⚡ Key Takeaways（结论先行）
- 弹簧垫圈几乎没有防松效果——Dravid、Pinelli 等多项 Junker 试验表明，弹垫上的螺栓预紧力甚至比无垫圈时更低；德国标准体系（DIN/NAS）在最新修订中已不再推荐弹垫用于动态载荷工况。
- 防松能力第一梯队：螺纹胶（化学锁固）与有效锁紧力矩螺母（尼龙螺母、全金属锁紧螺母），在标准 Junker 试验中预紧力保持率最高。
- 第二梯队：Nord-Lock 类楔形垫圈、双螺母（正确拧紧顺序）、偏心螺母、SMA 形状记忆合金螺母。
- 平垫圈防松效果可忽略——它只保护被连接件表面，不防松；不要把"加平垫"当成防松措施。
- 双螺母必须按顺序拧：先拧下螺母到规定扭矩并保持，再反向拧上螺母；顺序错了防松能力约等于零。
- 尼龙螺母在 120°C 以上持续受热时尼龙环会蠕变失效——高温工况必须用全金属锁紧螺母或螺纹胶。
- 预紧力 × 摩擦系数 × 横向振动幅值 三者共同决定松脱速度；仅靠换防松件、不提高预紧力，往往事倍功半。
- 真正的选型不是选"最防松的件"，而是在防松能力、可拆性、成本、温度、装配可达性之间做平衡——本文给出 7 步决策框架。
1. 为什么要写这篇文章：两次真实事故
2. 螺纹为什么会松：先把机理讲透
3. 7 种传统防松结构逐一拆解
4. 3 种新型防松结构
5. 三张对比表（工程师可直接抄走）
6. 7 步选型框架
7. 工程师最常踩的 6 个坑
8. FAQ（10 个真实工程问题）
9. 参考标准与文献
1. 为什么要写这篇文章：两次真实事故
2010 年 6 月，深圳东部华侨城"太空迷航"（Space Loos）项目发生一起设备坍塌事故，造成 6 死 10 伤。事后事故调查报告指出：事故的直接原因是连接螺栓疲劳断裂，而螺栓断裂的起点是螺纹连接在循环载荷下松动，导致应力集中在螺纹根部。
2007 年，英国一列高速列车发生脱轨。北航 Gong 等人在综述论文中引用该事故：车轮接触面的循环载荷导致螺母从螺栓上松脱分离，是脱轨的直接诱因之一。
这两起事故有一个共同点：用的都是带弹簧垫圈的普通螺栓。在工程师圈里，"弹垫防松"几乎是肌肉记忆，但从 1969 年 Junker 提出横向振动松脱理论开始，过去 50 年的大量试验已经证明：弹垫在真实横向振动工况下的防松能力，远低于多数人的直觉。
本文基于北京航空航天大学 Hao Gong、Jianhua Liu 等人 2021 年发表在 Chinese Journal of Aeronautics 上的综述论文《Review on anti-loosening methods for threaded fasteners》，结合 NASA-STD-5020、ISO 16047 与国内 GB/T 3098、GB/T 10431 等标准，把 10 种主流防松方案的真实表现讲透，给工程师一张能直接对照图纸做决策的表。
2. 螺纹为什么会松：先把机理讲透
很多工程师以为"螺纹松了就是螺母自己转了"。实际上，螺纹松脱是一个分阶段的过程。
2.1 预紧力是紧固件的生命线
螺栓拧紧后，被连接件受压、螺栓受拉，这个拉力就是预紧力 Fv。只要 Fv 保持住，连接件就不会相对滑动，螺纹副之间也不会发生回转。松脱的本质不是螺母转了，而是预紧力先掉到某个临界值以下，然后螺纹副才开始回转。
预紧力下降有两条路径：
- 弹性松弛 / 嵌入松弛：被连接件表面微观凸起被压平、接触面蠕变，几分钟到几天内 Fv 自然下降 5%–20%。
