防松膠對螺紋連接預(yù)緊力影響試驗(yàn)研究

防松膠對螺紋連接預(yù)緊力影響試驗(yàn)研究

董得義，李志來，楊利偉，徐宏

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033)

摘要：鑒于螺紋在涂膠前后或涂不同種類防松膠、施加相同擰緊力矩時產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力差別較大，對空間光學(xué)遙感器裝配中常用防松膠對螺紋連接預(yù)緊力影響進(jìn)行定量試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在螺紋上涂硅橡膠D04(L)與不涂膠相比，相同擰緊力矩時螺栓預(yù)緊力減小50%～70%；涂厭氧膠樂泰243、相同擰緊力矩時螺栓預(yù)緊力增大46%～98%。某類防松膠使用前需對其對螺紋連接預(yù)緊力影響進(jìn)行定量測試，據(jù)測試結(jié)果調(diào)整螺栓的擰緊力矩達(dá)到預(yù)期預(yù)緊力；在對預(yù)緊力精確控制的連接區(qū)域，力矩扳手緊固方式不再適用。

關(guān)鍵詞：空間光學(xué)遙感器；螺紋連接；預(yù)緊力；防松膠

中圖分類號:TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11272258，11172342,11572180);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(GK2013 02001);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項(xiàng)目(2014JQ1013)

收稿日期：2014-08-12修改稿收到日期：2014-11-11

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(N130305004)；國家自然科學(xué)

收稿日期：2014-06-13修改稿收到日期：2014-10-17

Experiment study on the influence of locking adhesive on the preload of screw thread connection

DONGDe-yi,LIZhi-lai,YANGLi-wei,XUHong(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, Changchun 130033, China)

Abstract:Screw joint structure is a basic device mostly used in space optical remote sensor assembly because of its outstanding advantages. Choosing the fitting fasteners and controlling the preload is the key to ensure the reliability of the screw joint structure. Plastering the locking adhesive on the screw thread during the course of assembling is a mean mostly used to prevent the screw joint get loose nowadays. But in the course of engineering application, the preload will change dramatically after plastering the locking adhesive on the screw threads or plastering different locking adhesive, although under the same locking torque. The quantified influence of the frequently-used locking adhesive in optical remote sensor assembling was analysed. The experiment results indicate that plastering the silastic(D04(L)) on the screw thread in the assembling, the preload will decrease by 50%～70% by comparison with the case of no locking adhesive under the same torque. But plastering the anaerobic adhesive(LOTTIE243),the preload will increase by 46%～98%. According to the study results, the influence to the preload has to be tested before using this kind of locking adhesive, and the torque should be adjusted according to the test results. The fastening by the torque spanner is unfit for the connection where the preload should be accurately controlled.

Key words:space optical remote sensor; screw thread connection; preload; locking adhesive

螺紋連接件具有裝配簡單、拆卸方便、利于檢修等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于空間光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)組件及整機(jī)裝配[1]。由于空間光學(xué)遙感器在發(fā)射過程中經(jīng)歷劇烈振動環(huán)境[2]，要求螺紋連接件具有良好的防松能力。螺紋連接緊固件常用的防松方法有兩類，即①靠防松零件(如自鎖螺母等)實(shí)現(xiàn)；②在螺紋上涂防松膠[3]，固化后可牢固粘接配合的螺紋副，達(dá)到防松目的。由于防松膠能減少機(jī)械零件數(shù)目、提高螺紋連接防松的可靠性，已成空間光學(xué)遙感器螺紋連接的主要防松手段。

空間光學(xué)遙感器裝配中，用于螺紋防松連接的膠結(jié)劑主要有硅橡膠(如GD414、D04(L)等)及厭氧膠(如樂泰243、J222等)，二者在室溫下的固化周期均為15天。由于空間光學(xué)遙感器對靠近鏡面的螺釘預(yù)緊力非常敏感[4-9]，隨工程應(yīng)用增加，在使用防松膠過程中發(fā)現(xiàn)螺釘在涂膠前后鏡面面形差別較大；涂不同防松膠鏡面面形也不同。而涂膠只對螺栓預(yù)緊力有影響，即在相同擰緊力矩下涂與不涂膠，螺釘?shù)念A(yù)緊力有較大差異；所涂防松膠不同螺釘?shù)念A(yù)緊力也不同。而在靠近鏡面的螺紋連接副中，過大或過小預(yù)緊力均有害，即預(yù)緊力過大會導(dǎo)致鏡面變形較大及連接件在振動試驗(yàn)中會被振斷，過小會在振動環(huán)境下因連接松動導(dǎo)致連接失效[10-11]。由此可見，螺紋連接件使用中預(yù)緊力大小選擇、準(zhǔn)確度控制是確保螺紋連接質(zhì)量關(guān)鍵。

鑒于預(yù)緊力在螺紋連接副中的重要性，本文針對螺紋防松膠對螺紋連接預(yù)緊力影響進(jìn)行定量的試驗(yàn)研究。以期為空間光學(xué)遙感器裝配中防松膠選擇及螺栓緊固方法選擇提供借鑒。

1擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系基本原理

1.1擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系

螺紋連接件受力原理見圖1。

圖1　擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系原理 Fig.1 The relationship between torque and preload

在螺栓上施加大小為T的擰緊力矩，在螺栓軸向產(chǎn)生預(yù)緊力F，二者關(guān)系[12]為

(1)

式中：T為擰緊力矩；F為預(yù)緊力；d2為螺紋中徑；ψ為螺紋升角；ρv為螺紋連接副當(dāng)量摩擦角，即

ρv=arctan(1.15μv)

(2)

式中：μv為螺紋副摩擦系數(shù)；μc為螺母與被連接件承壓面間摩擦系數(shù)；D1為螺母支撐面外徑；d0為被連接件或墊圈孔直徑。

由于ψ，ρv角度較小，一般不超過10°，因此

tan(ψ+ρv)≈tanψ+tanρv

(3)

將式(3)代入式(1)，得

T1+T2+T3

(4)

式中：D1為螺母支撐面摩擦半徑；t為螺紋螺距；β為螺紋升角，普通螺紋β=30°；T1為克服螺母與被連接支撐面間摩擦力施加的力矩；T2為克服螺紋副間摩擦力施加力矩；T3為克服螺紋斜面受力產(chǎn)生的阻力矩，使連接件產(chǎn)生預(yù)緊力。一般T1為擰緊力矩T的50%，T2為40%，能產(chǎn)生預(yù)緊力的T3僅為擰緊力矩T的10%。

1.2影響預(yù)緊力大小主要因素

工程中為便于應(yīng)用，通常將式(1)簡化為

T=KdF

(5)

式中：K為擰緊力矩系數(shù)[13-14]；d為螺紋公稱直徑。

由式(1)、(2)、(5)得擰緊力矩系數(shù)K的表達(dá)式

(6)

螺栓規(guī)格、材料一定情況下K值僅與螺紋副的摩擦系數(shù)μv及螺母與連接件或墊圈接觸面摩擦系數(shù)μc有關(guān)。無論在螺紋上涂厭氧膠或硅橡膠，均會影響螺紋副的摩擦系數(shù)μv。若膠溢到螺母與被連接件連接面上會影響連接面的摩擦系數(shù)μc，進(jìn)而影響擰緊力系數(shù)K值，導(dǎo)致擰緊力矩一定、預(yù)緊力發(fā)生變化。

2試驗(yàn)方案介紹

2.1方案描述

檢測涂防松膠對螺紋預(yù)緊力影響試驗(yàn)方案見圖2。試驗(yàn)件主要由箱體、M10×120 mm螺栓及M10螺母組成。箱體用鑄鐵材料，螺栓及螺母為不銹鋼。

圖2　試驗(yàn)件組成 Fig.2 The experiment component

2.2試驗(yàn)原理

用經(jīng)校準(zhǔn)的力矩扳手控制螺紋擰緊力矩，螺母內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)緊力與應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)為：在螺母上施加一定擰緊力矩T，致螺栓桿內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)緊力F，螺栓桿在預(yù)緊力作用下被拉長，螺栓內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力σ，設(shè)螺桿橫截面積為A，則有

F=σA

(7)

據(jù)胡克定律，在彈性變形范圍內(nèi)螺桿內(nèi)部拉應(yīng)力σ與應(yīng)變ξ滿足關(guān)系為

σ=ξE

(8)

式中：E為螺栓材料彈性模量。

由式(7)、(8)得

F=ξEA

(9)

式(9)表明，在彈性變形范圍內(nèi)螺栓內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)緊力F與螺桿應(yīng)變ξ成正比。因此，在螺栓桿上粘貼應(yīng)變片可實(shí)時監(jiān)測螺栓桿在不同預(yù)緊力下的應(yīng)變大小及螺栓內(nèi)部預(yù)緊力大小。

2.3應(yīng)變測量

在試件測點(diǎn)粘貼電阻應(yīng)變片可獲取應(yīng)變大小，即構(gòu)件表面測點(diǎn)受載產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在構(gòu)件表面的電阻應(yīng)變片感知應(yīng)變后電阻值發(fā)生變化，經(jīng)電阻應(yīng)變儀處理獲得變化的電流或電壓并記錄，再經(jīng)一定比例換算獲得構(gòu)件表面的應(yīng)力、應(yīng)變。

圖3　箔式應(yīng)變片 Fig.3 Foil strain gauge

本試驗(yàn)所用合金箔應(yīng)變片見圖3。在箔的一面涂樹脂膠，經(jīng)加溫聚合作為基底，另面用照相腐蝕(光刻)制成敏感柵，合金箔厚度0.003～0.01 mm，基底厚度0.03～0.05 mm。該應(yīng)變片感受應(yīng)變狀態(tài)與試件表面應(yīng)變狀態(tài)更接近；橫向效應(yīng)系數(shù)較小，散熱條件好，允許通過較大電流輸出較強(qiáng)信號，提高測量靈敏度；箔柵尺寸、形狀精確，且能制成任意形狀，如柵長較小的應(yīng)變片。

