引言
螺纹紧固件连接副，通过螺纹旋入使外螺纹紧固件产生拉力回弹，夹紧被连接件。在静止状态下，被锁紧的紧固件连接副可以起到非常好的紧固连接作用。但是，绝大部分的螺纹紧固连接场景存在强烈的交变载荷和多向应力关系，如汽车发动机工作、机械运转等。因此，提升螺纹连接动态应用的服役寿命是重要的研究课题，而其中对于螺纹连接副防松的研究极其重要。
1、螺纹松动的机理
造成螺纹紧固件松动的原因很复杂，包括紧固件连接副、被夹紧件材料、表面粗糙度、应用场景等多种因素[1]。只有充分考虑各因素对紧固件连接副的影响并采用相应措施，才能保证紧固件连接副的稳定性。通常将螺纹紧固件的松动分为非旋转性松动和旋转性松动两种。
1.1非旋转性松动
非旋转性松动是指紧固件连接副的内、外螺纹未发生相对旋转而产生的夹紧力衰退。非旋转性松动的原因主要有蠕变、微动磨损和温度变化等。持续的非旋转性松动使夹紧力不断降低，也是造成旋转性松动的重要原因。
1.1.1塑性形变
弹性体在应变较小的区域，应力和应变通常表现为线性比例关系，遵从胡克定律 F=-kx。当应变进一步增大时，应力和应变的关系不再成线性关系，而呈现出非线性的关系，即使应力消除弹性体也无法回到原来的形状，形成塑性形变。
在机械结构中，用于关键部位的螺纹紧固件一般都是 8.8 级以上等级的高强度紧固件，其屈服强度通常在 640 MPa 以上、硬度较高。而被连接件的屈服强度通常比紧固件低，拧紧扭矩较大时被连接件就有可能发生塑性形变，产生坍塌现象。这时被连接件的夹持长度就变小了，轴向力和扭矩也会随之衰减，引起螺纹连接松动。
1.1.2蠕变
在应力维持稳定的情况下，应变量可以显著变化。然而，蠕变和塑性变形有着本质的区别：蠕变是在应力大于或等于其弹性极限的情况下发生，而塑性变形则是在应力越来越大，甚至低于其弹性极限的情况下发生的。随着时间的推移，由于受到压缩，紧固件的连接部位可能出现蠕变。
1.1.3微动磨损
微动磨损是指在两个物体之间的接触处，因较弱的相对振动而发生的磨损。微动图是一种用于描述物体运动状态的技术，可以用来研究物体在不同工作条件下的变化情况，包括摩擦力、位移幅值、循环次数等。此外，它还可以用来描述物体在不同工作条件下的表现，如描述物体在不同工作条件下的表现。通过微动图理论，可以更好地理解微动磨损的运作原理和破坏规律。微动磨损的研究对于螺纹紧固件的松动和疲劳都有重要意义。
1.1.4温变引起的热膨胀
热膨胀用来衡量物质在不同温度下的变形，可以用来表示一种物质在受到热冲击时的性能变化。由于螺栓、螺母和被连接件的膨胀系数不同，当连接系统的温度发生变化时，螺栓的轴向力就会发生变化，这个变化会根据连接件和螺栓热膨胀系数的差异导致轴向力的变大或变小，从而引发螺纹连接的非旋转松动。
1.2旋转性松动
旋转性松动是紧固件连接副在动载荷的作用下，螺纹接触面出现了相对位移而产生的夹紧力衰退，这是促使紧固件连接松动失效的根本原因。载荷的主要构成有轴向载荷、剪切载荷、扭转载荷等。
1.2.1轴向载荷
轴向载荷，即纵向载荷，是指沿着紧固件连接副轴向的载荷。正常情况下，轴向载荷对旋转松动的直接影响不大，在只有轴向载荷的连接结构中很少会发生旋转松动。需要指出的是，轴向载荷过大可能造成螺纹区局部疲劳，会加速紧固件连接副旋转性松动，其具体特性尚有待进一步研究。
1.2.2剪切载荷
剪切载荷，即横向载荷，是指与紧固件连接副轴向垂直方向的载荷。经过多次实验与研究，可以得出结论：剪切载荷是造成紧固件与螺纹间滑动的关键原因。紧固件受到轻微的拉伸，螺丝的轴心将出现偏差，这将引起螺丝与支持面的摩擦增加，最终引起螺丝的旋转松动。
1.2.3扭转载荷
扭转载荷是指以紧固件连接副轴线为中心轴旋转的载荷。扭转载荷对螺纹连接旋转松动的影响没有剪切载荷大，但是其影响也不容忽视。紧固件连接副的锁紧过程就存在扭转载荷，所以紧固件连接副锁紧时“扭三圈，回半圈”，可以释放扭转载荷，增加紧固件连接副的稳定性。
2、防止螺纹紧固件松动的方法
螺纹紧固件的可靠性对于机械设备的安全性和可靠性至关重要。松动会导致机械设备的故障和事故，因此必须采取有效措施确保螺栓连接的可靠性。可以通过预紧力控制、增加摩擦力和采用特殊结构等达到防松的目的。
2.1预紧力控制防松
根据最新的研究结果，预紧力与螺栓防松性能之间存在着密切的联系。为了提高预紧力的效果，在实践应用中可采取 3 种控制技术：扭矩控制法、力矩—转角控制法和屈服点控制法[2]。
2.1.1扭矩控制法
通过扭矩控制法对螺钉加以调节，以确保夹紧力量。这种方法的优势是，其轴向夹紧力变化幅度较小，从而避免了夹紧力超负荷的情况，而且具有较高的防松性，同时也降低了管理成本。
