螺纹连接松动问题研究综述

张铁亮 王卓 徐乐 丁晓宇

螺纹连接松动问题研究综述

张铁亮1,2王卓3,4徐乐5丁晓宇2

（1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094；2 北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；3 内蒙古第一机械集团有限公司，包头 014030；4 特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室，包头 014030；5 钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081）

螺纹连接松动问题一直受到广泛关注。本文对螺纹连接松动问题的研究和技术现状进行了总结。首先总结了螺纹连接松动问题研究工作常用的试验方法，然后从非旋转松动和旋转松动两个方面总结了螺纹连接的松动机理，接着讨论了螺纹连接防松性能的测试与评价方法，以及一些典型防松紧固件的防松原理。最后，本文总结了现有研究中存在的不足，并为未来的研究工作提出了一些新思路。

螺纹连接；松动；防松性能；评价方法；防松紧固件

0 引言

螺纹连接具有安装和拆卸方便、制造简单、互换性强和外形尺寸小等优点，应用十分广泛。但是螺纹连接结构常常处于振动或冲击的工况之下，这使得螺纹连接结构容易出现松动问题。螺纹连接松动是指螺纹连接的预紧力衰减。预紧力衰减一方面可能导致连接功能的丧失，破坏结构完整性；另一方面则会改变连接部位的刚度和阻尼，从而对产品的动力学性能产生影响，因此，学者们对螺纹连接松动问题展开了大量研究，至今已在螺纹连接松动机理和防松方法等方面形成了丰富的研究成果，一定程度上为紧固件设计、螺纹连接设计、紧固件制造工艺及螺纹连接装配工艺的优化提供了理论依据。然而由于螺纹连接松动问题的复杂性，已有研究成果还不能完全解决这个问题，相关研究工作仍在持续进行。本文从螺纹连接松动的试验方法、螺纹连接松动机理、螺纹连接防松性能测试与评价、典型防松紧固件防松原理这四个方面对已有研究工作进行梳理和总结，具体逻辑框架如图1所示。

图1 文章逻辑框架

1 关于螺纹连接松动的基本概念

本文基于已有研究成果和工程领域的普遍认知，先对松动、防松性能等相关概念进行明确的界定，这些概念之间相互关系如图2所示。

图2 防松性能与螺纹连接松动的关系

本文认为螺纹连接松动指的就是螺纹连接预紧力的衰减，进一步的，可以将松动分为旋转松动和非旋转松动，其中旋转松动是指内外螺纹间发生了导致预紧力衰减的相对转动，非旋转松动是指除了旋转松动之外导致预紧力衰减的其它力学过程，常见非旋转松动因素包括表面嵌入、蠕变、塑性变形、微动磨损等。此外，在本文中防松性能和自锁性能的含义是相同的，指的是抑制螺纹连接发生旋转松动的能力，防松性能越强，螺纹连接越不容易出现旋转松动失效。另外，防松性能也与蠕变、塑性变形、微动磨损等因素密切相关，防松性能越强，通常也意味着非旋转松动程度越轻。

2 螺纹连接松动的试验方法

螺纹连接松动问题的试验、仿真及理论研究通常针对图3所示的典型螺纹连接结构进行，包括螺栓、螺母、两个被压件。在研究工作中，通常将一个被压件固定（固定件），对另一个被压件（活动件）施加周期性的载荷（力、力矩、位移或转角）以模拟振动，观测在不同载荷条件下的预紧力衰减，或者研究不同载荷条件对旋转松动或非旋转松动的影响。常见振动载荷施加方法主要分为四种：轴向振动、横向振动、扭转振动和弯曲振动。

图3 典型的螺纹连接结构形式

所谓轴向振动是指在沿着螺纹轴向方向上对活动件施加周期性往复力载荷，如图4 a)所示。如果以固定件为基准，在轴向振动载荷作用下活动件将沿着轴往复运动。螺纹连接松动问题的早期研究就是通过轴向振动试验开展的[1-2]，还有其它学者采用过这种试验方法，代表性的有刘建华等[3-5]，使用的试验装置如图4 b)所示。

