螺杆10、锥形台11、动力头12、翘起段13、下沉式倾斜过渡段14、垫片或被连接件15、防落定位收口112、防松结构113、圆角过渡114、压载方向N、弹力方向e、上下弹压W、横向弹压d、角度∠。
具体实施方式
实施例一
在本实施例中，如图1-2所示，包括环形本体1，所述的环形本体1内侧为通道2，所述的环形本体1由弹性材料制得，所述的环形本体1外侧壁上设置有受压面101，所述的受压面101横截面直径由一端向另一端逐步平滑变大，所述的受压面101位于直径较小一侧的相邻面为受压顶面102，所述的受压顶面102与受压面101圆角过渡。
当拧动螺杆或螺母，如图10所示，螺杆的动力头或螺母压向环形本体1时，环形本体1的受压面101受到向内的压力，使得环形本体1向内变形抱紧螺杆，同时环形本体1处在弹力压缩状态下被固定，防止螺杆或螺母松动。
当螺杆长时间处于负载、冲击、振动等工况下，出现疲劳伸长时，现有技术中例如偏心双螺母或者端面带有防松齿纹的垫片会与压紧部件之间出现间隙，失去防松的效果。
而在本实施例中，为了使环形本体1最大限度的弹开扩展和有效卡住螺杆，环形本体1开口的周长小于或等于螺杆的最小直径。疲劳伸长较小时，处于受压面101向外展开，出现环形本体1向初始状态形变的初期，此时，依旧受外力作用下处于向内收缩的状态，被压卡入螺杆上的锁固齿4依旧防松有效。
所述的环形本体1设有开口M，所述的开口M需满足足够的弹压力和可压缩间距，同时考虑大小不同或强度等级不同的螺栓与环形本体1的弹力比，即螺栓越大环形本体1弹力越强和累积差变小，故开口尺寸可适当减小，另外环形本体1的宽度d加大，弹力强度随之变大，开口尺寸也可适当减小。当开口M的初始尺寸超过螺杆最小径的13.5％时，反弹力太小；当开口M的初始尺寸超过螺杆最小径的40％时，容环腔尺寸变宽变深，容环件加工，不但成本增加，还会加大e1的负荷影响螺杆伸长率。优选地，如图2中开口M的初始尺寸为螺杆最小径的15-35％。所述的环形本体1初始状态开口103的两端分别向环形本体1的两端面上下相错设置，优选地，所述上下相错设置大于S值2倍。
当螺杆受疲劳进一步伸长时，如图7所示，环形本体1向初始状态形变发展，即开口两端向两个端面形成弹性螺旋分离状，同时环形本体1向外扩大，使部分已远离容置腔6底部的受压顶面102抵靠在容置腔6的腔壁702上，受压面101上的止转齿3通过圆角过渡到防松齿5，其中环形本体1的一端抵靠在螺杆的动力头或者与螺杆螺接的螺母上，另一端由于受压顶面102与受压面101圆角过渡，可以使环形本体1上下相错升高的同时发生向外弹性扩张，使e1弹压力分担给e2、e3，始终与锥形腔抵靠起到使环形本体不发生转动的效果，从而通过环形本体1防止松动的效果。
当所述螺杆受疲劳伸长较大时，如图8所示，所述环形本体1的受压顶面102已远离容置腔6底部时，受压面101完全抵靠容置腔6的腔壁702上，受压面101上的止转齿3通过圆角也全部过渡到防松齿5，形成e2、e3完全取代e1弹压和防松结构113上齿相配合的承压及防松效果。
所述的防松结构113，至少设在垫片或被连接件的一端面，或至少设在容环件7的一端面。
如受压面101与受压顶面102之间为尖角，如图9所示，环形本体1容易被尖角限制发生卡死，在螺杆疲劳伸长时，容易出现尖角环形本体全部或局部卡在容环腔上，使得环形本体与防松垫片或被连接件之间脱离而防松失效，故不推荐采用。如环形本体为普通的弹簧垫圈，形变时不具有向外扩大功能，间隙超过弹簧垫圈的高度差后即丧失防松的效果，且也不具备在振动、疲劳延长状态下止退防松。
