軸向交變載荷對螺栓預緊力、變形及磨損的影響

趙 晶，孫銘雷，徐 嘯，夏麗麗

（1.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.特變電工集團，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

螺栓連接是機械設備中廣泛使用的緊固件之一，拆卸方便，連接緊固，多用于受力復雜部位及重要的接頭處。但在實際工作中，長時間的振動可能會導致螺栓連接松動。因此，國內(nèi)外學者對螺栓松動行為及其機理進行了廣泛的研究。

例如奧克蘭大學的Nassar 及同事[1-7]研究指出螺栓連接結構在軸向交變載荷作用下預緊力迅速下降是因為發(fā)生不可恢復的塑性變形。美國彈性制動螺母公司（ESNA）[8]的研究認為，螺栓松動可分為兩個階段：第一階段為螺栓的塑性變形，第二階段為螺母的相對運動。隨著微動摩擦學的發(fā)展，國內(nèi)外學者開始研究微動對螺栓松動的影響。Vinogradov[9]研究發(fā)現(xiàn)，在某些頻率、幅值的動態(tài)激勵下，松動可能會發(fā)生。但是他們研究的頻率范圍要明顯高于工程實際中結構可能承受的載荷頻率，因此對工程實際中的結構沒有參考意義。為明確螺栓預緊力衰退機理，通過試驗方法模擬微動工況，開展了不同頻率和幅值的軸向交變載荷對于螺栓預緊力衰退、螺栓變形以及螺紋磨損情況影響的研究。

2 試驗部分

2.1 夾具方案選型對比

為了能夠順利進行試驗得到預期的試驗結果，設計了兩種試驗夾具方案，如圖1 所示。夾具采用對稱結構，由鋼板和棒料焊接而成，如圖1（a）所示。底板上加工四個通孔插入圓柱銷，起定位對中作用。試驗（頻率f 為1Hz，軸向載荷A0為17.5kN）發(fā)現(xiàn)，焊接處有焊渣脫落。隨著試驗進行六小時后，下夾持端棒料焊接處的焊口開裂，導致棒料從螺栓聯(lián)接結構中脫落，造成夾具破壞，試驗無法進行。如圖2 所示。同樣采用上下對稱結構設計，但采用線切割技術將（130×130×60）mm 的鍛料切割成壁厚為15mm的空心框，通過自鎖螺母將空心框與單獨加工的階梯軸聯(lián)接在一起，保證其對中性，如圖1（b）所示。底面加工一個直徑為Ф16.5mm通孔，用于試件聯(lián)接。此夾具的設計避免了焊口開裂的問題，在實際試驗過程中運行良好。

圖1 夾具方案設計選型Fig.1 Fixture Design and Selection

圖2 棒料脫落Fig.2 Bar Stock Falls Off

2.2 螺栓預緊力的測量方法及原理

2.2.1 螺栓預緊力的測量方法

測量設備選用直角電阻應變片、DH3818-3 靜態(tài)應變測試儀。粘貼在金屬圓筒上的應變片受到外力作用時其輸出電壓也產(chǎn)生變化，通過靜態(tài)電阻應變儀放大及A/D 轉換后，在靜態(tài)應變儀屏幕顯示相應的應變值，如圖3 所示。

圖3 單臂電橋Fig.3 Wheatstone Bridge

2.2.2 螺栓預緊力的測量原理

采用單臂電橋測量：電橋中只有一個橋臂接工作應變片（常用ab 橋臂），而另一橋臂接溫度補償片（常用bc 橋臂），cd 和da橋臂接應變儀內(nèi)標準電阻。

考慮溫度引起的電阻變化，按式（1）可得到應變儀的讀數(shù)應變?yōu)椋?/p>

由于R1和R2溫度條件完全相同，所以電橋的輸出電壓只與工作片引起的電阻變化有關，與溫度變化無關，即應變儀的讀數(shù)為：

式中：σ—螺栓應力值；ε—螺栓測試應變值；E—螺栓彈性模量；A—螺栓光桿截面積；a—橋臂系數(shù)；F—螺栓預緊力。

由以上公式可知，在螺栓的彈性模量、橋臂系數(shù)確定的情況下，通過螺栓測試的應變值可以算出螺栓應力值。

2.3 預緊力衰退試驗

預緊力衰退試驗采用應變測試方法，通過DH3818-3 靜態(tài)應變測試儀上應變的變化率來間接反映螺栓預緊力變化百分比即剩余預緊力與初始預緊力之比，從而繪制預緊力衰退曲線。

試件選用國標普通螺紋M16×65，試驗前對試件進行仔細篩選，排除有明顯缺陷的螺栓，并進行清洗，以消除表面污染的影響。試驗使用MTS Landmark 370.25 型號試驗機，如圖4 所示。

圖4 MTS Landmark 370.25 試驗機Fig.4 MTS Landmark 370.25 Test Machine

通過扭力扳手施加初始預緊力矩，采用應變測試方法，得到初始預緊力。本試驗采用初始預緊力矩M0為90N·m，加載交變軸向載荷幅值A0分別為17.5kN、22.5kN、27.5kN，循環(huán)次數(shù)N 為（4×103）次，頻率f 為1Hz。

