螺栓摩擦系数对连接松动性能影响的实验研究

于俊辉，李维荣，许 昊

（中机生产力促进中心，北京 100044）

0 引言

螺栓连接是机械结构中最为普通的一种零部件连接方式。螺栓连接副的失效的主要标志可归纳为两类： 强度失效，即夹紧力下降到可以接受的水平以下，或螺栓夹紧力下降的极端情况，拉断或螺纹脱扣等；然而，更普遍的是随着使用时间越来越长，螺栓张夹力缓慢下降这一现象，即所谓的螺栓连接副松动失效。

导致螺栓连接松动的因素主要有： ①支承面压陷引起的松动： 螺栓头部或螺母支承面的接触压强大时，产生接触面塑性环状压陷。在使用中，随着塑性变形的继续发生，导致螺栓夹紧力减小，产生松动；②初始松动： 由于螺纹连接接触部分的粗糙、波纹、形状误差等产生的局部塑性变形在使用中由于外力的积累作用继续发生，从而导致了螺纹连接的初始松动，这种松动会在达到某种程度后停止；③螺母自动回转引起的松动： 在不考虑蠕变松弛的情况下，动态外部载荷是螺母产生回转的必要条件。美国弹性制动螺母公司（ESNA）的研究[1]认为，在外载的作用下，螺栓的共振会不断迫使螺纹面塑性变形从而引起螺栓张紧力的下降，当螺栓张紧力下降到某一临界值时，螺母开始向着脱离螺栓的方向转动，并最终引起螺纹连接的松动。目前此方面研究主要是在确定性载荷（已知方向、振幅、频率）基础上进行的。奥克兰大学的Nassar[2-5]等人利用数值模拟对螺栓连接松动相关特性（预紧力、螺距、螺栓通孔直径、螺纹公差、摩擦系数等）进行了研究。

本文将通过试验，研究在侧向载荷作用下螺栓摩擦系数对连接松动的影响。

1 螺栓摩擦系数对连接松动影响的理论研究

1.1 螺栓连接的拧紧扭矩Tf

在螺纹连接中，施加在螺母上的拧紧扭矩Tf等于螺纹扭矩Tth与克服螺母支承面摩擦的力矩Tb之和，即Tf=Tth+Tb。其中，螺纹扭矩Tth的计算如下： 假如轴向截面牙形半角为α，垂直截面牙形半角为α'，螺纹升角为β，则可得下列关系式：

使受轴向力Fb作用的螺母受一切向力Uf而按与Fb推动的方向反转时，螺纹面上沿螺旋线方向将受到摩擦力作用，因此有

式中： μth—螺纹摩擦系数。那么：

如取μth/cosα'=tanρ'，则式（2）可简化为：

式中略去微小量，并取tanρ'=1.15μth，得：

如螺纹的平均直径（当为三角形螺纹是，有效直径）为dp，则螺纹扭矩为：

克服螺母支承面摩擦的力矩为：

式中，μb—螺母支承面摩擦系数；db—螺母支承面摩擦力矩的等效直径，当压力均匀分布时，支承面为以螺母对边距离B 为直径的圆面积；如螺栓通孔直径为Di，则此直径可用下式计算：

因此，螺栓连接的拧紧扭矩为：

1.2 螺栓连接的松动扭矩T l

转动有预紧力Fb的螺纹连接体的螺母，如松动扭矩为Tl，则其值可由式（8）将右边tanβ 的符号改为负号后求出，即：

从式（9）中可以看出，螺纹摩擦系数μth和支承面摩擦系数μb的增大会提高螺栓连接的松动扭矩，使得螺栓不易松动。

对于公称直径为16mm 的粗牙螺纹，取：

取B=23.5mm，Di=17.0mm，则式（9）简化为：

下面，将测量采用同一润滑剂不同涂抹方式时螺栓的摩擦系数，进而观察摩擦系数对螺栓连接松动的影响。

2 螺栓摩擦系数对连接松动影响的实验研究

抽取同批次M16×110-8.8 粗牙六角头螺栓（表面发黑处理，并去油脂）和M16-10 粗牙六角螺母（表面按GB/T 5267.1 电镀锌，并去油脂）作为样本，选取孔径为17mm的试验垫片，润滑剂选用LOCTITE Moly-50 型MoS2润滑脂。

