一、拧紧过程中的能量分配与储存机制

1、扭矩分配与能量转化机制

当对螺栓执行拧紧操作时，所施加的扭矩会主要转化为以下三种形式的能量：

⭕️预紧力做功（占比约10%）：此部分能量促使螺栓杆部发生轴向拉伸，进而储存弹性应变能，并产生所需的预紧力效果。

⭕️螺纹副摩擦耗能（占比约40%）：该部分能量主要消耗在螺纹接触面的摩擦过程中，摩擦产生热量，并最终以热量的形式释放出去。

⭕️螺栓头下摩擦耗能（占比约50%）：此部分能量则消耗在螺栓头/螺母与被连接件接触面的摩擦上。

在拧紧流程中，螺栓的杆部会因螺纹扭矩的作用而产生扭转现象，这种扭转所储存的能量同样属于弹性应变能的范畴，且仅占总能量的一小部分（与拉伸应变能同时存在），其具体大小可通过定量方式表示为：

其中，T 代表扭矩，l 代表杆长，G 代表剪切模量，Ip 代表截面极惯性矩。

因此，在完成拧紧操作后，这部分能量会储存在螺栓的杆部之中。这部分扭矩是经由螺纹扭矩传递而来的，所以，大致可将其认定为螺纹扭矩。通常情况下，螺纹扭矩小于或等于螺栓支撑面扭矩，所以，这一扭矩不会立刻消散。

不过，依据 VDI 2230 标准规定，在拧紧作业完成后，当螺栓受到外部载荷作用，尤其是受到剪切载荷时，该扭转剪切应力会降低，甚至可能降至 0。然而，出于保守计算的考量，一般仍假定其保留有拧紧时螺纹扭矩的 50%。

分析表明，这部分能量会于螺栓头与螺纹部分的接触界面处逐步耗散，不过从微观层面观察，基本无法察觉螺栓头与螺纹之间存在相对转动。

2、扭转能量的存储形态

杆部于拧紧过程中，会同时承受拉伸方向的正应力以及扭转方向的剪应力，进而形成复合应力状态。扭转应变能以弹性势能的形式留存于材料内部，从理论层面来讲，在拧紧动作停止后，其存在释放的可能性，就如同将弹簧所储存的能量释放出来一般。

二、扭转能量释放是否导致螺栓反松？

1、能量释放的延迟与分散

⭕️以摩擦力为主导的能量分散：当拧紧动作停止的刹那，螺纹副以及支承面的静摩擦力会迅速平衡掉残余的扭转应力，有效阻止因能量释放而引发的回转现象。实验数据显示，若摩擦系数足够大（普遍认为支撑面摩擦扭矩高于螺纹扭矩，基本可判定不会产生大幅回弹，不过在实际操作中，确实观察到某些螺栓连接在套筒停止拧紧的瞬间，套筒会出现轻微回弹，不知大家是否也有类似发现？），扭转回弹量可忽略不计。

⭕️回弹效应的局限性：即便存在微量的弹性回弹（例如小于0.5°），其回弹角度也远小于引发轴向预紧力显著下降的临界值（例如，通常拧紧一个螺栓需要旋转50°甚至更大角度，因此，这种微量回弹基本上可视为微不足道）。

⭕️预紧力确实会出现下降情况：在使用超声波测量螺栓预紧力的过程中，发现了这一问题。即在螺栓拧紧完成后，持续对其进行预紧力测量，结果发现螺栓的预紧力会持续下降。经分析，一方面认为这是由于拧紧后螺栓产生的热量逐渐消散，温度下降导致测试得到的预紧力降低；另一方面，是否就是上述现象所致呢？即拧紧完成后的瞬间，螺栓逐渐释放扭转弹性变形，进而造成预紧力下降。不过，通常情况下，这种预紧力下降幅度不会太大，约占拧紧时预紧力的2%以内。

2、松动的主要诱因为界面滑移，并非能量释放

理论与实验研究均明确表明，螺栓出现松动的主要原因是接触界面发生微观滑移（例如螺纹副之间或支承面之间产生的往复微动），而非杆部能量释放。举例如下：

⭕️当横向振动致使支承面出现滑移时，螺纹副会逐渐以“步进式”的方式旋转松弛。

⭕️有限元模拟结果表明：若支承面的摩擦力矩小于螺纹副的摩擦力矩，在扭转载荷的作用下，螺栓更容易发生松动。

⭕️由此可见，杆部能量释放所引发的扭转回弹，不会对螺栓的预紧力产生极为显著的影响。

3、反向扭矩需突破静摩擦阻碍

杆部所储存的扭转能量若要转化为反向扭矩，T反向≈T拧紧，不过此反向扭矩必须大于接触面的静摩擦力矩，才能够驱动螺栓回转。在实际状况中，拧紧结束后要克服静摩擦，而静摩擦力矩通常会大于拧紧时的动摩擦力矩，所以可以说始终满足 M摩擦>T反向，因此螺栓一般不会出现自发性反松的情况。

三、工程措施与实验研究

1、提升防松性能的核心要素

⭕️增大摩擦系数：提升螺纹或支承面的摩擦系数（例如减少润滑措施），能够显著增强防松扭矩。实验数据显示，处于无润滑状态下的螺栓，其残余预紧力衰减率（8%）明显低于润滑状态（31%）。

⭕️改进头部构造：六角法兰面螺栓由于增大了支承面的摩擦半径，具备最佳的防松性能（残余力衰减仅为6~12%）。

▲表：各类头部结构螺栓的防松性能对照

2、弹簧垫圈作用的争议性探讨

实验结果表明，在预紧力较小的情况下，弹簧垫圈能够提供一定程度的防松效果；然而，在高强度螺栓（例如8.8级）中，弹簧垫圈可能会因降低接触稳定性，进而削弱防松效能（使用弹簧垫圈时残余力衰减为10%，而使用平垫圈时为8%）。

3、扭转回弹的能量释放情况

基于上述分析可以认为，因扭转而在螺栓杆部产生的能量，不会对预紧力产生显著影响。

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