随着国家经济蓬勃发展，航空航天、铁路、船舶和风电等领域都向着高速、重载和大功率方向迈进。效益提升的同时也带来了更高的风险,必须通过更为安全可靠的连接紧固措施确保设备稳定运转。如何选择相应工况的防松紧固件和如何评价防松效果是设计者在选型时首先考虑的关键问题。

1、防松紧固件介绍及工况使用分析

自19世纪中叶，国内外持续进行紧固件防松的相关研究，目前的防松紧固件已有数十种,针对不同工况，其紧固件防松效果差异较大。因此，在设计选型时要仔细甄别，选择适合工况要求的防松紧固件。

(1) Hard—Lock螺母防松技术

结构介绍：Hard-Lock防松螺母，又叫凹凸偏心双螺母，由日本HARD-LOCK公司研发，是通过上下两个凹凸螺母相互作用实现防松。

原理介绍：凹凸螺母的结合部分的圆锥面均与螺纹不同轴，在拧紧时，结合的偏心圆锥面相互作用，产生良好的径向锁紧，使螺纹实现无间隙的紧密配合。防松性能不完全依赖预紧力，与上螺母锁紧效果强相关。

特点：可以看作特殊的有效力矩型防松螺母，其在小预紧力、大振幅下仍可实现优秀的防松效果，但由于这种双螺母结构会对螺栓产生较大的剪切力，螺栓、螺母均为一次性使用，无法重复使用。

另由于此防松结构采用偏心双螺母结构，对于螺纹尺寸要求较高。若螺栓螺母的基本尺寸大、等级高，则拧紧过程中，预紧力无法使上下双螺母形成有效的偏心力矩，防松效果较 差；若螺栓螺母的螺纹间隙过大，上下螺母的偏心量不足以弥补螺纹间隙量，防松性能即会受到较大影响。

适用工况：规格尺寸在M30以下，预紧力为对应螺栓保证载荷的50%~80%。

(2)非金属嵌件六角锁紧螺母防松技术

结构介绍：非金属嵌件型防松螺母是在螺母的上端镶嵌尼龙等材料，装配的螺栓大径大于嵌件内径，实现过盈配合。但受尼龙材料性能的影响，导致产品质量不稳定。尤其对于高低温的极端环境，所用尼龙嵌件就会发生高温软化或低温脆性过大而断裂的现象；在恶劣的振动条件，时有失效的情况发生。

原理介绍：通过非金属嵌件，达到螺栓螺母过盈配合，从而实现防松效果。

特点：螺母的嵌件在与螺栓配合时会形成拧紧力矩之外的有效力矩，为螺母提供更好的防转性能。尤其是在小预紧力、小振幅下，其防松性能较为突出。但有效力矩防松螺母相匹 配的螺栓不能过长，拧紧后只露出尾端3扣以内，原因是在螺母旋入螺栓时，不能让尼龙嵌件产生过多磨损。

另上述防松螺母必须考虑在实际应用时，所受振幅不能过大，尽可能避免冲击力。原因是尼龙材质较软，无法承受过大的振幅，否则会发生损坏。故有效力矩型防松螺母主要应用 在小规格。

适用工况：此类防松技术适用于M27以下规格紧固件，且对应螺栓长度要控制在拧紧螺母后螺栓尾部仅露出2扣~3扣螺纹。安装部位振幅不能过大，否则振动传递到非金属嵌件部位,会对其造成损坏，致使防松失效。

(3)楔形垫圈防松技术

结构介绍：楔形防松垫圈由瑞典NORD-LOCK公司研发，是在螺母和被连接件之间加入两个互相咬合的齿面垫圈构成。一面是楔形齿面，另一面是径向细齿。其主要应用在桥梁建 筑、石油、风电等领域，被连接件允许由径向细齿咬住，产生咬痕。

原理介绍：拧紧时，楔形齿锁紧，同时垫圈外表面上的径向细齿会咬住紧固件和被连接件，并在紧固件和被连接件上形成清晰的压印痕迹。由于楔面角大于螺纹升角，楔形自锁效应即可阻止紧固件旋转松动。

特点：通过两个垫片之间的相互咬合形成牢固的防松结构，阻止螺母发生转动。防松效果好，安装工艺简单。但其会对被连接件和螺母支承面造成破坏，甚至在更换时，被连接件无法重复使用，导致其对工况要求较高。防松垫片要求被连接件表面不能太硬，否则无法嵌入到表面内部，不能起到防松作用。

