摩擦系數(shù)對高強度螺栓防松性能影響分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

摩擦系數(shù)對高強度螺栓防松性能影響分析

司超群 覃佳亮 肖健

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

在螺紋連接中，摩擦系數(shù)對于螺紋聯(lián)接的可靠性是一個重要的影響因素。本文在理論分析為基礎(chǔ)上，通過橫向振動試驗，對M10x1.25-8.8級法蘭螺栓進行了防松性能分析，得出了幾種不同摩擦系數(shù)下，高強度法蘭螺栓防松性能的對比曲線及其防松效能優(yōu)劣，對實際工程中的螺栓選用具有一定指導(dǎo)意義。t

螺紋聯(lián)接；摩擦系數(shù)；橫向振動；防松

0 引言

在現(xiàn)代機械中，緊固件的數(shù)量約占機器零件總數(shù)量的60%，其中螺紋聯(lián)接是機械聯(lián)接中使用最普遍的形式之一[1]。一般螺紋緊固都具有自鎖性能，但在變載、沖擊、振動作用下或者工作溫度變化較大時均可能發(fā)生松動，導(dǎo)致預(yù)緊力下降。

螺紋緊固件的摩擦系數(shù)是重要的設(shè)計參數(shù)，它直接影響著螺栓的材料強度效能利用和防松性。摩擦系數(shù)較大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的預(yù)緊力也小，而且由于擰緊過程中螺栓會受到更大的剪切力，螺栓等效拉應(yīng)力更容易超過材料的強度極限，此時設(shè)計者往往需要提高螺栓的規(guī)格來滿足預(yù)緊力的設(shè)計要求，造成材料的浪費；摩擦系數(shù)較小的螺栓，在相同扭矩下得到的預(yù)緊力較大，但自身防松效果較差[2]。

可見，螺栓摩擦系數(shù)的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題。本文以某一規(guī)格的高強度連接螺栓為例，針對同一規(guī)格不同表面處理要求，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過橫向振動實驗探究了幾種不同摩擦系數(shù)螺栓的防松特性，為該規(guī)格的高強度連接螺栓的摩擦系數(shù)設(shè)計、選定提供有意義的參考。

1 理論分析

1.1 螺紋的受力

相互配合的螺紋之間受到的是一種復(fù)合力的作用，為了分析方便，以矩形螺紋作為研究對象。螺紋副中，螺母所受到的軸向載荷Q沿螺紋各圈平均分布，為便于分析，用集中載荷Q代替，并設(shè)Q作用在中徑為d2圓周上的一點。將矩形螺紋沿中徑d2展開，得到斜角等于螺紋升角的斜面。當(dāng)螺母相對于螺桿等速旋轉(zhuǎn)時，可看作一個滑塊（螺母）沿著斜面作等速滑動[3]，如圖1。

擰緊螺母時，相當(dāng)于水平推力F推動滑塊沿斜面向上滑動，它的作用方向與d2的圓周相切，運動過程中還受到接觸面的摩擦力Ff、軸向載荷Q。當(dāng)螺母勻速擰緊時（滑塊勻速上升），根據(jù)勻速條件得知滑塊所受到的合力為零，及作用在滑塊的各力平衡。根據(jù)封閉三角形原理，得到平衡方程[4]。

圖1 螺紋受力分析圖

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T1—―擰緊力矩 μs—―摩擦系數(shù)

勻速擰松螺母時，相當(dāng)于水平推力F推動滑塊沿斜面勻速向下運動，此時摩擦力Ff反向，則作用在滑塊的各力平衡，根據(jù)封閉三角形原則，得到平衡方程。

式中：ρs=arctan（μs）

ρs—―摩擦角 T2—―擰緊力矩 μs—―摩擦系數(shù)

