張 宇,方振衛(wèi),魏瑞霞

(中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

螺栓連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、型式多樣、受力性能好、成本低、可拆換、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于裝備制造、建筑、橋梁塔桅鋼結(jié)構(gòu)等工程連接中，成為應(yīng)用最廣泛的連接形式之一。

螺栓松動(dòng)是長(zhǎng)期以來(lái)影響螺栓連接工程質(zhì)量的最主要原因，文獻(xiàn)[1]對(duì)機(jī)械設(shè)備中普遍存在的螺栓連接松動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了理論分析，得到了螺栓各位置的摩擦力矩在擰緊力矩中的占比關(guān)系，明確了不同位置的摩擦因數(shù)對(duì)螺栓松動(dòng)的影響程度，并相應(yīng)提出了幾種防松措施。文獻(xiàn)[2]闡明了高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架組裝過(guò)程中防止螺栓松動(dòng)的必要性，從設(shè)計(jì)方案、安裝工藝和防松措施等方面介紹了動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架防松技術(shù)的運(yùn)用。研究螺栓連接相關(guān)問(wèn)題的學(xué)者[3-6]數(shù)量龐大，而大多數(shù)學(xué)者研究的對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)形式的螺栓連接，沒(méi)有對(duì)特殊形式的螺栓進(jìn)行關(guān)注。

由于工程的復(fù)雜性，使得螺栓連接形式多種多樣。為方便軌道車(chē)輛車(chē)體內(nèi)裝螺栓連接的安裝，在載荷不大的地方采用了卡式螺母，將其卡在相應(yīng)的卡槽中，覆蓋上被連接件，就可以在看不見(jiàn)螺母的情況下進(jìn)行螺栓的擰緊，但目前還沒(méi)有對(duì)卡式螺母緊固扭矩安裝指導(dǎo)的相關(guān)文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)，使得工程上無(wú)據(jù)可依，對(duì)該螺栓進(jìn)行盲目的擰緊會(huì)帶來(lái)一系列質(zhì)量隱患。本文對(duì)軌道車(chē)輛用卡式螺母連接結(jié)構(gòu)的松弛進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 螺栓擰緊理論分析

Mk=M1+M2+M3.

(1)

假設(shè)螺栓緊固過(guò)程中形成的初始預(yù)緊力為P、扭矩系數(shù)為K，螺栓公稱(chēng)直徑為d，則：

Mk=KdP.

(2)

8.8級(jí)螺栓：

(3)

10.9級(jí)螺栓：

(4)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般取折算應(yīng)力系數(shù)為1.2，運(yùn)用過(guò)程中螺栓應(yīng)力松弛系數(shù)取0.9，螺栓的制造、扭矩系數(shù)等施工參數(shù)測(cè)試及作業(yè)計(jì)量器具等都存在著一定的偏差，偏差因素影響系數(shù)取0.9，設(shè)Aeff為螺栓的有效截面積，則螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力P為：

8.8級(jí)螺栓：

(5)

10.9級(jí)螺栓：

我國(guó)教育長(zhǎng)期受傳統(tǒng)學(xué)習(xí)理念影響，教師與家長(zhǎng)均采用分?jǐn)?shù)來(lái)衡量學(xué)生的能力，這也是判斷學(xué)生好壞的主要方式。對(duì)于我們學(xué)生而言，高考成績(jī)直接影響著我們今后的發(fā)展，這也在一定程度上為我們的學(xué)習(xí)與生活帶來(lái)無(wú)形壓力，導(dǎo)致我們?cè)趯W(xué)習(xí)中自信心逐漸缺乏，無(wú)法對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率逐漸下降。除體制問(wèn)題外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作也會(huì)影響化學(xué)成績(jī)。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生不僅應(yīng)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，還應(yīng)加大化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作次數(shù)，促進(jìn)我們化學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)踐能力的全面提升。在傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)中，如若因化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺乏，導(dǎo)致我們學(xué)生無(wú)法進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，也會(huì)降低我們學(xué)習(xí)的積極性，使本來(lái)枯燥化學(xué)學(xué)習(xí)變得更加無(wú)趣，無(wú)法取得良好的學(xué)習(xí)效果。

(6)

參考國(guó)外通用做法，采用螺栓抗拉強(qiáng)度的65%作為預(yù)緊力的計(jì)算輸入，故在式(5)的基礎(chǔ)上增加10%作為8.8級(jí)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力，因此高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力均在理論抗拉強(qiáng)度的60%左右[8]。