优选地，所述的环形本体1两个端面上设置有防松齿5，所述的防松齿5自圆心向外分布设置。环形本体1上下两个端面上防松齿5分别抵靠在容置腔6的底部和动力头12下方或锥形台11上，在本实施例中，其中一个防松齿5抵靠在螺杆10的动力头12下方，所述的动力头下方设置防松结构113，或锥形台11和内锥面601的表面设置防松结构113，且锥形台11与内锥面601上防松结构113相互配合抵靠。如图1所述的容置腔6的底部为穿透状时，可利用被连接件上设有防止转动的齿与环形本体1端面上设置有防松齿5配合。
进一步，至少在在环形本体1的两端面在开口处设置有防松齿5并分别向环形本体1外侧翘起，使得在环形本体1在张开后还有防松齿5与容置腔6底部以及螺杆10上抵靠固定连接。所述的防松结构113，至少设在垫片或被连接件15的一侧端面，或至少设在容环件7的一侧端面。
进一步，为了确保环形本体1上下的防松齿5与容环腔底部锁紧齿9和防松结构113的齿配合，以及减少拧入或退出的阻力，提高弹力防松效果，如图6、7所示，所述的环形本体1的两端面在开口处分别向环形本体1外侧至少有一个翘起段13，所述的翘起段13设有防松齿5，所述的防松齿5齿尖为圆角，或防松齿5设有下沉式倾斜过渡段14。容置腔6底部锁紧齿9或防松结构113齿的凹槽深度吻合，当施加扭矩压力安装完成环形本体1压平时，防松齿5的凸出齿尖进入凹槽填平﹔当螺杆初始伸长时，环形本体1向下上和外侧扩大时，环形本体1通过防松齿5的凸出齿尖顶着锁紧齿9或防松结构113齿的凹槽，当螺杆伸长较大时，受压面101上的翘起段13上止转齿3通过圆角过渡到受压面102翘起段13上防松齿5的凸出齿尖上，所述的防松齿5凸出齿尖弹入凸齿8凹槽中止转。优选地，所述的翘起段13上防松齿5的凸出高度与锁紧齿9或防松结构113齿的凹槽高度吻合。优选地，所述的翘起段13上设有的过度圆角和止转齿3的凸出高度凸齿8的凹槽高度吻合。
在本实施例中，受压面101为外锥面，受压面102为平面且与受压面101圆角过度，本领域技术人员也可以将受压面101、受力顶面102设计成球面、弧面等。为保证在弹压力下与容置腔6配合时，环形本体1能受外力向内收拢，达到抱紧螺杆和反弹锁齿的目的，以及在弹压力减小时环形本体1能后向外扩张的目的。
优选地，在环形本体1外设置有容置腔6。容置腔6设置在被连接件的连接孔孔口上，或单独设置容环件7，或设置在螺母上。在本实施例中，容置腔6设置在容环件7上，与呈锥形面的受压面101、受力顶面102相适配，以保证环形本体1的受压面101、受力顶面102在所受N1、N2、N3时，有效防止应力集中，减少对受力顶面102的弹压引起的螺杆疲劳伸长或螺纹失效。另一方面，保证受压面101、受力顶面102与容置6有充分接触，从而有效限制环形本体1转动。在本实施例中，受压面101的较小端直径等于容置腔6外口直径，在环形本体1被挤压进容置腔6时，即受容置腔6挤压环形本体1向内收缩抱紧螺杆，和提供螺杆疲劳伸长环形本体1扩大时向外的推力。
本领域技术人员也可以根据环形本体1的大小在被连接件上设置大于连接孔直径的圆锥孔、圆柱孔或多边形孔，以期在拧紧螺栓以及螺栓疲劳伸长后有效地防止环形本体1转动以及为环形本体1提供向内的压力和向外的推力。
优选地，所述的受压面101上向外突出或向内凹陷形成至少一个向环形本体1端面延伸的止转齿3。在环形本体1被压入容置腔6内后，止转齿3抵靠在容置腔6的侧壁上，使得环形本体1与容环件7周向定位不容易发生转动。
优选地，在本实施例中，止转齿3的齿峰呈逆时针或顺时针向一侧倾斜，且与螺杆或螺母拧入旋进方向相反。当拧入时，将环形本体1压向容置腔6，在环形本体1受容置腔6挤压向内收缩时，逐渐抱紧螺栓随螺栓发生转动，此时止转齿3与容置腔6之间摩擦力增大，拧入的阻力也随之增大，拆卸的退出齿的阻力也较大。优选地，选择上述较小阻力的环形本体1的两端面在开口处翘起段13上设有的齿均为凸起齿尖，所述的齿尖为圆角，或齿设有下沉式倾斜过渡段14。
