雙螺母防松聯(lián)接螺母合理使用分析

朱浩祎

摘 要：文章首先分析了雙螺母防松的基本工作原理，認(rèn)為受到預(yù)緊力影響，聯(lián)接螺母螺旋副摩擦力明顯增大，同時(shí)被聯(lián)接件與螺母間的摩擦力可維持在穩(wěn)定狀態(tài)下。在此基礎(chǔ)之上，左右旋雙螺母防松聯(lián)接擰緊過程載荷階段以及載荷關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到了雙螺母在防松聯(lián)接中合理的使用位置，這對(duì)于雙螺母防松裝配并達(dá)到理想防松效果提供了參考。

關(guān)鍵詞：雙螺母防松；異旋；壓緊力；剛度

螺栓連接防松是機(jī)械工程領(lǐng)域非常重要的一環(huán)。目前可用于實(shí)踐的防松方法眾多，其工作原理也有所不同，但最終目的均是解決螺旋副受振動(dòng)、突變載荷、溫度變化等應(yīng)向而出現(xiàn)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)問題。雖然相較于機(jī)械防松而言，雙螺母防松的可靠性與穩(wěn)定性較差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便是其最主要的優(yōu)勢(shì)，在低速重載或載荷穩(wěn)定場(chǎng)所中的應(yīng)用價(jià)值顯著。同時(shí)，在近年來有關(guān)雙螺母防松的實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，在雙螺母防松聯(lián)接螺母中，通常是采取同旋裝配方式。這種做法的觀點(diǎn)是副螺母受載荷作用力較大，對(duì)其厚度要求更高。但實(shí)際情況卻并非如此。文章即詳細(xì)探討雙螺母防松聯(lián)接螺母合理使用方面的問題，望引起重視。

1 雙螺母防松基本原理分析

在機(jī)械防松領(lǐng)域中，摩擦防松整體性能的最主要影響因素為：螺旋副是否能夠在被聯(lián)接件受軸向荷載以及殘余預(yù)緊力的影響下保持充分的摩擦力，該因素同時(shí)也關(guān)系到螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方面的問題。

結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，在螺紋聯(lián)接件中，螺旋副當(dāng)量摩擦角應(yīng)當(dāng)大于螺紋升角，該因素決定了聯(lián)接螺紋具有自鎖性的特點(diǎn)。雙螺母防松作為摩擦防松中的一種主要形式，受到預(yù)緊力的影響，對(duì)聯(lián)接螺母所造成的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一，螺旋副摩擦力明顯增大；第二，主螺母預(yù)緊力影響下，被聯(lián)接件與螺母間的摩擦力可維持在穩(wěn)定狀態(tài)下。

2 雙螺母防松載荷階段分析

從工程實(shí)踐方面看，典型的雙螺母防松方式是通過應(yīng)用同旋螺母的方式實(shí)現(xiàn)的。除此以外，也可采用左旋、右旋螺母相配合的進(jìn)行裝配，其目的是通過自身異旋特性提供持續(xù)的預(yù)緊力來增強(qiáng)防松效果。以左旋螺母與右旋螺母的聯(lián)合裝配為例，裝配過程雙螺母防松的荷載關(guān)系可做如下分析：

當(dāng)副螺母擰入螺栓后，螺母下表面正好與被聯(lián)接表面貼合，但此時(shí)尚未有預(yù)緊力作用，故而該狀態(tài)下螺栓與螺母所構(gòu)成的螺旋副壓緊力為0，螺栓與被聯(lián)接件間所對(duì)應(yīng)的變形量同樣為0，可將該狀態(tài)定義為初始狀態(tài)。

當(dāng)副螺母相對(duì)應(yīng)被聯(lián)接件施加一定預(yù)緊力后，螺栓所對(duì)應(yīng)的拉伸變形量呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，螺母螺紋牙上表面與螺栓螺紋下表面之間呈壓緊狀態(tài)。在該狀態(tài)下，假定螺栓與副螺母所構(gòu)成的螺紋副中，螺栓相對(duì)應(yīng)副螺母的作用力為F，則螺紋牙間壓緊力與之一致，同樣取值F，可將該狀態(tài)定義為第一過渡狀態(tài)。

當(dāng)主螺母擰緊且副螺母螺紋牙上表面與螺栓螺紋牙下表面相互脫離時(shí)（此時(shí)副螺母螺紋牙尚未與螺栓螺紋牙上表面接觸），受到主螺母的影響，副螺母實(shí)質(zhì)上為相對(duì)于主螺母的被聯(lián)接件，與之相對(duì)應(yīng)的被聯(lián)接件變形段發(fā)生變化，導(dǎo)致被聯(lián)接件壓縮變形量明顯增加，螺栓拉伸變形量也有所增加。在此過程中，由于副螺母處于“懸浮”狀態(tài)下，故而在第一過渡狀態(tài)下所承受的作用力被替換為主螺母向副螺母所施加作用力，并且兩者相等，即主螺母受災(zāi)情況與初始狀態(tài)中的螺母受載情況一致，可將該狀態(tài)定義為第二過渡狀態(tài)，也稱臨界狀態(tài)。

當(dāng)達(dá)到初始預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)后，主螺母完全擰緊。此狀態(tài)下，螺栓螺紋牙上表面與副螺母螺紋牙下表面完全壓緊，螺栓螺紋牙下表面與主螺母螺紋牙上表面同樣完全壓緊，進(jìn)而意味著兩個(gè)螺母完全處于對(duì)頂狀態(tài)，可將該狀態(tài)定義為結(jié)束狀態(tài)。

