摘要：为了有效地解决螺纹联接的松动、松脱问题，提出从功能材料人手利用铁基形状记忆合金来研制一种新型螺母的设计思想。从理论上分析了新型螺母的防松机理,并试验研究了螺母的静动态防松效果和重复使用性能。试验结果表明，新型智能螺母具有很好的静动态防松效果，并且可以重复使用。
关键词:防松；螺母；铁基形状记忆合金
在现代机械中，紧固件的数量约占机器零件总数量的60%，其中螺纹联接是机械联接中使用最普遍的形式之一。一般的螺纹紧固都具有自锁性，但在变载、冲击、振动作用下，以及工作温度变化较大时，螺母的松动、松脱时有发生。据有关资料统计[1]，世界各国因紧固件松动、松脱所造成的直接经济损失达数十亿以上。因此，如何简单有效地防止螺母的松动问题已经成为一个十分重要而又迫切的课题。
近几年来，国内外的许多学者在螺母的防松方面进行了大量的研究，开发了许多新的防松方法。这些方法多是从结构上入手,其基本防松原理仍是摩擦防松、机械防松等。研究者对防松螺纹联接应用于一些特定场合已有一些非常好的思路，并研究出了许多成功的模型，采用的方案也各具特色，如ST2型防松螺母[2]、凹凸型防松螺母[3]、加键防松螺母[4]以及针对铁路中螺纹联接松动的特点所研制开发的新型防松螺母[5]等；此外还有偏心锥面防松螺母、加锁防松螺母、防盗螺栓和切向舌簧防盗螺纹联接件等新型螺纹联接防松形式。这些新型的防松方法在某些工作状况下收到了一定的防松效果。随着新型功能材料的出现，目前国内外已经开始尝试从材料入手来解决螺母松动问题，并取得了一定的成效。比如美国F15，F16军用战斗机所采用的形状记忆合金(简称SMA)智能螺栓组和管接头，成功地解决了飞机中关键联接螺栓和管接头的松动问题。但这里所用的SMA为价格昂贵的NiTi基SMA，大大限制了其推广使用，但是为螺纹联接松动问题的解决提出了一个很好的思路。
1、螺纹联接松动的原因
在静载荷作用下，紧固螺纹联接一般都能自锁。但在变载、冲击、振动作用下，螺纹副之间的摩擦力矩可能减小或瞬间消失，这种现象多次重复后，最终会导致联接的松动。最早Shin ji KASEI等人[6]通过静态实验的测试分析，认为螺纹联接自动松动的原因在于：当螺纹联接横向力反复作用后，螺栓体的弹性扭转变形。华南理工大学的何红征[7]在此基础上进行了进一步的研究，认为螺纹联接自动松脱的原因主要有3个方面：螺纹联接体的初始变形、轴向载荷的作用以及横向载荷的作用，其中横向载荷起主要作用。诸多的实验和实际使用也表明：螺纹联接在横向振动下比在轴向振动下更容易松动，较强烈的轴向振动作用较长时间后，可能使预紧力下降30%~40%，但是通常不会全部丧失预紧力；而强烈的横向载荷却往往使预紧力全部消失，紧固件脱落。因此，横向动载荷(振动、冲击和交变载荷等)以及由其引起的横向振动是导致螺纹松动的主要原因。 目前，针对上述螺母发生松动的原因，主要通过以下3种途径来防止[1]：(1)防止摩擦力矩减少到临界值以下；(2)阻尼振动，防止过强的力作用于螺纹联接；(3)防止螺纹副之间的相对转动。迄今为止国内外研制开发的新型防松螺母或是从结构入手，利用摩擦防松的机理，通过第1条途径来防止松动(如ST2型螺母、凹凸型螺母等)；或是利用机械防松和永久止动的原理，通过第2条或第3条途径来达到防松的目的(如加键防松螺母等)。虽然也取得了一些成效，但其防松效果仍不十分理想(如ST2型螺母，其锁紧力仅提高了10%)；或者因其需要辅助零件、辅助加工而带来了使用上的不便(如凹凸型螺母、锲紧自锁螺母和新型的防松结构等)；或者从根本上改变可拆联接的性质(如加键防松螺母)；或者因其成本过高不易推广等。因此，迄今为止，螺纹联接的松动问题仍没有得到完美的解决。
2、铁基形状记忆合金智能防松螺母
为了有效地解决螺纹联接的松动问题，本文从新型功能材料人手，利用铁基形状记忆合金特殊的力学性能和物理性能，研制开发一种具有防松功能的新型螺母。这种螺母的特点在于它不改变螺母原结构，只改变材料，利用材料本身的形状记忆特性使螺纹连接牢固而不松动。这种螺母由于其本身的性能对上述防松的3种途径均有所考虑：
对于第1条途径，由于铁基SMA的形状记忆效应(简称SME)和恢复效应，螺母在恢复加热处理之后，会产生很大恢复力，此恢复力可以转化为摩擦自锁力矩，并且在振动、冲击过程中始终存在，所以能有效地防止摩擦力矩降到临界值以下。
对于第2条途径，铁基SMA除了具有良好的SME以外，还具有拟弹效应。这一性质可使由该合金制成的螺母具有良好的阻尼减振性，在冲击、振动和动载荷作用下可以吸收部分的能量，不仅起到防松的作用，而且还提高了螺纹联接的疲劳寿命。
对于第3条途径，由于恢复力的存在，而且振动和冲击在合金的拟弹性作用下又有所降低，所以这种螺母相对螺栓的转动比普通螺母要困难些，因而能有效地防止松动。
2.1设计构思
