螺紋連接防松技術研究綜述

劉 力，袁英強

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

1 引言

作為最基本的結構連接方式，螺紋連接具有結構簡單、安裝便利、拆卸方便、可批量生產等優點[1]，廣泛應用于軌道交通車輛、軌道、接觸網等設備。在軌道交通振動、沖擊以及溫度荷載的長期作用下，螺紋連接的預緊力會逐漸減小、喪失，甚至產生連接松脫現象[2]。實際應用中，因螺紋連接松動、脫落而造成的設備故障和安全事故屢有發生。總結和研究螺紋連接松動機理以及造成松動的原因和影響因素，分析當前不同防松方式的特性和差異，對指導實際工程應用具有重要意義。

2 螺紋連接受力及自鎖機理

2.1 螺紋連接受力分析

2.1.1 矩形螺紋

螺紋副在軸向荷載作用下的運動可看作水平力推動滑塊在螺紋中徑處沿螺紋運動，首先研究受力最簡單的矩形螺紋。將螺母簡化為滑動質量塊，通過施加擰緊扭矩使螺母與螺栓之間產生預緊力F，FS為螺母受到的水平推力，r為螺栓螺紋的平均半徑（螺紋中徑的一半），如圖1a所示。

將圖1a所示矩形螺紋連接副沿螺紋中徑展開可得圖1b和圖1c所示受力圖。其中，α為螺紋升角，h為螺栓旋轉360°的升程，2πr為螺紋中徑一周的周長，μ為螺紋副間摩擦因數，Fn為螺栓對螺母的法向反力，μFn為螺栓與螺母間的滑動摩擦力，FR為摩擦力與法向反力的合力，β為摩擦角。

螺母擰緊過程中，在F和FS的共同作用下，螺母沿F反方向勻速向上運動，此時，摩擦力μFn沿斜面向下，如圖1b所示，根據受力平衡關系可得如下公式，其中T1為擰緊扭矩。

螺母松退時，在F和FS的共同作用下，螺母與F同方向勻速向下運動，此時，摩擦力μFn沿斜面向上，如圖1c所示，根據受力平衡關系可得如下公式，其中T2為松退扭矩。

2.1.2 非矩形螺紋

對于矩形螺紋，忽略升角α的影響時，有F=Fn，如圖2a所示。對于牙形角φ1≠0的非矩形螺紋，如圖2b所示，φ2為螺紋斜面與水平面間的夾角，螺母與螺栓接觸面間的摩擦力F'為：

可見，非矩形螺紋情況下螺紋副間摩擦力公式與矩形螺紋情況類似，僅將摩擦系數μ轉換成了當量摩擦系數μ'。

引入當量摩擦角β'= tan-1μ'后，非矩形螺紋的受力可按矩形螺紋的方法分析，從而得到螺母擰緊時的水平推力與擰緊扭矩：

螺母松退時的水平推力與松退扭矩：

2.2 螺紋自鎖機理

由式（6）和式（11）可以得出，若α＞β或α＞β'，T為正值，方向與螺母松退方向相反，驅動力矩成為螺母松退的阻力。可見，螺母在較大軸向力的作用下，即使施加一定的擰緊扭矩也有松退的可能。若α≤β或α≤β'，T為負值，方向與螺母松退方向相同，驅動力矩成為放松螺母必須施加的外部驅動，若無驅動力矩的作用，螺母不會產生松動，因此，螺紋的自鎖條件為α≤β或α≤β'。

對于非矩形螺紋，其牙形角φ1為60°，可得當量摩擦系數對于普通螺紋，螺紋升角α一般為2°30'～3°，tanα≤tan 3° = 0.052 4；金屬間的摩擦系數μ一般為0.1～0.3，當量摩擦系數μ'為0.115 5～0.346 5。可見，普通螺紋能夠滿足自鎖條件，即在無松退扭矩的作用下，螺母不會產生松動。

3 螺紋連接松動原因

從以上分析可以看出，靜載條件下，螺栓只承受軸向載荷作用，由于螺紋的自鎖作用，在沒有附加松退扭矩的情況下連接不會松動。螺紋的松動主要是由外部振動、沖擊載荷和交變溫度載荷等作用造成的。

