【专业知识】螺纹连接防松技术研究综述
专注于机械行业、专业、职业信息分享
服务于制造业 百万工程师
【制造工艺】钣金所有压铆工艺都在这了，直观详尽！
【机械设计】轴承润滑的11种方式，能知道一半的都是高手！
【机械设计】39个机械结构动图，这些运动机械你应该知道！
【专业知识】67页PPT讲解齿轮加工的基础知识
导读
来源：《现代城市轨道交通》2022年1月
摘要：首先在论述螺纹连接受力和自锁机理的 基础上，分析螺纹连接松动的主要原因和影响因 素。然后，按照螺纹连接防松原理对防松措施进行分类，并总结典型防松措施的结构、机理及特性，为轨道交通领域防松方式的选择提供参考。最后，对螺纹连接防松的未来研究方向进行展望。
1 引言
作为最基本的结构连接方式，螺纹连接具有结构简 单、安装便利、拆卸方便、可批量生产等优点 [1]，广泛 应用于轨道交通车辆、轨道、接触网等设备。在轨道交 通振动、冲击以及温度荷载的长期作用下，螺纹连接的 预紧力会逐渐减小、丧失，甚至产生连接松脱现象 [2]。实际应用中，因螺纹连接松动、脱落而造成的设备故障 和安全事故屡有发生。总结和研究螺纹连接松动机理以 及造成松动的原因和影响因素，分析当前不同防松方式 的特性和差异，对指导实际工程应用具有重要意义。
2 螺纹连接受力及自锁机理
2.1 螺纹连接受力分析
2.1.1 矩形螺纹
螺纹副在轴向荷载作用下的运动可看作水平力推动 滑块在螺纹中径处沿螺纹运动，首先研究受力最简单的 矩形螺纹。将螺母简化为滑动质量块，通过施加拧紧扭 矩使螺母与螺栓之间产生预紧力 F，FS 为螺母受到的水 平推力，r 为螺栓螺纹的平均半径（螺纹中径的一半）， 如图 1a 所示。
将图 1a 所示矩形螺纹连接副沿螺纹中径展开可得 图 1b 和图 1c 所示受力图。其中，α 为螺纹升角，h 为 螺栓旋转 360°的升程，2πr 为螺纹中径一周的周长， μ 为螺纹副间摩擦因数，Fn 为螺栓对螺母的法向反力， μFn 为螺栓与螺母间的滑动摩擦力，FR 为摩擦力与法向 反力的合力，β 为摩擦角。
螺母拧紧过程中，在 F 和 FS 的共同作用下，螺母沿 F 反方向匀速向上运动，此时，摩擦力 μFn 沿斜面 向下，如图 1b 所示，根据受力平衡关系可得如下公式， 其中 T1 为拧紧扭矩。
螺母松退时，在 F 和 FS 的共同作用下，螺母与 F 同方向匀速向下运动，此时，摩擦力 μFn 沿斜面向上， 如图 1c 所示，根据受力平衡关系可得如下公式，其中 T2 为松退扭矩。
2.1.2 非矩形螺纹
对于矩形螺纹，忽略升角 α 的影响时，有 F = Fn， 如图 2a 所示。对于牙形角 φ1 ≠ 0 的非矩形螺纹，如图 2b 所示，φ2 为螺纹斜面与水平面间的夹角，螺母与螺栓 接触面间的摩擦力 F ' 为：
可见，非矩形螺纹情况下螺纹副间摩擦力公式与矩 形螺纹情况类似，仅将摩擦系数 μ 转换成了当量摩擦系 数 μ' 。
引入当量摩擦角 β ' = tan-1 μ ' 后，非矩形螺纹的受力 可按矩形螺纹的方法分析，从而得到螺母拧紧时的水平 推力与拧紧扭矩：
螺母松退时的水平推力与松退扭矩：
2.2 螺纹自锁机理
由式（6）和式（11）可以得出，若 α＞ β 或 α＞ β ' ， T 为正值，方向与螺母松退方向相反，驱动力矩成为螺 母松退的阻力。可见，螺母在较大轴向力的作用下，即 使施加一定的拧紧扭矩也有松退的可能。若 α≤ β 或 α≤ β ' ，T 为负值，方向与螺母松退方向相同，驱动力 矩成为放松螺母必须施加的外部驱动，若无驱动力矩的 作用，螺母不会产生松动，因此，螺纹的自锁条件为 α≤ β 或 α≤ β ' 。
