緊固件螺紋擰緊長度作用的深度分析
緊固件螺紋機(jī)械性能,不管是按美標(biāo)、通標(biāo)、國標(biāo)、日標(biāo),對各項(xiàng)性能檢測項(xiàng)目的螺紋長度都有要求,那么如果你設(shè)計(jì)了一個螺紋孔,你可能會琢磨:到底需要多少扣螺紋就能保證一個堅(jiān)固合格的螺栓副呢?有人說7牙就夠了。螺栓在被緊固的時候會變長一點(diǎn)點(diǎn),整個螺栓的軸力都由螺紋扣來承擔(dān),但是落在每一扣的載荷是不同的。因?yàn)檫@種螺栓伸長,第一扣螺紋所占螺栓軸力的比例是最高的,然后按螺紋扣順次比例降低,而超過六扣的螺紋將不再承受螺栓軸力,處于基本可以認(rèn)為自由的狀態(tài),不再為螺栓副的堅(jiān)固有任何幫助。有參考數(shù)據(jù)說第一扣螺紋所占的比例高達(dá)47%,另外,也有“鐵芯哥”版本,按照一般光彈實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看,首牙承載一般都在34%以上。施必牢的結(jié)果是我見過最大的,64%。(施必牢是不是有意夸大這里就不談了)
說7牙。一般基于兩個基本原則一個用途。
談?wù)?牙螺紋連接,一個前提是討論以承載為主的螺紋連接。如果是其他用途的,則說7牙并不合適。比如干式密封螺紋。
兩個原則,第一就是載荷的分布。由于對于多數(shù)螺紋而言,前3-4牙已經(jīng)基本分擔(dān)了絕大部分載荷,理論上講,多數(shù)人認(rèn)為后面的螺紋已經(jīng)沒有“用”了。但實(shí)際中,由于加工誤差、首略屈服等實(shí)際因素影響,同時考慮一個分擔(dān)總量變化的事實(shí),多數(shù)時候應(yīng)在3-4牙的基礎(chǔ)上增加2圈的有效螺紋,同時考慮起始部分和末端的不完整螺紋,7圈就成了一個呼之欲出的數(shù)字。而“工作圈數(shù)”,也可以理解為“配合總?cè)?shù)”,意思是所有接觸可進(jìn)行載荷傳遞的螺紋圈數(shù)。因此必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),這個圈數(shù)中是包含不完整螺紋的。因此也可以理解為 有效圈數(shù)+1。以ISO和SAE的標(biāo)準(zhǔn)來看,前者強(qiáng)調(diào)一個公稱直徑長,后者強(qiáng)調(diào)6圈的有效螺紋圈數(shù)。因此,也可以說,常說的7圈基本原自于此。
第二是導(dǎo)向原則。螺紋連接,不單是一個承載問題,同時還有旋合導(dǎo)向的問題。常用螺紋一般都存在旋合間隙,這使得旋合很輕松。當(dāng)然,很多不規(guī)范的廠家出的螺紋制品就很難講了,有的間隙很大,有的卻是過盈。對于螺紋連接來說,因?yàn)樾祥g隙的存在,使得螺紋承載本身更傾向于沿徑向的偏載。因此,選用的有效螺紋數(shù)越小,這種偏載的情況越嚴(yán)重,旋合中,容易因偏載產(chǎn)生導(dǎo)向自鎖,使整個螺紋連接不能按預(yù)定條件預(yù)緊或者提前損壞螺紋牙。(當(dāng)然,小鼻子很好的利用了這種偏載效應(yīng),因此在防松上有很大的建樹。)直徑越大,這種情況就越明顯。其本質(zhì)是導(dǎo)向長度。因此,對于公稱直徑較小的螺紋連接來說,3牙也好3牙半也好,對導(dǎo)向的影響并不大,可以正常使用。但對于大直徑的連接來說,3-4牙是不夠的。一個實(shí)際中很容易碰到的例子,同樣直徑的兩組螺紋連接,如果牙數(shù)相同,比如都是3牙,直徑越大,粗牙的螺紋相對細(xì)牙的就越容易旋合。因?yàn)橄嗤瑮l件下,粗牙的導(dǎo)向長度更長。
最后捎帶幾句。對于細(xì)牙螺紋的使用,本身則應(yīng)更加小心。我們說7牙也好,3牙也罷,一般多指粗牙狀態(tài)。對于細(xì)牙螺紋來講,由于螺紋牙的懸臂撓彎假設(shè)更不易發(fā)生,因此,純剪形式的破壞以及密螺距下帶負(fù)載旋合產(chǎn)生的熱熔磨損是主要破壞形式。因此,對于細(xì)牙螺紋來說,無論是牙數(shù)過少還是過多,都是不合理的選擇。過少,則因單個螺紋承載能力下降易被剪掉,過多,則容易因?yàn)闊崛蹖?dǎo)致旋合磨損。另外,某些研究表明,細(xì)牙螺紋的載荷分配略優(yōu)于粗牙螺紋,也標(biāo)示著應(yīng)當(dāng)適當(dāng)選擇更多的牙數(shù),只要這個數(shù)量不致產(chǎn)生磨損。所以檢測是很重要的標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際應(yīng)用更是應(yīng)該考慮的因素。