， ，， ，

(1.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,大連 116024;2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

0 引言

螺栓連接結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航天器的艙段對(duì)接、石油管道運(yùn)輸?shù)裙I(yè)結(jié)構(gòu)中[1]。在復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境下，螺栓連接結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生松動(dòng)、斷裂等失效現(xiàn)象，由此可能引發(fā)諸如泄露、異響等情況，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體等重大事故，可見(jiàn)連接結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全起著至關(guān)重要的作用。

針對(duì)螺栓失效問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，Junker[2]首先通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于軸向振動(dòng)，橫向振動(dòng)更容易引起螺栓松動(dòng)，并給出了簡(jiǎn)化機(jī)理模型。Basava等[3]也證明了螺栓連接結(jié)構(gòu)在軸向簡(jiǎn)諧振動(dòng)條件下，軸向力變化并不明顯。陳巖等[4]從理論分析和有限元仿真角度出發(fā)，研究了施必牢螺紋副軸向承載力更加均勻的力學(xué)機(jī)制。莫易敏等[5]通過(guò)橫向振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同頭部結(jié)構(gòu)、彈簧墊圈、預(yù)緊力、表面處理等對(duì)螺栓防松性能的影響。Zhang等[6]從微動(dòng)摩擦以及能譜分析的角度研究了螺栓松動(dòng)的原因，同時(shí)分析了螺紋緊固劑的作用。Sanclemente等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了螺栓螺距、公稱直徑、緊固材料彈性模量以及螺栓孔的配合情況等影響因素對(duì)螺栓松動(dòng)的影響。侯世遠(yuǎn)[8]用Abaqus模擬方法分析了松動(dòng)過(guò)程中接觸狀態(tài)的變化及相關(guān)因素的影響規(guī)律。Dinger等[9]和Jiang等[10]建立有限元模型分析螺紋及螺栓頭接觸狀態(tài)的變化來(lái)探究螺栓松動(dòng)機(jī)理。本文主要基于試驗(yàn)的方法，對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)在橫向簡(jiǎn)諧振動(dòng)下的失效過(guò)程，不同類型防松螺母的防松效果以及拆卸次數(shù)、振動(dòng)幅值、初始預(yù)緊力和振動(dòng)頻率等對(duì)螺栓失效的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)原理

本文采用百若公司FPL-200型緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓失效等問(wèn)題進(jìn)行研究，試驗(yàn)機(jī)如圖1所示。主要包括預(yù)緊系統(tǒng)、橫向振動(dòng)系統(tǒng)以及相應(yīng)的配套軟件系統(tǒng)。其原理為內(nèi)部存在偏心輪結(jié)構(gòu)，在電機(jī)帶動(dòng)下，偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得與螺母相接觸的振動(dòng)部位產(chǎn)生上下簡(jiǎn)諧振動(dòng)，相對(duì)螺栓而言即為橫向簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而螺栓頭部始終卡在固定裝置中，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，主要組成如圖2所示。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)可以調(diào)節(jié)振動(dòng)幅值(0～2mm)、頻率(3Hz～15Hz)以及初始預(yù)緊力大小，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)過(guò)程中夾緊力。另外通過(guò)安裝附加裝置，如圖3所示，可以輸出螺母轉(zhuǎn)角的變化。

試驗(yàn)的一般步驟為：1)根據(jù)試驗(yàn)螺栓規(guī)格，安裝選擇配套的夾具，同時(shí)調(diào)節(jié)偏心輪至指定振幅；2)通過(guò)軟件控制將振動(dòng)板調(diào)至中位，保證螺栓孔中心一致，避免預(yù)緊過(guò)程中產(chǎn)生的偏心；3)安裝試驗(yàn)螺栓螺母樣件，通過(guò)固定螺栓頭部，擰螺母的形式預(yù)緊，操作上可以在軟件中直接設(shè)置預(yù)緊力，達(dá)到預(yù)設(shè)預(yù)緊力后電機(jī)會(huì)自動(dòng)停止；4)根據(jù)需要，安裝轉(zhuǎn)角測(cè)量傳感器，將傳感器兩個(gè)平行的鐵片緊貼螺母兩側(cè)；5)在軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如振動(dòng)頻率、振動(dòng)次數(shù)、振動(dòng)結(jié)束條件等，開(kāi)始松動(dòng)試驗(yàn)。