对于非矩形螺纹，其牙形角 φ1 为 60°，可得当量摩 擦系数
。对于普通螺纹，螺纹升角α 一般为 2°30' ～ 3°，tan α≤ tan 3° = 0.052 4；金属间的摩 擦系数 μ 一般为 0.1 ～ 0.3，当量摩擦系数 μ ' 为 0.115 5 ～ 0.346 5。可见，普通螺纹能够满足自锁条件，即在无松 退扭矩的作用下，螺母不会产生松动。
3 螺纹连接松动原因
从以上分析可以看出，静载条件下，螺栓只承受轴 向载荷作用，由于螺纹的自锁作用，在没有附加松退扭 矩的情况下连接不会松动。螺纹的松动主要是由外部振 动、冲击载荷和交变温度载荷等作用造成的。
螺纹连接松动表征为部分或全部轴向预紧力的损 失。基于这个定义，Jiang 等的研究表明螺纹连接松动可 分为 2 个阶段 [3]。第一阶段中，螺母与螺栓间几乎不会 产生相对运动，预紧力的减小主要是材料塑性变形及其 扩展引起的，称为非旋转松动阶段或材料松动期；第二阶段中，螺栓与螺母间产生较显著的相对转 动，预紧力下降明显，称为旋转松动阶段或结构 松动期 [4]。
3.1 材料松动期
材料松动期的非旋转松动与界面接触特性、 材料特性以及工作荷载密切相关，主要是由于材 料塑性变形及扩展引起的 [4]，包含以下几个方面。
（1）螺纹连接的螺纹接触面、端部支撑面和 连接体连接面的表面轮廓通常凹凸不平。在预紧 力和工作荷载的作用下，即使没有超过材料的屈服极限，微凸体也可能被挤压变平，产生局部塑性变 形，塑性应变随时间逐渐累积导致蠕变行为，引发预 紧力下降。
（2）在周期性外力的作用下，内外螺纹将发生往复 的微滑移运动，导致黏着物或微凸体的脱落，造成预紧 力的损失。
（3）工作载荷下，旋合螺纹牙底环形区域应力可能 超过了材料的屈服极限，由于周期载荷作用下的棘轮效 应，塑性区域会逐渐发展，从而发生不可逆的周期性塑 性变形而导致预紧力下降。
塑性变形引起的初始松动虽然很小，但却是螺纹副 间产生滑动和预紧力严重损失的开始。此外，还有研究 表明，在预紧力和工作载荷的作用下，螺纹连接的应力 虽然没有达到材料的屈服极限，但存在应力随着时间逐 渐减小、应变则保持不变的应力松弛行为。应力松弛导 致的预紧力损失是一种长期的预紧力衰退行为，在常温 条件下，应力松弛损失通常很小，一般不超过初始预紧 力的 2%，但是，随着温度升高，应力松弛过程将逐渐 加速，从而导致更严重的预紧力损失行为 [5]。
3.2 结构松动期
螺纹连接中各接触面间的相对转动是结构松动期的 主要表征。在工作荷载的作用下，由材料塑性变形和扩 展引起的预紧力下降，以及各部件的惯性、弯曲和扭转 等造成的螺纹副间的微量滑动会使摩擦因数显著降低， 破坏原有受力平衡和自锁条件，螺母随之会产生微量 松脱转动，随着微量转动的累积，最终造成螺纹连接松 动。相比非旋转松动，螺纹连接的旋转松动更容易导致 预紧力的持续衰退，甚至造成螺纹连接的完全松脱。
4 螺纹连接松动影响因素
4.1 初始预紧力
初始预紧力是影响螺纹防松性能的重要因素。初始 预紧力过小会导致螺纹连接直接进入旋转松动阶段；增 大预紧力会使内外螺纹接触面间的正压力和摩擦力相应 增大，从而增加螺母松退扭矩需求，有效提升防松性 能；但过大的初始预紧力也可能会造成螺纹接触面的压 溃，使轴向力急剧衰减，甚至会导致螺纹的断裂 [4]。因 此，将初始预紧力控制在合理的范围对螺纹连接的防松 至关重要，对于重要部位的螺纹连接，应对预紧力的大 小进行严格计算和控制，以保证良好的防松效果。
