螺纹连接松动分析及预防

张小强

（一汽-大众汽车有限公司佛山分公司，广东　佛山　528200）

螺纹连接松动分析及预防

张小强

（一汽-大众汽车有限公司佛山分公司，广东佛山528200）

分析了螺纹连接松动的定义及危害，并从理论上分析了松动的原因及解决方案，最后，针对松动的原因，提出了监控螺纹连接松动的措施。

螺纹连接；摩擦系数；自锁；旋转松动；非旋转松动

0 引言

螺纹连接标准化程度高、品种多、制造方便、易于拆卸，能适应各种工作条件，因此在机械中应用广泛。从原理上说，螺纹连接能够满足自锁条件，在静载荷下不会松脱，但在摩擦、冲击、振动或交变载荷作用下，螺纹连接松动时有发生，甚至产生重大事故，因此，螺纹防松一直也是困扰机械行业的重大课题。

1 螺纹连接松动定义及危害

螺纹连接的本质在于获得合适的夹紧力，以保证被连接件稳定地连接到一起。所谓松动，是指螺栓连接全部或部分丧失轴向夹紧力，这种松动通常会导致：

（1）连接部分的分离和脱落；

（2）连接部分的滑移；

（3）过度的相对位移和连接部分的碰撞；

（4）分离产生的噪音及不密封；

（5）连接处的牢固性降低，导致增大的振动；

（6）振动导致疲劳断裂；

（7）高速运转下惯性冲击断裂；

因此，为减少螺纹连接松动失效的危害，其关键在于保证合适及稳定的夹紧力。

2 螺纹连接松动原因及解决方案

螺纹连接松动通常分为两种类型，旋转松动及非旋转松动，下面我们就这两种松动类型的原因进行分析。

2.1旋转松动的原因及解决方案

旋转松动由螺纹副的相对移动导致，正常情况下，各紧固件厂家对螺纹摩擦系数均有要求，从而保证螺纹的自锁性能，依螺栓受力分析如图1所示。

图1　螺纹拧松受力分析图

为便于分析，先研究矩形螺纹，将矩形螺纹沿中径d2展开，得到斜角等于螺纹升角ψ的斜面，将螺母简化为受轴向载荷Fa的滑块，同时拧紧或拧松连接副的扭矩，产生沿圆周推力F，当滑块静止或匀速直线运动时，由FR、Fa和F组成的力多边形。

当滑块匀速下滑时，螺纹升角为ψ，摩擦角为ρ，轴向载荷Fa变为驱动滑块匀速下滑的驱动力，F为阻碍滑块下滑的阻力，摩擦力F'的方向与滑块运动方向相反。

由公式1可知，当ψ≤ρ时，推力F≤0，表明F为零或其方向改变，此时，螺母只有受到与图1中F方向相反的推力才能松退，轴向载荷在材料性能范围内无论多大，螺母都不会松退，而且，轴向载荷越大，松退所需的力也越大；故螺纹自锁条件为ψ≤ρ。

对于拧紧装配，我们需要足够的夹紧力来保证装配质量，而适当的螺纹摩擦系数，则有利于螺纹自锁，从而避免螺纹松动，依VW01129大众摩擦系数界限值标准，螺纹摩擦系数低于0.08意味着自锁性能的下降，而M6螺栓，当螺纹摩擦系数为0.052时，自锁能力完全丧失。

如果螺纹摩擦系数满足自锁条件，是否还有旋转松动发生呢？早在1969年德国科学家发现，振动也是螺纹紧固件产生松脱的主要原因之一。

当我们拧紧螺纹紧固件时［1～3］，

当我们拧松螺纹紧固件时［1～3］，

其中，T ——螺纹副装配扭矩；

F ——轴向夹紧力；

P ——螺纹螺距；

d2——螺纹中径；

μTh——螺纹中径；

μH——螺纹中径；

Dkm——端面摩擦圆等效直径。

用公式（2）、（3）得公式（4）：

通过公式（4）说明，拧松螺母所用到的拆卸扭矩始终小于拧紧螺母所用到的拧紧扭矩，拧紧状态下的螺纹紧固件的受力状态类似于停留在斜坡上的滑块，如图1所示，向下拖动物体比向上拖动物体所需要的力小，假定我们给斜面上滑块施加相同的向上和向下的力，施加力的时间相同，则向下移动的距离要比向上移动的距离大，经过多次交替变化的力的作用，物体就会向下移动，离原位置越来越远。

同样，螺纹紧固件在振动影响下，由于各零件的惯性以及连接件间的相互作用，使螺纹与支承面间的摩擦系数急剧降低，甚至出现摩擦阻力瞬时消失，破坏原有力的平衡关系，使螺纹副不能满足自锁条件，产生微量相对滑动，在同样的横向力的作用下，向拧紧方向的滑移量总要小于向拧松方向的滑移量，经过多次交替横向力的作用，螺纹紧固件向拧松方向的滑移越来越多，最终导致螺纹连接松动。