本实施例中，所述环形本体1的开口尺寸和容置腔6的尺寸，它还涉及环形本体1自身强度与螺杆、螺母的保证载荷能力，强度过低无法实现解决螺杆伸长问题，强度过高又会导致螺杆加速疲劳增大伸长量或螺纹无法承受弹压力而破坏。本发明通过弹簧垫圈与环形本体1比对实验和有限元分析，数据与分析表明，所述的环形本体1与单独N1向弹簧垫圈的承压原理完全不同，如图10，当容环件7的螺母或螺钉动力头施加预紧扭矩力时，由于所述的环形本体1具有向外的横向弹压空间和弹力作用，当容环腔6通过N1、N2、N3方向同时对环形本体1的受压顶面102、受压面101和圆角施压，从而使环形本体1的受压顶面102、受压面101和圆角通过向外产生e1、e2、e3方向的弹压力。通过e2或e3对e 1法向反弹力转移作用下，可大大减轻e1法向反弹力对螺杆疲劳或螺纹破坏机率，并且本发明通过实验和有限元分析还获得不同紧固件强度可以通过轻型、标准型、重型、超重型四种环形本体1，即可解决不同强度紧固件在疲劳延长下的有效分担式承力、防松问题。如图12所示，本实施例取8.8级M12紧固件所涉环形本体1的标准型a和重型b为例，且通过实验从环形本体1找出环条高度S与宽度d的平衡点，当总载荷的扭矩≥100N·m时，优先地选用表3方案的标准型环条﹔当总载荷的扭矩≤100N·m时优先地选用表3方案的重型环条，并且重型环条作其法向反弹力接近比对的标准弹簧垫圈A1，优先地碳钢选用表1方案。
本实施例紧固环性能与适用见表1
本实施例中，为了克服上述表1与不同被连接螺杆间距L疲劳伸长率之间关系，所述的环形本体1弹压力可通过图2中环条高度S和宽度d、角度∠进行分配，为了解决e1弹压增加荷载的伸长量，采取宽度d加宽加大横向弹力和角度∠控制，使e1弹压力分配给e2或e3，优选地选择以下公式(制造通用性调节范围取±20％)：
本实施例当取8.8级M12紧固件为例，
σb——紧固件疲劳伸长率(％)；
γa——过渡圆角影响系数，圆角半径当≤2.0mm时取6.5、>2.0mm时取4、>3.0mm时取2.5。
E——环形本体反弹力影响系数，轻型和标准型取1.45、重型1.6、超重型取1.8；
ηbc取＝66.22，σb取＝2.92，γa取＝6.5，E＝1.45，所获角度计算如下：
即制造通用性调节范围≈52°-78°，最佳角度≈65°。
环形本体1长宽比、斜角不同分担率完全不同，e3、e2分担率可采用方向分担法，或有限元分析获σb值，例某M12的65°环形本体1方向分担法见表2：
本实施例当取12.9级M36紧固件为例，ηbc＝49.27，σb＝1.78，γa＝2，E＝1.8，所获角度计算如下：
即制造通用性调节范围≈31°-46°，最佳角度≈39°。
从上述的计算得出最小值31°和最大值78°，以及并得出环形本体通过反弹力分配可以在疲劳伸长时获得减少载荷和增强防松效果，但是还得从安全、制造经济性考虑，经实验和有限元分析，角度过大时受压面102变大，会导致横向反弹力作用变弱，法向反弹力变强-接近于弹簧垫圈，且容环腔6外壁受较小斜锥挤压的应力变大需增厚加大成本；反之角度过小，同样也会导致横向反弹力作用变弱，法向反弹力变强。优选地，所述的环形本体受压面101的外锥面或外弧面两端的初始角度∠可限定于不小于30°和不大于80°，最佳角度≈49°-65°。
本实施例中，止转齿3齿峰与螺杆拧旋进方向相反，止转齿3旋入受压面较为平缓，同时利用止转齿3的弹性，使得环形本体1容易随着螺杆在容置腔6中转动，从而拧紧螺栓。反之，造成螺栓松动的原因是螺杆向拧出的方向转动，此时止转齿3的另一面，即较为陡峭的一面为受压面，止转齿3在这个方向强度刚性大，环形本体1被容置腔6限制不能向螺杆拧出方向转动，从而达到螺杆防松。本领域技术人员均知常规的紧固方法：“旋进方向为顺时旋转，退出为逆时针方向”，但是在特定场合下可以相反实施，其实施效果相同，技术原理相同。