螺紋連接松動表征為部分或全部軸向預緊力的損失。基于這個定義，Jiang等的研究表明螺紋連接松動可分為2個階段[3]。第一階段中，螺母與螺栓間幾乎不會產生相對運動，預緊力的減小主要是材料塑性變形及其擴展引起的，稱為非旋轉松動階段或材料松動期；第二階段中，螺栓與螺母間產生較顯著的相對轉動，預緊力下降明顯，稱為旋轉松動階段或結構松動期[4]。

3.1 材料松動期

材料松動期的非旋轉松動與界面接觸特性、材料特性以及工作荷載密切相關，主要是由于材料塑性變形及擴展引起的[4]，包含以下幾個方面。

（1）螺紋連接的螺紋接觸面、端部支撐面和連接體連接面的表面輪廓通常凹凸不平。在預緊力和工作荷載的作用下，即使沒有超過材料的屈服極限，微凸體也可能被擠壓變平，產生局部塑性變形，塑性應變隨時間逐漸累積導致蠕變行為，引發預緊力下降。

（2）在周期性外力的作用下，內外螺紋將發生往復的微滑移運動，導致黏著物或微凸體的脫落，造成預緊力的損失。

（3）工作載荷下，旋合螺紋牙底環形區域應力可能超過了材料的屈服極限，由于周期載荷作用下的棘輪效應，塑性區域會逐漸發展，從而發生不可逆的周期性塑性變形而導致預緊力下降。

塑性變形引起的初始松動雖然很小，但卻是螺紋副間產生滑動和預緊力嚴重損失的開始。此外，還有研究表明，在預緊力和工作載荷的作用下，螺紋連接的應力雖然沒有達到材料的屈服極限，但存在應力隨著時間逐漸減小、應變則保持不變的應力松弛行為。應力松弛導致的預緊力損失是一種長期的預緊力衰退行為，在常溫條件下，應力松弛損失通常很小，一般不超過初始預緊力的2%，但是，隨著溫度升高，應力松弛過程將逐漸加速，從而導致更嚴重的預緊力損失行為[5]。

3.2 結構松動期

螺紋連接中各接觸面間的相對轉動是結構松動期的主要表征。在工作荷載的作用下，由材料塑性變形和擴展引起的預緊力下降，以及各部件的慣性、彎曲和扭轉等造成的螺紋副間的微量滑動會使摩擦因數顯著降低，破壞原有受力平衡和自鎖條件，螺母隨之會產生微量松脫轉動，隨著微量轉動的累積，最終造成螺紋連接松動。相比非旋轉松動，螺紋連接的旋轉松動更容易導致預緊力的持續衰退，甚至造成螺紋連接的完全松脫。

4 螺紋連接松動影響因素

4.1 初始預緊力

初始預緊力是影響螺紋防松性能的重要因素。初始預緊力過小會導致螺紋連接直接進入旋轉松動階段；增大預緊力會使內外螺紋接觸面間的正壓力和摩擦力相應增大，從而增加螺母松退扭矩需求，有效提升防松性能；但過大的初始預緊力也可能會造成螺紋接觸面的壓潰，使軸向力急劇衰減，甚至會導致螺紋的斷裂[4]。因此，將初始預緊力控制在合理的范圍對螺紋連接的防松至關重要，對于重要部位的螺紋連接，應對預緊力的大小進行嚴格計算和控制，以保證良好的防松效果。

當前，初始預緊力的大小多通過擰緊扭矩控制，預緊扭矩T包含如式（4）或（9）所示的擰緊扭矩T1和支承面摩擦扭矩T3，如式（12）所示：

式（12）～式（14）中，F、r、α、β'與前述含義相同，f為支承面摩擦因數，無潤滑時取0.15；rf為支承面等效摩擦半徑，dw為支承面接觸外徑，dn為支承面接觸內徑，σ為預緊應力，As為螺栓公稱應力截面積。預緊力F根據連接要求確定，為保證螺栓的工作性能， 一般取0.5 ～0.7倍的螺栓材料屈服極限。

4.2 摩擦因數

摩擦因數直接影響螺紋連接的防松性能。增大摩擦因數可增加螺紋副間的摩擦力和螺紋松退扭矩需求，提高防松性能；但摩擦因數的增大也同時增加了擰緊扭矩需求，在相同的擰緊扭矩下，若摩擦因數增大，則預緊力變小，可能會造成初始預緊力不足，引起螺栓松脫的情況。此外，過大的擰緊扭矩也會引起螺紋面較大的剪切力進而導致螺栓發生破壞，因此需將摩擦因數控制在適當范圍內，摩擦因數的波動也會影響螺栓防松性能的穩定性。

