常用螺栓裝配失效試驗(yàn)研究

奚慧，袁建寧，石磊

（1.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京210014）

檢測(cè)與測(cè)試

常用螺栓裝配失效試驗(yàn)研究

奚慧1，袁建寧1，石磊2

（1.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京210014）

螺紋連接簡(jiǎn)單可靠，拆卸方便，因其良好的穩(wěn)定性而被用于各種設(shè)備、零部件的裝配中，因此螺紋的擰緊成了現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)課題之一。M6×20是農(nóng)業(yè)機(jī)械常用的一種螺栓，本文對(duì)這種典型螺栓進(jìn)行了基本的性能測(cè)試，包括螺栓材料分析、擰緊試驗(yàn)及失效分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:螺栓擰緊過(guò)程中，擰緊的角度、擰緊角度和擰緊方式的交互作用這兩個(gè)因素對(duì)螺栓影響較大。根據(jù)分析的結(jié)果，找出螺栓擰緊過(guò)程中最易失效的擰緊組合。

螺紋擰緊；螺栓失效；正交試驗(yàn)；方差分析

螺栓連接是一種常見(jiàn)的連接方法[1-4]。但是在進(jìn)行農(nóng)機(jī)裝配的過(guò)程中，總會(huì)因?yàn)楦鞣N因素的影響或裝配不當(dāng)，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生滑絲，斷裂等失效現(xiàn)象。在螺栓現(xiàn)場(chǎng)裝配的過(guò)程中，主要涉及螺栓擰緊的角度、擰緊添加物等因素，這些因素對(duì)螺栓失效有怎樣的影響，尚未有確切的結(jié)論。在研究螺栓的學(xué)科范圍內(nèi)，做的更多的是螺栓的失效應(yīng)力分析[5-8]。故本文以生產(chǎn)中常用的M6×20螺栓聯(lián)接裝配為例，考察螺栓擰緊的角度、油脂和緊固劑的使用和擰緊方式對(duì)螺栓裝配的影響，分別進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)，采用極差分析和方差分析的方法來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以得到有效結(jié)論來(lái)為螺栓裝配提供參考。

1 螺栓材料分析

螺栓的材料對(duì)螺栓的性能影響很大，因此在試驗(yàn)之前先測(cè)定螺栓的材料性能。螺栓采取統(tǒng)一批次的M6×20螺栓，隨機(jī)采樣，測(cè)得螺栓的硬度為HRC26，材料為組織較粗大的奧氏體組織，如圖1所示。分析其硬度和金相分析結(jié)果，確定該螺栓可以滿足一般機(jī)械器具的使用。

圖1 M6螺栓金相組織

2 螺栓失效試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

在實(shí)際使用中，不同產(chǎn)品或設(shè)備裝配過(guò)程中所依據(jù)的擰緊扭矩標(biāo)準(zhǔn)也各有不同。試驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)槁菟ǖ氖в懈鞣N形式，無(wú)法比較失效時(shí)各因素的影響大小，因此本文采用螺栓失效力矩作為考察標(biāo)準(zhǔn)。考慮到試驗(yàn)次數(shù)過(guò)多，這里采用正交實(shí)驗(yàn)來(lái)完成本次的裝配失效研究[9-10]。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，這里采用萬(wàn)能數(shù)字試驗(yàn)機(jī)搭配試驗(yàn)夾具來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工作原理為通過(guò)專用夾具將電子試驗(yàn)臺(tái)的垂直力轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)所需的扭轉(zhuǎn)力，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3 螺栓連接失效單因素試驗(yàn)及分析

3.1 螺栓失效影響因素

試驗(yàn)考慮到的因素分別為：螺栓擰緊的角度、油脂和緊固劑的使用、擰緊方式。

（1）擰緊角度

在螺栓的現(xiàn)場(chǎng)裝配中，操作人員經(jīng)常使用扳手來(lái)擰緊螺栓，在此過(guò)程中，并不能很好地保持扳手的回轉(zhuǎn)中心與螺栓中心重合，從而影響螺栓的緊固效果與失效力矩，因此，螺栓的擰緊角度是一個(gè)必須考慮的因素。由于試驗(yàn)夾具的限制，試驗(yàn)擰緊角度的調(diào)節(jié)是固定的，夾具設(shè)定的可試驗(yàn)角度有三個(gè)，分別是：0°、3°、6°.