圖1 FPL-200型緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 FPL-200 fastener transverse vibration testing machine

圖2 振動(dòng)系統(tǒng)主要組成Fig.2 Main components of the vibration system

圖3 螺母轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置Fig.3 Measuring device of nut rotation angle

2 橫向振動(dòng)下連接失效

2.1 普通螺母失效形式

使用試驗(yàn)機(jī)對(duì)普通螺栓螺母預(yù)緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，螺栓螺母規(guī)格為8.8級(jí)，M12×1.75×50mm標(biāo)準(zhǔn)緊固件，表面氧化發(fā)黑處理，不加潤(rùn)滑劑，螺栓與孔的間隙為1mm，螺栓連接長(zhǎng)度為26mm。試驗(yàn)中，振動(dòng)頻率為12.5Hz，參考規(guī)范《GB/T 3098.1-2010緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[11]，預(yù)緊力取保證載荷的一半24kN，結(jié)構(gòu)中沒(méi)有明顯的塑性變形，振幅為1.2mm，振動(dòng)次數(shù)為1000次，在相同條件下進(jìn)行5組樣品試驗(yàn)，去掉誤差較大的試驗(yàn)組，對(duì)試驗(yàn)剩余結(jié)果進(jìn)行平均處理。預(yù)緊力及螺母轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化，如圖4所示。其中一組樣品試驗(yàn)前后如圖5所示。

圖4 普通螺母預(yù)緊力和轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化Fig.4 The variations of preload and rotation angle of plain nut

(a)試驗(yàn)前 (b)試驗(yàn)后圖5 普通螺栓螺母試驗(yàn)前后對(duì)比Fig.5 Comparison of the bolt and nut before/after test

由圖4可見(jiàn)，在振動(dòng)過(guò)程中，預(yù)緊力逐漸下降并最終完全喪失，同時(shí)螺母發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著預(yù)緊力下降，轉(zhuǎn)動(dòng)速度逐漸變緩，從試驗(yàn)后的部件狀態(tài)看(圖5)，除了螺母接觸面存在磨損外，其他部件并沒(méi)有明顯的損傷，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)失效主要是在橫向簡(jiǎn)諧振動(dòng)下，螺栓螺母間發(fā)生相互轉(zhuǎn)動(dòng)從而引起的預(yù)緊力下降。

2.2 防松螺母失效形式

為了提高連接可靠性，防止螺栓松動(dòng)造成的失效，工程中存在各種不同的防松方法，從類型上可以分為：1)機(jī)械防松，如開(kāi)口銷(xiāo)、止動(dòng)墊片等；2)永久防松，如點(diǎn)焊、沖點(diǎn)等；3)摩擦防松，如彈簧墊片、自鎖螺母等。但從可拆卸的角度考慮，多數(shù)情況下會(huì)采用摩擦防松的形式，其原理主要是在相同預(yù)緊力條件下，設(shè)法增大接觸摩擦力，使接觸面更難發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到防松的目的，如典型的施必牢螺紋，其內(nèi)螺紋的牙底處有一個(gè)30°的楔形斜面使螺紋間的接觸力與螺栓軸成60°角，而不像普通螺紋成30°角，如圖6所示。當(dāng)達(dá)到相同預(yù)緊力時(shí)，施必牢螺紋的法向接觸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通螺紋，同理為了克服增大的摩擦力，達(dá)到指定預(yù)緊力，需要施加更大的預(yù)緊扭矩。

(a)普通螺紋 (b)施必牢螺紋圖6 施必牢螺紋示意圖Fig.6 The diagrammatic sketch of Spiralock thread

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)市面上常用的防松螺母進(jìn)行失效分析，包括尼龍螺母、金屬鎖片螺母、雙開(kāi)槽螺母、施必牢螺母以及Hard-lock螺母等，如圖7所示。