适用工况：此类防松结构适用于各尺寸规格紧固件，但受被连接件的影响具有一定的局限性。

(4) 双螺母结构

结构介绍：指先将螺母1-被连接件-螺栓的连接副按特定扭矩T1拧紧，再将另一个螺母2按扭矩T2拧紧在螺母1上方，形成双螺母防松结构。

原理介绍：在横向振动试验中介绍到，振动由被连接件传递到螺母下支承面，再由螺母推动螺栓。双螺母结构是通过下螺母承担主要振幅,上螺母约束下螺母，防止其发生旋转松动；与此同时，上螺母受到的振幅已经不足以使上螺母发生旋转松动。

特点：通过简单的螺纹配合形成优秀的防松结构，在正常预紧力的工况下(即螺栓轴力在保证载荷的65%左右)，双螺母结构防松性能远超普通单螺母。但受预紧力要求过高的限制，无法满足小预紧力工况的防松性能；对螺栓长度有要求，双螺母必须匹配相应长度螺栓才能使用。

适用工况：双螺母结构以其优秀的防松性能与低廉的价格而受设计者喜爱。但双螺母结构必须保证预紧力能够达到螺栓保证载荷的65%以上，才能起到良好的防松性能。另外其安装位置必须保证拥有拧紧两个螺母的位置空间。

(5) 变牙型防松结构

结构介绍：楔形螺纹是非对称性的，在内螺纹的牙底处有一个30。的楔形斜面，形成大径配合。

原理介绍：楔形防松螺纹与普通螺纹的不同之处是在螺纹牙底上有一个30。的斜面，而螺栓上外螺纹的形状仍保持标准的三角形，当防松螺母拧紧在螺栓上时，外螺纹的牙顶紧紧 地顶在内螺纹牙底的30。斜面上，使螺纹间接触时所产生的法向力与螺栓轴线成60。角，而不是普通螺纹的30。角，螺纹间的法向压力远远大于轴向压力，所产生的防松摩擦力也就大大增加，因而产生巨大的锁紧力，防止螺母转动。见图1。

特点：楔形螺纹可以消除普通螺纹受力不均匀、滑牙和剪切问题，原因是楔形防松螺纹配合时，螺旋线上的每个牙承受的负载都比较均匀 ，同样负荷能分散到每个面、每个点，不存在单扣螺纹应力集中现象；并且螺母可以反复拆装，重复使用。但此螺母需要一定的预紧力才能使螺栓螺母达到稳定的斜面配合关系，小预紧力下防松效果不佳。

适用工况：变牙型防松螺纹主要适用于预紧力能够达到螺栓保证载荷65%的工况，并且仅使用一个螺母，防松性能较为优秀，于各类振动较大的工况下有较好的应用表现。

(6)总结

以上国内外各类典型防松技术各有特点，防松技术的通用性不强，每种防松技术的选用都与具体应用工况强相关，防松性能要与安装位置的实际负载相匹配。

2、防松紧固件评判标准及相应试验分析

通过防松螺母在实际安装后的振动情况，可将螺纹连接副的振动分为以下三种。

1) 紧固件横向振动；

2) 螺纹连接副整体振动；

3) 紧固件轴向振动。

国内外针对以上三种振动工况，设计相应试验，进而评判在上述振动工况下的防松性能。

(1)紧固件横向振动

1969年，Junker发明横向振动测试装置，第一次对连接件进行横向振动试验，但当时并无准确的参数设计以及严谨的评价标准。经过半个世纪的发展，国内外已经针对Junker横 向振动试验进行相应的改进提升，形成了各类标准。

1) DIN 65151:2002

在德国工业标准DIN 65151:2002《航空航天系列横向负载条件下紧固件的锁定特性的动态实验》中对横向振动及相应试验装置进行了较为完备的介绍。偏心轮与柔性连接部分的 简谐运动能够对被连接件施加横向力，从而使被连接件与螺栓螺母形成相对运动，验证紧固件的防松性能。

但其并未规定不同工况下的不同规格紧固件的振动参数，无法对单一类型紧固件的防松性能进行权威评价。

2) GB/T 10431—2008

国家标准GB/T 10431—2008《紧固件横向振动试验方法》中试验台与DIN 65151:2002相同，但针对不同规格的紧固件制定了相应的参考性质的振动幅值(见表1),确保不会发生振动幅值与紧固件规格不匹配的情况，即防止振幅过大，使螺栓承受剪力或振幅过小，这样不足以使螺母发生松动。