图4 轴向振动试验方法原理及装置

所谓横向振动是指在垂直于螺纹轴线方向上对活动件施加周期性往复力载荷，如图5 a)所示。如果以固定件为基准，在横向振动载荷作用下活动件可以沿着轴或轴做往复运动。德国学者Junker于1969年最早提出了该试验方法[6]，因此该方法又被称为Junker测试方法。Junker首先通过该试验方法发现横向振动载荷容易导致螺纹连接松动。由于横向振动载荷被广泛认为是导致实际工况下螺纹连接松动的主要载荷，该试验方法后来被标准化，用于测试螺纹连接的防松性能，德国标准DIN 65151[7]、国际标准ISO 16130-2015[8]，以及我国国家标准GB/T 10431-2008[9]都是基于该方法，图5 b)给出了该试验方法的典型装置示意图。值得一提的是，航空航天领域常用国军标GJB 715.3A-2002[10]来测试自锁螺母的自锁性能，图5 c)给出了该试验方法的装置示意图，其本质也是给螺纹连接施加横向振动载荷。

图5 横向振动试验方法原理及装置

相比于上述两种载荷形式，基于扭转振动载荷和弯曲振动载荷研究螺纹连接松动问题的工作相对较少。所谓扭转振动是指围绕螺纹轴线对活动件施加周期性往复力矩，如图6 a)所示。如果以固定件为基准，在扭转振动载荷作用下活动件将绕着轴往复转动。Clark和Cook[11]建立的一个扭转振动试验装置如图6 b)所示。所谓弯曲振动是指围绕一个垂直于螺纹轴线的方向对活动件施加周期性往复力矩，如图7(a)所示。如果以固定件为基准，在弯曲振动载荷作用下活动件可以绕着轴或轴往复转动。杜永强等[12]建立的一个弯曲振动试验装置如图7(b)所示。如果以固定件为基准，上述四种振动载荷完整对应了活动件的6个自由度，因此具有很好的代表性，实际的复杂振动载荷可以近似被视为这几种振动载荷的耦合。

图6 扭转振动试验方法原理及装置

图7 弯曲振动试验方法原理及装置

3 螺纹连接松动机理

3.1 非旋转松动

非旋转松动主要和材料特性、界面接触及摩擦行为等密切相关，其原因主要包括：蠕变/应力松弛、塑性变形、表面嵌入和微动磨损。

3.1.1蠕变/应力松弛

材料的蠕变或应力松弛可以导致螺纹连接出现预紧力衰减。蠕变是指在恒定应力作用下，应变随时间而增加的现象。应力松弛是指恒定应变作用下，应力随时间而减小的现象。到目前，对于蠕变与应力松弛关联关系的微观机理还没有共同观点，但二者都可以用位错理论进行解释，普遍认为应力松弛是蠕变现象的另一种表现，或者说应力松弛现象的本质是存在蠕变行为[13-14]。蠕变或应力松弛对预紧力衰减的影响机理是比较清晰的，只要知道材料的蠕变或应力松弛数据便可以通过仿真对预紧力衰减进行准确预测，也可以通过试验直接测量蠕变或应力松弛导致的预紧力衰减。研究表明，对于垫圈是金属材料且无涂层的高强度螺纹连接[15]，蠕变造成的预紧力衰减量仅占初始预紧力的3%～5%。但是对于一些具有密封功能的螺纹连接，垫圈通常由较软材料制成，如丁苯橡胶垫圈和PTFE（聚四氟乙烯），这类垫圈材料的蠕变可能导致螺纹连接出现较大的预紧力衰减[16]。

