机械结构，包括铁路机车车辆，采用大量的螺栓连接，螺栓在振动环境下常常发生松动或疲劳断裂。对于重要构件，例如，连接火车制动盘的螺栓、轴箱盖螺栓一旦松动或断裂将引起重大事故。近年来，由于使用力矩型螺母，螺母转动引起的螺栓松动的现象被抑制。可是，螺母不转，如果螺栓预紧力大幅度下降，螺栓仍然会发生松动。为再现螺栓的松动现象，鲁连涛老师的课题组根据日本岛津20t轴向加载电液伺服疲劳试验机的使用原理，自主设计了图1所示的试验工装，开展了横向载荷作用下螺栓松动试验。图2是试验测得的螺栓预紧力随循环周次变化曲线。这是一种采用力矩型螺母的高强度螺栓，在振动作用下，螺母不转，但预紧力下降的例子。从图中可以看出，在振动作用的早期，预紧力发生快速下降，此后，随着振动次数的增加预紧力缓慢下降。研究发现，预紧力快速下降是螺牙根部塑性变形引起的;之后的缓慢下降是螺牙面的微动磨损引起的(这一点非常值得注意，我认为可以解释紧固螺栓后不动，其预紧力迅速下降)。这些说明了螺栓的松动与螺纹区的微观损伤相关。由于螺栓的微观损伤不易通过试验实时观察监测，课题组建立了图3所示的螺栓有限元模型，通过Abaqus子程序UMATUMESHMOTION，分别仿真计算由塑性变形和微动磨损引起的螺栓松动,以获取在松动过程中螺牙根部塑性变形的演化历程和螺纹面磨损深度的变化。

由于螺牙材料种类多、结构形状复杂，加之当螺栓受横向力作用时，各个螺牙的受力差别较大。因此，不同材料或结构的螺栓其松动过程和松动机理可能不同，只有弄清螺栓结构的松动过程和机理，才能提出防松措施，保证螺栓使用的安全可靠。

当螺栓的预紧力较高，或被作用的振动载荷较大时，螺栓会发生疲劳断裂。螺栓的疲劳断裂或与螺牙区微观塑性变形有关，或与螺牙之间的微动磨损有关，或与螺栓松动后振动载荷增加有关，但目前相关报道很少，螺栓疲劳破坏条件和机理尚不清楚。

与螺栓“材料”疲劳相比，螺栓“结构”疲劳的研究难度要大幅度的增加。因为材料疲劳的试验条件，可以观察裂纹，而螺栓结构的裂纹萌生和扩展无法观察。只有通过有限元仿真和疲劳试验相结合的方式，才有可能达到优化螺栓结构，从而提高螺栓抗疲劳的能力。 课题组采用微粒子喷丸处理了某型车制动盘螺栓，如图4所示。可见，经喷丸处理后，螺栓表面光洁。分别在高、低两种预紧条件下对两种螺栓进行了横向加载松动试验。

图5、图6分别为两种预紧条件下预紧力随循环周次变化曲线，结果显示：在高预紧条件下，由于喷丸螺栓表面残余压应力的引入，喷丸螺栓表现出更强的抗疲劳能力;在低预紧条件下，喷丸螺栓螺纹面磨损程度降低，表现出更强的抗松能力。目前，微粒子喷丸处理工艺尚未在螺栓上应用，但根据课题组前期的研究结果，微粒子喷丸可同时提高螺栓抗松动和抗疲劳的能力，因此在螺栓抗失效中具有良好的应用前景。

图6 高预紧力条件下喷丸、未喷丸螺栓预紧力变化曲线

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