雙螺母防松原理分析及應(yīng)用探討

楊征

（中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司儲運(yùn)部，黑龍江 大慶 163411）

機(jī)械工程中常用的螺紋連接件一般采用單線普通螺紋。螺紋有內(nèi)螺紋和外螺紋之分，內(nèi)螺紋與外螺紋可結(jié)合組成螺旋副。由于在設(shè)計(jì)制造過程中，螺紋的升角必須小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角，因此緊密嚙合后的螺紋都可以滿足自鎖條件。此外，螺紋連接件緊固后，螺母和螺栓頭部等支承面上對連接件的摩擦力也會(huì)起到防松的作用，所以，在靜載荷和工作溫度變化不大的運(yùn)行環(huán)境下，螺紋連接不會(huì)自動(dòng)松脫。但機(jī)械在運(yùn)行中存在下述問題：（1）螺紋連接在持續(xù)沖擊、振動(dòng)或長期不定載荷的作用下，螺旋副間的摩擦力可能瞬時(shí)減小或徹底消失。這種不穩(wěn)定的工況長期多次重復(fù)后，就會(huì)導(dǎo)致螺紋連接松脫；（2）長期處于高溫或溫度變化較大的工作環(huán)境下，由于螺紋連接件和被連接件的材料發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，也會(huì)使螺紋連接中的預(yù)緊力和摩擦力逐漸減小，最終將導(dǎo)致螺紋連接失效。

螺紋連接一旦出現(xiàn)松脫失效，輕則影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，重則會(huì)在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中造成嚴(yán)重事故。因此，為防止螺紋連接松脫，保證螺紋連接安全可靠，必須采取可靠的防松措施。防松的關(guān)鍵問題，在于防止螺旋副在受到載荷時(shí)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)。防松的方法，按其工作原理可分為摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺旋副運(yùn)動(dòng)關(guān)系防松（永久防松）等。其中，摩擦防松中有一種常用的對頂螺母防松法，即雙螺母防松。下面具體介紹雙螺母防松的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、注意事項(xiàng)以及原理分析。

1 雙螺母防松的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

如圖1 所示，2 螺母對頂緊固后，所有的旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。工作載荷出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，螺紋間受到的壓力及摩擦力依然存在。雙螺母的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置上的連接。

圖1 雙螺母的結(jié)構(gòu)形式

2 雙螺母防松的注意事項(xiàng)

一些觀點(diǎn)認(rèn)為，只要擰上兩個(gè)螺母并緊固，就可以實(shí)現(xiàn)雙螺母防松；而另一些觀點(diǎn)認(rèn)為，下邊的螺母為主螺母，其厚度應(yīng)該大一些，上邊的螺母為副螺母，厚度應(yīng)該薄一些。然而，根據(jù)相關(guān)資料中的要求及安裝實(shí)踐中的效果來看，并非如此。

根據(jù)《GB/T3098.2-2015 緊固件機(jī)械性能螺母》中第5 條，螺栓和螺母連接副的設(shè)計(jì)中的要求：薄螺母作為鎖緊螺母使用時(shí)，應(yīng)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母一同使用。安裝時(shí)，應(yīng)先將薄螺母擰緊到裝配零件上，然后再將標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母擰緊到薄螺母上。

安裝過程中，要想實(shí)現(xiàn)有效的防松效果，就必須注意以下2 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（1）螺母的擰緊順序至關(guān)重要，當(dāng)雙螺母中有一個(gè)是薄螺母時(shí)，應(yīng)先擰緊薄螺母，再擰入標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母，也就是薄螺母在下，厚螺母在上的這種形式。像圖2中所示的這種厚螺母在下的安裝方式是錯(cuò)誤的。當(dāng)然，如果為了防止安裝錯(cuò)誤，兩螺母的高度取成相等為宜。

圖2 薄螺母在上的安裝方式

（2）安裝時(shí)，緊固力矩的大小也不容忽視。緊固上螺母時(shí)所用的緊固力矩應(yīng)大于緊固下螺母時(shí)所用的緊固力矩。例如，用規(guī)定緊固力矩的80%來緊固下螺母，用100%的緊固力矩來緊固上螺母。力矩組合的選擇并不固定，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，但必須遵循上螺母緊固力矩不能小于下螺母緊固力矩的原則。

