引言

螺紋緊固件連接副，通過(guò)螺紋旋入使外螺紋緊固件產(chǎn)生拉力回彈，夾緊被連接件。在靜止?fàn)顟B(tài)下，被鎖緊的緊固件連接副可以起到非常好的緊固連接作用。但是，絕大部分的螺紋緊固連接場(chǎng)景存在強(qiáng)烈的交變載荷和多向應(yīng)力關(guān)系，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)等。因此，提升螺紋連接動(dòng)態(tài)應(yīng)用的服役壽命是重要的研究課題，而其中對(duì)于螺紋連接副防松的研究極其重要。

1、螺紋松動(dòng)的機(jī)理

造成螺紋緊固件松動(dòng)的原因很復(fù)雜，包括緊固件連接副、被夾緊件材料、表面粗糙度、應(yīng)用場(chǎng)景等多種因素[1]。只有充分考慮各因素對(duì)緊固件連接副的影響并采用相應(yīng)措施，才能保證緊固件連接副的穩(wěn)定性。通常將螺紋緊固件的松動(dòng)分為非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)和旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)兩種。

1.1非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)

非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)是指緊固件連接副的內(nèi)、外螺紋未發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的夾緊力衰退。非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)的原因主要有蠕變、微動(dòng)磨損和溫度變化等。持續(xù)的非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)使夾緊力不斷降低，也是造成旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)的重要原因。

1.1.1塑性形變

彈性體在應(yīng)變較小的區(qū)域，應(yīng)力和應(yīng)變通常表現(xiàn)為線性比例關(guān)系，遵從胡克定律 F=-kx。當(dāng)應(yīng)變進(jìn)一步增大時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系不再成線性關(guān)系，而呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系，即使應(yīng)力消除彈性體也無(wú)法回到原來(lái)的形狀，形成塑性形變。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，用于關(guān)鍵部位的螺紋緊固件一般都是 8.8 級(jí)以上等級(jí)的高強(qiáng)度緊固件，其屈服強(qiáng)度通常在 640 MPa 以上、硬度較高。而被連接件的屈服強(qiáng)度通常比緊固件低，擰緊扭矩較大時(shí)被連接件就有可能發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象。這時(shí)被連接件的夾持長(zhǎng)度就變小了，軸向力和扭矩也會(huì)隨之衰減，引起螺紋連接松動(dòng)。

1.1.2蠕變

在應(yīng)力維持穩(wěn)定的情況下，應(yīng)變量可以顯著變化。然而，蠕變和塑性變形有著本質(zhì)的區(qū)別：蠕變是在應(yīng)力大于或等于其彈性極限的情況下發(fā)生，而塑性變形則是在應(yīng)力越來(lái)越大，甚至低于其彈性極限的情況下發(fā)生的。隨著時(shí)間的推移，由于受到壓縮，緊固件的連接部位可能出現(xiàn)蠕變。

1.1.3微動(dòng)磨損

微動(dòng)磨損是指在兩個(gè)物體之間的接觸處，因較弱的相對(duì)振動(dòng)而發(fā)生的磨損。微動(dòng)圖是一種用于描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的技術(shù)，可以用來(lái)研究物體在不同工作條件下的變化情況，包括摩擦力、位移幅值、循環(huán)次數(shù)等。此外，它還可以用來(lái)描述物體在不同工作條件下的表現(xiàn)，如描述物體在不同工作條件下的表現(xiàn)。通過(guò)微動(dòng)圖理論，可以更好地理解微動(dòng)磨損的運(yùn)作原理和破壞規(guī)律。微動(dòng)磨損的研究對(duì)于螺紋緊固件的松動(dòng)和疲勞都有重要意義。

1.1.4溫變引起的熱膨脹

熱膨脹用來(lái)衡量物質(zhì)在不同溫度下的變形，可以用來(lái)表示一種物質(zhì)在受到熱沖擊時(shí)的性能變化。由于螺栓、螺母和被連接件的膨脹系數(shù)不同，當(dāng)連接系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化時(shí)，螺栓的軸向力就會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化會(huì)根據(jù)連接件和螺栓熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致軸向力的變大或變小，從而引發(fā)螺紋連接的非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

1.2旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)

旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)是緊固件連接副在動(dòng)載荷的作用下，螺紋接觸面出現(xiàn)了相對(duì)位移而產(chǎn)生的夾緊力衰退，這是促使緊固件連接松動(dòng)失效的根本原因。載荷的主要構(gòu)成有軸向載荷、剪切載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等。

