刘 力，袁英强

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

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-1μ'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°，tanα≤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。