單螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，螺栓連接形式應(yīng)用廣泛，特別是在壓力容器行業(yè)中，其優(yōu)點(diǎn)是連接可靠、便于拆裝和檢修等。螺栓上的初始預(yù)緊力既保證連接的密封性能[1]，又使得被連接件在外載荷作用時(shí)不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。常見的螺栓失效形式有疲勞、螺栓被剪斷和松動(dòng)等[3]，螺栓的失效不僅會(huì)增加工業(yè)機(jī)械的維修費(fèi)用和不必要的停機(jī)時(shí)間，還會(huì)引發(fā)一些嚴(yán)重的工業(yè)事故[4]。

良好的螺栓連接性能不僅取決于初始預(yù)緊力[5-7]、接觸面摩擦系數(shù)[8-9]和材料[10]等，還取決于螺栓直徑[11]以及螺栓和螺栓孔之間的裝配位置。針對(duì)螺栓裝配的問題已有很多學(xué)者做了大量的研究。Lawlor和Mccarthy等[12-13]研究了螺栓孔間隙在螺栓連接中的影響，研究表明：螺栓和螺栓孔的裝配間隙不僅會(huì)影響載荷的分布，而且還會(huì)影響螺栓疲勞壽命。馬傳寶等[14]研究了軸心相對(duì)孔心的偏移量，考慮了螺栓和螺栓孔裝配成功的概率，同時(shí)也考慮了位置度對(duì)雙孔螺栓連接的影響。Mccarthy和Egan等[15-16]研究了裝配間隙對(duì)螺栓連接的影響，研究表明：裝配間隙會(huì)影響螺栓連接強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，但是研究中并沒有考慮位置度的影響。目前對(duì)螺栓裝配位置影響連接性能的研究還不夠完善，還沒有理論或?qū)嶒?yàn)定量研究裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響。筆者研究了螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響，確定了螺栓和螺栓孔相對(duì)位置不同時(shí)對(duì)螺栓可靠性和連接壽命的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

螺栓連接可簡化為圖1，假設(shè)外部載荷為橫向剪切載荷，被施加在任一連接件上。

圖1 螺栓連接簡化圖Fig.1 Simplified diagram of the bolted joint

螺栓連接件通過螺母的相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生預(yù)緊力以實(shí)現(xiàn)連接。為了拆裝方便和部件更換，螺栓和螺栓孔之間采用間隙配合。栓孔之間的最小配合間隙在實(shí)際裝配中不能控制為一個(gè)確定的值，取決于加工方式和裝配技術(shù)。理論上，螺栓和螺栓孔裝配最合理的位置是保證兩者軸線重合，使得螺栓和螺栓孔之間有良好的對(duì)中度。實(shí)際的裝配過程中，由于裝配工具、技術(shù)以及方法的不確定性，螺栓的裝配位置不可能完全處于理論上的最合理位置，兩者軸線存在一定的相對(duì)距離。螺栓貼近螺栓孔壁面裝配時(shí)，一種是遠(yuǎn)離橫向載荷，一種是靠近橫向載荷，螺栓裝配的極限情況如圖2所示。

圖2 螺栓裝配位置Fig.2 Assembling position

為了研究螺栓與螺栓孔之間裝配位置對(duì)螺栓連接的影響，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中采用M12螺栓和螺母，螺距為1.75 mm，材料為304不銹鋼；連接件材料為304不銹鋼，厚度為18 mm，螺栓孔的直徑為12.7 mm，螺栓與螺栓孔之間的最大間隙為0.7 mm。為了保護(hù)連接件接觸面，連接件之間和螺母與連接件之間分別放置銅帶和墊片。其中，銅帶涂有潤滑油。墊片的材料為304不銹鋼。實(shí)驗(yàn)之前，各個(gè)接觸面都應(yīng)用無水乙醇進(jìn)行擦洗，以去除表面的油污和雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中，螺栓夾緊力的變化由載荷傳感器進(jìn)行采集，其最大量程為50 kN。實(shí)驗(yàn)裝置放置于英斯特朗實(shí)驗(yàn)機(jī)(Instron 8872)，其最大拉伸載荷為25 kN，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)驗(yàn)在室溫中進(jìn)行。連接件一端固定，一端施加循環(huán)動(dòng)態(tài)載荷。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 The test rig

實(shí)驗(yàn)中外載控制模式采用位移控制，外載位移以正弦曲線進(jìn)行加載，頻率為1 Hz，位移和時(shí)間的關(guān)系為

δ=0.45sin(2πt)

(1)

式中：δ為拉伸位移，mm；t為加載時(shí)間，s。

實(shí)驗(yàn)中，螺栓采用扭矩扳手進(jìn)行預(yù)緊，施加扭矩至載荷傳感器的數(shù)值為7.5 kN，則螺栓的初始預(yù)緊力為7.5 kN。該實(shí)驗(yàn)中螺栓的夾緊力由載荷傳感器采集，以避免扭矩扳手讀數(shù)引入的誤差。連接件裝夾時(shí)，應(yīng)檢查螺栓孔之間的對(duì)中度。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的可靠性，實(shí)驗(yàn)前對(duì)載荷傳感器進(jìn)行標(biāo)定以確定載荷傳感器數(shù)據(jù)采集的相對(duì)誤差是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。標(biāo)定過程中，在載荷傳感器上施加壓力載荷，標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖4所示。為了更好地對(duì)比載荷傳感器和試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)取絕對(duì)值。