2.1.2扭矩—转角控制法
利用扭矩—转角控制法，可以在一个特定的角度上调整螺栓的扭矩，以达到最佳的连接效果。该方法通过调整螺栓的角度，使其产生轴向伸长，并且将连接件牢牢地夹紧在一起。通过扭矩—转角法获取的轴向夹紧力在弹性范围内，具有良好的一致性，而且拧紧角度更加灵活，可以有效防止由于材料一致性不足而导致的屈服断裂，性价比极高，应用广泛。
2.1.3屈服点控制法
在使用屈服点控制方式进行螺栓安装之前，需要确保螺栓的螺纹和螺母的螺纹间隙已经达到一个特定的限度。采用屈服点控制方式可以获得更加可靠的轴向夹紧力，从而提升紧固件的抗拉强度，同时也可以满足更严格的紧固件材料的统一标准。紧固件连接副的夹紧力越大，抗疲劳性能和防松性能越好。因此，根据连接部位的重要性选择合理的预紧力控制方法十分必要。
2.2增加摩擦力防松
摩擦力是螺纹连接的关键因素，通过提高摩擦力可以有效防止松动。常用的两种方法为支撑面摩擦防松和螺纹面摩擦防松。
2.2.1支撑面摩擦防松
通过增加螺栓头及螺母端面的摩擦力的方法来达到防松的目的，常见方式有弹簧垫圈、锯齿垫圈、法兰螺母等。应该避免使用高强度紧固件和被连接件，因为它们容易受到摩擦和腐蚀的影响。
弹簧垫圈采用优质的弹簧钢制成。安装完成后，弹簧垫圈的反弹力可以有效维持螺纹之间的紧固性，同时也能够产生摩擦力，从而达到防松的效果。不过弹簧垫圈只允许被用于低强度的螺栓连接中。锯齿垫圈放置于紧固件支撑面与被夹紧件之间，锁紧时翘齿被压平，可以增加支撑面的摩擦阻力。法兰螺母可以通过增加支撑面的接触面积实现增加摩擦阻力的目的。
2.2.2螺纹面摩擦防松
双螺母防松通常被设计成两个并排的螺母，也称为偏心螺母。将螺母的两端固定到相同的位置，以此来提高螺母之间的接触面积，有助于预防螺母的松脱。R 形螺纹是可变楔形螺纹，它在内螺纹的牙底处有一个圆弧面，弧面的作用是提供一个渐变的配合角[3]。当使用紧固件进行副锁紧时，首先，螺栓的螺纹会产生一个较小的变化，使得力量从螺纹的顶端向两边扩散，从而产生一个较为平衡的下压力，从而保证锁紧后的负荷能够得到有效的控制。此外，随着锁紧力的不断提升，下压力也能够被均衡地分布到各个配合面，从而有效防止螺栓螺纹处的应力过大。R 形螺纹的抗振防松特性显著优越，具有更高的抗拉和抗压强度，从而提供良好的抗振、防松效果。
2.3机械结构防松
使用机械结构防松技术可以有效抑制螺纹面之间的摩擦，具体包括添置止动垫圈、六角开槽螺栓配开口销、连接钢丝等，以确保其稳定性。然而这种技术也存在一定的局限性，例如安装困难、需要进行专门加工等。
（1）通过使用两个独立的止动垫片，能够在螺母固定之前，通过对它们进行折叠并固定在一起，从而有效阻挡螺栓的滑移。当两个螺栓必须进行双重固定时，应该使用这种方法。
（2）通过安装六角形开槽螺母和开口销，可以有效地将螺母与螺栓固定在一起，从而达到防松的效果。
（3）通过采用低碳钢钢丝串联技术，可以有效地防止螺钉松动。在安装过程中，应该特别注意钢丝的穿入方向，以确保接螺钉能够被牢牢固定。
3、螺纹紧固件防松发展趋势
螺纹紧固件的松动与疲劳是密不可分的。利用Junker 横向振动试验机对紧固件连接副进行横向振动试验时，夹紧力的衰减曲线可分为 3 个阶段，第 1 阶段夹紧力衰减较明显，各接触面（支撑面、被夹紧件之间、螺纹接触面）快速调整，主因是接触面的粗糙度和塑性形变，也可以认定为局部疲劳；第 2 阶段为各接触面出现相对滑移产生旋转性松动，这一阶段如果紧固件连接副抗松动性能较好，夹紧力衰减平缓；第 3 阶段，由于剪切载荷的作用螺栓发生疲劳断裂，预紧力快速降至 0。通过对夹紧力衰减曲线的分析可以发现，紧固件连接副的松动与疲劳是同时存在的。
肖守讷教授和西南交大牵引驱动全国重点实验室的团队，针对螺栓的松动和疲劳的竞争性失效，建议将其纳入一个系统，研究它们之间的相互关系，寻找它们在不同的负载条件下的变化趋势，从而推动螺栓防松技术的进步。
4、结束语
螺纹紧固件连接会承受横向、轴向和扭转载荷的作用，因此仅依靠载荷来进行模拟是不够的。在复杂的工作条件下，需要更加深入地探索螺栓的松动和疲劳的相互作用，以确保螺纹紧固件在使用寿命内的可靠性。
参考文献
［1］李维荣，朱家诚.螺纹紧固件防松技术探讨［J］.机电产品开发与创新，2003（2）：15-17.
［2］刘重洋.一种四自由度螺栓拧紧机器人的研制［D］.西安：西安理工大学，2020.
［3］霍永久.螺纹紧固件新型抗振防松解决方案［J］.中国金属通报，2021（11）：124-126.
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