- 横向振动导致的回转松脱：Junker 1969 年经典试验证明，当被连接板发生垂直于螺栓轴线的横向相对位移时，螺纹面和支承面的摩擦力会瞬间消失，螺栓在螺纹升角作用下自动松转。这是最危险、也是最常见的松脱形式。
2.2 Junker 试验：防松能力的统一考场
今天评价一种防松件好不好，基本都用 Junker 横向振动试验（DIN 65151 / ISO 16130 / GB/T 10431）。试验装置是一个偏心轮驱动上下板横向相对振动，螺栓穿过两块板，传感器实时记录预紧力 Fv 随时间的变化。
评价指标是预紧力保持率：振动 2000 次循环后，剩余 Fv / 初始 Fv 的比值。比值越高越好。
2.3 影响松脱速度的 5 个变量
- 初始预紧力 Fv：越高越不容易松，但不能超过屈服极限。
- 螺纹与支承面摩擦系数 μ：μ 越高，螺纹副越不容易回转；但 μ 离散会让预紧力预测变得不准。
- 横向振动幅值：板间相对滑移量越大，越容易松。
- 夹紧长度 L 与螺栓直径 d 的比值：L/d 越大，螺栓柔度越大，越能吸收振动；L/d < 3 时几乎必松。
- 被连接件刚度：高刚度（厚钢板）比低刚度（薄板、铸件）更容易传递横向滑移。
3. 7 种传统防松结构逐一拆解
3.1 平垫圈（Plain Washer）
平垫圈的作用是：① 增大支承面，减小压应力；② 保护被连接件表面不被螺母旋转划伤；③ 遮盖过大的安装孔。它本身没有任何防松能力。
Pinelli 等人 2012 年的试验显示：用与不用平垫圈，螺栓在 Junker 试验中的预紧力保持率几乎一致。所以不要把"加平垫"当成防松措施，它只是表面保护。
3.2 弹簧垫圈（Spring Washer / 弹垫）
这是被高估最严重的零件。弹垫的设计初衷是依靠切口尖角嵌入支承面产生弹性张力。但实际试验结果打脸：
- Dravid 等人（2012）：带弹垫的螺栓，预紧力下降速度比无垫圈还快；原因是弹垫切口在支承面上产生的应力集中，反而加速了局部滑移。
- Pinelli 等人：在 24 个月的车辆服役跟踪中，带弹垫的接头没有一例保持住有效预紧力。
- 弹垫切口边缘在反复振动下会划伤被连接件表面，形成腐蚀起点。
3.3 碟形弹簧垫圈（Belleville Washer）
碟垫是圆锥形弹簧垫圈，依靠弹性变形提供持续的弹性补偿。它的真实作用是补偿弹性松弛——当被连接件发生嵌入松弛时，碟垫继续张开维持夹紧力。Sawa 等人的 FEA 研究表明，在热胀冷缩差异大的接头（铝-钢、双金属）里，碟垫能显著降低预紧力损失。
但要注意：碟垫不能阻止横向振动导致的回转松脱。它适合温度循环工况（发动机排气管、换热器），不适合持续横向振动工况（转向架、筛板）。
3.4 楔形锁紧垫圈（Nord-Lock 类）
这是过去 20 年在风电、轨交、矿山领域渗透率最高的方案。一对垫圈，外表面是放射状齿纹，内表面是楔形斜面，且楔形角 α 大于螺纹升角 β。
原理：当螺栓试图反转松脱时，两个垫圈的楔形斜面会把螺栓"抬起来"，因为 α > β，螺栓被抬起需要的轴向力比螺纹松转能释放的轴向力还大，结果就是越想松，越紧。
Misiek（2017）、Lai 等人的 FEA 研究都验证了：楔形垫圈在标准 Junker 试验中，预紧力保持率可以达到 80% 以上，远高于弹垫。它的短板是：① 成本高（一对 Nord-Lock 约为弹垫的 20–50 倍）；② 大规格垫圈对支承面平整度要求高；③ 不可用于通孔间隙过大的场合。
3.5 锯齿垫圈（Serrated Washer / 内外齿）
内外齿垫圈靠锯齿嵌入支承面产生机械锁死。它在软质材料（铝、塑料、薄板）上效果不错，因为锯齿能咬入；但在淬火钢、高强钢上，锯齿反而被磨平，防松能力急剧下降。
