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1 螺纹连接的受力与自锁机理

矩形螺纹

螺纹副在轴向载荷作用下的运动可视为在螺纹中径处推动滑块沿螺纹运动的水平力。 首先，研究了受力最简单的矩形螺纹。 将螺母简化为滑动质量，通过施加拧紧力矩在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所示的矩形螺纹连接副沿螺纹的中径展开，可得到图1b和图1c所示的受力图。 其中，α为螺纹导程角，h为螺栓旋转360°的升力，2πr为螺纹中径的周长，μ为螺纹副间的摩擦系数，Fn为螺栓的法向反作用力螺栓对螺母，μFn 为螺栓 FR 为摩擦力与法向反作用力的合力，β 为摩擦角。

在螺母拧紧过程中，在F和FS的共同作用下，螺母沿与F相反的方向匀速向上运动，此时摩擦力μFn沿斜率向下运动，如图1b所示。 根据受力平衡关系，可得到下式： 其中T1为拧紧力矩。

松开螺母时，在F和FS的共同作用下，螺母和F同方向匀速向下运动。 此时摩擦力μFn沿斜坡向上移动，如图1c所示。 根据受力平衡关系，可得下式： 式中T2为松动力矩。

非矩形螺纹

对于矩形螺纹，当忽略导程角α的影响时，有F=Fn，如图2a所示。 对于牙型角φ1≠0的非矩形螺纹，如图2b所示，φ2为螺纹斜面与水平面的夹角，螺母与螺栓接触面的摩擦力F'为：

可见，非矩形螺纹情况下螺纹副间的摩擦力公式与矩形螺纹类似，只是将摩擦系数μ换算为等效摩擦系数μ'。

引入等效摩擦角β'=tan-1μ'后，可根据矩形螺纹的方法分析非矩形螺纹的受力，从而得到螺母拧紧时的水平推力和拧紧力矩：

螺母松开时的水平推力和松开力矩：

螺纹自锁机构

由式（6）和式（11）可知，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动和后退的阻力。 可见，在较大轴向力的作用下，即使施加一定的拧紧力矩，螺母也可能松动。 若α≤β或α≤β'时，T为负值，方向与螺母松退方向相同。 驱动扭矩成为必须施加以松开螺母的外部驱动力。 如果没有驱动力矩，螺母就不会松动。 因此，螺纹的自锁条件为α≤β或α≤β'。

对于非矩形螺纹，齿形角φ1为60°，可求出等效摩擦系数。

对于普通螺纹，螺纹导程角α一般为2°30'～3°，tanα≤tan3°=0.0​​524； 金属间的摩擦系数μ一般为0.1～0.3，等效摩擦系数μ'为0.1155～0.3465。 可见，普通螺纹都能满足自锁条件，即螺母在无松动力矩的作用下不会松动。

2 螺纹连接松动的原因

螺纹连接松动的特征是失去部分或全部轴向预紧力。 基于这个定义，研究表明螺纹连接的松动可分为2个阶段。 第一阶段，螺母与螺栓之间几乎没有相对运动，预紧力的降低主要是由于材料的塑性变形及其膨胀引起的，称为非旋转松动阶段或材料松动阶段； 第二阶段，螺栓与螺母有明显的相对转动，预紧力明显下降，称为转动松动阶段或结构松动阶段。

物料松动期

材料松动期的非旋转松动与界面接触特性、材料性能和工作载荷密切相关，主要由材料的塑性变形和膨胀引起，包括以下几个方面。

(1)螺纹连接的螺纹接触面、端部支撑面和连接面的表面轮廓通常是不平整的。 在预紧力和工作载荷的作用下，即使不超过材料的屈服极限，凹凸体也可能被挤压和压扁，导致局部塑性变形，塑性应变随时间逐渐累积导致蠕变行为，引发预载下降。

