了解单螺母防松结构设计，如何满足更高要求？

螺纹连接在接触网零部件连接中使用广泛，其具有结构简单、连接可靠、拆装方便等优点。由于列车通过时受电弓与接触线垂向耦合引起系统振动，接触网零部件在整个寿命周期内需承受该振动约300万次，此时，常规的螺纹连接装置已不能满足要求，对防松螺母的研制已势在必行。

目前，行业内较多地采用具有较好防松性能的锥压抱紧螺母、偏心式防松螺母等，其结构均为主副双螺母型式。

1、普通螺纹连接的现状

普通的螺纹连接本身具有自锁功能，螺纹紧固后，在连接副摩擦力的作用下，未施加附加扭矩时连接不会松动。

普通螺纹连接拧紧、松卸过程示意如图 1 所示。

图中F为水平推力，Fq为轴向力，Ff为摩擦力，Fn为法向反力，λ为螺纹升角，ρ为当量摩擦角。螺纹拧紧时，滑块沿着斜面上升，受到的滑动摩擦力沿斜面向下，根据力的多边形平衡法则，得：

螺纹松卸时，滑块沿斜面下降，受到的滑动摩擦力沿斜面向上，根据力的多边形平衡法则，得：

普通牙型角为 60，μ为摩擦系数，μ为当量摩擦系数，则有：

则松退螺母所需要的力矩为：

式中：d 为直径。

紧固件安装连接后，螺纹承受了一定的初始预紧力。螺纹副表面的材料靠预紧力提供正压力使螺纹之间的摩擦阻力最大。当外界环境出现变化，如振动、冲击、交变载荷等情况，此时螺纹副静载环境消失，螺纹副承受的预紧力可能突然衰减或瞬间消失，使螺纹副之间的摩擦力急剧下降；同时，由于被连接零件自身的惯性以及各零件之间的相互作用，带动螺纹副朝松卸方向出现微小位移，长期出现该状况时就会导致紧固件出现松脱现象。

普通连接型式螺纹之间本身存在间隙，当紧固件安装后，实际只有2～3扣螺纹处于压紧状态，其余大部分螺纹处于虚接状态，这部分螺纹不能提供足够的摩擦阻力来防止螺纹回退(图 2)。

以 M12标准螺纹为例，M12-6g的螺栓配合M12-6H的螺母，查阅 GB/T 15756—2008《普通螺纹极限尺寸》，其最大螺纹间隙在径向可达0.384 mm，而常规的螺纹安装形式只能实现2～3扣螺纹接触(轴向接触)。这样一来，径向间隙和轴向间隙两个因素累加，就会导致在现实环境中很多情况下会出现螺纹副松动的现象。

2、螺纹防松过程分析

2 螺纹防松过程分析

观察电气化铁路接触网系统的防松紧固装置中运用较多的锥压抱紧螺母和偏心式防松螺母，其防松效果相较于普通螺纹连接型式有了明显的提升，可大体归纳为：(1)消除螺纹副的固有间隙，或是将间隙进行定向；(2)增加螺纹副材料的接触面积或接触点数量；(3)通过增加螺纹副材料之间的正压力增加螺纹摩擦力。

以上3点归纳可视同为螺纹防松需要同时解决螺纹副固有的间隙问题、螺纹副材料的接触面积问题、螺纹副螺纹之间的摩擦力问题。在了解了影响螺纹紧固件松动的主要因素后，下文从影响因素的本质入手逐一进行分析。

2.1 螺纹副固有的间隙问题

螺纹副的间隙是固有的，其生产加工机制决定了间隙的存在及不稳定性，只能在使用过程中予以消除或改善。螺纹间隙可分为轴向间隙与径向间隙。

对于轴向间隙，由于螺纹在轴向需要承受一定的预紧力，对该预紧力一般有一定的限制要求，单方面通过施加扭矩虽然可消除更多的轴向间隙，但却破坏了预紧力，失去了紧固件作为连接的意义，得不偿失。

对于径向间隙，螺母端面在安装状态下与螺纹轴向一般为垂直关系，平行于螺母端面施加一个径向力并不会影响螺母承受的预紧力，当该径向力克服了螺母端面与平垫圈之间的摩擦力时，螺母沿径向移动，螺纹副的径向间隙就会被定向(单边消除)。

2.2 螺纹副材料的接触面积问题

由上文可知，普通螺纹连接的实际情况是仅2～3扣螺纹处于接触状态，其余螺纹处于虚接状态，这是由螺纹的连接机制导致。为了使螺母高度范围内更多的螺纹互相接触，同时不破坏螺母的初始预紧力，这就要求螺母在轴向不能移动，故可以考虑螺母在径向上接触更多的螺纹。螺纹的径向尺寸理论上是一致的，只要移动螺母，便可使螺纹副上更多的螺纹互相接触。

