美国30°楔形螺纹防松技术专利权已失效,防松市场未来走势如何

摘要
近期有报道称,美国施必牢30°楔形螺纹防松技术专利权已经失效,这则新闻像一枚重磅炸弹一样引起了机械行业广泛关注。要知道,经过几年中国市场的开拓,施必牢产品被广泛应用于汽车、工程机械、铁路、城轨、桥梁、航空等许多行业和领域,特别是被指定用于青藏铁路、磁浮工程、东海大桥、杭州湾跨海大桥、青岛四方庞巴迪高级客车等多项国家大型工程上!这项技术专利一旦成为公有技术,防松市场必然会迎来大批紧固件制造商的加入,价格会被拉低?
30°楔形螺纹技术的防松原理
各种机器及部件在连接装配中离不开紧固件。紧固件给机械工业带来了方便,但是,它有一个不可避免的弱点,在剧烈震动中会自行松脱,致使部件或设备在运转中损坏甚至酿成重大事故。
为什么30°楔形螺纹能有效地解决松动问题呢?
这是因为它的独特的结构。在30°楔形阴螺纹的牙底处有一个30度的楔形斜面,当螺栓螺母相互拧紧时,螺栓的牙尖就紧紧地顶在阴螺纹的楔形斜面上,从而产生了很大的锁紧力。
由于牙形的角度改变,使施加在螺纹间接触所产生的法向力与螺栓轴成60度角,而不是像普通螺纹那样的30度角。显然30°楔形螺纹法向压力远远大于扣紧压力,因此,所产生的防松摩擦力也就必然大大增加了。
从下面的图2可以看到二个箭头所表示的力均为pɑ,传统的60度角螺纹的法向压力p=1.15pɑ;而30°楔形螺纹由于牙底有一个30度角的楔形斜面,其法向压力的角度、大小均有改变,法向压力p=2pɑ。
这样,30°楔形螺纹与传统60度螺纹,二者的法向压力之比≈12∶7,防松摩擦力相应地增加了。30°楔形螺纹的楔形面还可以消除普通螺纹受力不均匀、脱扣咬死等问题。
普通常规的60度v形螺纹,在其第一螺纹啮合面和第二螺纹啮合面承载了70-80%的负荷,而以后几个啮合面承受的负荷很少。
这样,普通螺纹紧固件在工作振动负荷条件下,就很容易克服螺纹接触面上的锁紧力而产生转动,进而松脱。这就是普通螺纹紧固件松脱的原因所在。
由于普通螺纹紧固件主要受力仅仅是螺母的第一第二牙螺纹接触处,其余各牙基本上不受力,因此,当拧紧力矩较大时,应力集中在第一牙螺纹处,第一牙螺纹很容易产生弯曲和剪切变形,只有这样,才使第二牙螺纹面承受应力并产生锁紧力。
以此类推,承载负荷面,将受力依次一个个传递,相应造成螺纹依次的剪切和磨损,各牙的剪切和磨损破坏十分严重,导致螺母的螺纹强度大幅度下降,最终产生滑牙。
而30°楔形螺纹由于结构独特,全部螺栓牙尖紧紧地顶在30度楔形斜面上,而且螺旋线上每牙承受的负载都比较均匀,同样负荷能分散到每个面,每个点上,使螺纹上各处产生防松摩擦力相近,能够有效抗击横向振动。
在紧固件正常工作中,螺纹每牙能均匀承受负载,不存在应力集中。因此,就不会产生松脱或滑牙问题,疲劳强度也得到成倍的改善(见图2)。
在实验室实验中,用容克式(junkers)振动试验机作了横向负载振动试验,30°楔形螺纹显示出它具有非常优异的抗振动能力。
他们试验了三种基本的螺母:一种是普通的标准螺母,一种是有效力矩锁紧螺母和一种30°楔形螺帽。用同样的标准螺栓、同样的紧固负载力矩、同样的振幅频率和同样的实验室,同一台试验机上,控制二分钟的试验时间。
结果是:普通标准螺母几乎立即全部松脱了,失去了全部锁紧能力;有效力矩锁紧螺母失去了70%的锁紧能力;而30°楔形螺母在两分钟试验期间仍保持了他们应有的自锁能力。
专利权时效
松螺纹技术源于美国军方早期使用的30°楔形螺纹防松技术,该变牙型螺纹技术发明于1977年,发明人为美国霍姆斯·霍勒斯技术专利名称为“楔形斜面防松技术”并申请了专利。专利号分别为:
us4023914,专利保护期1977.5.17—1994.5.17;
us4171012,专利保护期1977.11.15—1994.11.15;
经专利检索,上述专利已于1994年12月开始失效。
20世纪80年代,30°螺纹技术在美国被美国军方所采用,并列入美国军标(mil-n-85353-1;1981)在航天发动机上进行使用。美军标解密后,以及该技术1994年专利失效后,被列入美国航天协会标准,编号为:nasm85353-1:1999。
2010年,《30°楔形防松螺纹》国家机械行业标准(标准号:jb/t10971-2010)于2010年2月11日由国家工业和信息化部正式发布。项目批准备案号:工科【2010】第82号。
vs日本哈德洛克螺母
说到防松螺母,日本哈德洛克(hardlock)螺母也是闻名全球的。这里我们可以对比一下日本哈德洛克螺母的防松原理。
其原理很简单:是在一个螺丝钉上使用呈“凹”“凸”形状的两种螺母。下方呈凸状的螺母,在加工时中心稍许错动(偏心加工),起到楔子的作用。上方呈凹状的螺母,则不作偏离中心的加工(圆形加工),于是形成了锤子揳打楔子的功能。(见下图)这样的两个螺母合二为一,松动问题就迎刃而解了。
哈德洛克螺母于1976年被日本关西的私营铁路大企业采用,专门用在电力设备上,此后事业得到迅速发展。在被认为是世界上最严格的nas(美国国家航空航天标准)振动试验中,哈德洛克螺母也显示了不凡的成绩。除了铁路外,日本的世界最长吊桥“明石海峡大桥”、世界最高的自立式电波塔“东京天空树”、美国的航天飞机发射台、海洋钻探机等国内外许多国家和地区,都采用了哈德洛克螺母。


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