注意：锯齿垫圈会严重破坏被连接件表面，需要防腐的场合（喷涂件、阳极氧化件）慎用。
3.6 双螺母（Double Nut）
双螺母靠上下两个螺母相互压紧，在螺纹副之间产生附加的正压力。但 90% 的现场双螺母都拧错了顺序。
正确顺序（NASA-STD-5020 推荐的行业通用做法）：
- 下螺母（power nut）拧到规定扭矩并用扳手固定住；
- 上螺母（slave nut）反向拧到下螺母上，直到两个螺母完全贴合；
- 再用两个扳手同时反向拧紧，使两螺母之间产生 30%–50% 屈服极限的轴向力。
Zhang 等人（2019）的试验表明：顺序正确的双螺母，预紧力保持率比错误顺序高 3 倍以上。顺序错误时，双螺母和单螺母几乎没区别。
3.7 尼龙锁紧螺母（Nyloc Nut）与全金属锁紧螺母
尼龙螺母在螺母顶端嵌入一圈尼龙环，螺栓拧入时尼龙环被胀开，产生附加摩擦力。它结构简单、可拆、成本低，是汽车、电子行业最常用的防松螺母。
致命短板：温度。尼龙环在 120°C 以上持续受热时会发生蠕变，锁紧力在几百小时内衰减 50% 以上。所以发动机排气管、制动系统、炉膛附近不能用尼龙螺母。
全金属锁紧螺母（Prevailing Torque Nut）通过在螺母顶端加工出非圆形（椭圆、开槽、收口）来产生锁紧力矩。代表是美国 Spiralock（施必牢）的三角牙螺纹、ASTM A194 Grade C 全金属锁紧螺母。它能在 250°C 下长期工作，但不能重复使用超过 5–10 次。
4. 3 种新型防松结构
以下方案在国内航空、航天、机器人行业渗透率正在快速上升。
4.1 扭曲螺纹锁紧螺母（Deformed Thread Nut）
它长什么样？把螺母内螺纹最后 2–3 扣的牙型，从普通的 60° 三角牙改成弧形槽底（约 30° 圆弧）。外观上看和普通六角螺母几乎一样，但拧进去的手感明显更紧——因为螺栓外螺纹牙不是"滑"进去，而是被这个弧形底楔住。
为什么能防松？普通螺母拧紧后，螺纹副之间在牙根处有微小间隙，横向振动时螺栓会在这个间隙里往复滑动，逐渐松转。扭曲螺纹锁紧螺母把接触点从牙根转移到牙顶，从结构上消除了这个径向间隙——螺栓想松转，牙顶就被弧形底顶住。在标准 Junker 试验中预紧力保持率 > 90%，可重复使用 15 次以上，是航空、机器人关节里渗透率上升最快的方案。
4.2 SMA 形状记忆合金螺母
用镍钛形状记忆合金制造螺母，装配时加热到相变温度以上、撑大内径后套入螺栓，冷却后自动收缩抱紧。预紧力比普通螺母高 30% 以上，但成本极高，目前只在航空发动机关键部位小批量使用。
4.3 螺纹胶（Thread Locker，化学锁固）
严格说螺纹胶不是机械结构，而是化学锁固。代表产品是 Loctite 243（中强度）和 263（高强度）。它靠厌氧胶在无氧环境下聚合，把螺纹副粘成一体。
Cheatham、Dattilio 的试验都表明：在所有方案中，螺纹胶的预紧力保持率最高，且对被连接件表面无破坏。短板是：① 需要清洁表面（油污会显著降低粘接强度）；② 中强度（243）可用扳手常温直接拆卸，不需要加热；高强度（263）固化后为永久锁固，需加热到 150°C 以上或钻除；③ 不适合 > 150°C 长期工况。
5. 三张对比表（工程师可直接抄走）
表 1：10 种防松方案在 Junker 试验下的综合排序
数据来源：Gong et al. 2021 Table 2，标准 Junker 试验（DIN 65151），2000 次横向循环。