(2)在周期性外力的作用下，内外螺纹会发生往复微滑移运动，造成胶粘剂流失或凹凸不平，造成预紧力损失。

(3)在工作载荷下，螺纹底部环形区域的应力可能超过材料的屈服极限。 由于在循环载荷下的棘轮效应，塑性区会逐渐发展，产生不可逆的周期性塑性变形，导致预紧功率下降。

虽然塑性变形引起的初始松动很小，但它是螺纹副之间打滑和严重损失预紧力的开始。 此外，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，但存在应力随时间逐渐减小的应力松弛行为，并且应变保持不变。 应力松弛引起的预紧力损失是一种长期的预紧力衰减行为。 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%。 然而，随着温度的升高，应力松弛过程会逐渐加速，导致更严重的预紧力损失行为。

结构松动期

螺纹连接中接触面之间的相对转动是结构松动周期的主要特征。 在工作载荷的作用下，材料塑性变形和膨胀引起的预紧力下降，以及各部件惯性、弯曲和扭转引起的螺纹副之间的轻微滑动，都会明显减小摩擦系数和破坏原力 在平衡和自锁条件下，螺母会产生少量的松动旋转，随着少量旋转的积累，螺纹连接最终会松动。 与非旋转松动相比，螺纹连接的旋转松动更容易引起预紧力的持续下降，甚至导致螺纹连接的完全松动。

3 螺纹连接松动的影响因素

初始预载

初始预紧力是影响螺纹防松性能的重要因素。 如果初始预紧力太小，螺纹连接将直接进入旋转松动阶段； 增大预紧力会增大内外螺纹接触面之间的正压和摩擦力，从而增大螺母松动力矩要求，有效提高防松性能。 但过大的初始预紧力也可能造成螺纹接触面的挤压，使轴向力急剧衰减，甚至造成螺纹断裂。 因此，将初始预紧力控制在合理范围内，对于螺纹连接的防松动至关重要。 对于重要部位的螺纹连接，应严格计算和控制预紧力的大小，以保证良好的防松效果。

目前，初始预紧力的大小多由紧固力矩来控制，预紧力矩T包括式（4）或（9）所示的紧固力矩T1和支承面的摩擦力矩T3，如图式(12)中：

式（12）至（14）中，F、r、α、β'同上，f为轴承面摩擦系数，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为公称应力截面积螺栓的。 预紧力F根据连接要求确定。 为保证螺栓的工作性能，一般取螺栓材料屈服极限的0.5~0.7倍。

摩擦系数

摩擦系数直接影响螺纹连接的防松性能。 增大摩擦系数可以增大螺纹副之间的摩擦力和螺纹松动力矩要求，提高防松性能； 但摩擦系数的增加也增加了拧紧力矩要求。 在相同的拧紧力矩下，如果摩擦系数增大，预紧力变小，可能造成初始预紧力不足，造成螺栓松动。 另外，过大的拧紧力矩也会使螺纹表面产生较大的剪切力，导致螺栓损坏。 因此，必须将摩擦系数控制在合适的范围内。 摩擦系数的波动也会影响螺栓抗松性能的稳定性。

螺纹啮合长度

在螺纹连接中，螺纹副的螺纹部分承受由预紧力和外载荷引起的主要轴向力。 直观上，增加旋入长度意味着承载螺纹的圈数增加，从而增加摩擦面，提高防松性能，但旋入螺纹受力不均。 陈海平等人的研究结果表明，螺纹所承受的轴向力随着螺纹数的增加而逐渐减小，载荷主要集中在前三个按钮上，占总轴向力的60%以上力量。 当螺纹数大于10时，背面各扣的承载率小于4%。 刘传波等人的研究。 表明螺纹啮合长度越短，螺纹载荷越不均匀。 他们使用标准螺母和薄螺母进行振动对比测试。 结果表明，振动120s后，薄螺母的残余轴向力与初始预紧力之比约为27%，而标准螺母为88%。 防松性能较差。 可见，旋入螺纹达到一定长度后，由于端部螺纹几乎不承受载荷，一味增加旋入长度对提高防松性能作用不大； 但旋入长度过短，螺纹力的差异会增大，对螺纹松动有不利影响。 在实际应用中，应将螺纹长度控制在合理范围内。