优选地，通道2中设置有锁固齿4，所述的锁固齿4自环形本体1自一个端面向另一个端面设置。当环形本体1向内收缩时，锁固齿4在螺杆的螺纹上压出凹槽与锁固齿相结合，加强抱紧，可防止疲劳伸长初期的环形本体1与螺杆之间出现相对转动，以及增加反弹有限空间量。
优选地，所述的环形本体1开口两端上下错位设置，环形本体1内径周长小于通道2中螺杆杆体最小外径周长。当螺杆压紧环形本体1时，环形本体1被压平，并在容置腔6的作用下，环形本体1的开口处相互靠近，此时由于环形本体1内径周长小于通道2中螺杆杆体最小外径周长，即环形本体1开口合紧时，环形本体1的内圈直径小于螺杆外径，环形本体1内圈的锁固齿4能紧紧抱住螺杆，甚至在螺杆螺纹上压出止转的凹槽。
进一步，止转齿3与防松齿5数量相等，且相互连通，当螺杆疲劳进一步伸长时，环形本体1向复原初始形状变化，即环形本体1的两端，上端面和下端面上下弹压W，弹压后防松齿5充当止转齿3的作用，与容置腔6之间保持稳固的固定连接。
优选地，防松齿5的齿峰与止转齿3的倾斜方向相同。使得防松齿5在环形本体1形变弹压时更容易卡入凸齿8中。
在本实施中，环形本体1截面直径向螺栓拧入方向缩小，所述的容置腔6与环形本体1外形相适配，所述的容置腔6侧壁上设置有与止转齿3相适配的凸齿8，所述的凸齿8齿峰与止转齿3齿峰朝向相反。如图5所示，当螺杆拧入时，凸齿8平缓的齿面与止转齿3平缓的齿面相抵靠为受压面，凸齿8和止转齿3较为薄弱，利用其金属弹性可以较轻松地拧入螺杆。当螺杆拧紧后，凸齿8陡峭的齿面与止转齿3陡峭的齿面相抵靠为受压面，相互阻挡方式环形本体转动，从而起到防松的作用。
当螺杆疲劳伸长是，环形本1上端面和下端面向上下弹性升高，并周向扩展，由于止转齿3与防松齿5数量相等，且相互连通，尤其圆弧过渡，使承担止退功能的防松齿5过渡给止转齿3抵靠在凸齿8上，保持防松作用。
优选地，所述的容置腔6腔底上设置有锁紧齿9，所述的环形本体1靠近容置腔6一侧设置有防松齿5，所述的锁紧齿9齿峰向顺时针或逆时针一侧倾斜，所述的防松齿5与锁紧齿9齿峰方向相反。起到进一步防松作用。
在本实施例中所述的容置腔6设置在容环件7。容环件7呈片形且外形呈六边形。当需要检修或拆卸螺杆时，使用工具将容环件7和螺杆控制，同时同方向拧动使螺杆、环形本体1以及容环件7同时转动，拧松螺杆。
优选地，所述的止转齿3、防松齿5与其配合的凸齿8、锁紧齿9、防松结构上齿113中齿的斜角α为90°-120°。当需拆卸的，可根据防松需求，所述的止转齿3、防松齿5与其配合的凸齿8、锁紧齿9、防松结构上齿113中齿的斜角α为120°-150°。为了更好地既可拆卸，又使得可靠防松退，更进一步，所述的止转齿3与防松齿5圆弧过度组合并向环形本体1端面外翘起，优选地设有可在强弹力下退出用的圆弧或斜面的过渡段。
当螺杆拧紧状态较好，难以同时拧动容环件7和螺杆时，利用凸齿8和止转齿3的金属弹性，以及凸齿8和止转齿3齿峰倾斜方向相反的设置，先拧动容环件7超止转齿3倾斜方向转动，使凸齿8和止转齿3之间出现间隙B，再拧动螺杆使环形本体1转动至凸齿8和止转齿3贴合，多次操作之后螺杆松动，使环形本体3、容环件7和螺杆能一起转动后使用工具将螺杆拧松拆卸。所述的拆卸，还可通过对止转齿、防松齿5中齿的斜角α来实现，优先地选择120°-150°。并对所述的与止转齿、防松齿5配合的凸齿8、锁紧齿9、防松结构113中齿的斜角α进行配合，优先地选择120°-150°。
在本实施例中，如图4所示，容环件7呈片形且外形呈多边形，所述的容环件7上设置有止转结构。所述的止转结构包括设置在容环件7上的定位孔，所述的定位孔中设置有插设在被连接件上的销钉，当需要拆卸时，将销钉拔出，去除容环件7的转动限制，拧动容环件7使螺杆松动。