1.2 摩擦系數(shù)對螺栓防松性能的影響

螺栓松脫主要是由兩方面原因造成的：松弛和松動。其中松弛是指緊固件裝配完成后，整體結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)下，在5～10 min內(nèi)緊固件的夾緊力會出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕變兩大原因引起的；松動是指緊固件在轉(zhuǎn)配完成后，緊固件結(jié)構(gòu)受到一定時間的交變載荷后，螺母與螺栓之間發(fā)生了顯著的相對轉(zhuǎn)動，預(yù)緊力下降直到預(yù)緊力消失的現(xiàn)象。

摩擦系數(shù)作為螺紋緊固件重要的設(shè)計參數(shù)，直接影響這螺紋緊固件的防松性能。根據(jù)前文螺紋受力分析可知：由于螺紋升角的作用，擰緊螺母所需力矩T1和擰松螺母所需要的力矩T2不同，一般情況下松退力矩為擰緊力矩的80%左右。那么，松退力矩越大，則螺栓松動的可能性就會越低，即螺栓防松的效果越好。根據(jù)公式（4）及ρs=arctan（μs）可知。

當(dāng)螺紋的類型確定（螺紋升角確定）、工況條件確定（Q確定）的前提下，松退力矩T1與摩擦系數(shù)成正比，即在一定的范圍內(nèi)摩擦系數(shù)越大，其松退力矩越大，對應(yīng)螺栓的防松性能相對越好。

2 實驗分析

從上述理論分析可以看出，摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個重要因素。為了進一步探究螺栓的摩擦系數(shù)對其防松性能的影響規(guī)律，本文在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了如下實驗。

2.1 實驗材料

本文研究的對象是摩擦系數(shù)對高強度螺栓防松性能的影響分析，因此選取的實驗樣件型號為M10X1.25X65-8.8，頭部形狀均為六角頭法蘭面，唯一區(qū)別是各組之間螺栓的表面處理不同（決定摩擦系數(shù)的差異），具體的材料信息見表1。

表1 實驗材料清單

2.2 實驗條件

整個實驗過程中所用到的實驗樣件均由同一個生產(chǎn)廠家提供，保證材料、加工工藝等方面的一致性；實驗過程嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10431―2008[5]實施；實驗環(huán)境始終保持在常溫（出現(xiàn)個別天氣變化的情況要更改實驗進度計劃）；實驗儀器中選擇的頻率為12.5 HZ，空載振幅為±0.8 mm；實驗終止條件為振動時間達到120 s或者殘余軸向力減少至零。

2.3 實驗方法

本實驗利用英國SPS―安布內(nèi)科橫向振動試驗機，該試驗機可以測量出螺栓擰緊過程中的夾緊力、螺紋副上的扭矩以及分階段測出軸向力的變化，并對軸向力衰減做出一個實時反映。實驗采用的方法是單一變量的原理，整個實驗過程中唯一的變量是螺栓的摩擦系數(shù)（由表面處理不同來體現(xiàn)[6]）。實驗共分為4組，每組各做10次實驗，每次實驗都要更換新的樣件及工裝夾具。每組實驗保證在初始軸向力相同的情況下（19.5 kN），分別記錄30，、60，、90，、120， 的軸力變化，最終獲得各組螺栓的軸力殘余比。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的分析和對比可以判定緊固件的防松性能。在實驗過程中，夾緊力衰減的越慢（殘余比越大），防松性能越好；反之，夾緊力衰減越快（殘余比越小），防松性能越差。

2.4 實驗結(jié)果分析

（1）對實驗數(shù)據(jù)進行整理，得到不同摩擦系數(shù)的螺栓在振動過程中各監(jiān)測點的殘余軸向力均值，如表2。

表2 不同摩擦系數(shù)螺栓各監(jiān)測點殘余軸力的平均值

通過表2可以得出，隨著實驗時間的推移，各組螺栓的殘余軸向力都有不同程度的衰減，且當(dāng)摩擦系數(shù)由0.25降至0.12時，對應(yīng)的軸力殘余比也依次降低，根據(jù)前面的分析可得，其對應(yīng)的螺栓防松性能也依次下降。

