朱浩祎
摘 要:文章首先分析了双螺母防松的基本工作原理,认为受到预紧力影响,联接螺母螺旋副摩擦力明显增大,同时被联接件与螺母间的摩擦力可维持在稳定状态下。在此基础之上,左右旋双螺母防松联接拧紧过程载荷阶段以及载荷关系进行了详细分析,得到了双螺母在防松联接中合理的使用位置,这对于双螺母防松装配并达到理想防松效果提供了参考。
关键词:双螺母防松;异旋;压紧力;刚度
螺栓连接防松是机械工程领域非常重要的一环。目前可用于实践的防松方法众多,其工作原理也有所不同,但最终目的均是解决螺旋副受振动、突变载荷、温度变化等应向而出现的相对转动问题。虽然相较于机械防松而言,双螺母防松的可靠性与稳定性较差,但结构简单、拆装方便是其最主要的优势,在低速重载或载荷稳定场所中的应用价值显著。同时,在近年来有关双螺母防松的实际使用中发现,在双螺母防松联接螺母中,通常是采取同旋装配方式。这种做法的观点是副螺母受载荷作用力较大,对其厚度要求更高。但实际情况却并非如此。文章即详细探讨双螺母防松联接螺母合理使用方面的问题,望引起重视。
1 双螺母防松基本原理分析
在机械防松领域中,摩擦防松整体性能的最主要影响因素为:螺旋副是否能够在被联接件受轴向荷载以及残余预紧力的影响下保持充分的摩擦力,该因素同时也关系到螺旋副相对转动方面的问题。
结合已有经验认为,在螺纹联接件中,螺旋副当量摩擦角应当大于螺纹升角,该因素决定了联接螺纹具有自锁性的特点。双螺母防松作为摩擦防松中的一种主要形式,受到预紧力的影响,对联接螺母所造成的影响主要表现为两个方面:第一,螺旋副摩擦力明显增大;第二,主螺母预紧力影响下,被联接件与螺母间的摩擦力可维持在稳定状态下。
2 双螺母防松载荷阶段分析
从工程实践方面看,典型的双螺母防松方式是通过应用同旋螺母的方式实现的。除此以外,也可采用左旋、右旋螺母相配合的进行装配,其目的是通过自身异旋特性提供持续的预紧力来增强防松效果。以左旋螺母与右旋螺母的联合装配为例,装配过程双螺母防松的荷载关系可做如下分析:
当副螺母拧入螺栓后,螺母下表面正好与被联接表面贴合,但此时尚未有预紧力作用,故而该状态下螺栓与螺母所构成的螺旋副压紧力为0,螺栓与被联接件间所对应的变形量同样为0,可将该状态定义为初始状态。
当副螺母相对应被联接件施加一定预紧力后,螺栓所对应的拉伸变形量呈现出对应的增长趋势,螺母螺纹牙上表面与螺栓螺纹下表面之间呈压紧状态。在该状态下,假定螺栓与副螺母所构成的螺纹副中,螺栓相对应副螺母的作用力为F,则螺纹牙间压紧力与之一致,同样取值F,可将该状态定义为第一过渡状态。
当主螺母拧紧且副螺母螺纹牙上表面与螺栓螺纹牙下表面相互脱离时(此时副螺母螺纹牙尚未与螺栓螺纹牙上表面接触),受到主螺母的影响,副螺母实质上为相对于主螺母的被联接件,与之相对应的被联接件变形段发生变化,导致被联接件压缩变形量明显增加,螺栓拉伸变形量也有所增加。在此过程中,由于副螺母处于“悬浮”状态下,故而在第一过渡状态下所承受的作用力被替换为主螺母向副螺母所施加作用力,并且两者相等,即主螺母受灾情况与初始状态中的螺母受载情况一致,可将该状态定义为第二过渡状态,也称临界状态。
当达到初始预紧力标准后,主螺母完全拧紧。此状态下,螺栓螺纹牙上表面与副螺母螺纹牙下表面完全压紧,螺栓螺纹牙下表面与主螺母螺纹牙上表面同样完全压紧,进而意味着两个螺母完全处于对顶状态,可将该状态定义为结束状态。
3 双螺母防松载荷关系分析