3.1.2塑性变形

在初始预紧力的作用下，螺纹牙局部的应力可能就已经超过了屈服极限，在外部交变载荷作用下，螺纹牙根部的塑性变形区域会进一步扩大，从而导致预紧力的衰减。如果外部交变载荷幅值不变，在其作用一段时间后预紧力会停止继续衰减，这是因为在恒定的载荷幅值下塑性变形区域不会持续扩大。Jiang等[17]使用胶粘剂将螺栓和螺母固定，使内外螺纹间不发生相对旋转，然后对螺纹连接施加周期性横向振动载荷，试验结果表明在最初的200个振动周期以内，预紧力衰减了10%～40%。侯世远和廖日东[18]研究了不同因素作用下塑性变形导致的预紧力衰减，发现横向力载荷幅值对螺纹连接塑性变形的影响最明显。

3.1.3表面嵌入

目前对于表面嵌入导致的预紧力衰减没有一个非常清晰的机理性解释，只能大致解释为：螺纹连接各表面从微观上都是粗糙的，在预紧力作用下，表面上的凸起区域或者因挤压而发生塑性变形或者会嵌入凹陷区域，在外部工作载荷作用下，界面的微变形和嵌入会进一步加剧，这会使得螺纹牙释放一部分应力，从而导致预紧力衰减。目前对表面嵌入导致预紧力衰减的相关研究非常少，已有研究工作主要是基于试验得到一些经验数据。Meyer和Strelow[19]发现表面嵌入导致的预紧力衰减量大约占初始预紧力的10%。德国标准VDI 2230[20]给出了表面嵌入导致预紧力损失的经验公式。

3.1.4微动磨损

在持续的外部力热交变载荷作用下，螺纹连接界面会出现微动磨损，这会导致预紧力衰减。Liu等[4-5]使用扫描电子显微镜观察了轴向振动条件下的螺纹界面，发现了明显的磨损迹象，并且发现初始预紧力大小、轴向振幅和表面涂层类型都显著影响微动磨损。Zou等[21]和Zhang等[22]采用类似的方法研究了横向振动条件下的螺纹界面微动磨损，发现增大预紧力和采用特殊涂层能显著减小微动磨损的影响。

综上，螺纹连接非旋转松动的机理在定性层面上是比较清楚的，螺纹连接的非旋转松动是无法避免的力学现象。对于不同的非旋转松动因素，工程中可采用不同的手段来控制其造成的负面影响。比如，对于蠕变或应力松弛的影响，可以通过有限元仿真进行预测，并通过优化设计来缓解蠕变或应力松弛的影响。对于塑性变形的影响，可以通过装配工艺的优化对其进行控制，比如基于“过载力矩法”（先把螺纹连接加载到一个比目标力矩更高的力矩，然后拆卸，然后再加载到目标力矩）的装配工艺可以有效减小服役阶段由于塑性变形导致的预紧力衰减。对于表面嵌入的影响，螺纹连接设计规范VDI 2230[20]有专门的考虑。微动磨损的影响通常较小，可以通过增大预紧力或采用特殊涂层等方法来有效减缓。

3.2 旋转松动

对旋转松动的研究可以根据所用振动载荷的不同进行细分，包括轴向振动、横向振动、扭转振动和弯曲振动。

3.2.1 轴向振动

20世纪40年代，Goodier和Sweeney[1]设计了一个轴向振动试验装置，并通过显微镜对螺母的旋转角度进行了观测，研究结果表明，500个振动周期以后螺母发生了0.0055弧度的微小转动，他们认为螺母沿径向方向的膨胀和螺栓沿径向方向的收缩会产生了径向相对滑移，从而导致螺母旋转松动。后来，Sauer等[2]进一步研究了振动周期、动静载荷比、接触面状态和预紧力对旋转松动的影响。Paland[23]研究了多种紧固件在轴向振动条件下的旋转松动行为，并测量了螺母螺纹界面的切应变。Gambrell[24]研究了螺纹牙类型（粗牙或细牙）、初始预紧力、润滑条件、动静载荷比、加载频率和循环次数对旋转松动的影响。Sakai[25]通过试验发现，在初始振动周期（约200个周期）内，预紧力的衰减主要是塑性变形导致的，而在随后的振动过程中，如果轴向振动的振幅不增大，预紧力将保持不变，即不发生旋转松动。