新型防松螺母由价格低廉、性能优良的第3代形状记忆合金——铁基形状记忆合金制成。利用这种合金的形状记忆效应及其在约束态下的恢复效应，将螺母内螺纹加工成略小于螺栓外螺纹的尺寸，然后扩孔变形至标准螺母内螺纹的尺寸，按规定力矩拧紧后，,对螺母加热，螺母就会收缩产生径向恢复力，该恢复力可以转化为一定的自锁摩擦力矩，防止螺纹副之间发生相对转动，进而达到防松的目的；另一方面，在预紧力作用下，螺纹牙将引起弯曲变形，产生应力诱发马氏体，当螺母加热到As点(马氏体向奥氏体转变的开始温度)以上时，螺纹牙的应力诱发马氏体发生逆相变，弯曲变形就会全部或部分恢复，但因受到螺栓螺纹牙的约束，会产生一个轴向恢复力，该恢复力也可以转化为自锁摩擦力矩起到一定的防松作用。此外，利用铁基SMA弹性模量相对较小、变形量较大的特点，可有效地调节螺栓螺距和螺母螺距的差值，减小螺母应力最集中的第一、二圈螺纹部位所受的应力值,改善螺栓螺纹的受力状态，从而使螺纹联接疲劳断裂的概率大大降低，从本质上有效地解决多年来传统技术和方法未能解决的螺纹紧固件的松动、松脱和疲劳断裂问题。
2.2 防松原理
与普通螺母相比，由于新型螺母本身制造材料的特殊性能，这种新型铁基形状记忆合金智能螺母在预紧、恢复加热后，受到以下3个摩擦力矩的作用：
(1) 预紧力产生的摩擦力矩T1。铁基合金螺母与普通螺母一样，由于预紧力Fα的作用而受到自锁摩擦力矩(包括螺纹副间自锁作用产生的力矩和螺母、螺栓头支撑面与被联接件之间的摩擦力产生的摩擦力矩)的作用，由螺纹力学知识，该力矩可通过式(1)计算[1]：
(2) 轴向恢复力产生的自锁摩擦力矩T2。这部分摩擦力矩是螺纹牙因受到弯曲应力作用和螺母受力端由于受到压应力作用而产生应力诱发马氏体，在随后的恢复加热过程中由于受到约束而产生轴向恢复力Fα’(图1)，Fα’也会产生一定的自锁摩擦力矩，其大小由式(2)可得到：
(3) 径向恢复力产生的自锁摩擦力矩T3。这种铁基合金制成的螺母由于进行了径向的预变形，在恢复加热过程中就会发生径向收缩，收缩过程中因受到螺栓的约束作用产生一个很大的径向恢复应力σr(图2)。根据材料力学应力分析及有关的螺纹力学知识，该恢复力产生的摩擦力矩可表示如下：
式(3)中,H为螺纹牙高，H1为螺母的高度，P为螺纹螺距，α’为螺纹垂直截面的牙形半角，α为轴向截面的牙形半角，μs为螺纹面的摩擦系数,d2为螺纹中径,d为螺纹的公称直径。
所以，铁基合金智能放松螺母的放松力矩为
由上述分析可知，与普通的螺纹联接相比,新型螺纹联接的防松力矩增加了0. 8T2和T3两项，因此可以达到很好的防松效果。
这里以M10 mmX1.5 mm的螺纹配合为例进行计算。根据天津大学关于铁基形状记忆合金管接头的研究实验结果[8],假设径向恢复力(最大)为150 MPa,其产生的自锁摩擦力矩为
由于轴向恢复力从理论上难以确定，这里根据M10mmX1.5mm螺母的静态试验结果，确定轴向恢复产生的轴向预紧力Fα’=577. 2676 N(对应的恢复处理温度为400 ℃)，又由式(2)可得自锁摩擦力矩为
根据屈服点拧紧法[9]可确定这种螺母的预紧力大小为6 100N，由式(1)可得其对应的自锁摩擦力矩为
又由式(4)可得铁基合金螺母的防松力矩T’s =18.283 0N·m，而在同样的预紧力下，普通螺母的1.892 2倍，可见新型放松螺母具有很好的静态放松性能。
2.3试验研究
为了验证铁基形状记忆合金螺母的防松效果，利用扩径棒使蜾母母材(经过950 ℃固溶处理)内径预变形5%，然后攻丝制成M10 mmX1.5 mm的铁基形状记忆合金防松螺母，将其与螺栓在6 100 N预紧力作用下拧紧，随后再进行适当温度的恢复加热处理，即可达到防松目的。将按该工艺方法制成的防松螺母与常规螺母进行对比试验。
试验结果表明： (1)静载下，在相同的预紧力下，防松螺母经200℃退火后，与普通螺母相比，防松螺母的松动力矩提高了21. 48%；当恢复温度为400℃时,其松动力矩可提高200.98%，与上述的理论计算结果基本相近。(2)借助于疲劳试验机(工作频率为80~ 250 Hz)和螺栓组试验台测试了在相同预紧力和振动条件(静载为8. 00 kN,载荷幅为4.00kN,冲击系数为O.5)下防松螺母和普通螺母的防松寿命测试表明，防松螺母具有较高的防松寿命，普通螺母在振动10000次后发生松动,而防松螺母的振动寿命达到了50000次(对应恢复温度为200℃)。理论证明,若提高恢复退火温度，铁基形状记忆合金螺母的防松寿命将还会有所提高。