2 螺栓緊固振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝備及配置

試驗(yàn)對(duì)象為強(qiáng)度等級(jí)8.8級(jí)螺栓M8×50及卡式螺母M8，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用螺栓及卡式螺母

圖2 試驗(yàn)用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)夾具分為夾具頭及底座兩部分，通過(guò)螺栓進(jìn)行緊固連接，夾具材質(zhì)為40 Cr。夾具頭接觸面內(nèi)設(shè)計(jì)了開(kāi)槽結(jié)構(gòu)并放入滾動(dòng)圓柱以減小摩擦，試驗(yàn)過(guò)程中在滾動(dòng)圓柱上涂抹了黃油以防止在相互接觸的夾具頭摩擦?xí)r產(chǎn)生過(guò)多的熱量影響試驗(yàn)，試驗(yàn)專(zhuān)用夾具及開(kāi)槽結(jié)構(gòu)內(nèi)滾動(dòng)圓柱，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)專(zhuān)用夾具及滾動(dòng)圓柱

首先將卡式螺母卡到開(kāi)有方孔的夾具上，調(diào)整裝配使得兩夾具開(kāi)孔位于同一中線，然后用試驗(yàn)螺栓緊固好測(cè)試用壓力傳感器，并操作扭矩扳手初步擰緊螺栓，最后在疲勞試驗(yàn)機(jī)的作動(dòng)器內(nèi)裝配好試驗(yàn)夾具，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)對(duì)象的裝配

2.2 設(shè)定試驗(yàn)條件

首先采用扭矩扳手最終擰緊試驗(yàn)螺栓，施加擰緊力矩至24.8 Nm，試驗(yàn)測(cè)得的螺栓初始預(yù)緊力為15.5 kN，因夾具開(kāi)孔直徑為9 mm，則試驗(yàn)夾具與螺栓螺桿之間間隙為0.5 mm。

參考GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》[11]中的規(guī)定：試驗(yàn)頻率按實(shí)際使用頻率或試驗(yàn)要求確定，如不能確定，推薦采用12.5 Hz；自由狀態(tài)下的振幅應(yīng)保證螺栓試件不受剪切。故試驗(yàn)振幅設(shè)定為0.2 mm、頻率設(shè)定為12.5 Hz，進(jìn)行試驗(yàn)加載，定義螺栓松動(dòng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)為初始預(yù)緊力下降30%，圖5為試驗(yàn)預(yù)緊力曲線。

圖5 振幅0.2 mm、頻率12.5 Hz試驗(yàn)螺栓預(yù)緊力曲線

由圖5可知，螺栓振動(dòng)19 000次左右發(fā)生了疲勞斷裂，但此時(shí)螺栓預(yù)緊力下降幅度小于30%。圖6為螺栓斷口，從圖6中可以看出，裂紋起始點(diǎn)位于螺栓的兩側(cè)，偏暗條狀為完全斷裂前螺栓連接的部分，故最終斷裂位置發(fā)生在螺栓中間，可以推斷該頻率及振幅不是很理想。為加速試驗(yàn)進(jìn)度，在滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提升振幅至0.4 mm，降低振動(dòng)頻率至5 Hz繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)(設(shè)定該試驗(yàn)條件的目的是為了減小設(shè)備載荷)。

圖6 螺栓斷口圖

2.3 振動(dòng)試驗(yàn)

雖然在螺栓連接中擰緊螺栓后產(chǎn)生的預(yù)緊力是決定螺栓連接松動(dòng)壽命的關(guān)鍵，但工程實(shí)際中無(wú)法準(zhǔn)確控制預(yù)緊力，而是以量化緊固扭矩的方式進(jìn)行控制，因此本試驗(yàn)以標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接的理論計(jì)算扭矩為基礎(chǔ)，以理論計(jì)算力矩的1.2倍、1.1倍、1倍、0.9倍、0.8倍分別進(jìn)行擰緊，然后進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，以得到該連接方式的最佳擰緊扭矩，每種扭矩進(jìn)行3組試驗(yàn)，若卡式螺母在擰緊過(guò)程中出現(xiàn)扭歪的現(xiàn)象，表示扭矩過(guò)大，則終止試驗(yàn)。

2.3.1 理論力矩下的螺栓振動(dòng)試驗(yàn)

理論力矩?cái)Q緊螺栓試驗(yàn)的各組螺栓擰緊數(shù)據(jù)如表1所示，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖7及表2所示。