随着仿真技术的进步，学者们对比问题进行了更深入的研究。Hess等[26-27]基于动力学模型和轴向振动试验发现，螺纹连接在轴向振动条件下可以产生旋转松动、旋转拧紧和无旋转三种形式，产生哪种运动主要受振幅和频率的影响。Izumi等[28]通过三维有限元仿真观测到了轴向振动条件下螺纹连接的旋转松动，而且解释了旋转松动机理，他们认为是螺母变形引起支撑界面滑移导致了旋转松动。Sakai[29]的理论分析和上述结论一致，而且还进一步给出了轴向振动引发旋转松动的临界条件。然而，其它一些学者的研究结论却与上述结论不完全一致。Nassar等[30-31]通过研究发现轴向振动可以导致螺纹连接预紧力衰减，但是几乎不会导致旋转松动。刘建华等[3-5]深入总结和研究了轴向振动下的螺纹连接松动问题，他们认为在轴向振动初期，导致螺纹连接预紧力衰减的主要原因是塑性变形，而随着振动的持续，塑性变形的影响逐渐消失，此后预紧力衰减的主要原因是螺纹连接界面的微动磨损。结合已有研究成果和工程经验，本文认为当轴向振动满足特定条件时可能导致螺纹连接出现持续性旋转松动，但是一般工况下不会出现，轴向振动通常不是工程中导致螺纹连接旋转松动的主要载荷形式。对于轴向振动与旋转松动的具体关系有待更精细化和更系统的研究工作来彻底揭示。

3.2.2横向振动

1969年，德国工程师Junker[6]在论文中首次提出了横向振动试验方法，并发现横向振动条件下螺纹连接容易出现快速的旋转松动。Junker提出了一个简化力学模型对此现象进行机理性解释。这里对其解释进行简要介绍，图8 a)代表螺纹界面的简化力学模型，图8 b)代表支撑界面的简化力学模型，M可以代表螺母，N可以代表螺栓，N的斜面倾角代表螺旋升角。在静态预紧力（即图8 a)中的轴向力）作用下，预紧力在斜面内的分力无法克服最大静摩擦力，M会静止于N之上，不会发生相对滑动。但是当将横向振动载荷施加到此模型中后，M所受横向力载荷（如惯性力）和预紧力在斜面内的分力之和可能会克服最大静摩擦力，同时支撑面上的横向力载荷也克服最大静摩擦力，使得M和N之间出现相对滑动，从而造成螺纹连接的旋转松动。由于这一解释实质上假设了螺纹界面和支撑界面出现整体滑移，界面最大静摩擦力完全被克服，因此可被称为界面完全滑移理论。相比于轴向振动，横向振动更容易导致螺纹界面和支撑界面产生滑移，进而导致旋转松动。

以上述研究为基础，Yamamoto和Kasei[32]提出旋转松动分为两个阶段，在第一阶段，螺纹界面滑移，螺杆弹性扭转；在第二阶段，支撑界面滑移，螺杆扭转回弹，这两个阶段不断重复，导致螺纹连接的持续性旋转松动。Sakai[33]给出了导致旋转松动的临界摩擦系数，并给出了导致旋转松动的临界横向位移的计算公式。Yamamoto和Kasei[34]认为周期性横向振动导致了周期性扭转变形，扭转变形的产生和恢复是能量累积和释放的过程，在这个过程中旋转松动持续进行。Kasei等[35]指出在支撑界面出现滑移之前，螺纹界面可能先出现转动，这是快速旋转松动的开端。Vinogradov和Huang[36]建立了螺纹连接的动力学模型，研究了激励频率对旋转松动的影响规律。Zadoks等[37-38]推导了预紧力衰减过程的理论预测模型，利用该模型对旋转松动机理进行了解释。Nassar等[39]提出了一个往复横向力载荷作用下螺纹连接力学行为的理论模型，基于该模型研究了旋转松动的临界力学条件[40]。