| 梯队 | 方案 | 预紧力保持率 | 可拆性 | 耐温 | 相对成本 |
|---|---|---|---|---|---|
| 第一梯队 （最优） | 螺纹胶（Loctite 243/263） | > 90% | 243 常温可拆 / 263 永久 | -55 ~ 150°C | ★ |
| 有效锁紧力矩螺母（全金属 / 尼龙） | 70%–90% | 可拆 5–15 次 | 尼龙 120°C / 金属 250°C | ★★ | |
| 第二梯队 | 扭曲螺纹锁紧螺母（弧形槽底） | 80%–90% | 可拆 15 次 | 250°C | ★★★ |
| 楔形垫圈（Nord-Lock 类） | 70%–85% | 完全可拆 | 250°C | ★★★★ | |
| 双螺母（正确顺序） | 60%–80% | 完全可拆 | 300°C | ★★ | |
| SMA 形状记忆合金螺母 | 85%+ | 不可拆 | 取决于合金 | ★★★★★ | |
| 第三梯队 （一般） | 碟形弹簧垫圈（Belleville） | 补偿松弛，不抗回转 | 完全可拆 | 300°C | ★★ |
| 锯齿垫圈（软材料有效） | 40%–60% | 完全可拆 | 200°C | ★ | |
| 偏心螺母 / 自锁螺母 | 50%–70% | 可拆 | 200°C | ★★ | |
| 不推荐 | 弹簧垫圈（弹垫） | < 30%，甚至更差 | 完全可拆 | 200°C | ★ |
| 平垫圈（纯表面保护） | ≈ 0（不防松） | 完全可拆 | 300°C | ★ |
表 2：典型工况推荐方案
| 工况 | 首选方案 | 备选方案 | 不要用 |
|---|---|---|---|
| 汽车底盘、悬架、转向节 | 楔形垫圈 + 10.9 级螺栓 | 全金属锁紧螺母 | 弹垫、尼龙螺母（近排气管） |
| 发动机排气管、涡轮 | 高温螺纹胶 + 碟垫 | 全金属锁紧螺母（250°C 级） | 尼龙螺母、弹垫 |
| 风机叶片、风电塔筒法兰 | 楔形垫圈 + 扭矩螺栓 | 螺纹胶 + 涂钼二硫化钼 | 弹垫、普通尼龙螺母 |
| 3C 产品、消费电子外壳 | 尼龙螺母 / 压铆螺母 | 螺纹胶 222（低强度） | 弹垫（占空间） |
| 轨交转向架 | 双螺母（正确顺序）+ 开口销 | 楔形垫圈 | 弹垫 |
| 人形机器人关节 | 扭曲螺纹锁紧螺母 + 螺纹胶 | 楔形垫圈 | 弹垫 |
| 铝合金薄壁件 | 锯齿垫圈（嵌入软材料） | 尼龙螺母 | 平垫圈（压陷） |
| 需要频繁拆卸维护 | 楔形垫圈 / 全金属锁紧螺母 | 双螺母 | 高强度螺纹胶（拆不下来） |
表 3：成本-性能权衡
以"弹垫 + 普通螺母"为基准 1×，其他方案按倍数对比；不指定具体单价，便于按自身采购价核算。
| 方案 | 相对成本（以弹垫为 1×） | 寿命周期可拆性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 弹垫 + 普通螺母 | 1×（基准） | 无限 | 无振动静载 |
| 尼龙螺母 | 约 4× | 5–10 次 | 消费电子、家电 |
| 全金属锁紧螺母 | 约 12× | 5–10 次 | 汽车、轨交 |
| 楔形垫圈（一对） | 约 30–75× | 无限 | 风电、轨交、重型机械 |
| 扭曲螺纹锁紧螺母（弧形槽底） | 约 40–100× | 15 次 | 航空、机器人关节 |