本领域技术人员也可以将所述的止转结构设计为与被连接件固定连接的止转块，所述的止转块抵靠在容环件7上；如图4所示，或止转结构为与容环件7固定且与螺杆10相适配的螺纹孔701，使得容环件7不能转动。
本领域技术人员可以将容环件7设计呈矩形、带有两个扁丝面等形状，如图4所示，可以让拆卸工具具有着力点。
本领域技术人员也可以在所述的螺杆10的动力头下方设置有锥形台11，所述的环形本体1内侧靠近螺杆10的动力头一端设置有锥形豁口。在拧紧螺杆10时，使环形本体1内腔抱紧锥形台11，防止螺纹破坏，达到螺杆重复利用的效果。
优选地，环形本体1的内侧至少在上下处的一侧设有小于等于螺杆10的防落定位收口112，所述的防落定位收口112为闭环。使得环形本体1在螺杆为拧紧前与螺杆预连接，在运输、安装过程之中不用借助外力更为方便。
优选地，被连接件或螺杆与环形本体1相抵靠的面上设置有与止转齿3相对应的防松结构113，所述的防松结构113为放射状齿、止转纹、凸块的一种。进一步增强环形本体1与螺杆、容置腔6之间的连接强度。
实施例二
本实施例的基本原理与实施例一相同，不同点在于：
优选地，如图2所示，在本实施例中止转齿3与防松齿5圆弧过度形成圆角α。当螺杆疲劳伸长时，环形本体1恢复形变，由于止转齿3与防松齿5圆弧过度，防松齿5能顺利滑入止转齿3中，起到防松作用。另一方面，当螺杆疲劳伸长到环形本体1两端不能同时抵靠在容置腔6底部和抵靠在螺杆动力头或被连接件上时，环形本体1由于圆角A容易在容置腔6中扩张和滑动过渡，从而沿容置腔6锥形侧壁扩大并向上移动，虽然脱离了容置腔底部，但是止转齿3依旧与凸齿8卡接，有效限制环形本体1转动，从而防止转动。
实施例三
本实施例的基本原理与实施例一相同，不同点在于：
如图3所示，所述的止转齿3和防松齿5齿脊呈弧形，且止转齿3和防松齿5齿脊和齿槽弧线同弧，在环形本体1形变弹压时，防松齿5更容易滑入凸齿8的齿槽中。相比较止转齿3与防松齿5圆弧过度形成圆角的技术方案，止转齿3和防松齿5齿脊呈弧形相当于增大了圆角，使得环形本体1更容易在容置腔中可控弹压，同时止转齿3和防松齿5更容易与凸齿8卡接并增大了卡接面积。
依据T/ZZB 1967—2021标准附录C《装配式紧固件体型波横向振动试验与评定》”的试验方法，从该标准编制说明中记载有紧固件标准件在1-3秒(振动12-37次)时夹紧力失效；所谓的防松垫片、防松螺母约在2-5秒(振动25-62次)时夹紧力失效；日本某称之为“永不松动”双螺母防松螺栓为235秒日本某所称的“永不松动”M1080级螺栓(双螺母)2935次/235s，剩余夹紧力19.2％。
取美国某双层防松垫片螺栓为对比例1﹔取受压面101为锥面，与受力顶面102相交为较小圆角的环形本体1为实施一﹔实施例二、三受压面101分别为锥面、弧面，受压面101与受力顶面102相交均为。在振频12.5Hz时进行M12的80级试验和评级等比对试验，每组3件，并对评级通过A级的继续追加5万次和10万次试验，试验结果表明美国某双层防松垫片螺栓远不如T/ZZB 1967—2021标准中的日本某双螺母防松螺栓效果，实施例二、三效果较好，实施一由于受较小圆角影响显示效果差一些。优先地，环形本体1选择大圆角过渡。
通过对周向抱紧方式直角开口环与本圆角外扩式紧固环静载疲劳伸长率试验，试验结果分析表明，对比例1组受螺杆伸长率影响，通过螺母下旋预紧，直角开口环对螺杆形成周向抱紧，同时开口环基于材料强度优于带容环腔的螺母，使得开口环上端弹挤进入容环腔锥体底部，当疲劳伸长时，使直角开口环小锥端口卡于容环腔锥体底部，而直角开口环小锥端口远离防松结构(113)，夹紧力与防松失效。实施例A组，本圆角锥体外扩环形本体1，通过螺母下旋预紧，圆角锥体外扩环形本体1对螺杆形成周向抱紧，基于紧固环为圆角形成与容环腔的底部(N1向)、圆角(N2向)、锥体面或弧面(N3向)均匀压载，当疲劳伸长时，圆角锥体外扩紧固环通过圆角作用，环形本体1上的止转齿3直接通过紧固环扩张滑入容环腔的凸齿8槽内锁固，通过进一步施加载荷后，即使在扩环形本体1已达2×环条高度(S)×105％，其环形本体1的上端已远离容环腔底部时，其夹紧力尚存83％和防松有效。