当前，初始预紧力的大小多通过拧紧扭矩控制，预 紧扭矩 T 包含如式（4）或（9）所示的拧紧扭矩 T1 和 支承面摩擦扭矩 T3，如式（12）所示：
式（12）～式（14）中，F、r、α、β ' 与前述含义相同， f 为支承面摩擦因数，无润滑时取 0.15 ；rf 为支承面等 效摩擦半径，dw 为支承面接触外径，dn 为支承面接触内 径，σ 为预紧应力，As 为螺栓公称应力截面积。预紧力 F 根据连接要求确定，为保证螺栓的工作性能，一般取 0.5 ～ 0.7 倍的螺栓材料屈服极限。
4.2 摩擦因数
摩擦因数直接影响螺纹连接的防松性能。增大摩擦 因数可增加螺纹副间的摩擦力和螺纹松退扭矩需求，提 高防松性能；但摩擦因数的增大也同时增加了拧紧扭矩 需求，在相同的拧紧扭矩下，若摩擦因数增大，则预紧 力变小，可能会造成初始预紧力不足，引起螺栓松脱的 情况。此外，过大的拧紧扭矩也会引起螺纹面较大的剪 切力进而导致螺栓发生破坏，因此需将摩擦因数控制在 适当范围内，摩擦因数的波动也会影响螺栓防松性能的 稳定性。
4.3 螺纹旋合长度
螺纹连接中，螺纹副的旋合部分承载了预紧力和 外部荷载所引起的主要轴向力。直观上看，增加旋合长 度，意味着承载螺纹圈数增多，从而增大摩擦面，改善 防松性能，但旋合螺纹的受力是不均匀的 [4]。陈海平等 人的研究结果表明，旋合螺纹承载的轴向力随螺纹序号 的增加逐渐降低，载荷主要集中在前 3 扣，约占全部轴 向力的 60% 以上，当螺纹号大于 10 时，后面各扣承载 比例小于 4%[6]。刘传波等人的研究表明，螺纹旋合长 度越短，螺纹牙的承载越不均匀 [4] ：他们利用标准螺母 和薄型螺母进行了振动对比试验，结果显示，经 120 s 振动后，薄型螺母的残余轴向力与初始预紧力之比约为 27%，而标准螺母则为 88%，薄型螺母防松性能较差。可见，旋合螺纹达到一定长度后，由于末端螺纹几乎不 承载，盲目地增加旋合长度对提升防松性能的作用不 大；但旋合长度过短也会造成螺纹受力差异性增大，对 螺纹防松有不利影响。实际应用中，螺纹旋合长度应控制在合理的范围内。
4.4 工作荷载
关于外部工作荷载对螺栓防松性能的影响，国内外 学者进行了大量的解析、仿真和试验研究，总结研究成 果主要包含以下几个方面 [5]。
（1）沿螺栓轴向的纵向振动引起的预紧力衰退，主 要由材料塑性变形和扩展造成的非旋转松动行为导致， 即纵向振动很难导致螺栓的旋转松动。
（2）横向振动是导致旋转松动的主要载荷形式，在 横向振动的作用下，螺纹面和被连接体支承面产生局部 微小滑移，伴随周期荷载的作用，滑移逐渐累积形成松 动转角，从而导致持续的旋转松动，对螺栓的防松起到 极为不利的影响。（3）连续的冲击载荷可能诱发严重的旋转松动行 为，冲击次数和大小是严重旋转松动的主要决定因素。
（4）当被连接件材料和连接件材料的热膨胀系数差 异较大时，交变温度载荷也将引发明显的旋转松动。
由于螺纹连接在工作荷载作用下的受力和振动状态 十分复杂，关于工作荷载对螺栓松动行为影响的研究 主要集中在单一荷载，复合载荷对螺栓松动影响规律 和作用机理的研究内容还比较少，这是未来的重要研究 方向。
5 螺纹连接的防松措施
螺纹连接松动有非旋转松动与旋转松动 2 个阶段。第一阶段抑制非旋转松动，主要是选用高强度、高韧性 的材料，避免产生材料的塑性变形。目前的防松技术主 要是针对第二阶段，即防止内外螺纹的旋转松动 [7]。国 内外螺纹防松措施多样，按原理可分为不可拆卸防松、 机械锁紧防松、摩擦防松和预紧力锁紧防松。