試驗(yàn)條件與上一部分普通螺母試驗(yàn)一致，對(duì)于不同類型防松螺母，振動(dòng)過(guò)程中預(yù)緊力的變化如圖8所示。

圖7 不同類型防松螺母Fig.7 Different types of anti-loose nut

圖8 不同類型防松螺母預(yù)緊力變化Fig.8 The preload variations of different anti-loose nuts

但對(duì)于一些防松螺母而言，由于存在增大摩擦的設(shè)計(jì)，振動(dòng)開(kāi)始后，預(yù)緊力會(huì)快速下降一段時(shí)間，隨即進(jìn)入平緩變化階段，同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Hard-lock螺母和施必牢螺母的防松效果明顯優(yōu)于其他類型的防松螺母。

但在不斷振動(dòng)過(guò)程中，防松螺母在某時(shí)間點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)預(yù)緊力斷崖式下降直接降至零點(diǎn)，且螺桿根部發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。以Hard-lock螺母為例，增加振動(dòng)次數(shù)至3000次，其預(yù)緊力變化如圖9所示，可以看出當(dāng)振動(dòng)到2500次左右時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂后的螺栓如圖10所示。其原因主要是預(yù)緊力趨于平緩時(shí)，說(shuō)明螺母與連接件接觸面之間已經(jīng)不再發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而螺母隨著連接件不斷作橫向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，由于螺栓頭被固定，此時(shí)螺栓可看作一懸臂梁結(jié)構(gòu)，自由端受強(qiáng)制簡(jiǎn)諧位移荷載，在不斷振動(dòng)過(guò)程中根部因應(yīng)力較大最終發(fā)生疲勞斷裂。

圖9 Hard-lock螺母預(yù)緊力變化Fig.9 The preload change of Hard-lock nut

圖10 Hard-lock螺母斷裂失效Fig.10 Fracture failure of Hard-lock nut

3 螺栓失效影響因素

同樣以普通螺栓螺母為研究對(duì)象，利用橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，考察拆卸次數(shù)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值和初始預(yù)緊力等因素對(duì)螺栓失效的影響規(guī)律，對(duì)每組試驗(yàn)對(duì)象均進(jìn)行5次試驗(yàn)，去掉誤差較大的試驗(yàn)組，然后再對(duì)剩余結(jié)果進(jìn)行平均處理。

3.1 拆卸次數(shù)的影響

試驗(yàn)螺栓螺母規(guī)格為8.8級(jí)M12×1.75×50mm的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，表面采用氧化發(fā)黑處理，不加潤(rùn)滑劑，孔間隙為1mm，螺栓連接長(zhǎng)度為26mm。用扭矩扳手對(duì)試驗(yàn)中的螺母拆卸10次，每次均達(dá)到預(yù)緊力24kN，每次施加的扭矩與拆卸次數(shù)的關(guān)系如圖11所示?？梢钥闯?，在前4次裝配過(guò)程中，所需扭矩近似線性增加，而裝配4次后所需扭矩趨于穩(wěn)定。

圖11 預(yù)緊扭矩與拆卸次數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between preload torque and number of disassembly

參考規(guī)范《GB/T 16823.2-1997螺紋緊固件緊固通則》[12]可知，彈性區(qū)內(nèi)緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系可近似通過(guò)式(1)得出：

(1)

式中：

(2)

(3)

(4)

各參數(shù)含義如下：Ts為螺紋面上的扭矩，Tw為螺栓頭支撐面上的扭矩，K為扭矩系數(shù)，F(xiàn)為預(yù)緊力，d為螺栓公稱直徑，d2為螺紋中徑，d0為螺母支撐面外徑，dh為螺栓孔直徑，dw為等效摩擦直徑，α為螺紋牙側(cè)角，P為螺距，μs、μw分別為螺紋摩擦系數(shù)和螺栓頭摩擦系數(shù)。