（2）油脂和緊固劑的使用

在不同的工況要求下，有時(shí)需要在螺栓裝配中添加油脂或緊固劑。因此，添加劑的使用也是螺栓失效研究試驗(yàn)中必須考慮的因素之一。

（3）墊片的材質(zhì)

在不同的裝配位置，有時(shí)會(huì)要求使用不同材料的墊片。因此，墊片的材質(zhì)也是螺栓連接失效應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)因素。

3.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）擰緊角度的影響

實(shí)驗(yàn)只考察擰緊角度對(duì)失效力矩的影響，設(shè)定試驗(yàn)條件為采用3 mm不銹鋼墊片，不使用添加劑，調(diào)節(jié)螺栓擰緊的角度為0°、3°、6°.螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表1列出了不同擰緊角度下螺栓的失效力矩。根據(jù)表格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若僅考慮擰緊角度的影響，當(dāng)擰緊角度為3°時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效；當(dāng)擰緊角度為0°時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最大，即螺栓最不易失效。

表1 擰緊角度單因素試驗(yàn)結(jié)果

（2）添加物的影響

只考慮油脂和緊固劑的影響，設(shè)定的試驗(yàn)條件為3 mm不銹鋼墊片，擰緊角度為0°，分別添加油脂和緊固劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表2列出了使用不同添加劑時(shí)螺栓的失效力矩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅考慮添加劑對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響時(shí)，使用油脂的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效；不使用添加物時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最大，即螺栓最不易失效。

表2 添加劑單因素試驗(yàn)結(jié)果

（3）墊片材質(zhì)的影響

只考慮墊片材質(zhì)的影響，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件為不使用添加劑，分別采用不銹鋼、PVC、鋁合金三種材質(zhì)的墊片進(jìn)行螺栓失效試驗(yàn)，墊片厚度均為3 mm.螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表3列出了使用不同材質(zhì)墊片時(shí)螺栓的失效力矩試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅考慮墊片材質(zhì)的影響，使用不銹鋼墊片時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最大，即螺栓最不易失效；而使用鋁合金墊片時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效。

表3 墊片材質(zhì)單因素試驗(yàn)結(jié)果

4 螺栓多因素試驗(yàn)及試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)方案

單因素試驗(yàn)的目的是考察某個(gè)因素對(duì)整體試驗(yàn)的影響，主要的作用是依據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)縮小所需考察的實(shí)驗(yàn)水平區(qū)間。根據(jù)單因素分析的結(jié)果，進(jìn)行多因素試驗(yàn)的試驗(yàn)安排，篩選出三個(gè)因素：墊片材質(zhì)、擰緊方式和擰緊角度。根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)要求的不同，依次選擇三個(gè)因素的試驗(yàn)水平：墊片材質(zhì)（鋁合金、PVC），擰緊方式（固定螺母、固定螺栓），擰緊角度（3°、6°），如表4所示。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)因素和水平的分析，通過(guò)對(duì)自由度的計(jì)算，選擇L8（27）正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，如表5所示。

表4 最小失效力矩因素水平表

表5 M6×20螺栓正交實(shí)驗(yàn)表

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

以上正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，確定影響失效力矩的主次因素順序及具有顯著性的因素。給定顯著性水平P=0.05，極顯著水平P=0.01，結(jié)果如表6所示。根據(jù)表的數(shù)據(jù)繪出螺栓失效力矩的趨勢(shì)圖，如圖3所示。

表6 M6螺栓方差分析

圖3 M6螺栓失效力矩變化趨勢(shì)

（1）因素顯著分析

根據(jù)方差分析表，M6螺栓擰緊失效過(guò)程中各因素的影響情況：擰緊角度對(duì)螺栓擰緊失效影響極顯著；墊片材質(zhì)和擰緊角度的交互作用影響顯著；墊片材質(zhì)和擰緊方式以及擰緊角度和擰緊方式的交互作用影響不顯著。