| 螺纹胶（每点耗材） | 约 1.5× | 243 常温可拆 / 263 永久 | 几乎所有工业场景 |
| SMA 形状记忆合金螺母 | 1000× 以上 | 不可拆 | 航空发动机关键部位 |
6. 7 步选型框架
工程师拿到一张图纸，按这 7 步走一遍，基本不会选错。
Step 1：判断有没有横向振动
用手晃一下被连接件，如果相对位移肉眼可见（> 0.1mm），或者工况是旋转机械、轨道车辆、路面车辆、风机——直接排除弹垫和平垫圈，进入下一步。
Step 2：确定温度区间
- ≤ 120°C：尼龙螺母可用；
- 120–250°C：必须用全金属锁紧螺母、楔形垫圈或高温螺纹胶；
- > 250°C：碟垫 + 高温螺纹胶，或全金属锁紧螺母（Inconel 材质）。
Step 3：确定是否需要频繁拆卸
- 需要频繁拆（维护口、盖板）：选楔形垫圈、全金属锁紧螺母、双螺母；
- 永不拆（结构件）：选高强度螺纹胶；
- 偶尔拆（季度/年度维护）：选中强度螺纹胶 243。
Step 4：评估被连接件材料
- 铝、塑料、薄板：锯齿垫圈或尼龙螺母，避免平垫圈压陷；
- 淬火钢、高强钢：楔形垫圈或螺纹胶，锯齿垫圈会被磨平；
- 铸铁：平垫圈 + 锁紧螺母，铸铁表面多孔，需要平垫分散压力。
Step 5：核算夹紧长度 L/d
L/d < 3 时，螺栓柔度不足，任何机械防松件都救不了，必须：① 加套筒增加夹紧长度；② 改用更长螺栓；③ 加螺纹胶。
Step 6：预算与批量
按表 3 的相对成本档位选：低成本档（1–2×）选弹垫+螺母或螺纹胶；中成本档（4–12×）选尼龙/全金属锁紧螺母；高成本档（30–100×）选楔形垫圈或扭曲螺纹锁紧螺母；极端工况（航空发动机）才考虑 SMA 形状记忆合金螺母。
Step 7：打样验证
选定方案后，按 GB/T 10431（横向振动试验）或 ISO 16130 做 2000 次循环测试，预紧力保持率 > 60% 才能批量放行。不要凭供应商样本上的曲线直接放行——自己打样测一次，是最省钱的保险。
7. 工程师最常踩的 6 个坑
真相：弹垫在横向振动下基本无效，且会划伤表面。90% 的汽车底盘、风电法兰已经取消弹垫。
真相：顺序错了防松能力为零。必须下螺母固定、上螺母反拧，再对锁。
真相：> 120°C 持续受热，尼龙环蠕变，500 小时后锁紧力衰减 50%。
真相：表面有油时，螺纹胶粘接强度下降 70% 以上。必须用工业酒精或清洗剂擦净螺纹。
真相：摩擦系数 μ 的离散（0.10–0.18）会让同样扭矩下的预紧力波动 80%。重要接头必须用扭矩-转角法或超声螺栓轴力计。
真相：预紧力不足才是松脱的根本原因。Fv 没打到屈服极限的 60%–70%，用什么件都白搭。先算预紧力，再选防松件。
8. FAQ（10 个真实工程问题）
Q1：弹垫真的可以全部取消吗？有没有例外？
静载、无振动、非安全关键的场合（内部装饰板、低载荷盖板），弹垫还能用。一旦涉及动态载荷、人身安全、维修成本高的部位，全部替换为楔形垫圈或螺纹胶。
Q2：楔形垫圈（Nord-Lock）是不是越厚越好？
不是。楔形角 α 必须严格大于螺纹升角 β，且配对使用。单只使用没有任何效果。大规格（> M16）建议选带钢索标记的型号，方便巡检。
Q3：尼龙螺母能用几次？
行业共识是 5–10 次拆装。每次拆装都会让尼龙环被撑大一点，锁紧力矩衰减。航空件通常规定拆装 3 次必须报废换新。
Q4：螺纹胶 222、243、263 怎么选？
222：低强度，< M6 小螺钉、可调位置；243：中强度，可拆，< M20 通用；263：高强度，> M20 永久锁固。选小不选大——选错了拆不下来。
