在現代機械中，緊固件的數量約占機器零件總數量的60%，其中螺紋聯接是機械聯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是重要的設計參數，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，螺栓等效拉應力更容易超過材料的強度極限，此時設計者往往需要提高螺栓的規(guī)格來滿足預緊力的設計要求，造成材料的浪費；
摩擦系數較小的螺栓，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，在理論分析的基礎上，通過橫向振動實驗探究了幾種不同摩擦系數螺栓的防松特性，為該規(guī)格的高強度連接螺栓的摩擦系數設計、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，整體結構處于靜止狀態(tài)下，在5～10 min內緊固件的夾緊力會出現衰退的現象，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配完成后，緊固件結構受到一定時間的交變載荷后，螺母與螺栓之間發(fā)生了顯著的相對轉動，預緊力下降直到預緊力消失的現象。摩擦系數作為螺紋緊固件重要的設計參數，直接影響這螺紋緊固件的防松性能。根據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成正相關,這里需要考察是的T2絕對值的大小，即在一定的范圍內摩擦系數越大，其擰松力矩越大，對應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對其防松性能的影響規(guī)律，在理論研究的基礎上設計了如下實驗。
本文研究的對象是摩擦系數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（由表面處理不同來體現）。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。根據記錄數據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）對實驗數據進行整理，得到不同摩擦系數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，且當摩擦系數由0.25降至0.12時，對應的軸力殘余比也依次降低，根據前面的分析可得，其對應的螺栓防松性能也依次下降。2）為了能更加直觀地表現出螺栓所受軸向力衰減與摩擦系數的關系，對實驗數據進行整合處理，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對四種摩擦系數下得到的螺栓實驗數據的對比，以及圖2表示的不同摩擦系數下各監(jiān)測點軸力比的變化趨勢，可以得出以下測試結果。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種摩擦系數的螺栓在經歷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；摩擦系數低（0.12）的螺栓，經歷120s的實驗過程中，衰減曲線始終呈現坡度下降的趨勢，軸力衰減相對較快，防松性能相對較低。通過理論分析，得出摩擦系數是影響螺栓防松性能的一個關鍵性因素。摩擦系數較高時，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，同樣摩擦系數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、扭矩的轉換等也有直接關系。總之，摩擦系數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，具體螺栓摩擦系數的最終選取需要在此基礎上，根據螺栓的型號、使用場合等因素綜合考慮。
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