常見緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法

周思琪， 張建軍

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

螺紋連接在工作狀態(tài)下可能會(huì)經(jīng)受所有類別的變動(dòng)載荷，包括極為激烈的振動(dòng)和沖擊載荷。在變動(dòng)載荷的作用下，螺紋連接的失效通常是由其自身的松動(dòng)和疲勞破壞所引起的。在一般情況下，螺紋連接抗振松的壽命比其材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命短得多，遠(yuǎn)在疲勞破壞之前，就已經(jīng)出現(xiàn)了因松動(dòng)而造成螺紋連接的松脫失效，或者出現(xiàn)了因松動(dòng)而導(dǎo)致連接件和被連接件的過早疲勞破壞。螺紋連接的失效會(huì)影響產(chǎn)品和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)斐蓢?yán)重的后果。

實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)也說明，橫向沖擊、振動(dòng)更易引起螺紋連接的松動(dòng)。試驗(yàn)表明，與橫向外力相比，經(jīng)受軸向外力的螺紋連接不容易松動(dòng)。在考核和評(píng)定緊固件的防松性能時(shí)，采用橫向加力的試驗(yàn)方式能加速螺紋連接的松動(dòng)，使考核試驗(yàn)更有效，試驗(yàn)工作的效率更高。

1 試驗(yàn)原理

Junker 于1969 年首先提出[1]，動(dòng)態(tài)的橫向載荷更能引起螺紋連接松動(dòng)。此后，他發(fā)明了如今仍被廣泛應(yīng)用的Junker 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。

Junker 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，將試驗(yàn)螺栓按照規(guī)定扭矩?cái)Q緊在工作臺(tái)上， 工作臺(tái)分為動(dòng)板和固定工裝兩部分， 借助動(dòng)力裝置使動(dòng)板產(chǎn)生正弦變化的橫向載荷，使螺栓連接的夾緊力減小甚至完全松動(dòng)。 通過分析和比對(duì)動(dòng)過程中夾緊力的衰減數(shù)據(jù)可以判定螺栓連接的防松性能。 國內(nèi)外學(xué)者利用該試驗(yàn)方法對(duì)橫向振動(dòng)下螺栓連接的松動(dòng)進(jìn)行了廣泛研究。

圖1 試驗(yàn)原理圖

2 常見試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

2.1 GB/T 10431[2]

上世紀(jì)80 年代初，ISO/TC2 組織德、英、美、日和中國等利用各種橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證， 以求公認(rèn)的防松性能試驗(yàn)方法。 我國引進(jìn)了一臺(tái)安布內(nèi)科橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，見圖2，開展了大量的驗(yàn)證工作，在此基礎(chǔ)上，制定并發(fā)布實(shí)施了國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10431-1989）。 這種方法在國內(nèi)越來越多地使用， 在鐵路等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用，TB/T 2073、TB/T 3019 等標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法均制定此方法。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于測定緊固件防松性能的橫向振動(dòng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法。 方法延續(xù)了水平橫向滑移這一理論標(biāo)準(zhǔn)，也明確是一種對(duì)比比較試驗(yàn)，沒有絕對(duì)的定量指標(biāo)。 給出了推薦的12.5Hz 的試驗(yàn)頻率、測試的數(shù)量和振動(dòng)的周期。提供了工裝夾具尺寸圖紙和參考材料。以12.9級(jí)緊固件為例推薦了初始預(yù)緊力和自由狀態(tài)下空載振幅。 明確預(yù)緊力作為測試條件和評(píng)估指標(biāo)。

圖2 試驗(yàn)機(jī)示意圖

2.2 DIN 65151[3]

德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 由航空航天標(biāo)委會(huì)機(jī)械制造專家編寫。 標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的試驗(yàn)用于檢查航空航天緊固件在動(dòng)態(tài)橫向載荷下的松緊性能。制定了測試設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)，用于橫向負(fù)載條件下緊固件的鎖定特性的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)， 明確預(yù)緊力作為測試條件。測試結(jié)果受許多測試參數(shù)的影響，在個(gè)別情況下，這些參數(shù)的定性效果仍不清楚。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)不能絕對(duì)保證螺栓連接在使用條件下的鎖緊性能。 試驗(yàn)的目的是在規(guī)定的試驗(yàn)條件下對(duì)鎖緊元件進(jìn)行比較評(píng)估。

