在現(xiàn)代機械中,，緊固件的數(shù)量約占機器零件總數(shù)量的60%,，其中螺紋聯(lián)接是機械聯(lián)接中使用最普遍的形式之一,。
一般螺紋緊固都具有自鎖性能，但在變載、沖擊、振動作用下或者工作溫度變化較大時均可能發(fā)生松動,，導致預緊力下降。
螺紋緊固件的摩擦系數(shù)是重要的設(shè)計參數(shù),，它直接影響著螺栓的材料強度效能利用和防松性,。摩擦系數(shù)較大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的預緊力也小,。
而且由于擰緊過程中螺栓會受到更大的剪切力,，螺栓等效拉應(yīng)力更容易超過材料的強度極限，此時設(shè)計者往往需要提高螺栓的規(guī)格來滿足預緊力的設(shè)計要求,，造成材料的浪費,；
摩擦系數(shù)較小的螺栓，在相同扭矩下得到的預緊力較大,，但自身防松效果較差,。可見,，螺栓摩擦系數(shù)的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題。
本文以某規(guī)格法蘭螺栓為例,，針對同一規(guī)格不同表面處理要求,，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過橫向振動實驗探究了幾種不同摩擦系數(shù)螺栓的防松特性,，為該規(guī)格的高強度連接螺栓的摩擦系數(shù)設(shè)計,、選定提供有意義的參考。
緊固件的各種防松方式
相互配合的螺紋之間受到的是一種復合力的作用,，為了分析方便,，以矩形螺紋作為研究對象。螺紋副中,，螺母所受到的軸向載荷Q沿螺紋各圈平均分布,，為便于分析，用集中載荷Q代替,，并設(shè)Q作用在中徑為d2圓周上的一點,。將矩形螺紋沿中徑d2展開,，得到斜角等于螺紋升角的斜面。當螺母相對于螺桿等速旋轉(zhuǎn)時,，可看作一個滑塊（螺母）沿著斜面作等速滑動,，如圖1。擰緊螺母時,，相當于水平推力F推動滑塊沿斜面向上滑動,，它的作用方向與d2的圓周相切，運動過程中還受到接觸面的摩擦力Ff,、軸向載荷Q,。
當螺母勻速擰緊時（滑塊勻速升），根據(jù)勻速條件得知滑塊所受到的合力為零,，及作用在滑塊的各力平衡,。根據(jù)封閉三角形原理，得到平衡方程：勻速擰松螺母時,，相當于水平推力F推動滑塊沿斜面勻速向下運動,，此時摩擦力Ff反向，則作用在滑塊的各力平衡,，根據(jù)封閉三角形原則,，得到平衡方程。其中松弛是指緊固件裝配完成后,，整體結(jié)構(gòu)處于靜止狀態(tài)下，在5～10 min內(nèi)緊固件的夾緊力會出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象,，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕變兩大原因引起的：松動是指緊固件在轉(zhuǎn)配完成后,，緊固件結(jié)構(gòu)受到一定時間的交變載荷后，螺母與螺栓之間發(fā)生了顯著的相對轉(zhuǎn)動,，預緊力下降直到預緊力消失的現(xiàn)象,。摩擦系數(shù)作為螺紋緊固件重要的設(shè)計參數(shù)，直接影響這螺紋緊固件的防松性能,。根據(jù)前文螺紋受力分析可知：由于螺紋升角的作用,，擰緊螺母所需力矩T1和擰松螺母所需要的力矩T2不同，一般情況下擰松力矩為擰緊力矩的80%左右,。那么,，擰松力矩越大，則螺栓松動的可能性就會越低,，即螺栓防松的效果越好,。擰松扭矩公式如下：當螺紋的類型確定（螺紋升角確定）、工況條件確定（Q確定）的前提下，擰松力矩與摩擦系數(shù)成正相關(guān),這里需要考察是的T2絕對值的大小,，即在一定的范圍內(nèi)摩擦系數(shù)越大,，其擰松力矩越大，對應(yīng)螺栓的防松性能相對越好,。從上述理論分析可以看出,，摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個重要因素。為了進一步探究螺栓的摩擦系數(shù)對其防松性能的影響規(guī)律,，在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了如下實驗,。
本文研究的對象是摩擦系數(shù)對高強度螺栓防松性能的影響分析，因此選取的實驗樣件型號為M10*1.25*65-8.8,，頭部形狀均為六角頭法蘭面,，唯一區(qū)別是各組之間螺栓的表面處理不同（決定摩擦系數(shù)的差異），具體的材料信息見表1,。