（2）因素主次分析

綜合比較各因素的F值和P值，影響失效力矩大小的主次因素為：主B＞A×B＞C＞A＞B×C次，即擰緊角度＞墊片材質(zhì)和擰緊角度的交互作用＞擰緊方式＞墊片材質(zhì)＞擰緊角度和擰緊方式的交互作用。由此可以看出，擰緊角度在各影響因素中居于絕對(duì)重要的位置，而墊片材質(zhì)和擰緊方式對(duì)螺栓失效的影響均很小。

為了得到最易失效的螺栓裝配工況組合，需要進(jìn)一步進(jìn)行極差分析，如表7所示。

表7 最易失效螺栓裝配實(shí)驗(yàn)表

表7所得的選優(yōu)水平之中，有3個(gè)是三個(gè)因素之間的交互作用，并沒(méi)有給出較為清楚的結(jié)論。針對(duì)這樣的情況，對(duì)這三個(gè)交互作用進(jìn)行單獨(dú)的分析，結(jié)果如表8、表9、表10所示。

表8 墊片材質(zhì)與擰緊角度交互作用結(jié)果

表9 墊片材質(zhì)與擰緊方式交互作用結(jié)果

表10 擰緊角度與擰緊方式交互作用

表8為墊片材質(zhì)與擰緊角度之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊角度為3°時(shí)，即擰緊條件為A1B1時(shí)，螺栓的失效力矩最小。

表9為墊片材質(zhì)與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊方式為固定螺母，即擰緊條件為A1C1時(shí)，螺栓失效力矩最小。

表10為擰緊角度與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，擰緊角度為3°，擰緊方式為固定螺栓，即擰緊條件為B1C2時(shí)，螺栓失效力矩最小。

綜合分析表7至表10的數(shù)據(jù)，表10的結(jié)論與表7的結(jié)論相互沖突，考慮到擰緊方式這一因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，因此得出最易失效的組合為A1B1C1，即在進(jìn)行M6×20螺栓裝配時(shí)，擰緊角度為3°，墊片材質(zhì)為鋁合金，通過(guò)固定螺母來(lái)擰緊的方式是最易失效的。因此，在實(shí)際的裝配過(guò)程中，要避免出現(xiàn)這一種裝配組合。

5 結(jié)束語(yǔ)

M6×20是最常用的螺栓之一，其緊固失效試驗(yàn)對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)裝配作業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文進(jìn)行試驗(yàn)所得結(jié)論：角度是螺栓擰緊中最重要的因素，裝配時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)擰緊角度為3°，墊片材質(zhì)為鋁合金且固定螺母的擰緊方式，可以在一定程度上減少這種擰緊失效現(xiàn)象的發(fā)生，提高裝配的效率和可靠度。

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Experiment Research on Common Bolt Connection Assembly Failure

XI Hui1，YUAN Jian-ning1，SHI Lei2
（1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China）

Threaded connection is simple and reliable，and it is convenient to disassemble.It is applied to the assembling of various equipment and parts because of its good stability，so the tightening of threaded connection has became one of the important subject in modern machinery industry.M6×20 is a kind of bolt commonly that used in agricultural machinery.In this paper，the basic bolts are tested，including bolting material analysis，tightening test and failure analysis.The research result shows that tightening angle and the interaction of tightening angle and tightening method make a greater effect in bolt in the process of tightening bold.According to analysis result，this thesis finds the most likely failure of the tightening combination in the process of tightening bold.

screwed；bolt failure；orthogonal test；variance analysis

TG95

：A

：1672-545X（2017）01-0211-04

2016-10-03

常見(jiàn)螺栓連接失效模式分析研究項(xiàng)目（編號(hào)：CGKY-2015-009）

奚慧（1992-），男，江蘇大豐人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械動(dòng)力學(xué)；袁建寧（1960-），男，上海市人，研究員，碩導(dǎo)，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。