双螺母防松原理分析及应用探讨

杨征

（中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司储运部，黑龙江 大庆 163411）

机械工程中常用的螺纹连接件一般采用单线普通螺纹。螺纹有内螺纹和外螺纹之分，内螺纹与外螺纹可结合组成螺旋副。由于在设计制造过程中，螺纹的升角必须小于螺旋副的当量摩擦角，因此紧密啮合后的螺纹都可以满足自锁条件。此外，螺纹连接件紧固后，螺母和螺栓头部等支承面上对连接件的摩擦力也会起到防松的作用，所以，在静载荷和工作温度变化不大的运行环境下，螺纹连接不会自动松脱。但机械在运行中存在下述问题：（1）螺纹连接在持续冲击、振动或长期不定载荷的作用下，螺旋副间的摩擦力可能瞬时减小或彻底消失。这种不稳定的工况长期多次重复后，就会导致螺纹连接松脱；（2）长期处于高温或温度变化较大的工作环境下，由于螺纹连接件和被连接件的材料发生蠕变和应力松弛，也会使螺纹连接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终将导致螺纹连接失效。

螺纹连接一旦出现松脱失效，轻则影响设备的正常运转，重则会在实际的生产运行中造成严重事故。因此，为防止螺纹连接松脱，保证螺纹连接安全可靠，必须采取可靠的防松措施。防松的关键问题，在于防止螺旋副在受到载荷时发生相对转动。防松的方法，按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副运动关系防松（永久防松）等。其中，摩擦防松中有一种常用的对顶螺母防松法，即双螺母防松。下面具体介绍双螺母防松的结构特点、注意事项以及原理分析。

1 双螺母防松的结构及特点

如图1 所示，2 螺母对顶紧固后，所有的旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。工作载荷出现变动时，螺纹间受到的压力及摩擦力依然存在。双螺母的特点是结构简单，适用于平稳、低速和重载的固定装置上的连接。

图1 双螺母的结构形式

2 双螺母防松的注意事项

一些观点认为，只要拧上两个螺母并紧固，就可以实现双螺母防松；而另一些观点认为，下边的螺母为主螺母，其厚度应该大一些，上边的螺母为副螺母，厚度应该薄一些。然而，根据相关资料中的要求及安装实践中的效果来看，并非如此。

根据《GB/T3098.2-2015 紧固件机械性能螺母》中第5 条，螺栓和螺母连接副的设计中的要求：薄螺母作为锁紧螺母使用时，应与一个标准螺母或高螺母一同使用。安装时，应先将薄螺母拧紧到装配零件上，然后再将标准螺母或高螺母拧紧到薄螺母上。

安装过程中，要想实现有效的防松效果，就必须注意以下2 个关键点。

（1）螺母的拧紧顺序至关重要，当双螺母中有一个是薄螺母时，应先拧紧薄螺母，再拧入标准螺母或高螺母，也就是薄螺母在下，厚螺母在上的这种形式。像图2中所示的这种厚螺母在下的安装方式是错误的。当然，如果为了防止安装错误，两螺母的高度取成相等为宜。

图2 薄螺母在上的安装方式

（2）安装时，紧固力矩的大小也不容忽视。紧固上螺母时所用的紧固力矩应大于紧固下螺母时所用的紧固力矩。例如，用规定紧固力矩的80%来紧固下螺母，用100%的紧固力矩来紧固上螺母。力矩组合的选择并不固定，可根据实际情况进行调整，但必须遵循上螺母紧固力矩不能小于下螺母紧固力矩的原则。

3 原理分析

以两个等厚螺母的装配为例，对其受力进行分析。在紧固第一个螺母的过程中，随着紧固力矩的增大，螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面逐渐压紧，这时螺栓与螺母的啮合螺纹牙之间会产生相互作用力。如图3 所示。

图3 紧固第一个螺母时的受力分析

调整好合适的力矩后，开始紧固第二个螺母，当两个螺母开始接触并继续紧固时，上螺母螺纹牙的上表面也开始与螺栓螺纹牙的下表面逐渐压紧。此时,下螺母开始受到压力且螺母高度被压缩，导致下螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面之间的压紧力开始减弱。如果进一步紧固上螺母，下螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面之间会出现间隙，但并未接触到螺栓螺纹牙的上表面及下表面，处于悬浮状态。此时，下螺母与螺栓之间的作用力消失，下螺母只相当于垫圈的作用。如图4 所示。

图4 下螺母螺纹牙上表面与螺栓螺纹牙下表面出现间隙

再继续拧紧上螺母时，下螺母继续受到压力，下螺母螺纹牙的下表面开始渐渐地压紧在螺栓螺纹牙的上表面，同时上螺母螺纹牙的上表面与螺栓螺纹牙的下表面会进一步压紧，这样会使两个螺母之间的螺栓部分产生附加的轴向拉应力，这个拉应力通过与上下两螺母的啮合螺纹牙传递到两个螺母的接触面上，形成了双螺母防松所需的顶紧力。如图5 所示。

图5 双螺母紧固完成后的受力分析

通过以上对双螺母紧固的详细过程中的受力分析可以得出，如果使用安装双螺母的方式达到防松动的作用，上螺母的拧紧力矩必须足以克服下螺母受到压缩时所反馈的作用力。仅仅让下螺母处于悬浮状态是不足够的，这个力矩必须足以使两个螺母对顶导致的形变可以足够补偿掉螺纹间隙，并且使上下两螺母之间的螺栓部分受到足够的附加拉应力，这样，上螺母与螺栓之间、下螺母与螺栓之间以及上螺母与下螺母之间才会始终存在摩擦力。这也是上螺母的紧固力矩不能小于下螺母紧固力矩的原因。因此，当厚螺母与薄螺母搭配使用时，厚螺母应该安装在薄螺母之上。这是因为双螺母的防松效果与上螺母的紧固力矩大小密切相关，而薄螺母能承受的紧固力矩相对较小。如果将薄螺母安装在厚螺母之上，过大的力矩可能导致薄螺母脱扣，而力矩不足又无法使两个螺姆产生足够的顶紧力，所以厚螺母应该安装在薄螺母之上。

4 结语

综上所述，从双螺母的安装受力分析来看，为达到防松效果，如果使用薄厚螺母组合紧固，应当先安装薄螺母，再安装标准螺母（厚螺母），且上螺母（厚螺母）的紧固力矩不能小于下螺母（薄螺母）的紧固力矩。安装薄螺母时就要达到设计的拧紧扭矩，如果薄螺母没有紧固，那么对厚螺母施加再大的扭矩，双螺母之间也不会产生轴向对顶力，即无法达到防松的效果。