3 雙螺母防松載荷關(guān)系分析

結(jié)合雙螺母防松在結(jié)束狀態(tài)下的預(yù)緊力關(guān)系，首先可假設(shè)螺栓與副螺母構(gòu)成螺紋副剛度為C1，被聯(lián)接件剛度為C2，同理可知，在預(yù)緊力F1的作用下，副螺母所產(chǎn)生的變形量為λ1（該取值與螺紋副剛度有直接關(guān)系），被聯(lián)接件所產(chǎn)生的變形量為λ2。依據(jù)上述假設(shè)條件，有如下關(guān)系：（1）F1/C1=λ1；（2）F2/C2=λ2；

同時(shí)根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，可得：λ1=λ0；

在此基礎(chǔ)之上，假定由螺栓與主螺母所構(gòu)成的螺紋副剛度為Ca，副螺母與主螺母間變形段長(zhǎng)度為S，受到結(jié)束狀態(tài)下主螺母施加于副螺母作用力增加值F1的影響，定義副螺母相對(duì)螺栓變形量為λb，主螺母相對(duì)螺栓變形量為λb，則有關(guān)系如下：（3）F1/C2=λ2；（4）F2/Cb=λb；

根據(jù)上述關(guān)系：在雙螺母防松連接下，當(dāng)主螺母受到預(yù)緊力作用影響完全擰緊后，副螺母實(shí)質(zhì)上增加了被聯(lián)接件的剛度水平。受預(yù)緊力的影響，當(dāng)處于結(jié)束狀態(tài)下時(shí)，螺栓總長(zhǎng)相較于之前狀態(tài)下的長(zhǎng)度有所增加，即螺栓剛度明顯下降。

同時(shí)，若被聯(lián)接件的剛度水平較大，但螺栓自身剛度小（例如細(xì)長(zhǎng)螺栓或中空螺栓），此時(shí)螺栓相對(duì)剛度取值接近于0。受到工作載荷因素的影響，螺栓所承受的總拉力無明顯變化；但反之，若螺栓相對(duì)剛度水平大，受到工作荷載因素的影響，螺栓所對(duì)應(yīng)總拉力水平會(huì)有明顯增高的趨勢(shì)。即有如下關(guān)系（5）F0=（Fa+Fb）+CaFg/Cb。

該式中，F(xiàn)0為螺栓在受栽狀態(tài)下所承受的總拉力水平；Fa為；Fb為預(yù)應(yīng)力施加完畢后主螺母加于副螺母力的增加值；Ca為螺栓剛度水平；Cb為第一過渡狀態(tài)下螺紋牙間壓緊力；Fg為螺栓所施加軸向工作載荷水平。

從式（5）來看，在雙螺母防松連接螺母的條件下，螺旋副壓緊力是否能夠得到有效保持，是決定防松效果是否可靠的關(guān)鍵所在。這里需更注重考量的因素，應(yīng)力幅是次要因素。由此可見，左右旋所提供的預(yù)緊力是明顯高于同旋所提供預(yù)緊力的。

4 雙螺母防松聯(lián)接螺母合理使用建議

從左右旋螺母防松連接裝配的角度上看，針對(duì)左旋螺母以及右旋螺母使用期間的裝配位置，裝配過程中對(duì)應(yīng)的由副螺母與螺栓組成的螺旋副和被聯(lián)接件組成的合成剛度與裝配位置有直接關(guān)系。相較于同旋螺母而言，左右旋螺母防松有如下特點(diǎn)：

在左右旋螺母的作用下，將被聯(lián)接件支承面螺母定位為緊固螺母，將非支撐面上螺母定義為緊鎖螺母。在使用雙螺母防松時(shí)，首先將緊固螺母擰緊，然后再擰緊鎖緊螺母。若受到振動(dòng)、沖擊等因素的影響，導(dǎo)致鎖緊螺母以及緊固螺母可能產(chǎn)生不同程度上的松動(dòng)，但由于緊固螺母的松退方向與鎖緊螺母擰緊方向是一致的，也就意味著鎖緊螺母的擰緊能夠阻止緊固螺母的松退。

據(jù)此，在左右旋螺母防松的安裝過程當(dāng)中，需要特別注意的一點(diǎn)是：緊固螺母與鎖緊螺母預(yù)緊力有所不同。兩者之間的關(guān)系為：鎖緊螺母預(yù)緊力>緊固螺母預(yù)應(yīng)力。結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，一般將緊固螺母預(yù)緊力控制為80%鎖緊螺母預(yù)緊力，按照該標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)防松效果產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

在具體裝配中，雙螺母連接防松應(yīng)當(dāng)使厚螺母在上作為主螺母。為了滿足該要求，裝配中所采用的安裝方法多是先按照80%力矩?cái)Q緊副螺母，然后再按照100%力矩?cái)Q緊主螺母。但從薄螺母、厚螺母裝配順序的角度上分析，在結(jié)束狀態(tài)下，主螺母所承載作用力較高，若其厚度不滿足要求則意味著在受載狀態(tài)下的螺紋牙承載能力低，螺旋副容易出現(xiàn)擰緊對(duì)頂失效或脫扣方面的問題。文章從載荷關(guān)系入手對(duì)雙螺母防松聯(lián)接螺母的使用進(jìn)行分析，認(rèn)為為了確保防松效果，宜使用厚度相同的兩個(gè)螺母裝配，同時(shí)在裝配的過程當(dāng)中將一個(gè)左旋螺母與一個(gè)右旋螺母配合使用，發(fā)揮在載荷受力方面的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到預(yù)期的防松效果。