结合双螺母防松在结束状态下的预紧力关系,首先可假设螺栓与副螺母构成螺纹副刚度为C1,被联接件刚度为C2,同理可知,在预紧力F1的作用下,副螺母所产生的变形量为λ1(该取值与螺纹副刚度有直接关系),被联接件所产生的变形量为λ2。依据上述假设条件,有如下关系:(1)F1/C1=λ1;(2)F2/C2=λ2;
同时根据变形协调条件,可得:λ1=λ0;
在此基础之上,假定由螺栓与主螺母所构成的螺纹副刚度为Ca,副螺母与主螺母间变形段长度为S,受到结束状态下主螺母施加于副螺母作用力增加值F1的影响,定义副螺母相对螺栓变形量为λb,主螺母相对螺栓变形量为λb,则有关系如下:(3)F1/C2=λ2;(4)F2/Cb=λb;
根据上述关系:在双螺母防松连接下,当主螺母受到预紧力作用影响完全拧紧后,副螺母实质上增加了被联接件的刚度水平。受预紧力的影响,当处于结束状态下时,螺栓总长相较于之前状态下的长度有所增加,即螺栓刚度明显下降。
同时,若被联接件的刚度水平较大,但螺栓自身刚度小(例如细长螺栓或中空螺栓),此时螺栓相对刚度取值接近于0。受到工作载荷因素的影响,螺栓所承受的总拉力无明显变化;但反之,若螺栓相对刚度水平大,受到工作荷载因素的影响,螺栓所对应总拉力水平会有明显增高的趋势。即有如下关系(5)F0=(Fa+Fb)+CaFg/Cb。
该式中,F0为螺栓在受栽状态下所承受的总拉力水平;Fa为;Fb为预应力施加完毕后主螺母加于副螺母力的增加值;Ca为螺栓刚度水平;Cb為第一过渡状态下螺纹牙间压紧力;Fg为螺栓所施加轴向工作载荷水平。
从式(5)来看,在双螺母防松连接螺母的条件下,螺旋副压紧力是否能够得到有效保持,是决定防松效果是否可靠的关键所在。这里需更注重考量的因素,应力幅是次要因素。由此可见,左右旋所提供的预紧力是明显高于同旋所提供预紧力的。
4 双螺母防松联接螺母合理使用建议
从左右旋螺母防松连接装配的角度上看,针对左旋螺母以及右旋螺母使用期间的装配位置,装配过程中对应的由副螺母与螺栓组成的螺旋副和被联接件组成的合成刚度与装配位置有直接关系。相较于同旋螺母而言,左右旋螺母防松有如下特点:
在左右旋螺母的作用下,将被联接件支承面螺母定位为紧固螺母,将非支撑面上螺母定义为紧锁螺母。在使用双螺母防松时,首先将紧固螺母拧紧,然后再拧紧锁紧螺母。若受到振动、冲击等因素的影响,导致锁紧螺母以及紧固螺母可能产生不同程度上的松动,但由于紧固螺母的松退方向与锁紧螺母拧紧方向是一致的,也就意味着锁紧螺母的拧紧能够阻止紧固螺母的松退。
据此,在左右旋螺母防松的安装过程当中,需要特别注意的一点是:紧固螺母与锁紧螺母预紧力有所不同。两者之间的关系为:锁紧螺母预紧力>紧固螺母预应力。结合已有经验,一般将紧固螺母预紧力控制为80%锁紧螺母预紧力,按照该标准,不会对防松效果产生影响。
5 结束语
在具体装配中,双螺母连接防松应当使厚螺母在上作为主螺母。为了满足该要求,装配中所采用的安装方法多是先按照80%力矩拧紧副螺母,然后再按照100%力矩拧紧主螺母。但从薄螺母、厚螺母装配顺序的角度上分析,在结束状态下,主螺母所承载作用力较高,若其厚度不满足要求则意味着在受载状态下的螺纹牙承载能力低,螺旋副容易出现拧紧对顶失效或脱扣方面的问题。文章从载荷关系入手对双螺母防松联接螺母的使用进行分析,认为为了确保防松效果,宜使用厚度相同的两个螺母装配,同时在装配的过程当中将一个左旋螺母与一个右旋螺母配合使用,发挥在载荷受力方面的优势,以达到预期的防松效果。