图8 横向振动条件下旋转松动产生机理简化力学模型

Pai和Hess[41-42]在2002年基于有限元仿真研究了螺纹界面和支撑界面在横向振动条件下的局部滑移行为，发现界面局部滑移区域随着往复振动而交替变化，虽然界面上没有出现完全滑移，但螺纹连接仍在持续旋转松动。所谓局部滑移是指螺纹连接界面（包括螺纹界面和支撑界面）的局部区域出现了滑动摩擦。图9为一个横向振动周期内某螺纹界面滑移状态的变化过程，图中深色区域代表静摩擦区域，浅色区域代表滑移区域。图9反映了螺纹界面局部滑移区域随着往复振动而交替变化的过程。深入的仿真研究表明，随着振动的不断进行，螺纹界面滑移区域的面积可能会不断地扩大，这会伴随着螺纹连接旋转松动的发生。

图9 一个横向振动周期内某螺纹界面滑移状态变化过程

基于Pai和和Hess的研究思路，Izumi等[43-44]采用更细致的有限元仿真进一步研究了界面局部滑移导致旋转松动的过程。Zhang等[45]基于有限元仿真发现，横向振动除了会导致界面产生局部滑移外，也会导致界面的压力分布出现周期性变化，二者的共同作用导致了旋转松动。日本学者们[46]通过横向振动试验获得了导致旋转松动的临界横向位移。Yokoyama等[47]建立了一个描述横向振动条件下螺纹连接力学行为的理论模型，发现螺栓的倾斜程度会影响作用力矩，进而影响局部滑移的累积过程。Dinger和Friedrich[48]基于有限元提出采用滑移面积占总接触面积比值这个参数来定量表征局部滑移的累积过程。Jiang等[49]基于有限元仿真探究了联轴器上的螺纹连接松动过程，结果表明当支撑界面和螺纹界面只有局部滑移而没有完全滑移时，螺母也可以发生旋转松动。Chen等[50]基于有限元仿真发现螺纹连接界面的蠕变滑移导致了旋转松动的出现。Gong等[51-52]建立了改进的Iwan模型描述螺纹界面局部滑移行为，借此解释螺纹界面局部滑移的扩展方式和机理。也有学者建立了更为精确的导致旋转松动的临界横向力和临界横向位移的数学模型[53-54]，并进行了试验验证。巩浩等[55-56]通过系统性有限元仿真，提出横向振动条件下螺纹连接预紧力衰减的典型过程应包括三个阶段，如图10所示。

图10 横向振动条件下螺纹连接预紧力衰减的典型过程[55]

上述研究主要围绕横向振动条件下螺纹连接的旋转松动机理展开，还有一些学者对横向振动条件下的螺纹连接旋转松动规律进行了研究，得到或者验证了一些定性的结论，如预紧力越大防松性能越好，螺距越小防松性能越好等等[57-65]。此类研究工作较多，试验条件各不相同，普适性有待进一步验证，本文对此不再进行详细讨论。

综上所述，对横向振动条件下螺纹连接旋转松动问题已经开展过不少研究工作，现有研究已经明确了横向振动载荷是导致螺纹连接旋转松动的主要载荷形式，目前工程中常用的螺纹连接防松性能的测试标准[7-10]都是基于横向振动载荷。

3.2.3 扭转振动和弯曲振动

目前对扭转振动和弯曲振动条件下螺纹连接旋转松动问题的研究工作很少，只有个别学者开展过相关研究[11][12][66-70]。根据已有的研究结果可知，扭转振动是可以导致旋转松动的，但是目前对这种载荷条件下旋转松动的机理和临界力学条件都缺少研究。对于弯曲振动条件，我们目前还不明确它是否会导致螺纹连接出现持续性旋转松动。

