本文来源：知乎日报

作者 / 郑击波

碰到了我的老本行，博士就是干这个的，所以应该有发言权吧。

首先，目前已经有的高赞回答都没有说错，那就是使用带紧固件的螺栓可以有效防止螺栓松动。但是距离真正航空航天中存在的连接结构松动问题还是挺远的，因为这在绝大部分时候就不是螺栓防松的事情。

螺栓是怎么压紧物体的？

下图就是最简单的螺栓连接结构，中间的那个物体就是螺栓，由螺母、螺杆和垫片组成。螺栓的作用就是把两个原本分离的零件（图中的被压紧件）压在一起，让他们在工作过程中尽可能保持一体。为了方便表示，可以暂时不考虑垫片的作用，只看螺母和螺杆。

螺栓连接结构

那么第一个问题就来了：为什么通过拧螺母可以让螺栓产生压紧作用？

从下图可以很容易理解这个问题。如图所示，我们先把螺栓和被压紧分开，单独拧紧螺母。我们发现，拧紧螺母、让螺母顺着螺纹一路下滑的过程，实际上是在控制螺栓两个接触面之间的距离，而当把螺母拧到一定位置的时候，这两个接触面之间的距离会小于被压紧件的厚度。

拧动螺母的本质

于是，为了把比较短的螺栓安装到被压紧件上，那么无疑就要把螺栓给“抻长”。

要说汉语里面的这个“抻”字确实很传神，因为你把一个带有弹性的物体“抻”长的时候，这个物体也会反过来给你一个弹性恢复力，而这个弹性恢复力，就是螺栓能够压紧零件的关键所在。专业点儿说，这种由于螺栓预变形而产生的弹性恢复力，就是螺栓的预紧力。

螺栓压紧零件的原理

显然的，螺母旋入的圈数越多，就意味着这个螺栓会被“被压紧件”抻得更长，也就表明螺栓给被压紧件的压紧力就会越大，这也是为什么螺母旋的圈数越多，螺栓产生的预紧力就越大。而反过来说，如果我们通过拧紧螺栓，使得螺栓产生特定的预紧力压紧零件，那么一旦螺母松了，螺栓产生的预紧力就会减小，使得连接结构松动。

螺栓预紧力与拧紧圈数的关系

上面就是螺栓能够产生预紧力的基本原理。这也解释了，为什么螺栓一定要防止螺母松脱，因为螺母松脱必然会影响螺栓的预变形，带来整个连接结构的松动。

螺栓防松确实是一门学问，但是格局还是小了

为了防止连接结构松动，所以必须要对螺栓做防松的处理。比如说止动垫圈、上锁片这些方式，都是防止螺栓中的螺母松动的。详细的可以见@那圈年轮 的答案，说的比较全面了，图也比较好，我就不赘述了。下面是北京理工大学丁晓宇老师的 PPT，各种防松方法总结的比较全面，比如说日本哈德洛克公司的偏心双螺母，或者楔形螺纹的螺母等等，这些都是螺栓防松的一些新方法。

偏心双螺母

楔形螺纹的螺母

但是，连接结构松动，只是由于螺母松脱引起的吗？这个问题才是最要命的。事实上，即便你把螺杆跟螺母之间的螺纹完全焊死，也没有办法阻止航空航天领域螺栓的松动。

螺栓连接结构松动的 N 种方式

刚刚已经解释了，螺栓预紧力产生的原因，是螺栓的两个接触面之间的距离小于被压紧件的厚度，所以被抻长的螺栓会通过弹性恢复力压紧零件。而螺母防松，只是应对了螺栓松动的一种可能引发原因，但是航空航天领域螺栓连接结构的松动方式可是多了去了。

首先，如果螺栓受拉力太大，那么螺杆、螺纹会发生塑性变形，这就意味着螺栓本身的长度增加了，原本 10cm 长的螺栓被活生生拉长为 11cm 的螺栓，但是被压紧件依然是 10.5cm，那么自然螺栓的预紧作用就消失了。这个跟螺母松不松没有任何关系。

然后，你以为螺栓连接结构中的被压紧件就是平平整整地被压住的？其实在实际安装过程中，由于种种原因，被压紧件那是一个歪七扭八，界面根本就没有贴合紧密。

理想与实际的区别

那么无论是在工作过程中，被压紧件发生了变形（位移），或者因为磨损之类的损伤，都会导致螺栓松动。所以说，不是我们不关注螺栓的防松脱问题，而是在航空航天里，松脱之类的问题已经几乎不存在了，我们更加关注的是结构的受力、位移和损伤，这些才是造成连接结构松动的最主要的原因。

压紧件位移和界面磨损导致的螺栓松动

具体可以看我之前写过的一个回答，其中提到了结构设计的三个层次：功能设计、力学设计和可靠性设计，防松脱只是在功能设计层次里面转悠，还没有到上面两个层次，所以我才说，只谈螺母的防松，格局还是小了。

飞机上是怎么考虑连接松动和其他故障的？

飞机装配跟航空发动机的装配有很大的区别，我主要搞发动机装配，所以我说的主要是航空发动机上的事情，但是其中的一些道理是相通的。

解决连接松动的第一个要点是：你一定要承认，松动之类的损伤总会发生、也一直在发生，不存在永不松动脱、永不损伤的连接结构，唯一的问题是，什么条件下、多久才会影响到机械的正常运行。

只要机械开始运转，连接结构位置就开始发生损伤，而且损伤也不仅仅是松动（磨损）。这些损伤可能是一些要用电镜才能观察到的微裂纹，有可能是非常细微的磨损，也有可能是物体表层材料的物理化学性质发生改变，总之，只要机械开动，损伤就开始积累。

但是，损伤不意味着机械不能正常工作，只有在某种损伤积累到一定的程度之后，机械才会以一种特定的形式失效，比如说那些微小的疲劳裂纹可能扩展成大裂纹，最终导致机械零件的断裂；比如说磨损损伤会导致零件的松动，等等。

那么在这种思想的指导下，就需要开展理论和试验研究了。这个里面的内容很复杂，一项一项说清楚不太现实，但是这其中有一个原则，可以简单用一句话概括，那就是：

明明白白地搞清楚，特定的某个位置的连接结构，在机械工作过程中，损伤需要积累多长时间才会引发机械异常。

比如说，就是一架飞机的某个连接结构，通过仿真和试验算出来飞机正常执行飞行任务，6000 次飞机起降之后才会损坏，那么只要这套设计方法和准则足够精确，那么理论上我就可以在这 6000 次起降过程中，不去管连接结构，直到 6000 次满，送去大修就行了。

当然，在现实中，为了保险起见：

1. 会对这个 6000 次除以一个大于 1 的裕度系数，比如说裕度系数为 2，就是 3000 次之内可以不用管这个连接结构；
2. 在地面上安排对连接结构做外场检查，通过一些特殊的仪器来检查一些重要位置的连接结构，重点不是看它松没松，而是看它是否有一些故障征兆；
3. 会在工作状态下对一些关键位置的连接结构做健康监测，通过诸如振动信号来判断连接是否正常，一旦异常就要视情况做维修，甚至于提前返厂；
4. 其他还有很多相关的设计方法，比如说安全性设计，就是保证在极端条件下，即便有一些关键的螺栓断了，整个飞机的安全也不会受到威胁。

总的来说，防止连接结构的异常，主要依靠的是强大的设计能力，辅之以恰当的维护和健康监测能力，当然，这背后最重要的是对连接结构损伤机理和影响的准确把握。

而这一切，绝对不仅仅是加一个防松结构就能够解决的。

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