技术专栏丨螺栓松动的5个原因及防松方式评价

概述

一段时间以来，在紧固件技术交流中大家都一直在讨论、争论螺栓的防松方式，到底什么样的防松最好，用什么样的防松方式既能达到防松的效果，防松成本又比较低呢。

螺栓连接松动会带来很多危害，诸如高压法兰螺栓连接组件出现泄漏，造成安全隐患和财产损失，如图1。

高速行驶的汽车轮胎螺栓断裂，危害着驾乘人员安全和车辆损失，如图2。

风电叶片的转子与机舱分离，从风机上脱落坠地，造成财产损失和影响企业声誉，如图3。

一艘远洋货轮在发动机的持续振动下，一些设备上松动的螺栓脱落，松脱的螺栓和零件，在船上滚动，会对设备造成进一步损坏，如图4。

螺栓松动的类型

什么原因导致螺栓松动?

在螺栓连接中，拧紧螺母实际上会使螺栓伸长，就像拉动一个刚硬的弹簧一样，如图5。这种拉力，或者叫张力，会对被连接件产生相反的夹紧力，将被连接件的两部分或更多部分紧密的固定在一起。如果螺栓松动，夹紧力就会减弱降低。

螺栓松动分为旋转松动和非旋转松动。

非旋转松动很难初期很难觉察到，只有长时间预紧力下降，零件出现滑动，磨损等才能表现出来，因此，这种松动危害是比较大，同时，这种松动只要设计好了，往往能够避免。

非旋转松动主要是嵌入损失、滑动磨损、被连接件塑性变形、螺栓承受高温蠕变、被连接件使用的与螺栓不一致的材料等。

螺栓拧紧后由于螺栓头与被连接件、螺母端面与被连接件、螺纹、被连接件之间的接触面存在微观的表面凹凸不平，在拧紧后这些凹凸不平的高点就会产生材料的压溃永久塑性变形，造成夹紧力的损失。

如果设计的夹紧力不足以抵抗外部的横向载荷，就会在承受外载荷后结合面之间产生滑动，引起零件的磨损，引起被夹紧零件长度减小，从而造成螺栓预紧力的降低。

被连接件如果设计的不合理，如衬套壁厚设计太薄，或衬套的材料强度比较低，在螺栓拧紧后，衬套承受的压应力就会超出材料的强度，长时间受力后就会造成预紧力的下降。

被连接件的塑性变形也包括开档(开口)结构的零件设计的间隙太大，或平行度、平面度太大等，在螺栓拧紧后开档的钣金件也会容易出现塑性变形，从而引起扭矩衰减和预紧力的下降。

螺栓连接应用于高温场合时，材料会产生蠕变，在高温时造成预紧力的下降。由于螺栓和被连接件的材料不同，线膨胀系统不同，在设计时如果没有考虑这些因素，例如在夏天装配后，在冬天使用时，由于铝合金的线膨胀系数更大，预紧力会下降，有可能就不能达到设计时的要求。

旋转松动比较容易发现，由于目前大多数企业螺栓拧紧以后，会在螺栓和被连接件上画上标记线，只要出现松动就能比较容易的发现，图6。

螺栓受到横向载荷、扭矩更加容易造成螺栓的旋转松动，如果螺栓仅仅受到轴向载荷相对不会引起旋转松动。

螺栓松动原因分析

螺栓松动至少有五种原因，他们可以单独发生，也可以同时发生：

根据前面说明，拧紧不足的螺栓如果再出现松动，接头便没有足够的夹紧力将各个部分固定在一起。这可能导致两个零件之间横向滑动或连接件分离，从而就会在螺栓上施加不必要的剪切应力或较大的轴向应力，最终可能导致螺栓断裂，如图7。

对螺栓连接在振动下的试验表明，许多小的“横向”滑动导致连接的两个部分相互运动，同时螺栓头或螺母与被连接件也会产生运动。这些重复的运动会抵消螺栓和被连接件之间的摩擦力。最终，振动将导致螺栓的螺纹上“旋转松开”，接头失去夹紧力。

设计开发螺栓张力的工程师允许有一段磨合期，产生一定的预紧力损失，在此期间，螺栓的紧密度会松弛到一定程度。这种松弛是由于螺栓头和/或螺母、螺纹及被连接件结合面之间嵌入造成的，并且可以在软材料(如复合材料)以及硬质抛光金属都会发生。如果接头设计不当，或者在开始时螺栓未达到规定张力，则接头的嵌入损失可能导致夹紧力小于所需的最小夹紧力。

许多螺栓接头在螺栓头和接头表面之间包括一个薄而软的垫圈，以完全密封接头，防止气体或液体泄漏。垫圈本身也是能够起到弹簧的作用，在螺栓和接合面的压力下回弹。

随着时间的推移，尤其是接近高温或腐蚀性化学品时，垫圈可能会“蠕变”老化，这意味着它失去弹性，导致夹紧力的损失。如果紧挨螺栓的垫圈区域被内部压力冲破，或者螺栓没有均匀地拧紧到接头的整个表面，也可能发生这种情况。

如果螺栓和接头的材料不同，由于环境快速变化或工业循环过程导致的温度差异过大以及装配和使用的环境温度差异太大，都会导致螺栓材料迅速膨胀或收缩，可能会使螺栓松动或预紧力下降。

来自机械、发电机、风力涡轮机、汽车等设备的动态或交变载荷可导致较大的机械冲击，这样冲击力施加在螺栓或接头上，导致螺栓发生相对滑动。就像较大振幅的振动一样，这种滑动最终会导致螺栓松动。

这些工况在设计时候往往不会考虑到，或者这种载荷不常见或者基本不会发生，为了降低重量和成本，螺栓接头在这种滥用工况下允许产生滑动，只要不被剪断即可。