基于橫向振動(dòng)試驗(yàn)的螺紋聯(lián)接臨界松動(dòng)研究

覃雄臻 仝家鵬 覃佳亮 占 魁

（1．上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2．武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 前言

橫向載荷是螺紋聯(lián)接發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的主要原因，20 世紀(jì)60 年代Junker[1]發(fā)明了一種能夠模擬加載橫向載荷的試驗(yàn)儀器，可以用來(lái)檢測(cè)螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的防松性能—橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)分析比較各因素的變化曲線來(lái)評(píng)價(jià)防松性能的優(yōu)劣。李維榮[2]研究了螺紋緊固件防松技術(shù)和試驗(yàn)方法。Jiang等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，外部橫向載荷存在臨界值，當(dāng)載荷低于該臨界值時(shí)，螺栓不發(fā)生松動(dòng)。該臨界值對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中螺栓型號(hào)的選取具有重要的實(shí)用價(jià)值。Dinger 等人[4]報(bào)告稱，對(duì)于特定的螺栓接頭，引起松動(dòng)的橫向位移可能低至0.55 mm，而與完全支承面滑動(dòng)相對(duì)應(yīng)的值為0.86 mm。劉傳波等人[5]研究了螺紋緊固件防松性能的影響因素。該文通過(guò)制定橫向振動(dòng)試驗(yàn)方案，獲得參數(shù)組合（緊固件尺寸、材料、摩擦系數(shù)、載荷大小、方向、頻率，裝配結(jié)構(gòu)等）對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的影響規(guī)律，以找到螺紋聯(lián)接的臨界松動(dòng)條件。

1 橫向振動(dòng)試驗(yàn)原理與方案

試驗(yàn)原理：將樣件通過(guò)擰緊裝置擰緊在指定位置，使螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)在該過(guò)程中將輸入扭矩轉(zhuǎn)化為目標(biāo)預(yù)緊力。以偏心載荷系統(tǒng)產(chǎn)生使金屬板間發(fā)生橫向交變位移的載荷，振動(dòng)過(guò)程中聯(lián)接結(jié)構(gòu)預(yù)緊力逐漸減小，記錄夾緊衰減的瞬時(shí)值。橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的原理圖與實(shí)物圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)原理圖

試驗(yàn)方案：首先，確定不同的螺栓材料、規(guī)格尺寸、預(yù)緊力、摩擦系數(shù)、振幅的參數(shù)組合。其次，振動(dòng)一定次數(shù)，連續(xù)記錄夾緊力衰減情況。再次，如果發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，減小振幅，如果不發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，則增大振幅，直至找到最小的振幅范圍。最后，分析試驗(yàn)結(jié)果，得出橫向載荷下臨界松動(dòng)的參數(shù)組合。

圖2 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖

2 橫向振動(dòng)試驗(yàn)與結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)方案，分為A-D 四組進(jìn)行，選用10.9 級(jí)螺栓，尺寸規(guī)格分別為M8 mm×1.25 mm×50 mm，M10 mm×1.5 mm×50 mm，M12 mm×1.75 mm×85 mm和M14 mm×1.75 mm×120 mm，螺母選用相對(duì)應(yīng)的規(guī)格型號(hào)，振動(dòng)頻率選擇12.5 Hz，初始預(yù)緊力選擇70%屈服預(yù)緊力。由各自不同時(shí)刻的剩余軸力繪制剩余軸力占初始軸力百分比隨時(shí)間的變化曲線，如圖3 所示。觀察可知：施加不同預(yù)緊力，其殘余預(yù)緊力各自不同，而初始軸力為36 kN 時(shí)剩余軸力占初始軸力百分比最高，約為92.09%，說(shuō)明其防松效果較好，其次是28 kN、25 kN、20 kN、12 kN、42 kN。而經(jīng)擰緊試驗(yàn)測(cè)得螺栓的屈服緊固軸力約為40 kN，因此在螺栓的屈服軸向力范圍內(nèi)，隨著螺栓初始預(yù)緊力的增大，其防松性能增強(qiáng)，而當(dāng)螺栓的初始預(yù)緊力超過(guò)螺栓的屈服軸向力時(shí)，螺栓連接的防松能力顯著下降，因?yàn)榇藭r(shí)螺栓發(fā)生了屈服，其緊固扭矩會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減，螺栓在橫向振動(dòng)下極易松動(dòng)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，繪制最終軸力占初始軸力百分比隨初始軸力大小的變化曲線，如圖4 所示，當(dāng)初始預(yù)緊力在螺栓屈服預(yù)緊力30%～50%，螺栓的材料利用率較低，其防松性能還有較大的提升空間，而在50%～90%，螺栓的材料利用率較高，且隨著初始預(yù)緊力的增大，其防松性能的提升幅度已不再顯著，因此初始預(yù)緊力在螺栓屈服預(yù)緊力的50%～70%為宜，這樣即可實(shí)現(xiàn)較好的防松效果，又能實(shí)現(xiàn)較好的材料利用率。各組參數(shù)組合重復(fù)試驗(yàn)3 次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同初始預(yù)緊力作用下螺栓連接的防松性能

圖4 最終剩余軸力百分比隨初始軸力大小變化曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與臨界條件提取

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：A 組中編號(hào)A-1 預(yù)緊力無(wú)衰減，其他3 組均衰減至2 kN 以下，視為松動(dòng)失效，則A 組臨界松動(dòng)振幅為0.1 mm。B、C、D 3 組中B-1、C-1、D-1 組預(yù)緊力衰減量在1%以內(nèi)，B-2、C-2、D-2 預(yù)緊力衰減在5%以內(nèi)，其他組的預(yù)緊力均衰減至2 kN 以下，考慮儀器測(cè)量誤差產(chǎn)生的波動(dòng)，認(rèn)為第2 組試驗(yàn)的載荷更接近于臨界振幅，因此B、C、D 3組的臨界松動(dòng)振幅分別為0.2 mm、0.4 mm 和0.6 mm。各種螺栓規(guī)格的臨界松動(dòng)參數(shù)組合見(jiàn)表2。按照此方法，可以得到更多參數(shù)組合的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得到更全面、準(zhǔn)確的臨界參數(shù)組合方案，為工程實(shí)際提供設(shè)計(jì)依據(jù)與借鑒價(jià)值。

表2 橫向載荷下的臨界松動(dòng)參數(shù)組合

4 結(jié)語(yǔ)

該文根據(jù)橫向振動(dòng)試驗(yàn)原理制定了獲取螺紋聯(lián)接臨界松動(dòng)條件的試驗(yàn)方案，獲得緊固件尺寸、材料，摩擦系數(shù)，載荷大小、方向、頻率，裝配結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的影響規(guī)律（預(yù)緊力衰減量、百分比及曲線），通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，找到了各參數(shù)組合的臨界松動(dòng)條件。隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累，按照該文所提方法能夠得到更全面、準(zhǔn)確的臨界參數(shù)組合方案，為工程實(shí)際提供設(shè)計(jì)依據(jù)與借鑒意義。