5.1 不可拆卸防松
不可拆卸防松是通过在支承端面和螺纹面的接触区 域采用焊接、铆接或粘接等破坏螺纹副的方法，使内外 螺纹之间牢固连接，从而实现有效防松的目的。这种防 松方式原理简单，效果可靠，但由于螺纹副遭到破坏， 使得后期拆卸困难，且无法重复使用，导致了其主要应 用于防松可靠性要求高、无需重复拆卸的场合。
5.2 机械锁紧防松
机械锁紧防松是通过止动元件使螺纹件与被连接件 之间或内外螺纹连接件之间固定和销紧，以抑制内外螺 纹发生相对转动，从而增强防松能力。常用的方法有止 动垫圈、开口销和串联钢丝等，如图 3 所示。止动垫圈采用钢垫圈将螺母与被连接件或将 2 个 螺母固定，提高防松性能；开口销一般需与开槽螺母配 套使用，将开口销同时穿过螺母槽口和螺栓销孔，避免 螺栓与螺母产生相对转动；串联钢丝是将钢丝穿入螺钉 或螺母的孔内，使几个螺钉或螺母连接在一起而产生锁 紧效果。机械锁紧防松具有较高的可靠性，保留了螺栓 连接的可拆卸性，适用于振动和冲击较大的场合，特别 是维护中不易检查的区域，但是由于引入了第三方零部 件，增加了紧固件单元的重量，也使装配工作变得较为 繁琐，无法进行机动安装。
5.3 摩擦防松
摩擦防松是通过增大松动过程的摩擦力，提升摩擦 阻力矩的方法而达到防止连接松脱的目的，是应用最广 的一种防松方式。根据摩擦阻力矩的产生部位，又可分 为支承面摩擦防松和螺纹面摩擦防松。
5.3.1 支承面摩擦防松
支承面摩擦防松是通过改变支承面粗糙程度，增 大摩擦因数，或者通过尖锐物的表面嵌入，直接增大支承面摩擦扭矩，使支承面间不容易产生相对滑移，达到 防松的目的。主要方式包含弹簧垫圈、锯齿垫圈、法兰 螺母等，如图 4 所示。弹簧垫圈在预紧力的作用下被压 平，其 2 个边缘区域分别被嵌入被压件表面和螺母端 面，从而增大接触界面的摩擦力；锯齿垫圈在预紧力的 作用下，锯齿嵌入接触界面，增大接触界面间的摩擦 力；法兰螺母的端面有一圈法兰，在预紧力的作用下， 法兰嵌入被压件表面，增大了接触界面的摩擦力。在实 际工程中，这种嵌入行为将对螺母端面和被压件表面造 成一定的损伤。此外，在复杂的振动条件下支承面很容 易出现磨损，使得支承面摩擦扭矩显著降低，导致防松 性能降低或消失。
5.3.2 螺纹面摩擦防松
螺纹面摩擦防松是通过扩大螺纹面接触区域，在螺 纹中嵌入物质，增大摩擦因数或改变紧固件结构以增大 摩擦力等方式提高螺纹面摩擦扭矩，达到防松的目的， 其效果一般优于支承面摩擦防松。主要方式包含偏心双 螺母、楔形锁紧螺母、弹簧嵌件螺母、预置扭矩螺母等。
（1）偏心双螺母。偏心双螺母的下螺母呈凸状，上 螺母呈凹状，凸状螺母具有一定的偏心量，装配后由于 偏心作用，会使螺栓与螺母间在轴向和径向产生远大于 普通螺母的压紧力，有效地防止了螺纹副间的相对运动， 从而实现良好的防松效果 [8]。典型的偏心双螺母产品是日 本的 Hard-Lock 螺母，如图 5 所示，广泛应用于航空、铁 路、汽车等多个行业，被誉为“永不松动的螺母”[7]。（2）楔形锁紧螺母。典型的楔形锁紧螺母产品有美 国的施必牢螺母和中国的 ST2 型锁紧螺母，如图 6 所 示。与普通螺母相比，楔形锁紧螺母的底径由传统 60º 的斜面变为 30º 的锥面，而螺栓螺纹的形状保持不变。当螺母与螺栓配合时，内外螺纹由面接触变为线接触，或产生微量变形，产生远大于普通螺纹的法向力和摩檫 力，并使每个螺纹牙都能均匀承载，消除了普通螺纹受 力不均的现象，从而达到很好的防松效果。