Q5：铝合金上用什么防松？
铝合金螺纹孔强度低，不建议用螺纹胶（拆的时候会把铝螺纹一起带出来）。推荐锯齿垫圈嵌入软材料、或者直接用钢丝螺套（CoilSert）加强螺纹后再加尼龙螺母。
Q6：不锈钢螺栓能配弹垫吗？
不能。不锈钢螺栓和不锈钢弹垫之间会发生咬合（galling），拧的时候咬死，拆的时候断螺栓。不锈钢必须配全金属锁紧螺母或涂层垫圈。
Q7：预紧力打到屈服极限的 70% 会不会断？
不会。ISO 898-1 规定 8.8 级螺栓屈服强度 640MPa，推荐预紧力为屈服的 60%–75%。打到 90% 以上才有断裂风险。
Q8：高温 300°C 以上用什么？
Inconel 718 螺栓 + 碟形弹簧垫圈 + 二硫化钼润滑。普通螺纹胶在 150°C 以上开始软化，尼龙螺母 120°C 就废了。
Q9：防松螺母可以重复使用吗？
全金属锁紧螺母可以用 5–10 次；尼龙螺母 5 次；扭曲螺纹锁紧螺母 15 次；楔形垫圈无限次；螺纹胶基本是一次性。
Q10：怎么知道现场螺栓有没有松？
巡检时用记号笔在螺母和被连接件之间画一条对位点线。线错位了就是松了。重要接头加装螺栓拉伸指示器（可供应变片测量）或变色漆。
9. 参考标准与文献
国家标准
- GB/T 3098.1 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱
- GB/T 10431 紧固件横向振动试验方法
- GB/T 94.3 弹性垫圈技术条件 鞍形、波形弹性垫圈
- GB/T 6184 1 型全金属六角锁紧螺母
- GB/T 889.1 1 型非金属嵌件六角锁紧螺母
国际标准
- ISO 898-1 Mechanical properties of fasteners
- ISO 16047 Fasteners — Torque/clamp force testing
- ISO 16130 Fasteners — Performance test for prevailing torque type
- DIN 65151 航空航天系列 螺纹连接件防松性能试验
- NASA-STD-5020 Requirements for Threaded Fastening Systems
核心文献
- Gong H, Liu J H, Feng H H. Review on anti-loosening methods for threaded fasteners. Chinese Journal of Aeronautics, 2021. DOI: 10.1016/j.cja.2020.12.038
- Junker G H. New criteria for self-loosening of fasteners under vibration. SAE Automotive Engineering, 1969, 78:314–335.
- Dravid S, Tripathi K, Chouksey M. Experimental study of prevailing torque locking behavior of plain and spring washers. Int J Eng Res, 2012.
- Pinelli M, Subramanian C, Tabor J. Experimental study of breakaway high ignition signature. Transport Res Rec, 2012.