4 螺纹连接防松性能测试与评价

4.1 防松性能测试标准

目前国内最常用的螺纹连接防松性能测试标准是国家标准GB/T 10431-2008和国军标GJB 715.3A-2002（如图5所示）。国家标准GB/T 10431-2008[9]和德国标准DIN 65151[7]及国际标准ISO 16130-2015[8]所采用的试验方法的力学原理是一致的，但在载荷控制方式、试验操作流程、数据判读方法等方面的规定有所区别。图5 b)给出了符合国家标准GB/T 10431-2008要求的典型试验装置示意图，它主要包括偏心轮、活动板、固定板、预紧力传感器、横向位移传感器和横向力测量装置。在试验时，螺栓和螺母（也可以加垫圈）首先被拧紧到预设的预紧力，偏心轮在电机驱动下带动活动板产生往复横向位移，最大横向位移（即振幅）通过偏心轮的偏心量控制。活动板往复运动会对螺纹连接施加往复横向载荷，这会导致螺纹连接预紧力逐渐下降，预紧力传感器可以实时记录预紧力的衰减过程。基于国家标准GB/T 10431-2008，我们可以根据特定振动周期内（通常选用1500次）剩余预紧力的多少来评价螺纹连接的防松性能。

国军标GJB 715.3A-2002[10]也是测试螺纹连接防松性能的常用试验标准，我国航空航天领域的紧固件制造企业常用该试验标准对各种自锁螺母的自锁性能进行测试。图5 c)为该标准规定的试验夹具，该试验原理：首先将螺栓和螺母按规定安装方式与试验夹具组装，之后将组装好的试验夹具安装到振动台上，开始振动后，螺纹连接会在振动载荷的作用下逐渐松动或者发生疲劳失效，振动到规定的时间或者振动循环次数后停止由于该试验中的振动方向是垂直于螺纹轴线方向，因此该试验方法本质上也是给螺纹连接施加了横向振动载荷。该试验方法是一般是通过检测在要求的时间或振动循环次数内是否超过了规定的最大松动量或者是否出现疲劳裂纹来判断螺纹连接是否发生失效。

4.2 防松性能的量化指标和量纲

目前螺纹连接的防松性能缺少明确且统一的量化指标和量纲。以自锁螺母为例，部分企业经常用自锁力矩（未产生预紧力时内外螺纹间相对转动所需的力矩）来量化自锁性能，然而这一指标是不严谨的，比如普通螺母没有自锁力矩，但普通螺母却也有防松性能，只是它的防松性能比自锁螺母差一些。此外工程中还经常用安装力矩来量化螺纹连接的防松性能，然而对普通螺母和防松螺母施加相同安装力矩时它们的防松性能却通常是不同的。因此自锁力矩和安装力矩并不是螺纹连接防松性能的科学量化指标。防松性能越强，旋转松动越难发生，即诱发旋转松动的临界力学条件越苛刻，因此可以基于旋转松动临界力学条件建立螺纹连接防松性能量化指标。基于该思路，张铁亮等[71]提出以导致旋转松动的临界横向力作为螺纹连接防松性能的量化指标，并给出了具体的试验方法和临界横向力数据的获取方法。所谓临界横向力是螺纹连接所能承受的横向力的临界值，当螺纹连接实际所受横向力小于该临界值时，螺纹连接不发生旋转松动，而当实际的横向力大于该临界值时，螺纹连接则会发生旋转松动。临界横向力代表了螺纹连接在不旋转松动的情况下能承受的最大横向振动载荷，是抑制旋转松动能力的直接体现。如果以临界横向力作为防松性能的量化指标，防松性能的量纲就与力的量纲一致。

5 典型防松紧固件的防松原理

为了解决螺纹连接的松动问题，通常会采用一些防松紧固件。本文仅对五种典型防松紧固件的原理及其相关研究进行总结，具体如图11所示。

图11 文中的5种典型防松紧固件

5.1 30°楔形螺纹螺母

30°楔形螺纹螺母（以下简称楔形螺母）的螺纹牙底部有一个30°的楔形斜面，如图12所示，楔形斜面和螺纹轴线的夹角称为楔形角。楔形螺母可以与普通螺栓配合形成螺纹连接，当内外螺纹相互拧紧时，普通螺栓的螺纹牙尖可以顶在楔形螺母的楔形斜面上。研究表明[72]，相比于使用普通螺母，使用楔形螺母可以显著提高螺纹连接的防松性能。目前对楔形螺母防松原理的解释如下：1）相比于普通螺纹，楔形螺纹可以增大内外螺纹间的摩擦力[73]；2）相比于普通螺母，楔形螺母的不同螺纹牙可以更均匀地分担预紧力[73]。并且进一步的研究人员发现当楔形角为30°时，防松性能最好[74]。