1.2.1軸向載荷

軸向載荷，即縱向載荷，是指沿著緊固件連接副軸向的載荷。正常情況下，軸向載荷對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的直接影響不大，在只有軸向載荷的連接結(jié)構(gòu)中很少會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。需要指出的是，軸向載荷過(guò)大可能造成螺紋區(qū)局部疲勞，會(huì)加速緊固件連接副旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)，其具體特性尚有待進(jìn)一步研究。

1.2.2剪切載荷

剪切載荷，即橫向載荷，是指與緊固件連接副軸向垂直方向的載荷。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)與研究，可以得出結(jié)論：剪切載荷是造成緊固件與螺紋間滑動(dòng)的關(guān)鍵原因。緊固件受到輕微的拉伸，螺絲的軸心將出現(xiàn)偏差，這將引起螺絲與支持面的摩擦增加，最終引起螺絲的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

1.2.3扭轉(zhuǎn)載荷

扭轉(zhuǎn)載荷是指以緊固件連接副軸線為中心軸旋轉(zhuǎn)的載荷。扭轉(zhuǎn)載荷對(duì)螺紋連接旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的影響沒(méi)有剪切載荷大，但是其影響也不容忽視。緊固件連接副的鎖緊過(guò)程就存在扭轉(zhuǎn)載荷，所以緊固件連接副鎖緊時(shí)“扭三圈，回半圈”，可以釋放扭轉(zhuǎn)載荷，增加緊固件連接副的穩(wěn)定性。

2、防止螺紋緊固件松動(dòng)的方法

螺紋緊固件的可靠性對(duì)于機(jī)械設(shè)備的安全性和可靠性至關(guān)重要。松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的故障和事故，因此必須采取有效措施確保螺栓連接的可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)預(yù)緊力控制、增加摩擦力和采用特殊結(jié)構(gòu)等達(dá)到防松的目的。

2.1預(yù)緊力控制防松

根據(jù)最新的研究結(jié)果，預(yù)緊力與螺栓防松性能之間存在著密切的聯(lián)系。為了提高預(yù)緊力的效果，在實(shí)踐應(yīng)用中可采取 3 種控制技術(shù)：扭矩控制法、力矩—轉(zhuǎn)角控制法和屈服點(diǎn)控制法[2]。

2.1.1扭矩控制法

通過(guò)扭矩控制法對(duì)螺釘加以調(diào)節(jié)，以確保夾緊力量。這種方法的優(yōu)勢(shì)是，其軸向夾緊力變化幅度較小，從而避免了夾緊力超負(fù)荷的情況，而且具有較高的防松性，同時(shí)也降低了管理成本。

2.1.2扭矩—轉(zhuǎn)角控制法

利用扭矩—轉(zhuǎn)角控制法，可以在一個(gè)特定的角度上調(diào)整螺栓的扭矩，以達(dá)到最佳的連接效果。該方法通過(guò)調(diào)整螺栓的角度，使其產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)，并且將連接件牢牢地夾緊在一起。通過(guò)扭矩—轉(zhuǎn)角法獲取的軸向夾緊力在彈性范圍內(nèi)，具有良好的一致性，而且擰緊角度更加靈活，可以有效防止由于材料一致性不足而導(dǎo)致的屈服斷裂，性價(jià)比極高，應(yīng)用廣泛。

2.1.3屈服點(diǎn)控制法

在使用屈服點(diǎn)控制方式進(jìn)行螺栓安裝之前，需要確保螺栓的螺紋和螺母的螺紋間隙已經(jīng)達(dá)到一個(gè)特定的限度。采用屈服點(diǎn)控制方式可以獲得更加可靠的軸向夾緊力，從而提升緊固件的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也可以滿足更嚴(yán)格的緊固件材料的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。緊固件連接副的夾緊力越大，抗疲勞性能和防松性能越好。因此，根據(jù)連接部位的重要性選擇合理的預(yù)緊力控制方法十分必要。

2.2增加摩擦力防松

摩擦力是螺紋連接的關(guān)鍵因素，通過(guò)提高摩擦力可以有效防止松動(dòng)。常用的兩種方法為支撐面摩擦防松和螺紋面摩擦防松。

2.2.1支撐面摩擦防松

通過(guò)增加螺栓頭及螺母端面的摩擦力的方法來(lái)達(dá)到防松的目的，常見方式有彈簧墊圈、鋸齒墊圈、法蘭螺母等。應(yīng)該避免使用高強(qiáng)度緊固件和被連接件，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀资艿侥Σ梁透g的影響。