4.3 螺紋旋合長度

螺紋連接中，螺紋副的旋合部分承載了預緊力和外部荷載所引起的主要軸向力。直觀上看，增加旋合長度，意味著承載螺紋圈數增多，從而增大摩擦面，改善防松性能，但旋合螺紋的受力是不均勻的[4]。陳海平等人的研究結果表明，旋合螺紋承載的軸向力隨螺紋序號的增加逐漸降低，載荷主要集中在前3扣，約占全部軸向力的60%以上，當螺紋號大于10時，后面各扣承載比例小于4%[6]。劉傳波等人的研究表明，螺紋旋合長度越短，螺紋牙的承載越不均勻[4]：他們利用標準螺母和薄型螺母進行了振動對比試驗，結果顯示，經120 s振動后，薄型螺母的殘余軸向力與初始預緊力之比約為27%，而標準螺母則為88%，薄型螺母防松性能較差。可見，旋合螺紋達到一定長度后，由于末端螺紋幾乎不承載，盲目地增加旋合長度對提升防松性能的作用不大；但旋合長度過短也會造成螺紋受力差異性增大，對螺紋防松有不利影響。實際應用中，螺紋旋合長度應控制在合理的范圍內。

4.4 工作荷載

關于外部工作荷載對螺栓防松性能的影響，國內外學者進行了大量的解析、仿真和試驗研究，總結研究成果主要包含以下幾個方面[5]。

（1）沿螺栓軸向的縱向振動引起的預緊力衰退，主要由材料塑性變形和擴展造成的非旋轉松動行為導致，即縱向振動很難導致螺栓的旋轉松動。

（2）橫向振動是導致旋轉松動的主要載荷形式，在橫向振動的作用下，螺紋面和被連接體支承面產生局部微小滑移，伴隨周期荷載的作用，滑移逐漸累積形成松動轉角，從而導致持續的旋轉松動，對螺栓的防松起到極為不利的影響。

（3）連續的沖擊載荷可能誘發嚴重的旋轉松動行為，沖擊次數和大小是嚴重旋轉松動的主要決定因素。

（4）當被連接件材料和連接件材料的熱膨脹系數差異較大時，交變溫度載荷也將引發明顯的旋轉松動。

由于螺紋連接在工作荷載作用下的受力和振動狀態十分復雜，關于工作荷載對螺栓松動行為影響的研究主要集中在單一荷載，復合載荷對螺栓松動影響規律和作用機理的研究內容還比較少，這是未來的重要研究方向。

5 螺紋連接的防松措施

螺紋連接松動有非旋轉松動與旋轉松動2個階段。第一階段抑制非旋轉松動，主要是選用高強度、高韌性的材料，避免產生材料的塑性變形。目前的防松技術主要是針對第二階段，即防止內外螺紋的旋轉松動[7]。國內外螺紋防松措施多樣，按原理可分為不可拆卸防松、機械鎖緊防松、摩擦防松和預緊力鎖緊防松。

5.1 不可拆卸防松

不可拆卸防松是通過在支承端面和螺紋面的接觸區域采用焊接、鉚接或粘接等破壞螺紋副的方法，使內外螺紋之間牢固連接，從而實現有效防松的目的。這種防松方式原理簡單，效果可靠，但由于螺紋副遭到破壞，使得后期拆卸困難，且無法重復使用，導致了其主要應用于防松可靠性要求高、無需重復拆卸的場合。

5.2 機械鎖緊防松

機械鎖緊防松是通過止動元件使螺紋件與被連接件之間或內外螺紋連接件之間固定和銷緊，以抑制內外螺紋發生相對轉動，從而增強防松能力。常用的方法有止動墊圈、開口銷和串聯鋼絲等，如圖3所示。

止動墊圈采用鋼墊圈將螺母與被連接件或將2個螺母固定，提高防松性能；開口銷一般需與開槽螺母配套使用，將開口銷同時穿過螺母槽口和螺栓銷孔，避免螺栓與螺母產生相對轉動；串聯鋼絲是將鋼絲穿入螺釘或螺母的孔內，使幾個螺釘或螺母連接在一起而產生鎖緊效果。機械鎖緊防松具有較高的可靠性，保留了螺栓連接的可拆卸性，適用于振動和沖擊較大的場合，特別是維護中不易檢查的區域，但是由于引入了第三方零部件，增加了緊固件單元的重量，也使裝配工作變得較為繁瑣，無法進行機動安裝。