由公式(1)可見(jiàn)，拆卸過(guò)程中僅摩擦系數(shù)可能發(fā)生變化，從而說(shuō)明圖11呈現(xiàn)的所需扭矩增大的現(xiàn)象是拆卸過(guò)程造成的磨損使得接觸面變得粗糙，但多次拆卸后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，所需的預(yù)緊扭矩也隨之趨于平緩。

對(duì)拆卸10次后的螺栓螺母進(jìn)行橫向載荷振動(dòng)試驗(yàn)，振幅為1.2mm，頻率為12.5Hz，并與之前不拆卸的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，預(yù)緊力隨振動(dòng)次數(shù)的變化曲線如圖12所示。可見(jiàn)，由于摩擦系數(shù)增大的原因，連接結(jié)構(gòu)的失效形式與防松螺母相似。先因接觸面相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而出現(xiàn)預(yù)緊力下降，再因螺栓斷裂而導(dǎo)致預(yù)緊力直接下降至零。但由于多次拆卸的原因，螺栓經(jīng)歷幾百次振動(dòng)后即發(fā)生疲勞斷裂，螺栓疲勞壽命明顯小于一般防松螺母。而對(duì)于不拆卸的情況，預(yù)緊力不存在中間的緩慢下降階段，很快下降至零?？梢?jiàn)，多次拆卸普通螺母呈現(xiàn)部分防松效果。

圖12 普通螺母拆卸10次與不拆卸松動(dòng)曲線對(duì)比Fig.12 Vibration curve of ordinary nut with disassembly for 10 times

3.2 振動(dòng)幅值和初始預(yù)緊力的影響

為了增大振動(dòng)幅值和初始預(yù)緊力的變化范圍，以8.8級(jí)M14×2×50mm規(guī)格的普通螺栓螺母為研究對(duì)象，表面同樣氧化發(fā)黑處理，不加潤(rùn)滑劑，孔間隙為1mm，螺栓連接長(zhǎng)度為26mm，首先對(duì)振幅和預(yù)緊力進(jìn)行單變量分析。

在對(duì)振幅影響規(guī)律分析中，振幅分別取0.4mm～1.4mm，間隔為0.2mm，振動(dòng)頻率為12.5Hz，初始預(yù)緊力固定為30kN，振動(dòng)1000次的過(guò)程中，剩余預(yù)緊力百分比變化如圖13所示。

圖13 振動(dòng)幅值對(duì)松動(dòng)的影響曲線Fig.13 The influence curve of vibration amplitude on loosening

可見(jiàn)，振動(dòng)幅值對(duì)松動(dòng)影響較大，且幅值越大，預(yù)緊力下降速度越快，隨著振幅的減小，松動(dòng)曲線可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)平臺(tái)的現(xiàn)象，在振幅較小時(shí)(如0.4mm)，幾乎不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的松動(dòng)。

在對(duì)初始預(yù)緊力影響規(guī)律的分析中，初始預(yù)緊力分別取20kN～60kN，間隔為10kN，振幅固定設(shè)為1.0mm，振動(dòng)頻率為12.5Hz，試驗(yàn)中預(yù)緊力變化如圖14所示?？梢?jiàn)，初始預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)失效影響較大，當(dāng)初始預(yù)緊力較小時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)失效現(xiàn)象，預(yù)緊力下降很快直至降為零。但隨著初始預(yù)緊力逐漸增大，螺栓連接結(jié)構(gòu)夾緊力減小速率也越來(lái)越緩，在設(shè)置的振動(dòng)次數(shù)下，結(jié)構(gòu)預(yù)緊力并沒(méi)有出現(xiàn)完全松動(dòng)到零的現(xiàn)象。