工作负荷

关于外加工作载荷对螺栓抗松性能的影响，国内外学者进行了大量的分析、模拟和试验研究，总结的研究成果主要有以下几个方面。

(1) 沿螺栓轴线纵向振动引起的预紧力衰减主要是由于材料的塑性变形膨胀引起的非旋转松动行为，即纵向振动很难引起螺栓的旋转松动螺栓。

(2)横向振动是导致转动松动的主要载荷形式。 在横向振动的作用下，连接体的螺纹面和支撑面发生局部微滑移。 在循环载荷的作用下，滑移逐渐积累形成松动角，从而导致连续旋转松动，对螺栓的防松作用极为不利。

(3) 持续冲击载荷可能诱发严重的旋转松动行为，冲击的次数和大小是严重旋转松动的主要决定因素。

(4)当被连接件材料与被连接件材料的热膨胀系数相差较大时，交变温度载荷也会引起明显的转动松动。

由于螺纹连接在工作载荷作用下的应力和振动状态复杂，工作载荷对螺栓松动行为影响的研究主要集中在单一载荷上，其影响规律的研究内容而复合载荷对螺栓松动的作用机制还是比较小的。 这是未来一个重要的研究方向。

4 螺纹连接的防松措施

螺纹连接的防松措施

螺纹松动有两个阶段：非旋转松动和旋转松动。 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，避免材料发生塑性变形。 目前的防松技术主要针对第二阶段，即防止内外螺纹旋转松动。 国内外螺纹防松措施多种多样，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.

不可拆卸和防松动

不可拆式防松是采用焊接、铆接或粘接等方法破坏支承端面与螺纹面接触区的螺纹副，使内外螺纹牢固连接，从而达到达到有效防松的目的。 这种防松方法原理简单，效果可靠，但由于螺纹副损坏，以后拆卸困难，不能重复使用，所以主要用于对防松可靠性要求高，不使用的场合。需要反复拆卸。

摩擦锁

摩擦防松是通过增加松动过程中的摩擦力，增加摩擦阻力矩来防止连接松动。 是应用最广泛的防松方法。 根据产生摩擦阻力矩的部位，可分为支承面上的摩擦锁紧和螺纹面上的摩擦锁紧。

轴承面的摩擦防松动

支撑面的摩擦防松是改变支撑面的粗糙度，增加摩擦系数，或通过嵌入尖锐物体表面直接增加支撑面的摩擦力矩，使相对支撑面之间不易滑动，达到防松动的目的。 主要方法有弹簧垫圈、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内外螺纹转接头，其两个边缘区域分别嵌入被压面部分与螺母的端面接触，从而增加了接触界面的摩擦力； 在预紧力的作用下，锯齿垫圈嵌入接触界面，增加了接触界面之间的摩擦力； 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，增加了接触界面的摩擦力。 在实际工程中，这种嵌入行为会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，轴承表面容易磨损，使轴承表面的摩擦扭矩显着降低，从而导致防松性能降低或丧失。

螺纹面摩擦防松动

(1) 偏心双螺母

偏心双螺母下螺母为凸形，上螺母为凹形。 凸螺母有一定的偏心量。 装配后，由于偏心作用，螺栓与螺母在轴向和径向的压紧力远大于普通螺母。 力，有效防止线对间的相对运动，从而达到良好的防松效果。 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、汽车等行业，被誉为“永不松动的螺母”。

(2) 楔形锁紧螺母

典型的楔形锁紧螺母产品包括美国的Spirax螺母和中国的ST2锁紧螺母，如图6所示。与普通螺母相比，楔形锁紧螺母的底部直径由传统的60º斜面变为30º锥面，同时螺栓螺纹的形状保持不变。 螺母与螺栓配合时，内外螺纹由面接触变为线接触，或产生轻微变形，产生比普通螺纹大得多的法向力和摩擦力，并使各螺纹牙均匀受力，消除了普通螺纹受力不均的问题，从而达到良好的防松效果。

