緊固件螺紋擰緊長度作用的深度分析
緊固件螺紋機械性能,不管是按美標、通標、國標、日標,對各項性能檢測項目的螺紋長度都有要求,那么如果你設計了一個螺紋孔,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點,整個螺栓的軸力都由螺紋扣來承擔,但是落在每一扣的載荷是不同的。因為這種螺栓伸長,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,處于基本可以認為自由的狀態(tài),不再為螺栓副的堅固有任何幫助。有參考數(shù)據(jù)說第一扣螺紋所占的比例高達47%,另外,也有“鐵芯哥”版本,按照一般光彈實驗的結果來看,首牙承載一般都在34%以上。施必牢的結果是我見過最大的,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。
談論7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)基本分擔了絕大部分載荷,理論上講,多數(shù)人認為后面的螺紋已經(jīng)沒有“用”了。但實際中,由于加工誤差、首略屈服等實際因素影響,同時考慮一個分擔總量變化的事實,多數(shù)時候應在3-4牙的基礎上增加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“配合總圈數(shù)”,意思是所有接觸可進行載荷傳遞的螺紋圈數(shù)。因此必須強調一點,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的標準來看,前者強調一個公稱直徑長,后者強調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。
第二是導向原則。螺紋連接,不單是一個承載問題,同時還有旋合導向的問題。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,因為旋合間隙的存在,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重,旋合中,容易因偏載產(chǎn)生導向自鎖,使整個螺紋連接不能按預定條件預緊或者提前損壞螺紋牙。(當然,小鼻子很好的利用了這種偏載效應,因此在防松上有很大的建樹。)直徑越大,這種情況就越明顯。其本質是導向長度。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,粗牙的螺紋相對細牙的就越容易旋合。因為相同條件下,粗牙的導向長度更長。
最后捎帶幾句。對于細牙螺紋的使用,本身則應更加小心。我們說7牙也好,3牙也罷,一般多指粗牙狀態(tài)。對于細牙螺紋來講,由于螺紋牙的懸臂撓彎假設更不易發(fā)生,因此,純剪形式的破壞以及密螺距下帶負載旋合產(chǎn)生的熱熔磨損是主要破壞形式。因此,對于細牙螺紋來說,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,則容易因為熱熔導致旋合磨損。另外,某些研究表明,細牙螺紋的載荷分配略優(yōu)于粗牙螺紋,也標示著應當適當選擇更多的牙數(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準,實際應用更是應該考慮的因素。