螺纹联接相对其它联接方式的优势之一在于拆卸方便，具有较好重复使用性能。这种新型螺母的重复使用性可以通过控制合金恢复退火温度的办法来实现。为了验证该新型智能螺母的重复使用性，这里以按上述工艺方法加工成的M10 mm螺母，在不同温度(分别是200, 250, 300，350,400,450,500 ℃)下对螺母进行恢复退火，在每一温度下退火后，测试其松动力矩，然后将螺母用相同预紧力重新预紧，再对螺母进行恢复退火，重复上述过程所得试验结果如表1所示，结果表明，随着恢复温度的逐渐升高，自锁摩擦力矩的增加量(与普通螺母比较)也逐渐增大；当恢复温度达到一定温度时，自锁摩擦力矩的增加量开始逐渐减小。对于这现象可以解释为：这种防松螺母的防松性能主要决定于加热后螺母的可恢复变形量(即可恢复的应力诱发马氏体含量)。随着恢复退火温度的逐渐升高，可恢复的应力诱发的马氏体含量逐渐升高，但应力诱发的马氏体量是一定的，随着恢复退火处理的反复进行，预变形所诱发的马氏体量(即可恢复的马氏体量)逐渐减少，结果导致自锁摩擦力矩增加量逐断下降。总之，通过控制退火温度能将较大自锁摩擦力矩分多次加到螺纹联接中，既可使螺母能够重复使用，又保证了螺母拆卸的方便。
3 、结 语
理论和试验都表明，铁基形状记忆合金智能螺母在不改变原螺母结构尺寸的情况下与螺栓相配合，不仅可以大幅度提高自锁摩擦力矩，达到防松、防断的目的，而且加工方便，可以重复使用。它的研制成功不仅可以有效地保证铁路运输的安全，而且还能广泛地应用于如汽车、飞机、发动机等振动剧烈、联接要求高的各种场合，可带来较大的社会效益和经济效益。
参 考 文 献 ：
[1]BO Yan(卜炎)．Design and Calculation of Screw Joint(螺纹联接设计与计算)[M ]．Beijing：Advanced Education Press，1995． (in Chinese)
[2]CAO Yi—qing，LUO Yan-yun，LU Zheng—gang(曹亦清，罗雁云，陆正刚)．
The experimental and applied research of ST2 type check nut [J]．Rolling Stock(铁道车辆)，1996，34(16)：15— 19．(in Chinese)
[3]CHEN Rui(陈睿)．The new—type anti—loosing nut—The concave convex type nut [J]．Wuhan Steel technology (武钢技术)，1996，34(30)：37—40．(in Chinese)
[4]YUAN Jia—xing(袁家悻)．Anti—looseness of the thread connection [J]．Machinery Manufacturing Engineer(机械工艺师)，1994，(4)：9— 11． (in Chinese)
[5]GU Jun—feng(顾俊峰)．The application study of the new—type anti—loosing nut in railway departments[J]．
Journal of Wuhan Transportation University(武汉交通科技大学学报)，1997，(6)：281—285．(in Chinese)
[6]SHIN ji KASEI．On Self—loosening of threaded joints in The case of absence of macroscopic bearing surface sliding[J]．Bull Japan Soc of Prec Engg，1989，23(1)：1— 5．
[7]HE Hong—zheng(何红征)．The looseness of thread connection and anti—loosing measures[J]．Journal of South China University of Technology(华南理工大学学报)，1995，8：43— 47． (in Chinese)
[8]The Research Center of the State Shape Memory Materials Engineering in Tianjin University(天津大学国家教委形状记忆材料工程研究中心)．Technology and Product Introduction of the Fe—based SMA(铁基形状记忆合金联接管道技术及产品介绍)[R]．1995． (in Chinese)
[9]ZHANG Fu—sheng(张甫生)．The calculation method of the bolt connection adopting yielding fastening ways[J]．Journal of Machine design(机械设计)，1989，(2)：30— 34． (in Chinese)