图12 楔形螺纹连接示意图

5.2 楔形双叠自锁垫圈

楔形双叠自锁垫圈（简称楔形垫圈）结构示意图可见图13，楔形垫圈由上垫圈和下垫圈组成，上下垫圈与被夹件、螺栓或螺母接触的一侧设有放射状齿形结构，上下垫圈相互接触的一侧周期性分布着许多楔形面，楔形角为，并且楔形角大于螺栓螺纹升角。楔形垫圈具体防松原理为[75]：上下垫圈的放射状齿形结构在预紧力作用下会嵌入被夹件、螺栓或螺母的表面，在振动工况下，上下垫圈相互接触的一侧可能产生扭转错动，但由于楔形角大于螺栓螺纹升角，在错动过程中会使螺栓产生张力，从而阻止了松动的进一步发生。相关研究证明楔形垫圈具有更好的防松效果[76]，并且发现，楔形角、垫圈外径和材料刚度越大，楔形垫圈的防松性能越好，此外上下放射状齿形表面的摩擦因数也是影响楔形垫圈防松性能的重要因素[77]。

图13 楔形垫圈连接结构示意图

5.3 偏心双螺母

偏心双螺母结构由一个凸螺母和一个凹螺母组成，其结构示意图如图14所示，其防松原理如下[78]：凸螺母凸台外壁的中心轴线与螺纹轴线不重合，存在一个偏心量；而凹螺母凹槽内壁的中心轴线和螺纹轴线重合，当凸凹螺母旋合到一起后，凸螺母的偏心凸台相当于一个楔子，可以显著增加螺栓与螺母间的摩擦力，从而达到防松的目的。有学者[79]对偏心双螺母、齿形垫圈、弹簧垫圈、波形垫圈和普通螺纹连接进行振动或冲击试验，发现相比于其它防松紧固件，偏心双螺母的锁紧时间最长，在承受相同次数冲击试验后的拆卸扭矩最大，因此偏心双螺母具有更好的防松效果。

图14 偏心双螺母连接结构示意图

5.4 弹簧垫圈

弹簧垫圈简称弹垫，如图11 d)所示，是一种具有久远历史的标准紧固件并且通常被认为能够有效地防止螺纹连接的松动，比如《机械设计手册》[80]是这样描述的：依靠拧紧螺母，把弹簧垫圈压平之后所产生的纵向弹力及弹簧垫圈与被连接件的支承面间的摩擦力来起防松作用。然而，对于弹簧垫圈是否能产生防松效果的问题其实一直存在争议，有的学者如Bhattacharya等[81]通过试验研究认为弹簧垫圈有一定的防松效果。也有的学者发现弹簧垫圈没有起到防松效果，甚至可能加速螺纹连接的松动[82]。

我们有必要仔细讨论一下弹簧垫圈是否能像《机械设计手册》[80]描述那样，可以通过纵向弹力及摩擦力产生防松效果。首先我们来讨论纵向弹力，这里所谓的纵向弹力是弹簧垫圈压缩变形所产生的，从理论上讲，弹簧垫圈的纵向弹力可以在一定程度上缓解由于加持长度的变化（如温度变化导致）导致的预紧力变化，应该具有一定的防松效果。然而在实际工程应用中，弹簧垫圈的纵向弹力往往远小于预紧力，经常被完全压平，因此也难以有效补偿加持长度变化带来的预紧力损失。下面我们再说摩擦力，基于静力学平衡原理，弹簧垫圈的界面压力取决于预紧力，相同预紧力条件下，是否使用弹簧垫圈不应该对界面上的总摩擦力产生影响（假设摩擦系数为定值，忽略开口尖角嵌入的影响），因此从所谓摩擦力的角度解释弹簧垫圈的防松性能缺少足够的理论依据。关于弹簧垫圈防松性能还有另一种解释：弹簧垫圈开口尖角有可能嵌入接触面表面从而提高防松效果。这种解释理论来说可以增大界面摩擦，确实能提高防松效果。但实际工程应用中，弹簧垫圈通常完全被压平，此时弹簧垫圈切口处的尖角难以嵌入接触面表面，也难以产生防松效果。因此，对于弹簧垫圈被完全压平的应用情况，实际上是难以产生防松效果的。