彈簧墊圈采用優(yōu)質(zhì)的彈簧鋼制成。安裝完成后，彈簧墊圈的反彈力可以有效維持螺紋之間的緊固性，同時(shí)也能夠產(chǎn)生摩擦力，從而達(dá)到防松的效果。不過(guò)彈簧墊圈只允許被用于低強(qiáng)度的螺栓連接中。鋸齒墊圈放置于緊固件支撐面與被夾緊件之間，鎖緊時(shí)翹齒被壓平，可以增加支撐面的摩擦阻力。法蘭螺母可以通過(guò)增加支撐面的接觸面積實(shí)現(xiàn)增加摩擦阻力的目的。

2.2.2螺紋面摩擦防松

雙螺母防松通常被設(shè)計(jì)成兩個(gè)并排的螺母，也稱為偏心螺母。將螺母的兩端固定到相同的位置，以此來(lái)提高螺母之間的接觸面積，有助于預(yù)防螺母的松脫。R 形螺紋是可變楔形螺紋，它在內(nèi)螺紋的牙底處有一個(gè)圓弧面，弧面的作用是提供一個(gè)漸變的配合角[3]。當(dāng)使用緊固件進(jìn)行副鎖緊時(shí)，首先，螺栓的螺紋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的變化，使得力量從螺紋的頂端向兩邊擴(kuò)散，從而產(chǎn)生一個(gè)較為平衡的下壓力，從而保證鎖緊后的負(fù)荷能夠得到有效的控制。此外，隨著鎖緊力的不斷提升，下壓力也能夠被均衡地分布到各個(gè)配合面，從而有效防止螺栓螺紋處的應(yīng)力過(guò)大。R 形螺紋的抗振防松特性顯著優(yōu)越，具有更高的抗拉和抗壓強(qiáng)度，從而提供良好的抗振、防松效果。

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)防松

使用機(jī)械結(jié)構(gòu)防松技術(shù)可以有效抑制螺紋面之間的摩擦，具體包括添置止動(dòng)墊圈、六角開槽螺栓配開口銷、連接鋼絲等，以確保其穩(wěn)定性。然而這種技術(shù)也存在一定的局限性，例如安裝困難、需要進(jìn)行專門加工等。

（1）通過(guò)使用兩個(gè)獨(dú)立的止動(dòng)墊片，能夠在螺母固定之前，通過(guò)對(duì)它們進(jìn)行折疊并固定在一起，從而有效阻擋螺栓的滑移。當(dāng)兩個(gè)螺栓必須進(jìn)行雙重固定時(shí)，應(yīng)該使用這種方法。

（2）通過(guò)安裝六角形開槽螺母和開口銷，可以有效地將螺母與螺栓固定在一起，從而達(dá)到防松的效果。

（3）通過(guò)采用低碳鋼鋼絲串聯(lián)技術(shù)，可以有效地防止螺釘松動(dòng)。在安裝過(guò)程中，應(yīng)該特別注意鋼絲的穿入方向，以確保接螺釘能夠被牢牢固定。

3、螺紋緊固件防松發(fā)展趨勢(shì)

螺紋緊固件的松動(dòng)與疲勞是密不可分的。利用Junker 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)緊固件連接副進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，夾緊力的衰減曲線可分為 3 個(gè)階段，第 1 階段夾緊力衰減較明顯，各接觸面（支撐面、被夾緊件之間、螺紋接觸面）快速調(diào)整，主因是接觸面的粗糙度和塑性形變，也可以認(rèn)定為局部疲勞；第 2 階段為各接觸面出現(xiàn)相對(duì)滑移產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)，這一階段如果緊固件連接副抗松動(dòng)性能較好，夾緊力衰減平緩；第 3 階段，由于剪切載荷的作用螺栓發(fā)生疲勞斷裂，預(yù)緊力快速降至 0。通過(guò)對(duì)夾緊力衰減曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，緊固件連接副的松動(dòng)與疲勞是同時(shí)存在的。

肖守訥教授和西南交大牽引驅(qū)動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)螺栓的松動(dòng)和疲勞的競(jìng)爭(zhēng)性失效，建議將其納入一個(gè)系統(tǒng)，研究它們之間的相互關(guān)系，尋找它們?cè)诓煌呢?fù)載條件下的變化趨勢(shì)，從而推動(dòng)螺栓防松技術(shù)的進(jìn)步。

4、結(jié)束語(yǔ)

螺紋緊固件連接會(huì)承受橫向、軸向和扭轉(zhuǎn)載荷的作用，因此僅依靠載荷來(lái)進(jìn)行模擬是不夠的。在復(fù)雜的工作條件下，需要更加深入地探索螺栓的松動(dòng)和疲勞的相互作用，以確保螺紋緊固件在使用壽命內(nèi)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

［1］李維榮，朱家誠(chéng).螺紋緊固件防松技術(shù)探討［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003（2）：15-17.

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