5.3 摩擦防松

摩擦防松是通過增大松動過程的摩擦力，提升摩擦阻力矩的方法而達到防止連接松脫的目的，是應用最廣的一種防松方式。根據摩擦阻力矩的產生部位，又可分為支承面摩擦防松和螺紋面摩擦防松。

5.3.1 支承面摩擦防松

支承面摩擦防松是通過改變支承面粗糙程度，增大摩擦因數，或者通過尖銳物的表面嵌入，直接增大支承面摩擦扭矩，使支承面間不容易產生相對滑移，達到防松的目的。主要方式包含彈簧墊圈、鋸齒墊圈、法蘭螺母等，如圖4所示。彈簧墊圈在預緊力的作用下被壓平，其2個邊緣區域分別被嵌入被壓件表面和螺母端面，從而增大接觸界面的摩擦力；鋸齒墊圈在預緊力的作用下，鋸齒嵌入接觸界面，增大接觸界面間的摩擦力；法蘭螺母的端面有一圈法蘭，在預緊力的作用下，法蘭嵌入被壓件表面，增大了接觸界面的摩擦力。在實際工程中，這種嵌入行為將對螺母端面和被壓件表面造成一定的損傷。此外，在復雜的振動條件下支承面很容易出現磨損，使得支承面摩擦扭矩顯著降低，導致防松性能降低或消失。

5.3.2 螺紋面摩擦防松

螺紋面摩擦防松是通過擴大螺紋面接觸區域，在螺紋中嵌入物質，增大摩擦因數或改變緊固件結構以增大摩擦力等方式提高螺紋面摩擦扭矩，達到防松的目的，其效果一般優于支承面摩擦防松。主要方式包含偏心雙螺母、楔形鎖緊螺母、彈簧嵌件螺母、預置扭矩螺母等。

（1）偏心雙螺母。偏心雙螺母的下螺母呈凸狀，上螺母呈凹狀，凸狀螺母具有一定的偏心量，裝配后由于偏心作用，會使螺栓與螺母間在軸向和徑向產生遠大于普通螺母的壓緊力，有效地防止了螺紋副間的相對運動，從而實現良好的防松效果[8]。典型的偏心雙螺母產品是日本的Hard-Lock螺母，如圖5所示，廣泛應用于航空、鐵路、汽車等多個行業，被譽為“永不松動的螺母”[7]。

（2）楔形鎖緊螺母。典型的楔形鎖緊螺母產品有美國的施必牢螺母和中國的ST2型鎖緊螺母，如圖6所示。與普通螺母相比，楔形鎖緊螺母的底徑由傳統60o的斜面變為30o的錐面，而螺栓螺紋的形狀保持不變。當螺母與螺栓配合時，內外螺紋由面接觸變為線接觸，或產生微量變形，產生遠大于普通螺紋的法向力和摩檫力，并使每個螺紋牙都能均勻承載，消除了普通螺紋受力不均的現象，從而達到很好的防松效果。

（3）彈簧嵌件螺母。彈簧嵌件螺母結構如圖7所示，它的上端裝有可徑向變形的螺旋彈簧，其螺距、螺旋角和螺旋方向與螺母相同，彈簧上端鉤在螺母的側孔中，下端與螺母螺紋段的上平面不接觸。當擰入螺栓時，螺栓對螺紋的徑向力把螺簧撐開，螺簧內徑稍變粗并嵌入到螺栓螺紋內；當螺母擰出時，依靠螺栓螺紋與彈簧的摩擦力又使螺簧內徑變細，箍緊螺栓起到防松效果。這種螺母結構較復雜，對螺簧的加工要求較高，由于螺簧在螺母內周邊有相對運動，所以防松效果不易保證[9]。