表2 理論力矩下3組螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果

圖7 理論力矩下螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)曲線

表1 理論力矩螺栓擰緊產(chǎn)生的預(yù)緊力

2.3.2 1.2倍理論力矩下的螺栓振動(dòng)試驗(yàn)

1.2倍理論力矩?cái)Q緊螺栓試驗(yàn)結(jié)果如下：施加力矩至29.8 Nm，實(shí)測(cè)預(yù)緊力為17.4 kN，圖8為試驗(yàn)預(yù)緊力曲線。

由圖8可知：試驗(yàn)共振動(dòng)4 743次，螺栓預(yù)緊力下降30%，為12.2 kN。進(jìn)行第二次試驗(yàn)，施加力矩為29.3 Nm，發(fā)現(xiàn)卡式螺母被擰歪發(fā)生變形，如圖9所示，該力矩偏大，終止試驗(yàn)。

圖8 1.2倍理論力矩下螺栓預(yù)緊力變化曲線

圖9 卡式螺母發(fā)生變形

2.3.3 1.1倍、0.9倍及0.8倍計(jì)算力矩下的螺栓振動(dòng)試驗(yàn)

用同樣方法以1.1倍、0.9倍及0.8倍計(jì)算力矩?cái)Q緊螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，得到的螺栓松動(dòng)結(jié)果分別如表3、表4、表5所示。

表3 1.1倍計(jì)算力矩下3組螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果

表4 0.9倍計(jì)算力矩下3組螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果

2.4 松動(dòng)原因分析

從表2～表5可以看出，螺栓的防松性能并沒(méi)有明顯隨著螺栓擰緊力矩增大而增大，相反，螺栓的松動(dòng)壽命卻低于以計(jì)算扭矩實(shí)施擰緊的螺栓。試驗(yàn)前200次振動(dòng)期間，螺栓連接預(yù)緊力下降非常迅速，下降超過(guò)2 kN，分析原因如下：①在振動(dòng)試驗(yàn)工況下，振動(dòng)消除了螺紋接觸面上的粗糙峰波紋，造成了螺栓的預(yù)緊力下降；②在較大的循環(huán)交變應(yīng)力作用下，螺栓材料中的某些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生微小的殘余塑性變形增量，盡管相對(duì)每個(gè)循環(huán)而言該增量很小，但塑性變形增量會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而進(jìn)行累積，將逐漸伸長(zhǎng)螺栓連接尺寸，最終導(dǎo)致螺紋連接的松動(dòng)，這一階段稱(chēng)為材料的循環(huán)松弛；③由于卡式螺母結(jié)構(gòu)特殊，螺母外包有固定位置的卡片，且有一部分被夾在螺母與被夾件之間，擰緊螺栓后，卡片受到壓力及扭矩的雙重作用，局部非常容易發(fā)生應(yīng)力屈服，在承受橫向載荷后，卡式螺母卡片在循環(huán)交變載荷作用下會(huì)產(chǎn)生塑性變形，逐漸喪失材料原有的彈性，直至發(fā)生疲勞斷裂(如圖10所示)，造成了整體連接預(yù)緊力的迅速消失，導(dǎo)致連接失效。

圖10 卡式螺母卡片斷裂

表5 0.8倍計(jì)算力矩下3組螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果

3 總結(jié)

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可以得出，城軌車(chē)輛用卡式螺母結(jié)構(gòu)擰緊施工有如下特點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用中需重點(diǎn)加以考慮：

(1) 卡式螺母的螺栓連接結(jié)構(gòu)，實(shí)際擰緊力矩過(guò)大(1.2倍計(jì)算扭矩)時(shí)，易造成卡式螺母損壞，使連接過(guò)早失效。

(2) 卡式螺母的螺栓連接結(jié)構(gòu)，實(shí)際擰緊力矩過(guò)小(0.8倍計(jì)算扭矩)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生螺栓沒(méi)有擰緊的現(xiàn)象，連接很快松動(dòng)。

(3) 卡式螺母的螺栓連接結(jié)構(gòu)，最佳緊固力矩為計(jì)算力矩，由于緊固螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力具有分散性的原因，1.1倍或0.9倍計(jì)算力矩，略微偏大或偏小的擰緊力矩是可以接受的，即擰緊力矩的變化與該種形式螺栓連接的松動(dòng)壽命的關(guān)系呈現(xiàn)類(lèi)似正態(tài)分布的形式，即在接近計(jì)算力矩區(qū)域松動(dòng)壽命較長(zhǎng)，過(guò)大及過(guò)小的力矩都會(huì)使該種螺栓連接松動(dòng)壽命較短。