90% 的设备故障，从一颗螺栓开始

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在工业生产设备中，紧固件往往被归类为标准件或通用件，常见的紧固件包括螺栓、螺母、螺钉、垫圈、销、铆钉等，似乎只需按规格采购、按图安装即可。然而在现代工业工程体系中，紧固件并非简单的连接零件，而是受到严格标准约束、直接影响设备安全性，并建立在明确工程假设之上的结构单元。

大量设备运行与失效案例表明，紧固连接问题极少源于材料“强度不够”，更多来自于对工程标准理解不足或执行不到位所引发的系统性风险。要真正理解紧固件，必须从零件层面，上升到系统层面与标准层面。

一

紧固连接的本质

从工程力学角度看，工业设备中的螺栓连接并不是依靠螺栓本体承受剪切力来维持结构稳定，而是通过拧紧过程中产生的轴向预紧力，在被连接件之间建立稳定的摩擦力体系。

在理想工况下：

• 外部载荷主要由连接面间的摩擦力承担

• 螺栓本体主要承受相对稳定的拉伸应力

这一工作状态，是绝大多数工业标准默认的设计前提。因此，紧固连接的可靠性核心不在于“拧得多紧”，而在于预紧力是否处于合理区间，并能在服役周期内保持稳定。

在我国与国际标准体系中，紧固件被统一定义为：

用于将两个或多个零部件可靠连接，并在必要时允许拆卸的机械零件总称。

常见基础标准包括：

• GB/T 3098 系列：紧固件机械性能

• GB/T 5780 / 5782：六角头螺栓

• GB/T 6170 / 6175：六角螺母

• GB/T 93 / 97：弹性垫圈与平垫圈

• 对应国际标准为 ISO 898、ISO 4014、ISO 4032 等。

这些标准的核心目的，并非统一外形，而是通过对材料、力学性能与尺寸公差的约束，使紧固件在工程计算中具备可预期、可验证的行为。

二

预紧力

预紧力并不是一个可以随意设定的参数，而是与载荷条件、摩擦特性和安全系数密切相关。

在工程设计中，合理的预紧力需要同时满足三项基本要求：

1. 在最大工作载荷下，连接面不发生滑移

2. 螺栓始终工作在弹性变形范围内

3. 连接系统具备足够的疲劳寿命

无论是 GB 还是 ISO 标准，其基本工程假设高度一致：

• 紧固连接依靠预紧力产生的摩擦力传递载荷

• 螺栓不应作为主要承剪构件

• 绝大多数失效源于预紧力衰减，而非瞬时超载

• 预紧力不足，会导致连接面微滑移，使螺栓逐渐参与交变受力；

• 预紧力过大，则可能引发螺栓屈服、螺纹损伤或被连接件压溃。

因此，紧固件的“安全性”从来不是材料强度的单一函数，而是预紧力、摩擦条件和载荷谱共同作用的结果。

三

强度等级

紧固件的强度等级体系，为工程设计提供了清晰的力学边界。

以常见的 8.8、10.9 和 12.9 级螺栓为例（GB/T 3098.1/ ISO 898-1）：

• 8.8级：抗拉强度 ≥ 800 MPa，屈服强度 ≥ 640 MPa

• 10.9级：抗拉强度 ≥ 1000 MPa，屈服强度 ≥ 900 MPa

• 12.9级：抗拉强度 ≥ 1200 MPa，屈服强度 ≥ 1080 MPa

强度等级越高，允许工作应力越大，但延展性储备越小，对拧紧工艺、摩擦条件和应力集中控制的要求也越严格。

在存在振动、冲击或载荷波动的设备中，盲目选用过高强度等级，反而可能加速疲劳失效。合理的选型，应建立在实际载荷特性和工程计算基础上，而不是简单追求“更高等级”。

四

疲劳失效

在 ISO、DIN 以及航空、风电等高可靠性行业标准中，对紧固件失效有一个高度一致的结论：

绝大多数紧固件断裂，属于疲劳失效，而非静载破坏

其典型形成路径常常为：初始预紧力不足，或运行中逐渐衰减，接着连接面发生微滑移，而螺栓由稳定拉伸状态转为交变受力状态，螺纹根部应力集中，微裂纹萌生并扩展，最终发生疲劳断裂。

由此可见，防止疲劳失效的关键，并不是提高“硬度”，而是尽可能让螺栓始终工作在稳定的预紧力环境中。

这也是为什么在关键设备中：限制重复拆装次数，明确关键螺栓不得重复使用，严格规定拧紧顺序与方法。

五

材料选择

在紧固件标准体系中，材料选择始终强调服役环境匹配性。

• 碳钢、合金钢紧固件：强度高、疲劳性能好，通过表面处理提高耐蚀性，适用于干燥或轻度腐蚀环境。

• 不锈钢紧固件（GB/T 3098）：优势在耐腐蚀性，强度通常低于高强度合金钢。

在高载荷场合，如果忽视材料力学性能差异，反而可能削弱连接可靠性。材料选择必须综合考虑力学性能、环境条件和寿命要求。

六

表面处理

紧固件的表面处理不仅决定耐腐蚀能力，还会显著改变：螺纹副摩擦系数和支承面摩擦特性。

由于拧紧力矩中绝大部分被摩擦消耗，摩擦系数的微小变化，就可能导致预紧力出现较大偏差。

因此，标准实践通常要求，高强度螺栓必须配套明确的表面处理，拧紧工艺与表面状态一一对应，关键连接进行工艺验证试验等。

例如，达克罗涂层被广泛应用于高强度螺栓，并非因为“更防锈”，而是因为其摩擦系数稳定、重复性好，更有利于预紧力控制。

七

防松设计

防松设计的工程目标，并不是简单阻止螺母转动，而是延缓或抑制预紧力衰减。

在持续振动或冲击环境中，传统弹簧垫圈已难以满足可靠性要求，正逐步被更系统的方案替代，比如通过结构设计防止相对转动，通过材料或几何方式维持预紧力，或通过工艺与维护管理降低衰减速率。

由此看出防松从来不是“多加一个零件”，而是整体连接方案的一部分。

八

紧固件的全生命周期管理

在风电、轨交、航空、核电等高可靠性行业，紧固件早已被纳入设备可靠性工程体系：

• 设计阶段：按标准进行受力与疲劳验算

• 制造阶段：控制材料、热处理和表面处理

• 装配阶段：严格执行拧紧工艺

• 运行阶段：按周期检查关键连接

• 维护阶段：规范更换与可追溯管理

紧固件是具有服役行为的工程单元，而非一次性消耗品。

九

结语

工业设备的性能上限，取决于设计水平与制造能力； 而可靠性的下限，几乎完全由最基础的连接系统是否被正确理解和执行所决定。

紧固件看似普通，却承载着设备最真实、最长期的工程考验。对紧固件的重视，本质上是对工程规律与工业经验的尊重。

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封面丨小黄

文字丨陈工

图片丨阿刀

审核丨小田

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