（4）預置扭矩螺母。這類防松螺母的特點是在螺母旋進并且未產生預緊力的過程中，需要附加的扭矩才能擰緊螺母，預置扭矩螺母在松動時需要克服更大的摩擦力，因此相比普通螺母具有更優越的防松性能。代表性的有非金屬嵌件螺母、VARGAL彈簧自鎖螺母、LANFRANCO自鎖螺母、FUJILOK自鎖螺母等，如圖 8 所示。非金屬嵌件螺母是在螺母上端嵌入非金屬墊圈等嵌件，擰緊螺母時，非金屬嵌件會被擠出螺紋，與螺栓間形成較大摩擦力的同時，對振動和沖擊荷載還具有一定的緩沖作用，具有很好的防松能力，但適用的環境溫度一般為 -50 ℃～100 ℃，也存在非金屬材料的老化問題[10]。VARGAL彈簧自鎖螺母、LANFRANCO自鎖螺母和FUJILOK自鎖螺母均屬于全金屬鎖緊螺母，區別在于預置扭矩的產生方式不同。VARGAL螺母具有帶螺紋的4個爪片，爪片外配螺旋彈簧，在擰緊過程中爪片擴張，彈簧和爪片對螺栓螺紋產生雙重抱緊力，增大螺紋副間的摩擦力矩，阻止螺母松動；LANFRANCO螺母沿橫向開槽，擰入螺栓時，槽縫被撐開，由于材質的彈性產生回縮的趨勢，一方面會對螺栓產生軸向反作用力，另一方面會抱緊螺紋面增大摩擦力，達到鎖緊防松的目的；FUJILOK螺母由螺母和摩擦環2個零部件構成，通過鉚接加工將摩擦環固定在螺母上表面上，形成一體，螺母在擰緊過程中金屬摩擦環與螺栓螺紋之間產生彈性壓強，形成沿螺紋面下壓的彈性力，從而產生阻止自由旋轉的摩擦扭矩。這幾種自鎖螺母均具有優良的防松性能，多用于振動較為嚴重的環境，適用的溫度較廣，其鎖緊性能取決于螺母體材料的彈性，更適合于機械性能等級較高的螺母，也要求配合螺栓具有足夠高的強度和螺紋精度。

5.4 預緊力鎖緊防松

預緊力鎖緊防松是在松動過程中增加預緊力，同時提高端面和螺紋面摩擦扭矩，實現防松效果。典型的預緊力鎖緊防松方式為雙疊自鎖墊圈和唐氏螺栓，如圖 9、圖10所示。

（1）雙疊自鎖墊圈。雙疊自鎖墊圈的內表面呈楔形大齒狀，外表面呈楔形小齒狀，采用大齒面相對的成對安裝方式。在預緊力作用下，外表面鋸齒與螺母和被連接體表面咬合，因外表面的摩擦因數大于內表面的摩擦因數，且楔形大齒的坡度角大于螺紋升角，螺栓松退所造成的墊圈內表面沿厚度方向的擴張距離大于螺栓的松退位移，從而引起預緊力的增大，令防松系統自動進行復位調整[11]。雙疊自鎖墊圈的性能可靠，適用于各種振動情況，但不適用于鎖緊件與被鎖緊件硬度過高或過低的情況，同時楔形小齒會對工件鎖緊位置防腐層構成一定破壞。

（2）唐氏螺栓。唐氏螺栓將普通外螺紋從單旋向、全連續、等截面改變成雙旋向、非連續、變截面，使得修改后的螺紋同時設有左、右兩種不同旋向。在安裝時，唐氏螺栓需要和普通雙螺母配合使用，先擰緊右旋螺母（緊固螺母），再擰緊左旋螺母（鎖緊螺母）。振動荷載作用下，緊固螺母在松動時將沿著鎖緊螺母擰緊的方向轉動，使鎖緊螺母擰緊，預緊力增加，從而實現有效防松。

6 結語

當前的研究成果表明，橫向振動荷載的作用是造成螺紋連接松動最主要的原因，由材料塑性變形與擴展引起的材料松動和由螺紋副間微量滑動與累積引起的結構松動，是螺紋連接松動的2個階段。針對軌道交通特殊的運用環境，需結合實際應用工況設計和選擇最有效的防松方法，提高螺紋連接的安全性、可靠性和耐久性。螺紋連接的受力復雜，影響其松動的因素眾多，當前定性的局部滑移累積理論還缺少先進的觀測和試驗設備進行驗證。此外，工程實際應用中出現的螺紋強度差、易變形或者受溫度影響顯著等問題，還需要從新型材料和結構的角度進一步深入研究。