圖4　應(yīng)變片粘貼位置 Fig.4 The paste position of strain gauge

為監(jiān)測螺栓在不同預(yù)緊力下變形量大小，在螺栓上粘貼應(yīng)變片。將螺栓局部修成平面以保證粘貼質(zhì)量，在螺桿中間偏下近螺栓頭部位兩側(cè)各開一平槽各粘貼一枚箔式片，兩應(yīng)變片互為備份，見圖4。

2.4加載方案

圖5　改造后螺栓 Fig.5 The processed bolts

以圖5中螺栓1為研究對象，在不涂螺紋防松膠情況下測得擰緊力矩分別為10 Nm、15 Nm、20 Nm、25 Nm；在螺紋上涂D04(L)螺紋防松膠，測得擰緊力矩分別為10 Nm、15 Nm、20 Nm、25 Nm，每種工況重復(fù)加載5次，得5組讀數(shù)，去掉最大、最小值，取3組讀數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

以螺栓2為對象，在不涂螺紋防松膠情況下測得擰緊力矩分別為10 Nm、15 Nm、20 Nm、25 Nm；涂樂泰243螺紋防松膠后測得擰緊力矩分別為10 Nm、15 Nm、20 Nm、25 Nm，每個工況加載次數(shù)與螺栓1相同。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試件及測試設(shè)備

改造后的螺栓及粘貼應(yīng)變片見圖5，其中螺栓1、2為測試對象， 3為備用件。整個試驗(yàn)組件見圖6，主要由箱體、改造后M10螺栓及螺母組成。用Dh1815靜態(tài)應(yīng)變儀測量螺栓桿應(yīng)變，測試設(shè)備見圖7。

圖6 試驗(yàn)件裝配體Fig.6Theexperimentassemblyparts圖7 Dh1815靜態(tài)應(yīng)變儀Fig.7Dh1815staticstraininstrument

3.2測試結(jié)果

涂D04(L)膠前后螺栓在不同擰緊力矩下的應(yīng)變量測試結(jié)果見表1，涂樂泰243膠前后螺栓在不同擰緊力矩下的應(yīng)變量測試結(jié)果見表2。由2表看出，每個狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性均較好。

表1　涂D04(L)膠前后螺栓應(yīng)變量測試結(jié)果

表2　涂樂泰243膠前后螺栓應(yīng)變量測試結(jié)果

3.3結(jié)果對比及分析

以表1、表2中3組讀數(shù)平均值進(jìn)行對比，兩根螺栓在不涂膠情況下承受同樣的擰緊力矩，螺栓內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變測試結(jié)果對比見表3，涂硅橡膠(D04(L))前后螺栓內(nèi)部應(yīng)變測試結(jié)果對比見表4，涂樂泰243螺紋防松膠前后螺栓內(nèi)部應(yīng)變測結(jié)果對比見表5。

由3表看出，不涂膠情況下兩根螺栓在相同擰緊力矩載荷作用下的應(yīng)變量有接近30%的誤差，說明用力矩扳手法控制螺栓預(yù)緊力較粗劣。在螺紋上涂D04(L)防松膠后相同擰緊力矩下預(yù)緊力減小50%～70%；涂樂泰243防松膠后相同擰緊力矩下預(yù)緊力增加46%～98%，兩種膠使預(yù)緊力變化趨勢截然相反，說明若采用力矩扳手法緊固螺釘，須在正式裝配前對防松膠與螺紋預(yù)緊力關(guān)系進(jìn)行定量試驗(yàn)，否則實(shí)際預(yù)緊力會與期望值偏差較大。

表3　不涂膠應(yīng)變量測量結(jié)果對比

表4　涂硅橡膠(D04(L))應(yīng)變測試結(jié)果對比

表5　涂樂泰243應(yīng)變測試結(jié)果對比

4結(jié)論

通過防松膠對螺紋連接預(yù)緊力影響研究，結(jié)論如下：

(1)空間光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)件裝配中，用力矩扳手控制螺釘擰緊力矩為粗劣方法，誤差接近30%；螺紋上涂防松膠會對螺紋副及螺釘頭與連接面摩擦系數(shù)影響較大，不同防松膠對摩擦系數(shù)影響亦不同。

(2)擰緊力矩相同，涂防松膠后螺栓內(nèi)部產(chǎn)生的預(yù)緊力與設(shè)計值亦會嚴(yán)重不符，致產(chǎn)品埋下嚴(yán)重的安全隱患。需進(jìn)行涂膠對螺紋連接預(yù)緊力影響的定量研究。

(3)本文結(jié)果對空間光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配中對螺紋防松膠的使用具有較強(qiáng)指導(dǎo)意義。而需精確控制(精度需要高于30%)螺栓預(yù)緊力連接區(qū)域，不可采用力矩扳手方式緊固。

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第一作者衛(wèi)亭女，碩士生，1989年7月生

通信作者楊曉麗女，博士,副教授，1979年4月生

第一作者李紅影女，博士，講師，1981年生

通信作者李健男，副教授，1972年生