整個實驗過程中所用到的實驗樣件均由同一個生產(chǎn)廠家提供,，保證材料、加工工藝等方面的一致性：實驗環(huán)境始終保持在常溫（出現(xiàn)個別天氣變化的情況要更改實驗進度計劃）,；實驗儀器中選擇的頻率為12.5 Hz,，空載振幅為±0.8 mm；實驗終止條件為振動時間達到120s或者殘余軸向力減少至零,。本實驗利用橫向振動試驗機,，該試驗機可以測量出螺栓擰緊過程中的夾緊力、螺紋副上的扭矩以及分階段測出軸向力的變化,，并對軸向力衰減做出一個實時反映,。實驗采用的方法是單一變量的原理，整個實驗過程中唯一的變量是螺栓的摩擦系數(shù)（由表面處理不同來體現(xiàn)）,。實驗共分為4組,，每組各做10次實驗，每次實驗都要更換新的樣件及工裝夾具,。每組實驗保證在初始軸向力相同的情況下（19.5 kN）,，分別記錄30s、60s,、90s、120s的軸力變化,，最終獲得各組螺栓的軸力殘余比,。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的分析和對比可以判定緊固件的防松性能。在實驗過程中,，夾緊力衰減的越慢（殘余比越大）,，防松性能越好；反之,，夾緊力衰減越快（殘余比越?。?，防松性能越差。1）對實驗數(shù)據(jù)進行整理,，得到不同摩擦系數(shù)的螺栓在振動過程中各監(jiān)測點的殘余軸向力均值,，如表2。通過表2可以得出,，隨著實驗時間的推移,，各組螺栓的殘余軸向力都有不同程度的衰減，且當摩擦系數(shù)由0.25降至0.12時,，對應(yīng)的軸力殘余比也依次降低,，根據(jù)前面的分析可得，其對應(yīng)的螺栓防松性能也依次下降,。2）為了能更加直觀地表現(xiàn)出螺栓所受軸向力衰減與摩擦系數(shù)的關(guān)系,，對實驗數(shù)據(jù)進行整合處理，得到各監(jiān)測點殘余軸向力與初始軸向力百分比的平均值,，如表3,；并將不同摩擦系數(shù)下的各監(jiān)測點軸力殘余比擬合成了四條曲線，如圖2,。圖2 不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測點軸力殘余比變化趨勢通過表3對四種摩擦系數(shù)下得到的螺栓實驗數(shù)據(jù)的對比,，以及圖2表示的不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測點軸力比的變化趨勢，可以得出以下測試結(jié)果,。對于高強度螺栓（強度等級≥8.8）緊固過程中,，在保證擰緊的前提下（初始軸向力一般為屈服軸向力的75%左右），以上四種摩擦系數(shù)的螺栓最終的軸力殘余比均≥80%,，可見以上四組螺栓均具有一定的防松能力,，但防松的性能有一定的差異；以上4種摩擦系數(shù)的螺栓在經(jīng)歷120s的橫向振動后,，軸向力都有衰減的趨勢,，但4組螺栓的軸力衰減程度不同。摩擦系數(shù)高（0.25）的螺栓,，在到達30s過后,，衰減曲線幾乎趨于水平，軸力衰減相對較平緩,，防松性能較好,；摩擦系數(shù)低（0.12）的螺栓，經(jīng)歷120s的實驗過程中,，衰減曲線始終呈現(xiàn)坡度下降的趨勢,，軸力衰減相對較快，防松性能相對較低。通過理論分析,，得出摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個關(guān)鍵性因素,。摩擦系數(shù)較高時，螺栓的防松性能相對較好,，即在防松方面的連接可靠性較高,；反之，摩擦系數(shù)較低時,，螺栓防松性能相對較差,，即在防松方面的連接可靠性相對較低。當然,，影響螺栓防松性能的因素不單是摩擦系數(shù),，同樣摩擦系數(shù)也不單只對螺栓防松性能起作用，它對螺栓擰緊過程中的扭矩系數(shù),、扭矩的轉(zhuǎn)換等也有直接關(guān)系,。總之，摩擦系數(shù)的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題,，本文只針對摩擦系數(shù)對螺栓防松性能的影響做了詳細的研究分析,，具體螺栓摩擦系數(shù)的最終選取需要在此基礎(chǔ)上，根據(jù)螺栓的型號,、使用場合等因素綜合考慮,。
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