(3) 弹簧嵌入螺母

弹簧嵌螺母结构如图7所示，其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。 弹簧的上端钩在螺母的侧孔内，下端与螺母的上平面不接触。 当拧入螺栓时，螺栓在螺纹上的径向力会拉伸螺旋弹簧，螺旋弹簧的内径会变粗并嵌入螺栓螺纹中； 拧出螺母时，螺栓螺纹与弹簧的摩擦力会使螺旋弹簧的内径变细内外螺纹转接头，从而拧紧螺栓，防止松动。 这种螺母的结构比较复杂，对螺旋弹簧的加工要求也比较高。 由于螺旋弹簧在螺母内周有相对运动，防松效果不易保证。

(4) 预紧螺母

这种锁紧螺母的特点是当螺母拧入时不产生预紧力，需要额外的力矩来拧紧螺母。 预紧螺母在松动时需要克服较大的摩擦力，因此与普通螺母相比具有更好的防松性能。

具有代表性的非金属嵌装螺母、VARGAL弹簧自锁螺母、LANFRANCO自锁螺母、FUJILOK自锁螺母等，如图8所示。非金属嵌装螺母嵌有非金属垫圈等嵌件在螺母的上端。 拧紧螺母时，非金属嵌件会被挤出螺纹，与螺栓形成较大的摩擦力，对振动和冲击载荷也有一定的抵抗力。 具有良好的缓冲效果，具有良好的抗松动能力，但适用环境温度一般为-50℃~100℃，也存在非金属材料的老化问题。 VARGAL弹簧自锁螺母、LANFRANCO自锁螺母和FUJILOK自锁螺母都是金属锁紧螺母，区别在于产生预置扭矩的方式不同。

VARGAL 螺母有 4 个带螺纹的爪，爪上装有螺旋弹簧。 在拧紧过程中，卡爪展开，弹簧和卡爪对螺栓螺纹产生双重夹持力，增大螺纹副间的摩擦力矩，防止螺母拧紧。 松动的。

LANFRANCO 螺母沿横向开槽。 当螺栓被拧入时，槽被拉伸。 由于材料的弹性，有缩回的趋势。 一方面会对螺栓产生轴向反作用力，另一方面会紧紧夹住螺纹面，增加摩擦力，达到锁紧防松的目的。

FUJILOK螺母由螺母和摩擦环两部分组成。 摩擦环通过铆接固定在螺母的上表面，形成一个整体。 在拧紧螺母的过程中，金属摩擦环与螺栓螺纹之间产生弹性压力，沿螺纹表面形成摩擦环。 下压的弹力会产生阻止自由旋转的摩擦力矩。

该类自锁螺母具有优良的防松性能，多用于振动剧烈的环境，适用温度范围广。 它们的锁紧性能取决于螺母本体材料的弹性，更适用于机械性能较高的螺母。 ，还要求配套螺栓具有足够高的强度和螺纹精度。

预紧锁紧防松动

预紧力锁紧防松是在松动过程中增加预紧力，同时增加端面与螺纹面的摩擦力矩，达到防松效果。 典型的预紧力锁紧和防松方法有双层自锁垫圈和方头螺栓，如图9和图10所示。

(1) 双叠自锁垫圈。 双层自锁垫圈的内表面为大齿楔形，外表面为小齿楔形。 它成对安装，大齿面相对。 在预紧力的作用下，外表面的锯齿与螺母和被连接体表面啮合。 由于外表面的摩擦系数大于内表面的摩擦系数，楔形大齿的倾斜角大于螺纹导程角，因此螺栓松动。 垫片内表面沿厚度方向的膨胀距离大于螺栓的松退位移，造成预紧力增大，使防松系统自动复位调整。 双叠式自锁垫圈性能可靠，适用于各种振动场合，但不适用于锁紧件和被锁紧件硬度过高或过低的场合。 它必须被摧毁。

(2) 下螺栓。 向下螺栓将普通外螺纹由单向、全连续、等截面改为双向、不连续、变截面，使改型螺纹同时具有左右两个不同方向。 安装时，需要将唐螺栓与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）。 在振动载荷的作用下，松开紧固螺母时，会沿拧紧锁紧螺母的方向旋转，使锁紧螺母上紧，增加预紧力，从而达到有效的防松效果。松动。