实施例B组，圆弧体外扩环形本体1，通过螺母下旋预紧，圆弧体外扩环形本体1对螺杆形成周向抱紧，基于圆弧体外扩环形本体1为圆弧形成与容环腔的底部(N1向)、圆角(N2向)、锥体面或弧面(N3向)均匀压载，当疲劳伸长时，圆弧体外扩环形本体1通过圆弧作用，圆弧体外扩环形本体1上的止转齿3直接通过环形本体1扩张滑入容环腔的凸齿8槽内锁固，通过进一步施加载荷后，即使在扩环形本体1已达2×环条高度S×105％，环形本体1弧面已远离容环腔底部时，其夹紧力尚存84.2％和防松有效。另外，本发明除了进行横向振动试验(达建筑幕墙、建筑钢结构双A级)、足尺地震试验(达地面加速度1.0G)完好无损的越常性能外，还进行了最关健是紧固件的伸长率试验，为此本发明取轨道交通、风力发电塔用的6.8级、8.8级、10.9级的M12-M60螺栓，以及其它如奥氏体不锈钢的50级、70级、80级进行拉力标准值(N/mm2)的50％，进行300天长期静载疲劳和200万次振动波疲劳试验，各组获得紧固件疲劳伸长率σb＝1.89％-5.67％(二者取最不利)，研究发现疲劳试验值与拉力测试的下屈服值伸长率有一定关联性，紧固件屈服值伸长率δl＝2.0-3.2％。另外由于制造设备不同、用材不同、长度与规格不同也有一定差异，在设定应用公式时，考虑了屈服值伸长率、疲劳伸长率二种应用公式。应用公式对本发明的技术试验验证，当紧固环开口两端上下错位弹性高度尺寸差，为大于等于疲劳伸长率的1.0-1.3时，螺栓依就可有效防松。例：10.9级的M24螺栓，δl＝2.0％，σb＝2.63％，L＝130mm，γη＝1.0(小于6d)，计算如下(取二者最不利)：
1)紧固件屈服伸长率
故满足要求！
2)紧固件疲劳伸长率：
故满足要求！
环有效弹压高度Wbh＝2S·γh
Wbh＝4.97mm
其中环选用重型7.1mm(重型、超重型的优先地选用美标AISI1070优质合金钢材料，化学成分C:0.67-0.75％Mn:0.50-0.80％Si:0.17-0.37％S≤0.035％P≤0.035％Cr≤0.25％Ni≤0.25％Cu≤0.25％)。
所述的环形本体1用弹性材料分金属、塑料、聚脂，对于被连接较长和大于M10的紧固件而言，优选地选择金属弹性材料。针对塑料、聚脂类弹性材料作为疲劳伸长的弹力、锁固防松防退构造的，由于材料弹性比比较小，故本发明建议限定于≤M10紧固件上使用，被连接(含垫片)之间距离值宜≤4.0d(d为公称直径)，并优选地采用聚酰胺+增强材料，所述增强材料优选地选用铝粉或纤维。
为了提高工效，所述环形本体的内侧至少在上下处的一侧设有小于等于螺杆的防落定位收口，所述的防落定位收口为闭环。
而本发明的螺栓，在容置腔6底部的锁紧齿9与其侧壁凸齿8为正斜角，仅仅锁紧齿9与凸齿8的齿槽相通时，效果较差，主因为受到横向振动导致螺杆剪力拉伸伸长导致环形本体1环扩大迫使环形本体1上部远离锁紧齿9，并且受角影响无法完全与容置腔侧壁斜面的凸齿8相抵制，但明显优于日本某双螺母防松螺栓效果；而“容置腔与底面为弧角过渡，锥形腔斜面凸齿8与锁紧齿9的齿槽相通”和“容置腔斜面的与凸齿8与锁紧齿9为同弧，且齿槽相通”的构造，由于创造了圆弧过度和齿槽相通，当受到横向振动导致螺杆剪力拉伸伸长导致弹性开口环扩大迫使弹性开口环上部远离锥形腔顶部止回齿时，弹性开口环的止回齿受弹力影响直接滑入锥形腔斜面止回齿槽相抵制，它不但通过钢结构和建筑幕墙用免焊装配式防松最高A级，还通过5万次、10万次的试验时夹紧力有效，且工艺简单、生产成本降低，防松可拆卸可重复使用，技术效果显著。