2.3 DIN 25201-4[4]

該標(biāo)準(zhǔn)是德國鐵路車輛標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)編寫。 標(biāo)準(zhǔn)延續(xù)了DIN65151 測試原理，但更嚴(yán)格。 標(biāo)準(zhǔn)引入了參考和驗(yàn)證測試，給出了確定振幅的方法，規(guī)定不同等級(jí)螺栓使用墊片符合DIN EN ISO 7093-1 規(guī)范及硬度、 表面平行度、粗糙度等要求，規(guī)定測試頻率為12.5Hz，給出螺栓初始預(yù)緊力范圍及潤滑方式，振動(dòng)周期2000 次等要求規(guī)定螺栓夾緊長度比1.7。 ，提出了評(píng)估剩余預(yù)緊力80%以上為足夠防松保護(hù)的量化指標(biāo)。

2.4 ISO 16130[5]

本標(biāo)準(zhǔn)由ISO/TC 20 航空航天緊固件專家編寫，試驗(yàn)原理同前， 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了有效恒定振幅確定方法或推薦使用恒定有效振幅， 列出了不同強(qiáng)度等級(jí)初始預(yù)緊力具體數(shù)值，列出了衰減率評(píng)估表和防松性能優(yōu)劣，規(guī)定了相關(guān)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸和公差， 推薦測試樣件長徑比為2～2.5。標(biāo)準(zhǔn)將扭矩測量引入振動(dòng)測試標(biāo)準(zhǔn)，檢測前的自鎖力矩，振動(dòng)后的擰緊力矩和自鎖力矩都必須記錄， 并設(shè)置了三種評(píng)價(jià)方式。 標(biāo)準(zhǔn)沒有DIN 25201-4B 那么嚴(yán)格，但遵循了類似的原則。

3 標(biāo)準(zhǔn)部分要求對(duì)比

各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)別見表1～表3。

表1 試驗(yàn)設(shè)備要求對(duì)比

表2 試驗(yàn)條件對(duì)比

表3 試驗(yàn)結(jié)果要求對(duì)比

4 GJB 715.3A[6]緊固件試驗(yàn)方法-振動(dòng)

GJB 715.3A 采用加速振動(dòng)試驗(yàn)的方法，原理見圖3。

該標(biāo)準(zhǔn)原理與其它標(biāo)準(zhǔn)方法原理不同， 采用加速振動(dòng)試驗(yàn)的方法， 振動(dòng)方向?yàn)榇怪本o固件軸向方向 （和橫向振動(dòng)方向相同）。 試驗(yàn)將緊固件與試驗(yàn)夾具組裝后， 固定在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。 振動(dòng)波形為正弦波， 頻率30Hz，全振幅：（11.43±0.4）mm。 試驗(yàn)前在螺栓端頭到螺母劃一參考線，達(dá)到規(guī)定振動(dòng)次數(shù)或螺母松脫，觀察松轉(zhuǎn)量是否失效。

圖3 加速振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法原理

得出現(xiàn)鎖緊結(jié)構(gòu)破壞。 該試驗(yàn)可以得到振動(dòng)試驗(yàn)后緊固件的松動(dòng)情況，或失效振動(dòng)次數(shù)，無法在試驗(yàn)過程中測量預(yù)緊力衰減。

5 結(jié)束語

幾種常見橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法試驗(yàn)原理相似，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求、 試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果的要求有所區(qū)別，要決定使用哪種標(biāo)準(zhǔn)和哪種測試方法，需要根據(jù)測試的目的選擇適用的方法。 如果要認(rèn)證緊固件滿足標(biāo)準(zhǔn)或滿足要求，GB/T 10431、SO 16130、DIN 25201-4、DIN 65151 和GJB 715.3A 都提供了在規(guī)定的測試條件下松動(dòng)行為的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估。