（2）為了能更加直觀地表現(xiàn)出螺栓所受軸向力衰減與摩擦系數(shù)的關(guān)系，對實驗數(shù)據(jù)進行整合處理，得到各監(jiān)測點殘余軸向力與初始軸向力百分比的平均值，如表3；并將不同摩擦系數(shù)下的各監(jiān)測點軸力殘余比擬合成了四條曲線，如圖2。

表3 不同摩擦系數(shù)螺栓各監(jiān)測點軸力殘余比的平均值

通過表3對四種摩擦系數(shù)下得到的的螺栓實驗數(shù)據(jù)的對比，以及圖2表示的不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測點軸力比的變化趨勢，可以得出以下結(jié)論。

（1）對于高強度螺栓(強度等級≥8.8)緊固過程中，在保證擰緊的前提下（初始軸向力一般為屈服軸向力的75%左右），以上四種摩擦系數(shù)的螺栓最終的軸力殘余比均≥80%，可見以上四組螺栓均具有一定的防松能力，但防松的性能有一定的差異；

圖2 不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測點軸力殘余比變化趨勢

（2）以上4種摩擦系數(shù)的螺栓在經(jīng)歷120 s的橫向振動后，軸向力都有衰減的趨勢，但4組螺栓的軸力衰減程度不同。摩擦系數(shù)高（0.25）的螺栓，在到達30 s過后，衰減曲線幾乎趨于水平，軸力衰減相對較平緩，防松性能較好；摩擦系數(shù)低（0.12）的螺栓，經(jīng)歷120 s的實驗過程中，衰減曲線始終呈現(xiàn)坡度下降的趨勢，軸力衰減相對較快，防松性能相對較低。

3 結(jié)束語

通過理論分析，得出摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個關(guān)鍵性因素。摩擦系數(shù)較高時，螺栓的防松性能相對較好，即在防松方面的連接可靠性較高；反之，摩擦系數(shù)較低時，螺栓防松性能相對較差，即在防松方面的連接可靠性相對較低。

當(dāng)然，影響螺栓防松性能的因素不單是摩擦系數(shù)，同樣摩擦系數(shù)也不單只對螺栓防松性能起作用，它對螺栓擰緊過程中的扭矩系數(shù)、扭矩的轉(zhuǎn)換等也有直接關(guān)系[7]。總之，摩擦系數(shù)的選取是一個平衡防松性能與強度效能利用的矛盾問題，本文只針對摩擦系數(shù)對螺栓防松性能的影響做了詳細的研究分析，具體螺栓摩擦系數(shù)的最終選取需要在此基礎(chǔ)上，根據(jù)螺栓的型號、使用場合等因素綜合考慮[8]。

[1]淺談國外高強度及高壽命緊固件的制造工藝 緊固件工業(yè)通訊1987.5.

[2]葉仁超 基于有限元微車高強度連接螺栓防松特性分析[J].

[3]李維榮 螺紋緊固件防松技術(shù)與試驗方法的研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文2005.

[4]李維榮 螺紋緊固件防松技術(shù)探[J]. 2003.

[5]GB/T10431—2008, 緊固件橫向振動實驗方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2011.

[6]陳先鋒 賀賢娟 王伯琴 高強度螺栓連接的摩擦面處理機摩擦系數(shù)[J]. 工業(yè)建筑1983.

[7]李啟才 顧強 蘇明周 陳愛國 摩擦型高強螺栓連接性能的實驗研究[J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報 2003.

[8]曹增強 余公藩 林水福 螺栓連接當(dāng)量摩擦系數(shù)的實驗研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù)1994.

U472.41 文獻標(biāo)示碼：A

司超群（1981—），男，本科，研究方向為汽車設(shè)計。覃佳亮（1974—），女，本科，研究方向為汽車設(shè)計。肖?。?987—），男，本科，研究方向為汽車設(shè)計。