摩擦系数的测量采用如图1 所示的螺栓摩擦性能试验机。设定螺栓连接副扳紧的最大夹紧力68.3kN（M16 螺栓保证载荷的75%），拧紧速度为5r/min。分别测量以下几种润滑方式时螺栓的摩擦系数，每种方式进行3 组试验： ①螺纹和螺母支承面处均不涂抹润滑；②螺栓1/3螺纹处均匀涂抹MoS2；③螺母支承面处均匀涂抹MoS2；③螺栓1/3 螺纹和螺母支承面处均匀涂抹MoS2。图2（a）～（d）分别给出了以上四种情形的螺纹摩擦系数、支承面摩擦系数以及总摩擦系数试验值。

图1 螺栓摩擦性能试验机Fig.1 Bolt friction performance test machine

图2 螺纹和支承面摩擦系数值Fig.2 Experimental bearing and thread friction coefficients values

由图2 可观察到，摩擦系数在有润滑条件下图2（b）、2（c）、2（d），随夹紧力的增加趋于稳定；而无润滑状态下图2（a），离散程度较大。表1 给出了相同预紧力下，扭矩与摩擦系数的平均值。从表中可见，摩擦系数越大，所需拧紧扭矩越大，这与理论研究吻合；此外，在螺纹处涂抹和在支承面处涂抹润滑脂对总摩擦系数的影响并不大。

表1 试验参数值Tab.1 Test values

采用如图3 所示的紧固件横向振动试验机测试螺栓连接的防松性能。该设备主要由动力及传动系统、偏心机构、载荷传递系统、支撑部件、拧紧装置、测量系统、控制系统等组成。它大体相当于一个曲柄滑块机构，“曲柄” 通过安装在主轴上的一个偏心轴来实现；“滑块” 则是由基座、动板、滚针、传感器部件等，通过拧紧被试螺栓和螺母连接而成。试验中，电动机通过主轴、曲柄、连杆带动动板作往复移动，从而实现被测紧固件的横向振动。

图3 紧固件横向振动试验机Fig.3 Transverse vibration testing machine

螺栓连接的测试组件如图4 所示。设定振动频率12.5Hz，振幅±1.6mm，循环次数1500 次，分别测试上文四种润滑状态下的螺栓连接放松性能，每种状态进行5 组试验。图5 给出了随振动循环次数增加，螺栓夹紧力的衰减均值曲线。从曲线中可以看出： 无润滑状态下，螺栓夹紧力衰减 了 8% ；仅支承面润滑和仅螺纹润滑状态下，螺栓夹紧力衰减情况相似，约为31%；而螺纹与支承面均涂抹润滑剂时，连接已接近完全松动。

图4 螺栓连接测试组件Fig.4 The fixture used in the experimental setup

图5 不同润滑状态下螺栓连接松动曲线Fig.5 Experimental loosening curves for the bolts with different lubricating condition

3 结论

本文使用紧固件横向振动试验机，进行了螺栓连接防松性能试验。结果表明，在相同螺栓预紧力条件下，摩擦系数越大，螺栓连接越不易松动，这与松动扭矩理论相符。但并不表明在工程防松应用中，摩擦系数越大越好。一方面，摩擦系数的增大将导致相同预紧力下，拧紧扭矩的增大；另一方面，同批次螺栓中，不进行润滑处理的比进行润滑处理的摩擦系数呈现出较大不稳定性，不利于扭矩控制。此外，从试验中观察到，润滑剂涂抹位置上，在螺纹处涂抹和在支承面处涂抹对连接防松性能的影响是相近的。

[1] ESNA Division, America Corporation. Maintaining the tightness of threaded fasteners[Z].Union, NJ, USA, 1976.

[2] Nassar S A, Housari B A. Study of the effect of hole clearance and thread fit on the self-loosening of threaded fasteners[J].ASME，Journal of mechanical design，2007，129.

[3] Nassar S A, Housari B A. Study of the effect of hole clearance and thread fit on the self-loosening of threaded fasteners due to cyclic transverse loads[J].ASME，Journal of mechanical design,2006，128.

[4] Nassar S A, Housari B A. Effect of thread pitch and initial tension on the self-loosening of thread fasteners[J].ASME,Pressure vessels and piping division，2006，128.

[5] Housari B A, Nassar S A. Effect of thread and bearing friction coefficients on the vibration induced loosening of threaded fasteners under cyclic transverse loads[J]. ASME, Journal of vibration and acoustics，2007，129.

[6] 山本晃；郭可谦，等（译）. 螺纹联接的理论与计算[M]. 上海：上海科学技术文献出版社，1984.