2.3 螺纹副螺纹之间的摩擦力问题

当需要增大摩擦力时，螺纹副的材料须有一定的正压力，正压力越大摩擦力越大。外界能够施加于螺母的力只有一个扭矩，如果该扭矩直接作用于螺纹，由于螺纹是圆周结构，径向分力互相抵消，螺纹上只剩轴向分力，为增大螺纹副上的压力，只有增大扭矩，而增加扭矩会破坏螺母的初始预紧力，不可行。此时需要通过结构设计，使螺母承受一定的径向力，然后通过增加螺纹副上的压力实现螺纹之间摩擦力的增大。

3、防松结构设计研究

在进行单螺母防松结构设计时，首先需要考虑不能破坏螺母是承担预紧力的主要载体这个基本特点，同时还要考虑螺母扭矩不能出现大的变化，在此基础上再进行设计。

单螺母防松结构设计需同时解决上述3个问题，应采取相应辅助措施使螺纹副之间的接触产生有效变化。紧固件的连接通常需要在螺母与被连接基体之间安装垫圈，在垫圈与螺母之间进行结构设计，不会大幅增加产品高度，也不会颠覆产品的加工工艺。

通过上述防松过程分析可知，单螺母防松首先需要解决的是如何给螺母本体施加一个径向(水平)力，通过分析，该径向力须来自第三方。普通平垫圈在受到螺母下行压力时，垫圈随着螺母下移，螺母和平垫圈均不会产生径向位移(图 3(a))，而当需要螺母在下行过程中同时产生径向移动时，可在垫圈上设置辅助斜面(图 3(b))。

如图3(b)所示，螺母下降相同高度，普通平面结构的平垫圈水平位移为 0，而斜面结构的斜垫圈产生了水平位移A。观察发现，斜垫圈产生的位移A并没有对螺母产生径向作用，螺母本身并未出现水平位移。

为使斜垫圈的径向位移带动螺母产生径向压力，可在垫圈上设置凸台，螺母上设置凹槽，凸台与凹槽相互配合，如图4所示。

如此一来，螺母受到紧固力矩带动斜垫圈下行，下行过程中受斜面影响，斜垫圈会朝径向一侧移动，此时又由于凸台与凹槽的相互配合，使螺母与斜垫圈形成一体，螺母也会向径向一侧移动。

在实际安装过程中，一般情况下，被连接基体表面均为平面，采用斜垫圈时，螺母安装时会发生偏扭，为此需增加一个转换垫圈，使紧固装置实现平面连接的防松，如图5所示。

通过在单螺母下方增设斜垫圈，螺母与斜垫圈形成一体，螺母下行过程中受到斜垫圈径向挤压，螺母产生一个径向位移 A1，螺纹副之间的接触点增多(图 6)。经验证，要消除M12-6g/6H螺纹副之间0.384mm的固有螺纹间隙，可将斜垫圈斜度设置为6，此时螺母只需下行0.04mm即可；当螺母继续下行时，螺纹副材料开始产生弹性变形，摩擦力增加至最大状态。

经过上述设计，螺母本身依然作为预紧力载体，预紧力变化不大但同时实现了消除单向定位螺纹间隙和增加螺纹副之间的触点及接触面积的目的，并有效增加了螺纹副的径向正压力，使材料在径向产生弹性变形，提高了材料之间的摩擦力。

当螺母拧紧后，螺母与螺栓之间的螺纹间隙消失，两者形成抱紧关系，螺母与螺栓都处于防松状态，并且，在轴向预紧力和径向正压力的作用下，螺纹副材料处于弹性接触状态，此时摩擦力最大，同时可以抵消一部分螺纹副振动。

螺纹受力如图7所示，图中，F1为螺纹副之间的摩擦力，F2为螺母与斜垫圈之间的摩擦力，L1为螺栓中径，L2为凸台外径，M为螺母与斜垫圈之间摩擦力产生的力矩。螺母安装后的力矩平衡式为F1×L1+M=F2×L2或F1×L1=F2×L2+M，为了不受力矩M影响，可在螺母与斜垫圈之间增加一些防滑齿(图 8)，使螺母与斜垫圈不产生滑动(形成一体)，由此可得力矩平衡式：F1×L1= F2×L2。

由于L1永远小于L2，故 F1>F2，即螺纹副之间摩擦力大于螺母与斜垫圈之间的摩擦力，滑动首先会发生在螺母和斜垫圈之间。当斜垫圈出现旋转趋势时，由于斜垫圈倾斜角度不小于6，而螺纹升角一般不大于3(图 9)，斜垫圈旋转就会与转换垫圈发生锁死，因此斜垫圈不会松动，螺纹副也不会发生松动[3]。转换垫圈出现旋转趋势时，同理。

以上设计目的均为消除螺纹间隙，增加螺纹副的摩擦力，使螺母与螺栓之间形成抱紧关系，实现螺母与螺栓同时防松。