圖4 傳感器標(biāo)定Fig.4 Calibration for the sensor

標(biāo)定數(shù)據(jù)表明：該傳感器的最大相對(duì)誤差為1.91%，數(shù)據(jù)跟隨性良好且能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求，可保證采集數(shù)據(jù)的可靠性和合理性。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 螺栓連接壽命分析

在循環(huán)外載的作用下，螺栓承受往復(fù)的剪切載荷，使得夾緊力衰減而導(dǎo)致螺栓發(fā)生自松動(dòng)。在螺栓自松動(dòng)的過程中，螺栓和螺母之間會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，螺母會(huì)表現(xiàn)為軸向的旋退[16]。預(yù)緊力P0和夾緊力P是衡量螺栓自松動(dòng)和連接壽命的重要參數(shù)，三種裝配位置螺栓夾緊力的變化如圖5所示。

圖5 三種裝配情況螺栓夾緊力的變化Fig.5 Variation of the clamped force for three different scenarios

相比于螺栓裝配靠近載荷和遠(yuǎn)離載荷時(shí)，螺栓中間裝配時(shí)疲勞壽命更高，連接更可靠。比較不同裝配位置螺栓夾緊力的變化，可得結(jié)論：在外載的作用下，螺栓軸線偏離螺栓孔軸線裝配時(shí)，螺栓連接件的疲勞壽命較小，螺栓連接更容易發(fā)生松動(dòng)，不利于結(jié)構(gòu)緊固。

2.2 工作載荷的分析

作為分析螺栓松動(dòng)的重要參數(shù)，工作載荷能夠反映克服連接面上摩擦力的難易程度，較大的摩擦力需要較大的工作載荷來克服。同時(shí)，工作載荷的方向會(huì)影響連接面上摩擦力的方向。裝配不同位置時(shí)，工作載荷F，循環(huán)數(shù)N和載荷位移δ之間的關(guān)系如圖6～8所示。

圖6 螺栓靠近載荷裝配Fig.6 Bolt close to the load

圖7 螺栓遠(yuǎn)離載荷裝配Fig.7 Bolt away from the load

圖6～8顯示：在循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中，滯回線的形狀發(fā)生明顯變化：前期滯回線形成的包絡(luò)面積明顯大于后期滯回線的包絡(luò)面積，且滯回線的包絡(luò)面積隨著循環(huán)數(shù)的增加而減小。說明隨著循環(huán)的進(jìn)行，夾緊力的下降使得接觸面之間的摩擦力減小，摩擦所做的功也會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，若要達(dá)到實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的外載位移則所需的外載荷會(huì)變小。

圖8 螺栓對(duì)中裝配Fig.8 Centring the bolt

3 結(jié)果與討論

由于螺栓裝配的隨機(jī)性，螺栓在螺栓孔里的位置也是隨機(jī)分布的，不能保證兩者軸線是完全重合的。理想的情況是螺栓裝配時(shí)螺栓和螺栓孔的軸線相重合，保證螺栓孔和螺栓之間的完全對(duì)中。螺栓和螺栓孔的完全對(duì)中如圖9(a)所示，偏置裝配如圖9(b)所示。

圖9 螺栓的裝配位置Fig.9 Assembling position for the bolt

圖9中，db為螺栓的直徑；dn為螺栓孔的直徑；Cmin為裝配的最小間隙；Cmax為裝配的最大間隙；Cd為裝配后螺栓軸線和螺栓孔軸線的距離；O1為螺栓的圓心；O2為螺栓孔的圓心。定義Ψ為對(duì)中度以表征螺栓的裝配位置，計(jì)算公式為

(2)

式中：Ψ的取值為[0, 1]；Δ為螺栓半徑和螺栓孔半徑之差。螺栓連接件承受橫向循環(huán)外載荷且載荷幅值較小時(shí)，Ψ越大，在循環(huán)拉伸的過程中螺栓和螺栓孔之間有足夠的空間余量來滿足螺栓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺栓和螺栓孔不會(huì)發(fā)生剪切接觸；若載荷幅值較大使得螺栓頭和連接件之間發(fā)生明顯的相對(duì)滑動(dòng)，Cmin消耗完畢后，螺栓被連接件剪切，螺栓和螺栓孔發(fā)生接觸。Ψ越小，說明螺栓和螺栓孔的對(duì)中度越差，螺栓軸線和螺栓孔中心線之間的相對(duì)距離較小，較小的載荷幅值都可使得螺栓和螺栓孔發(fā)生剪切接觸。Cmin越小，螺栓和螺栓孔的對(duì)中度越差，同等載荷下，螺栓和螺栓孔越容易發(fā)生剪切接觸，不利于結(jié)構(gòu)緊固。裝配時(shí)控制Cmin的大小能夠有效提高螺栓連接的使用壽命和保障連接的可靠性。

4 結(jié) 論

為了研究螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接松動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)螺栓連接件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：螺栓和螺栓孔完全對(duì)中裝配時(shí)，在橫向載荷的作用下，螺栓孔壁和螺栓之間不易發(fā)生剪切，使得連接壽命高和連接可靠；螺栓相對(duì)于螺栓孔非對(duì)中裝配時(shí)，螺栓和螺栓孔壁之間易發(fā)生剪切接觸，使得螺栓夾緊力損耗較大，容易發(fā)生松動(dòng)，連接疲勞壽命低。因此，在螺栓裝配時(shí)，通過控制螺栓和螺栓之間的對(duì)中度能夠有效提高螺栓連接的抵抗松動(dòng)能力和連接壽命，保證螺栓連接的可靠性。