故针对旋转松动的主要原因，摩擦及振动，既可适当增大摩擦系数，如在螺栓端面增加防滑齿，采用锁紧螺栓或锁紧螺母等；同时，也可直接减小振动影响，如螺栓螺母涂防松胶，或采用机械方式固定螺纹连接，使螺纹连接在振动的条件下减小滑动。

2.2非旋转松动的原因及解决方案

非旋转松动主要体现在夹紧力的逐渐衰减，主要有五种形式，蠕变、塑性伸长、压溃、热膨胀及磨损。

其中蠕变、塑性伸长，当装配载荷超过螺栓的屈服强度时，螺栓伸长并发生蠕变，导致轴向力的衰减，如果发生，表明螺栓已经接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。

而压溃，当装配载荷超过被连接件的屈服强度时，被连接件被严重压变形，导致轴向力的衰减，如发生，表明被连接件已接近性能极限，装配工艺或螺纹连接设计不合理，需重新选择。

热膨胀，主要温度的影响，温度变化，依VW01129［4］，摩擦系数与温度有较大关联，针对有机防锈涂层，辅助的润滑剂涂层或混合润滑剂，如PTFE或PE，在高温时会明显减小摩擦系数。极端情况下，螺纹升角＞3°，拧紧在光滑的部件上，温度＞80℃时，会发生自松，故因温度而导致松动，主要为设计不合理，需重新选择。

磨损，多发生在较为粗糙的端面上，端面严重挤压变形后应力释放，导致轴向力的衰减，但磨损发生一般需要一定的时间，故有时很难发现和预防，仍应在螺纹连接设计中对粗糙度及材料耐磨性能详加考虑和规定。

针对螺纹连接的非旋转松动，其主要原因在于设计和装配的不合理，而装配不合理的预防多应在设计中考虑，故针对非旋转松动，仍应在设计中考虑预防。

3 螺纹连接松动的监控

针对螺纹连接松动的主要原因：摩擦、振动及设计，人们采取各种积极有效的措施，如：摩擦防松、直接锁紧、破坏运动副关系及黏结等方法，但螺纹连接影响因素较多，且各影响因素波动性较大，故较难实现100%合格不松动；同时，关键位置的螺纹连接又必需保证100%的合格不松动，因此，在装配中，如何有效地对可能的松动进行监控并提前发现便尤为重要。通过分析整个拧紧过程，过程监控及装配后扭矩衰减监控，是有效监控可能松动风险的两种重要途径。

首先，选择合适的拧紧设备，实现整个拧紧过程的100%监控，依据VW01110-3［5］大众康采恩拧紧过程参数设置标准。

一般整个拧紧过程分为3～4步，通过设置每一步骤的扭矩上下限及角度上下限，从而可以有效地监控出摩擦变化及非旋转松动，当摩擦系数过小时，两扭矩之间转过的角度会变大，同时针对转角法，转过同样角度，最终扭矩也会偏小；针对非旋转松动的压溃、螺栓伸长及蠕变，两扭矩之间转过的角度同样会有变化；故通过拧紧程序的100%过程监控，从而可以有效地提前发现松动风险。其次，对螺纹连接装配完成后扭矩衰减进行监控，依公式（2）所示，扭矩与夹紧力有着密切的相关关系，故扭矩衰减也一定程度上预示了松动的风险。60%～70%的扭矩衰减发生在拧紧完成的30 ms内，故一般在30 min内对扭矩进行检测，可有效的监控扭矩衰减及松动风险。

依VW01110-2［6］大众康采恩螺纹连接装配和过程保证标准，各类拧紧复检扭矩衰减许可范围如下。

A/B类拧紧点，0.8*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。

C类拧紧点，0.7*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。

B /C类非米制螺纹或含塑料件连接，0.5*装配扭矩≤复检扭矩≤1.2*装配扭矩。

4 总结

针对关键位置的螺纹连接，松动失效绝不允许发生。因此，除针对松动原因制定防松措施外，还必须对其影响因素波动和可能的松动风险进行有效监控，本文分析了螺纹连接松动的危害、原因及解决方案，并探讨了拧紧过程监控及装配后扭矩衰减监控两种途径，以实现对螺纹连接松动风险的有效发现和预防。

［1］ GB/T 16823.1—1997 螺纹紧固件应力截面积和承载面积［S］.［2］ GB/T 16823.2—1997 螺纹紧固件紧固通则［S］.

［3］ GB/T 16823.3—1997 螺纹紧固件拧紧实验方法［S］.

［4］ VW01129 米制标准螺纹摩擦系数界限值［S］.

［5］ VW01110-3 螺纹连接 EC拧紧系统的参数设置［S］.

［6］ VW01110-2 螺纹连接 装配和过程保证［S］.

（P-01）

Analysis and prevention of thread connection loose

TE931.2

1009-797X（2016）10-0101-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.041

张小强（1986-），男，质量工程师，硕士研究生，机械电子工程。

2016-04-12