（3）弹簧嵌件螺母。弹簧嵌件螺母结构如图 7 所 示，它的上端装有可径向变形的螺旋弹簧，其螺距、螺 旋角和螺旋方向与螺母相同，弹簧上端钩在螺母的侧孔 中，下端与螺母螺纹段的上平面不接触。当拧入螺栓 时，螺栓对螺纹的径向力把螺簧撑开，螺簧内径稍变粗 并嵌入到螺栓螺纹内；当螺母拧出时，依靠螺栓螺纹 与弹簧的摩擦力又使螺簧内径变细，箍紧螺栓起到防松 效果。这种螺母结构较复杂，对螺簧的加工要求较高由于螺簧在螺母内周边有相对运动，所以防松效果不 易保证 [9]。
（4）预置扭矩螺母。 这类防松螺母的特点是在螺 母旋进并且未产生预紧力的过程中，需要附加的扭矩才 能拧紧螺母，预置扭矩螺母在松动时需要克服更大的 摩擦力，因此相比普通螺母具有更优越的防松性能。代 表性的有非金属嵌件螺母、VARGAL 弹簧自锁螺母、 LANFRANCO 自锁螺母、FUJILOK 自锁螺母等，如 图 8 所示。非金属嵌件螺母是在螺母上端嵌入非金属垫 圈等嵌件，拧紧螺母时，非金属嵌件会被挤出螺纹，与 螺栓间形成较大摩擦力的同时，对振动和冲击荷载还具有 一定的缓冲作用，具有很好的防松能力，但适用的环境 温度一般为-50 ℃～ 100 ℃，也存在非金属材料的老化问 题[10]。VARGAL 弹簧自锁螺母、LANFRANCO 自锁螺 母和 FUJILOK 自锁螺母均属于全金属锁紧螺母，区别 在于预置扭矩的产生方式不同。VARGAL 螺母具有带螺 纹的 4 个爪片，爪片外配螺旋弹簧，在拧紧过程中爪片 扩张，弹簧和爪片对螺栓螺纹产生双重抱紧力，增大螺 纹副间的摩擦力矩，阻止螺母松动；LANFRANCO 螺 母沿横向开槽，拧入螺栓时，槽缝被撑开，由于材质的 弹性产生回缩的趋势，一方面会对螺栓产生轴向反作用力，另一方面会抱紧螺纹面增大摩擦力，达到锁紧防松 的目的；FUJILOK 螺母由螺母和摩擦环 2 个零部件构 成，通过铆接加工将摩擦环固定在螺母上表面上，形成 一体，螺母在拧紧过程中金属摩擦环与螺栓螺纹之间产 生弹性压强，形成沿螺纹面下压的弹性力，从而产生阻 止自由旋转的摩擦扭矩。这几种自锁螺母均具有优良的 防松性能，多用于振动较为严重的环境，适用的温度较 广，其锁紧性能取决于螺母体材料的弹性，更适合于机 械性能等级较高的螺母，也要求配合螺栓具有足够高的 强度和螺纹精度。
5.4 预紧力锁紧防松
预紧力锁紧防松是在松动过程中增加预紧力，同时 提高端面和螺纹面摩擦扭矩，实现防松效果。典型的预 紧力锁紧防松方式为双叠自锁垫圈和唐氏螺栓，如图 9、 图 10 所示。（1）双叠自锁垫圈。双叠自锁垫圈的内表面呈楔形 大齿状，外表面呈楔形小齿状，采用大齿面相对的成对 安装方式。在预紧力作用下，外表面锯齿与螺母和被连 接体表面咬合，因外表面的摩擦因数大于内表面的摩擦 因数，且楔形大齿的坡度角大于螺纹升角，螺栓松退所 造成的垫圈内表面沿厚度方向的扩张距离大于螺栓的松 退位移，从而引起预紧力的增大，令防松系统自动进行复位调整 [11]。双叠自锁垫圈的性能可靠，适用于各种振 动情况，但不适用于锁紧件与被锁紧件硬度过高或过低 的情况，同时楔形小齿会对工件锁紧位置防腐层构成一 定破坏。
（2）唐氏螺栓。唐氏螺栓将普通外螺纹从单旋向、 全连续、等截面改变成双旋向、非连续、变截面，使得 修改后的螺纹同时设有左、右两种不同旋向。在安装 时，唐氏螺栓需要和普通双螺母配合使用，先拧紧右旋 螺母（紧固螺母），再拧紧左旋螺母（锁紧螺母）。振动 荷载作用下，紧固螺母在松动时将沿着锁紧螺母拧紧的 方向转动，使锁紧螺母拧紧，预紧力增加，从而实现有 效防松。