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了环形本体1、受压面101、受压顶面102、通道2、止转齿3、锁固齿4、防松齿5、容置腔6、内锥面601、容环件7、螺纹孔701、锥壁702、凸齿8、锁紧齿9、螺杆10、锥形台11、动力头12、翘起段13、下沉式倾斜过渡段14、垫片或被连接件15、防落定位收口112、防松结构113、圆角过渡114、压载方向N、弹力方向e、上下弹压W、横向弹压d、角度∠，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (21)
1.一种紧固环紧固件，包括环形本体(1)，所述的环形本体(1)内侧为通道(2)，其特征在于，所述的环形本体(1)由弹性材料制得，所述的环形本体(1)外侧壁上设置有受压面(101)，所述的受压面(101)横截面直径由一端向另一端逐步平滑变大，所述的受压面(101)位于直径较小一侧的相邻面为受压顶面(102)，所述的受压顶面(102)与受压面(101)圆角过渡，所述的环形本体(1)设有可周向扩张的开口(M)；
所述的环形本体(1)上的受压面(101)为外锥面或外弧面，所述受压面(101)的外锥面或外弧面两端的初始角度(∠)不小于30°，不大于80°。
2.根据权利要求1所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的环形本体(1)任意一个端面或两个端面上设置至少有一个防松齿(5)，所述的防松齿(5)自圆心向外分布设置。
3.根据权利要求2所述的紧固环紧固件，其特征在于，环形本体(1)外设置有锥形容置腔(6)且在环形本体(1)的通道(2)中穿设有螺杆(10)，所述的环形本体(1)开口的两端分别向环形本体(1)两端上下相错设置；
所述的环形本体受压面(101)的外锥面或外弧面两端的初始角度(∠)采取以下公式，制造通用性调节范围取±20％：
式中：∠--初始角度；
ηbc——e2和e3含横向分担率(％)；
σb——紧固件疲劳伸长率(％)；
γa——过渡圆角影响系数，圆角半径当≤2.0mm时取6.5、>2.0mm时取4、>3.0mm时取2.5；
E——环形本体反弹力影响系数，轻型和标准型取1.45、重型1.6、超重型取1.8。
4.根据权利要求2所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的受压面(101)上向外突出或向内凹陷形成至少一个向环形本体(1)两端面延伸的止转齿(3)，所述的止转齿(3)的齿峰呈逆时针或顺时针向一侧倾斜。
5.根据权利要求4所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的止转齿(3)与受压顶面(102)上的防松齿(5)数量相等，且相互连通，防松齿(5)的齿峰倾斜方向与止转齿(3)相同。
6.根据权利要求5所述的紧固环紧固件，其特征在于，止转齿(3)与防松齿(5)圆弧过渡。
7.根据权利要求2、3、6任意一条所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的环形本体(1)两端面在开口处分别向环形本体(1)外侧设置有至少一个翘起段(13)，所述的翘起段(13)上翘起有防松齿(5)，所述的防松齿(5)为圆角，或防松齿(5)设有下沉式倾斜过渡段(14)；
所述受压顶面(102)上翘起的防松齿(5)与受压面(101)的翘起的止转齿(3)圆弧过渡为翘起圆角，或防松齿(5)与止转齿(3)设有下沉式倾斜过渡段(14)。
8.根据权利要求6所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的止转齿(3)和防松齿(5)齿脊或齿槽呈弧形，且止转齿(3)和防松齿(5)齿脊或齿槽弧线同弧。