5.5 自锁螺母

自锁螺母通常分为全金属型和非金属嵌件型。全金属型自锁螺母的螺纹孔一般具有收口特征（即通过径向多点挤压使螺纹孔产生塑性变形），非金属嵌件型自锁螺母的螺纹孔内一般设有非金属嵌件，如图11 e)所示。由于收口特征或非金属嵌件的作用，自锁螺母可以与外螺纹产生过盈配合效果，从而达到防松的目的。自锁螺母相比于普通螺母不会增加额外材料，符合轻量化设计的要求，因此在航空和航天领域有广泛的应用。部分学者[83]通过试验对比了自锁螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、双螺母、法兰螺母等紧固件的防松性能，发现自锁螺母具有较好的防松效果。此外也有学者通过试验分析了自锁螺母的松动条件[84]。

6 总结与展望

目前国内外对螺纹连接松动问题的研究工作已经比较深入，对螺纹连接松动机理有了比较系统性的认识，逐步建立并完善了螺纹连接的防松性能测试标准和量化指标，但仍存在以下不足：1) 缺少强振动载荷作用下的螺纹连接松动问题研究。目前的理论研究基本都是基于准静态假设或低频振动条件，忽略了惯性力的作用，这种研究所得的结论未必符合实际情况。2) 对横向振动之外的载荷形式研究较少。目前对螺纹连接松动机理的研究主要是基于横向振动载荷形式，对轴向振动、扭转振动等载荷形式与螺纹松动的关系还缺少充分的研究。3) 需要进一步构建螺纹连接防松性能定量评价指标体系。目前关于螺纹连接防松性能的定量评价方法缺少充分的研究，部分学者[71]所构建的防松性能定量评价指标也仅仅是基于横向振动载荷形式。考虑到螺纹连接所面临实际工况的复杂性，有必要建立其它振动载荷形式（如轴向振动和扭转振动）下的防松性能定量评价指标，最终构建更加全面的螺纹连接防松性能定量评价指标体系。

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A Survey of Research on Threaded Connection Looseness

ZHANG Tie-liang1,2WANG Zhuo3,4XU Le5DING Xiao-yu6

(1 Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094,China; 2 School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China;3 Inner Mongolia First Machinery Group Co., Ltd., Baotou 014030,China; 4 State Key Laboratory of Smart Manufacturing for Special Vehicles and Transmission System, Baotou 014030,China; 5 Central Iron & Steel Research Institute, Institute for Special Steels, Beijing 100081,China）

The problem of threaded connection looseness has been widely concerned. This paper summarizes the research and technical status of threaded connection looseness. Firstly, test methods used in the research of threaded connection looseness are summarized, and the mechanism of threaded connection looseness is summarized from two aspects: non-rotating looseness and rotate looseness. Then, the test and evaluation methods of anti-loosening performance and the anti-loosening principle of some typical fasteners are discussed. Finally, the shortcomings of the existing research are summarized and some new ideas for future research are put forward.

Threaded connections; Looseness; Anti-loosening performance; Evaluation method; Self-locking fasteners

TH131.1

A

1006-3919(2021)04-0037-11

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.007

2021-05-12；

2021-07-04

国家自然科学基金（51975055）

张铁亮（1996—），男，研究实习员，硕士，研究方向：激光设备研发；（100094）北京市邓庄南路9号中国科学院空天信息创新研究院.