6 结语
当前的研究成果表明，横向振动荷载的作用是造成 螺纹连接松动最主要的原因，由材料塑性变形与扩展引 起的材料松动和由螺纹副间微量滑动与累积引起的结构 松动，是螺纹连接松动的 2 个阶段。针对轨道交通特殊 的运用环境，需结合实际应用工况设计和选择最有效的 防松方法，提高螺纹连接的安全性、可靠性和耐久性。螺纹连接的受力复杂，影响其松动的因素众多，当前定 性的局部滑移累积理论还缺少先进的观测和试验设备进 行验证。此外，工程实际应用中出现的螺纹强度差、易 变形或者受温度影响显著等问题，还需要从新型材料和 结构的角度进一步深入研究。
参考文献：
[1] 谢雁成 . 浅析装配螺栓松动原因及防松措施 [J]. 装 备制造技术，2015（4）：173-175.
[2] 李畅，吕志龙，周安德 . 动车组设备螺栓连接可靠性分析 [J]. 现代城市轨道交通，2019（9）：48-52.
[3] Jiang Y, Zhang M, Park T W, et al. An Experimental Study of Self-Loosening of Bolted Joints[J]. Journal of Mechanical Design，2004，126（5）：925-931.
[4] 刘传波，孙静明，莫易敏 . 螺纹紧固件防松性能影 响因素研究 [J]. 现代制造工程，2018（4）：138-143.
[5] 巩浩，刘检华，冯慧华 . 螺纹连接松动机理和防松方 法研究综述 [J]. 机械工程学报，2021，57（4）：1-23.
[6] 陈海平，曾攀，方刚，等 . 螺纹副承载的分布规律 [J]. 机械工程学报，2010，46（9）：171-178.
[7] 何和智，熊承添，刘琰嵬 . 国内外螺纹联接防松技 术进展 [J]. 机械工程技术，2009，48（3）：1-7.
[8] 沈英明，杜彦良，李惠军 . 螺纹联接防松方法研究 综述 [J]. 石家庄铁道学报，2002，15（4）：84-87.
[9] 王勋龙，姜岩，肖英奎 . 新式螺母与传统螺母在防松 效果上的试验研究 [J]. 煤矿机械，2005（11）：48-50.
[10] 李维荣 . 螺纹紧固件防松技术和试验方法研究 [D]. 安徽合肥：合肥工业大学，2005.
[11] 任冲 . 基于棘式螺母棘式垫圈防松技术的研究 [D]. 山东青岛：青岛科技大学，2013.
免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除！文中内容仅代表作者个人观点，转载不同于本平台认同或者持有相同观点。
申请加入机械工程师微信群！
进入公众号底部菜单栏
查看
相关知识
开口销螺纹防松
螺纹防松的方法
螺纹连接为什么要防松成语大全
螺纹紧固件连接防松常用结构
螺纹链接防松方法常用有几种
使用开口销进行螺纹紧固属于螺纹的（）防松。
螺纹防松除利用摩擦和机械防松外，还可用（）
【螺纹连接】英语怎么说
螺纹连接知识.ppt
螺纹连接有几种类型，如何防止螺丝松动
网址: 【专业知识】螺纹连接防松技术研究综述 https://m.huajiangbk.com/newsview1904351.html
| 上一篇: 施必牢®技术的产生及防松原理 |
下一篇: 螺栓防松技术的演变：从弹簧垫圈到 |
