1、螺母和螺栓为何会松动 作者：比尔伊克赛斯博士 1 序言 每一个工程产品，不管其构成有多复杂，实际上都需要用到螺纹紧固件。与其他大部分联结方式相比，螺纹紧固件的重要优势在于能拆卸并重复使用。然而，这也是问题的根源所在，因为螺纹紧固件容易发生自松动现象。自从工业革命以来， 螺纹自松动一直是一个没有很好解决的问题。尽管在最近的 150 年间，针对螺纹松动的问题推出了大量的解决方案。 直接由螺纹松动导致的事故在数个工业领域中都时有发生，而其中不乏一些灾难性的事故。 2 早期的研究 迄今为止，在螺纹松动这一课题上，最有影响力的研究是由 Gerhard Junker 在 1969 年发表的，他在报道中提出
2、了一种理论来解释螺纹紧固件在振动载荷下为何松动的原因。Junker 发现横向振动远远超过轴震动是螺纹自松动的主要诱因。 图 1 在大多数应用中，螺栓都被用于穿通螺孔中，依靠紧固件拧紧产生的预紧力起到保持结构完整的作用。 如果紧固件自松动，预紧力将减弱或消失，这将直接导致结构联结失效。 图 2 螺栓的疲劳失效常常是螺纹自松动的结果。 图 3Junker 发现横向运动是导致螺纹紧固件自松动的原因 图 4 所谓的预紧力衰减图表用于揭示抵抗紧固件自松动的特征。这样的图表绘制的是螺栓预紧力与测试循环次数之间的关系曲线。 图 5 滚针轴承的作用时使测试仪器的滑动部分给予紧固件一个横向运动，并使联结件的表面
3、具有最小的摩擦力。 3 为何螺纹紧固件会松动 当配套的螺纹和紧固件支撑表面之间发生相对运动时，拧紧的紧固件就会发生自松动现象。当作用于联结件上的横向力超过由预紧力产生的摩擦抵抗力，那么相对运动就会发生。在重复的横向运动中，这样的机制可以完全导致紧固件的松动。 4 紧固件的自松动检测 Junker 开发了一种测试仪器来研究横向运动对拧紧的螺纹紧固件的影响。测试仪器可以使螺栓联结副内部产生横向位移。当横向振动作用于螺栓联结副时，联结副内的受载原件可以持续监控螺栓的受载情况。这是研究自松动过程的标准方式。整套测试装置及配套设备的示意图如图 4 所示，仪器的某个部分示意图如图 5 所示。 5 预置扭矩
4、式锁紧螺母 具有预置扭矩的螺母常 常被用于阻止螺栓装配的松动。预置扭矩式锁紧螺母种类繁多。当预置扭矩增加时，自松动的抗力也相应增加，同时螺母的螺纹上由摩擦力引起的扭应力也相应增加。 改良后的 Junker 检测仪器可以在加载横向力的同时加载轴向力和剪切力。测试仪器的示意图如图 9 所示。 6 松弛 自松动是指在外部载荷作用时紧固件的旋转。非旋转松图 6 有些所谓的锁紧元件显示对阻止松动完全无效。比如在螺栓头下面放一个弹簧垫圈的结果是比单独用螺母松动更快。 图 7 许多联结部件同时受到轴向力和剪切力 图 8 预置扭矩螺母实际上只能当做防脱元件而不是锁紧螺母 动指的是内外螺纹间未发生相对运动而预紧
5、力消失的状态。当预紧力消失而紧固件为发生相对运动，那么这时可以用松弛来表述。 内嵌是松弛的一种形式，由于对粗糙表面的塑性挤压，导致螺母表面、联结件表面和螺纹上发生局部塑性变形，从而引起内嵌现象的发生。甚至当载荷低于螺栓的屈服点或者联结副材料的表面压力上限时，还是会发生这种现象，事实上，这是实际接触面积小于表面面积的结果。 在实际中，螺母和螺栓的松动往往是由松弛导致的预紧力减弱进而引起联结副松动的发生这一系列因素的综合影响所致。一旦联结副的运动被激发，紧固件作用的失效无非由以下两种因素所致：自松动或者疲劳。 作者简介： 比尔伊克赛斯博士就职于英国螺栓科技公司。该公司是全球领先的螺纹研究机构，提供有关螺纹紧固方面的技术咨询，培训和软件业务。公司网址为：。 图 9 改良后的 Junker 测试仪器可以用于同时加载轴向力和横向运动情况。在合适的测试条件下，预置扭矩螺母能持续的自松动从而导致与螺栓分离。 图 10 甚至明显的光滑表面的轮廓当放大时也未必光滑。当载荷作用于螺栓联结件时，这会导致较高的局部应力。在部分接触表面导致裂纹的产生并使螺栓预紧力减弱。一旦载荷作用到联结件时，无论拧紧还是旋出，表面都将产生崩塌。