圖14 預(yù)緊力對(duì)松動(dòng)的影響曲線Fig.14 The influence curve of preload on loosening

通過(guò)上述部分的單變量分析可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)緊力和幅值對(duì)松動(dòng)試驗(yàn)的影響較大，且兩者之間存在相互影響。振幅越小預(yù)緊力越大，結(jié)構(gòu)越不容易松動(dòng)；反之，振幅越大預(yù)緊力越小，結(jié)構(gòu)越容易松動(dòng)。為了進(jìn)一步分析振動(dòng)幅值和預(yù)緊力對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響規(guī)律，預(yù)緊力分別取10kN～50kN(間隔10kN)，振幅分別取0.4mm～1.4mm(間隔0.2mm)，對(duì)每一種工況進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，分析相同振動(dòng)次數(shù)下(取500次)，剩余預(yù)緊力百分比的大小，結(jié)果如圖15所示。

圖15 幅值和預(yù)緊力對(duì)松動(dòng)的影響Fig.15 The effect of amplitude and preload on loosening

可見(jiàn)，對(duì)于M14×2規(guī)格的普通螺栓螺母而言，當(dāng)振幅很小或很大時(shí)，預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)失效的影響很小。即當(dāng)振幅很小，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生松動(dòng)失效；而振幅大至一定程度時(shí)，無(wú)論初始預(yù)緊力多大，結(jié)構(gòu)都會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)失效現(xiàn)象；只有當(dāng)振幅介于中間時(shí)(1mm作用)，預(yù)緊力才會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)失效產(chǎn)生明顯影響。綜合分析，即使預(yù)緊力達(dá)到一定程度有一定防松效果，但增加振動(dòng)幅值，預(yù)緊力還是會(huì)降低到零。所以影響螺栓松動(dòng)的主要原因還是振幅，預(yù)緊力次之。

3.3 振動(dòng)頻率的影響

本節(jié)中螺栓螺母規(guī)格及試驗(yàn)條件與3.2節(jié)振動(dòng)幅值和預(yù)緊力的影響一樣。由于試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)頻率的可調(diào)節(jié)范圍為3Hz～15Hz，此次試驗(yàn)中振動(dòng)頻率分別取5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz和15Hz，同樣以M14×2規(guī)格的普通螺栓螺母為研究對(duì)象，預(yù)緊力加載至30kN，振動(dòng)幅值設(shè)為1.4mm。振動(dòng)次數(shù)為1000次。不同振動(dòng)頻率下預(yù)緊力變化如圖16所示。

圖16 振動(dòng)頻率對(duì)松動(dòng)的影響曲線Fig.16 The influence curve of vibration frequency on loosening

由圖16可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率在5Hz～15Hz內(nèi)變化時(shí)，振動(dòng)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)失效的影響較小，沒(méi)有明顯規(guī)律，不同頻率的振動(dòng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)松動(dòng)失效現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)的方法研究螺栓連接結(jié)構(gòu)在橫向簡(jiǎn)諧載荷下的失效問(wèn)題以及重復(fù)拆卸、振動(dòng)幅值、初始預(yù)緊力等因素對(duì)結(jié)構(gòu)失效的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

1)在橫向簡(jiǎn)諧振動(dòng)下，普通螺栓連接結(jié)構(gòu)會(huì)因螺母松脫而失效，而對(duì)于防松螺母而言，會(huì)先因螺母松脫使得預(yù)緊力出現(xiàn)部分下降，進(jìn)而再因螺栓根部疲勞斷裂而完全失效；

2)對(duì)各種防松螺母的橫向振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Hard-lock螺母和施必牢螺母防松效果較好，尼龍、金屬鎖片、雙開(kāi)槽螺母Ⅰ及雙開(kāi)槽螺母Ⅱ防松效果差別不是很大；

3)螺紋面摩擦系數(shù)會(huì)因拆卸的磨損而增加，但多次拆卸后會(huì)趨于穩(wěn)定，同時(shí)螺栓連接壽命會(huì)因拆卸次數(shù)的增加而降低，更容易產(chǎn)生斷裂失效；

4)振動(dòng)幅值和預(yù)緊力對(duì)螺栓松動(dòng)的影響較大，振動(dòng)頻率對(duì)松動(dòng)影響較小。