3 原理分析

以兩個(gè)等厚螺母的裝配為例，對其受力進(jìn)行分析。在緊固第一個(gè)螺母的過程中，隨著緊固力矩的增大，螺母螺紋牙的上表面與螺栓螺紋牙的下表面逐漸壓緊，這時(shí)螺栓與螺母的嚙合螺紋牙之間會(huì)產(chǎn)生相互作用力。如圖3 所示。

圖3 緊固第一個(gè)螺母時(shí)的受力分析

調(diào)整好合適的力矩后，開始緊固第二個(gè)螺母，當(dāng)兩個(gè)螺母開始接觸并繼續(xù)緊固時(shí)，上螺母螺紋牙的上表面也開始與螺栓螺紋牙的下表面逐漸壓緊。此時(shí),下螺母開始受到壓力且螺母高度被壓縮，導(dǎo)致下螺母螺紋牙的上表面與螺栓螺紋牙的下表面之間的壓緊力開始減弱。如果進(jìn)一步緊固上螺母，下螺母螺紋牙的上表面與螺栓螺紋牙的下表面之間會(huì)出現(xiàn)間隙，但并未接觸到螺栓螺紋牙的上表面及下表面，處于懸浮狀態(tài)。此時(shí)，下螺母與螺栓之間的作用力消失，下螺母只相當(dāng)于墊圈的作用。如圖4 所示。

圖4 下螺母螺紋牙上表面與螺栓螺紋牙下表面出現(xiàn)間隙

再繼續(xù)擰緊上螺母時(shí)，下螺母繼續(xù)受到壓力，下螺母螺紋牙的下表面開始漸漸地壓緊在螺栓螺紋牙的上表面，同時(shí)上螺母螺紋牙的上表面與螺栓螺紋牙的下表面會(huì)進(jìn)一步壓緊，這樣會(huì)使兩個(gè)螺母之間的螺栓部分產(chǎn)生附加的軸向拉應(yīng)力，這個(gè)拉應(yīng)力通過與上下兩螺母的嚙合螺紋牙傳遞到兩個(gè)螺母的接觸面上，形成了雙螺母防松所需的頂緊力。如圖5 所示。

圖5 雙螺母緊固完成后的受力分析

通過以上對雙螺母緊固的詳細(xì)過程中的受力分析可以得出，如果使用安裝雙螺母的方式達(dá)到防松動(dòng)的作用，上螺母的擰緊力矩必須足以克服下螺母受到壓縮時(shí)所反饋的作用力。僅僅讓下螺母處于懸浮狀態(tài)是不足夠的，這個(gè)力矩必須足以使兩個(gè)螺母對頂導(dǎo)致的形變可以足夠補(bǔ)償?shù)袈菁y間隙，并且使上下兩螺母之間的螺栓部分受到足夠的附加拉應(yīng)力，這樣，上螺母與螺栓之間、下螺母與螺栓之間以及上螺母與下螺母之間才會(huì)始終存在摩擦力。這也是上螺母的緊固力矩不能小于下螺母緊固力矩的原因。因此，當(dāng)厚螺母與薄螺母搭配使用時(shí)，厚螺母應(yīng)該安裝在薄螺母之上。這是因?yàn)殡p螺母的防松效果與上螺母的緊固力矩大小密切相關(guān)，而薄螺母能承受的緊固力矩相對較小。如果將薄螺母安裝在厚螺母之上，過大的力矩可能導(dǎo)致薄螺母脫扣，而力矩不足又無法使兩個(gè)螺姆產(chǎn)生足夠的頂緊力，所以厚螺母應(yīng)該安裝在薄螺母之上。

4 結(jié)語

綜上所述，從雙螺母的安裝受力分析來看，為達(dá)到防松效果，如果使用薄厚螺母組合緊固，應(yīng)當(dāng)先安裝薄螺母，再安裝標(biāo)準(zhǔn)螺母（厚螺母），且上螺母（厚螺母）的緊固力矩不能小于下螺母（薄螺母）的緊固力矩。安裝薄螺母時(shí)就要達(dá)到設(shè)計(jì)的擰緊扭矩，如果薄螺母沒有緊固，那么對厚螺母施加再大的扭矩，雙螺母之間也不會(huì)產(chǎn)生軸向?qū)斄Γ礋o法達(dá)到防松的效果。