但GB斤10431采用柔性连接的结构，其规定的振幅仅为空载振幅，无法监测紧固件拧紧后振动的实际振幅，故其振动结果只能当作参考,无法等同于实际安装工况处的振幅。

3） ISO 16130:2015

国际标准ISO 16130:2015《螺栓连接的锁定行为的横向载荷条件下的动态测试》中对横向振动试验台进行了重新设计，将原试验台的偏心轮加柔性连接结构变更为液压驱动伺服电机及振动闭环控制伺服阀来控制振动台的振幅。又加装高精度位移传感器和压力传感器，目的在于监测振动全流程的振幅与螺栓轴力变化，从而判断紧固件的防松性能。

①相较于上述两标准，本标准制定了单一类型紧固件的防松评判标准。

将振动前后的螺栓轴力进行对比，若:

a) 85% W 振动后的残余轴力振动前的初始轴力认为防松性能良好;

b) 40% WW100%,则振动后的残余轴力集动前的初给轴力 W85%,则

3） ISO 16130:2015

国际标准ISO 16130:2015《螺栓连接的锁定行为的横向载荷条件下的动态测试》中对横向振动试验台进行了重新设计，将原试验台的偏心轮加柔性连接结构变更为液压驱动伺服电机及振动闭环控制伺服阀来控制振动台的振幅。又加装高精度位移传感器和压力传感器，目的在于监测振动全流程的振幅与螺栓轴力变化，从而判断紧固件的防松性能。

当紧固件规格在M12以下时，振幅控制在±0.5mm；当紧固件尺寸超过M12,振幅控制在±0.8mm。虽然削弱了振幅与螺纹规格的对应关系，但其采用了刚性连接的方式，故规定的振幅为振动时的实际振幅。

4）标准对比与分析

综上，见表2不同标准对比与分析。

由表2可知，三种标准对于横向振动试验的表述各有不同，设计者在可根据具体需求选择相应标准的横向振动试验。但不可避免的是,以上三种标准对于单一紧固件的防松评判标准 均不完备，无法针对具体工况制定相应振幅、频率和周期等参数标准，形成权威的评价标准。

故在使用时，笔者建议设计者选择多种不同防松结构进行对比性质的横向振动试验，并结合具体工况进行分析，择优选择适合工况的防松结构。

(2)螺纹连接副整体振动

GJB 715.3A—2002《紧固件试验方法振动》紧固件振动试验：区别于横向振动试验，本试验将螺栓-被连接件-螺母正确拧紧形成连接副，使整个连接副在对应工装孔内进行横向 的振动，验证紧固连接副是否发生松动，如图2所示。

GB/T 715.3A规定的振动试验对振幅、频率等进行了规定，但评判依据仅为：若以松动判断是否失效，应在试样上划线或做其他标记以确定是否有相对转动。因为本试验振幅较 大，无法于紧固件与被连接件之间安装压力传感器测定其实时轴力。故本试验仅可从定性上确定防松效果，而无法通过定量的方法确定防松效果。

(3)紧固件轴向振动试验

紧固件轴向振动试验：本试验并无明确的试验标准，但可通过轴向疲劳试验机，设计相应工装，固定螺栓螺母后，施加轴向循环载荷，验证其轴向防松性能。

研究发现，在轴向循环载荷的作用下，紧固件防松效果较好，故一般除特殊工况要求外，不以本试验结果评判紧固件的防松效果。

(4) 台架试验

除针对紧固件的防松性能制定的标准，可依靠紧固件的安装工况设计相应试验验证其防松性能。

例如GB/T 5909—2009《商用车辆车轮性能要求和试验方法》中规定了商用车辆车轮的试验方法和性能要求。而相应的，车轮使用的轮毂螺母在车辆实际运行过程中会承受相应的振幅与应力，故可设计相应试验，在验证车轮性能的同时对轮毂螺母进行防松验证，其防松的可靠性更符合实际工况。

又如GB/T 21563—2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》中规定了对安装在轨道机车车辆上的设备进行冲击和随机振动试验的要求。GB/T 21563最大限度地模拟了轨道交通车辆的实际振动工况。如设计者针对轨道交通车辆进行防松紧固件的设计，在进行紧固件标准防松试验后，可设计进行上述冲击和振动试验,增加防松紧固件的可靠性。

(5) 总结

虽然有些应用工况能够采集实际的振动频谱进行防松振动试验，但大多数工况由于采集实际振动频谱较困难，故设计者需针对实际振动的大小与方向选取不同振动试验对防松紧固件进行可靠性验证。

3、结论

紧固件由于其螺纹结构，实际使用时涉及接触力学、摩擦学等复杂学科知识，故其在实际承受振幅时无法通过理论计算准确得到紧固件的松动评价标准，各类防松振动试验并未权 威性地规定松动的边界条件。设计者在选型时,需针对不同工况，选取不同防松紧固件，对紧固件进行防松可靠性对比分析，确定防松紧固件的类型。

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