9.根据权利要求1所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的通道(2)中设置有锁固齿(4)，所述的锁固齿(4)自环形本体(1)一个端面向另一个端面设置。
10.根据权利要求1所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的环形本体(1)内穿设有螺杆(10)，所述的螺杆(10)的动力头下方设置有锥形台(11)，所述的环形本体(1)内侧靠近螺杆(10)的动力头一端设置有锥形或弧形豁口。
11.根据权利要求10所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的环形本体(1)在受外力压缩后内径周长小于或等于通道(2)中螺杆(10)杆体外径周长。
12.根据权利要求3所述的紧固环紧固件，其特征在于，开口(M)的初始开口宽度为：
m＝dmin·γb
式中：m--初始开口宽度(mm)；
dmin——螺杆最小直径(mm)；
γb——环开口弹压保证系数，根据等级和大小取13.5％-40％。
13.根据权利要求1所述的紧固环紧固件，其特征在于，环形本体(1)的内侧至少在上下处的一侧设有小于等于螺杆(10)的防落定位收口(112)。
14.根据权利要求3所述的紧固环紧固件，其特征在于，所述的环形本体(1)的开口(M)两端上下错位的有效弹压高度Wbh为：
Wbh＝2S·γh
式中：Wbh--有效弹压高度(mm)；
S——环条高度(mm)；
γh——环弹压保证系数。
15.一种采用上述权利要求1-14任意一项所述的紧固环紧固件的紧固组件，其特征在于，所述的环形本体(1)外设置有容置腔(6)，所述的容置腔(6)中设置有与受压面(101)相同朝向的内锥面(61)，容置腔(6)设置在容环件(7)、螺杆(10)的动力头(12)上或者被连接件上。
16.根据权利要求15所述的紧固组件，其特征在于，所述的环形本体(1)小头直径大于容置腔(6)小头直径且小于大头直径，所述的容置腔(6)与环形本体(1)外形相适配，所述的容置腔(6)侧壁与底面相交处圆角过度或呈尖角。
17.根据权利要求16所述的紧固组件，其特征在于，所述的容置腔(6)侧壁上设置有与止转齿(3)相适配的凸齿(8)，所述的凸齿(8)齿峰与止转齿(3)齿峰朝向相反；
或/和所述的容置腔(6)腔底上设置有锁紧齿(9)，所述的环形本体(1)靠近容置腔(6)底一侧设置有防松齿(5)，所述的锁紧齿(9)齿峰倾斜方向与防松齿(5)相反。
18.根据权利要求17所述的紧固组件，其特征在于，所述的容环件(7)外形呈多边形，所述的容环件(7)上设置有止转结构。
19.根据权利要求18所述的紧固组件，其特征在于，所述的止转结构为设置在容环件(7)上且与螺杆(10)相适配的螺纹孔(701)；
或所述的止转结构包括设置在容环件(7)上的定位孔，所述的定位孔中设置有插设在被连接件上的止转销钉；
或所述的止转结构包括与被连接件固定连接的止转块，所述的止转块抵靠在容环件(7)上。
20.根据权利要求17所述的紧固件，其特征在于，被连接件或螺杆与环形本体(1)相抵靠的面上设置有与防松齿(5)相对应的防松结构(113)，所述的防松结构(113)为放射状齿、止转纹、凸块、防松齿(5)的配合齿的一种。
21.根据权利要求20所述的紧固组件，其特征在于，所述的止转齿(3)、防松齿(5)中齿的斜角α为90°-150°，与止转齿(3)、防松齿(5)配合的凸齿(8)、锁紧齿(9)、防松结构(113)中齿的斜角α为90°-150°。
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