螺纹连接松动，如何分析？

螺纹连接松动，如何分析？

螺纹连接松动是机械工程中常见的问题，不仅会导致连接可靠性降低，还可能引发被连接件滑移和螺栓断裂等严重后果。本文将从旋转松动和非旋转松动两个方面，详细介绍螺纹连接松动的分析方法和解决方案。

定性分析

螺纹连接的松动可分为两类。一类是旋转松动，即内、外螺纹之间发生在松开方向的相对转动时发生的松动；另一类是非旋转松动，即内、外螺纹未发生相对转动时发生的松动。那么如何确定是旋转松动还是非旋转松动？

可采用色标标注法进行判别，具体操作如下：

在螺栓拧紧后，在螺栓头部和被连接件接触位置画一条颜色醒目的色标，如下图所示。经过测试后螺栓出现松动，观察螺栓头部和被连接件上的色标是否在一条线上。如果不在一条线上，发生了偏移，则说明发生了旋转松动；而色标仍在一条线上，说明发生了非旋转松动。

旋转松动分析

通过定性分析确定螺纹连接是否为旋转松动导致时，需要进一步确定具体的原因。首先对相关零件进行测试（如摩擦系数，尺寸等），确认是否满足设计图纸要求。如果测试后没有问题，则说明出现旋转松动的原因为螺栓拧紧的预紧力不足以抵抗外载荷。那么分析思路就从预紧力和外载荷上进行考虑。

预紧力不足

预紧力不足的解决方法有：增加螺栓的利用率，增加螺栓装配的扭矩可以增加螺栓利用率和增加装配预紧力；此外将扭矩法改成转角法也可以有效增加装配预紧力和预紧力精度；增加螺栓的尺寸和等级，采用更大尺寸螺栓和更高等级螺栓可以有效增加装配预紧力，但装配扭矩也要相应提升。

外载荷的大小和形式

外载荷较大时，装配预紧力无法有效抵抗外载荷，导致发生旋转松动。在零件的测试结果都满足设计要求值的前提下，可以通过连接结构设计优化等方法降低螺纹连接上的外载荷。

载荷形式：螺纹连接的外载荷形式主要有扭转载荷、剪切载荷、轴向载荷。其中旋转松动对剪切载荷最敏感，扭转载荷次之，基本不受轴向载荷影响。所以设计上应尽可能避免或减少剪切载荷的大小，承受剪切载荷的位置可适当增大被连接件间的摩擦系数。

防松设计

如果预紧力和外载荷的优化成本较高，可以从防松设计角度进行优化，最常见的防松设计有螺栓采用预涂防松胶，采用自锁螺母等，均可以有效避免旋转松动。

非旋转松动分析

非旋转松动是导致松动的另一种形式，主要表现为内外螺纹之间没有发生相对位移，但装配的预紧力和扭矩出现明显的损失。那么分析的思路可以从以下方向考虑。

连接件工作在高温

高温导致非旋转松动可以从两方面考虑，热膨胀和应力松弛。

热膨胀：

当螺栓与被联接件的热膨胀系数不同时，螺栓拧紧后，当联接系统的温度发生变化时，螺栓的轴向力也发生变化。根据连接件和紧固件的差异，轴力可能变大，也可能变小。因此对于热膨胀系数差异较大的紧固件和被连接件，需要考虑是否是该因素导致的非旋转松动。

应力松弛：

紧固件装配完成时已经被拉伸，如果在高温作用下，蠕变会减少拉伸量，从而降低预紧力。预紧固件中的这种蠕变过程，称为应力松弛。轴向应力的减小，降低了紧固件的预紧力。在许多需要螺栓连接以承受高温载荷的应用中，应力松弛造成的载荷损失量，通常是一个关键考虑因素。

软连接

软连接即从开始拧紧达到目标扭矩的连接的角度大于720°，该类连接的扭矩和轴力衰减高，螺纹拧紧后易发生松动失效。因此在设计和制造时应尽可能避免存在软连接。例如，连接副中存在塑料橡胶连接件、结合面匹配性不好（存在间隙、平面度不佳、表面粗糙、多平面匹配）、焊接件的间隙大、开档结构零件间隙较大、衬套长度不足等。

连接面粗糙

螺母和被紧固件的接触面、两个被紧固件之间的接触、螺栓和被紧固件的接触面间并非完全光滑，在受到交变载荷后，不光滑的表面会因为摩擦而变的光滑，这样会导致被连接件的夹持厚度变薄，如下图右图所示，被夹持件厚度的减少量就对应轴力的衰减量。因此尽量减小各个接触面的粗糙度，避免被连接件之间出现缝隙。

被连接件坍塌

拧紧使用的紧固件通常都采用了热处理，屈服强度一般都在640Mpa（8.8级螺栓）以上，硬度也较高，而被连接件的屈服强度一般都是低于紧固件的强度，当拧紧扭矩较高时，被连接表面可能会发生塑性变形，进而会产生坍塌，如下图所示。因为被连接件的夹持长度减小，轴力和扭矩也会随之衰减。

通过使用垫圈或法兰螺栓，加大螺钉与被紧固件之间的接触面积；增加被连接件的强度和硬度。

螺栓连接结构优化

如下图所示，细长螺栓的连接结构对旋转松动和非旋转松动都是有利的，短粗的螺栓在防松方面是不利的。较长的螺栓发生松动需要更大的外载荷；同时螺栓和被连接的刚度也会减小，从而降低了连接副的松弛系数，减低了松动的敏感性。

具体的将短粗螺栓优化为细长螺栓的措施，有如下方法：加衬套，螺栓杆部减细，取消部分内螺纹（沉孔）等，如下图所示。