不同軸向交變載荷幅值作用下的預緊力衰退曲線，其縱坐標為預緊力衰退，橫坐標為循環(huán)次數(shù)，如圖5 所示。不同載荷幅值下螺栓預緊力衰退百分比的平均值數(shù)據(jù)，如表1 所示。結合圖5、預緊力衰退百分比的平均值為23.37%，在載荷幅值27.5kN 作用下，預緊力衰退百分比的平均值36.90%。因此，在不同軸向交變載荷幅值作用下，預緊力衰退不同；隨著軸向交變載荷幅值增大，螺栓預緊力衰退越大。以交變軸向載荷幅值A0為17.5kN 而言，從表1 可以看出，500 次循環(huán)后，預緊力衰退了15%；500 次至4×103次循環(huán)后，預緊力僅衰退了1%?？梢?，預緊力衰退趨勢分為兩個階段，第一階段急速下降，第二階段緩慢下降。研究表明在第一階段，預緊力急速下降是因為螺栓的塑性變形。當螺栓塑性變形穩(wěn)定后即第二階段，螺紋接觸面間的微動磨損成為預緊力下降的主要原因。由于磨損需要時間累積，所以預緊力衰退變緩。

圖5 不同軸向交變載荷幅值作用下的預緊力衰退曲線Fig.5 Decline Curve of Prestressing Force under the Action of Amplitude of Different Axial Alternating Loads

表1 不同載荷幅值下螺栓預緊力衰退百分比的平均值Tab.1 Average Percentage Decline of Pretightening Force of Bolts under Different Load Amplitudes

2.4 螺栓變形量分析

在預緊力衰退試驗中因發(fā)現(xiàn)螺栓變形會導致預緊力的急速衰退，由此，研究不同循環(huán)載荷幅值、頻率對螺栓塑性變形量的影響。由于夾具的變形為彈性變形。因此，螺栓聯(lián)接結構的變形量就可以看成螺栓的變形量。試驗中以當外載荷卸載到零時螺栓的塑性變形量，為螺栓聯(lián)接結構的軸向最小位移。試驗數(shù)據(jù)通過MTS獲取。

2.4.1 軸向交變載荷幅值對螺栓變形量的影響

不同軸向交變載荷幅值下螺栓的變形量圖，如圖6 所示。其縱坐標為螺栓變形量，橫坐標為循環(huán)次數(shù)。不同載荷幅值下螺栓變形量的平均值數(shù)據(jù)，如表2 所示。其中，軸向交變載荷幅值A0分別為17.5kN、22.5kN、27.5kN，頻率f 為7Hz，循環(huán)5×104 次。

圖6 不同軸向交變載荷幅值下螺栓的變形量Fig.6 Deformation of Bolts Under Different Axial Alternating Load Amplitude

從表2 可以看出，對于軸向交變載荷幅值17.5kN 而言，50到1×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加74.35%。1×104到2×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加8.82%。2×104到3×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加4.74%。3×104到5×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加3.87%。以軸向交變載荷幅值27.5kN 而言，50 到1×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加87.33%。1×104到2×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加16.22%。2×104到3×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加3.49%。3×104到5×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加2.24%。此外，在載荷幅值A0分別為17.5kN、22.5kN、27.5kN 作用下，經(jīng)過5×104次循環(huán)后，螺栓變形量的平均值分別為53.67μm、78.67μm、121.33μm。

表2 不同載荷幅值下螺栓變形量的平均值/umTab.2 Average Bolt Deformation Under Different Load Amplitudes

由此可以得出，同一頻率下，螺栓變形量隨著軸向交變載荷幅值的增加而增大。此外，螺栓變形量隨循環(huán)次數(shù)變化趨勢為前期急速增大，后期增大放緩。這說明，螺栓變形量前期急速增大是由于材料的塑性變形，此時螺栓預緊力衰退也是快速增大。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，螺栓塑性變形量和外載荷達到新的平衡，導致塑性變形量趨于穩(wěn)定。而進入螺栓塑性變形穩(wěn)定階段，影響螺栓預緊力衰退的主要原因則是螺栓接觸面間的微動磨損，預緊力衰退同樣變緩。

2.4.2 頻率對螺栓變形量的影響

不同頻率下的螺栓變形量圖，其縱坐標為螺栓變形量，橫坐標為循環(huán)次數(shù)，如圖7 所示。不同頻率下螺栓變形量的平均值數(shù)據(jù)，如表3 所示。其中，軸向交變載荷A0為27.5kN，頻率f 分別為3Hz、5Hz、7Hz，循環(huán)（5×104）次。

圖7 不同頻率下的螺栓變形量Fig.7 Bolt Deformation under Different Frequencies（A0=27.5kN，M0=90N·m）

從表3 可以看出，以頻率f 為3Hz 而言，50 到1×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加190.48%。1×104到2×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加22.56%。2×104到3×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加11.86%。3×104到5×104次循環(huán)后，螺栓變形量增加4.55%。此外，當軸向交變載荷幅值為27.5kN 不變時，在頻率f 分別為3Hz、5Hz、7Hz 作用下，經(jīng)過5×104次循環(huán)后，螺栓變形量的平均值分別為161.00μm、141.33μm、121.33μm。由表2、表3 可以得出，螺栓變形量的變化趨勢為前期急速增大，后期增大變緩。此外，當軸向交變載荷幅值不變的情況下，螺栓的變形量隨著頻率的增大而減小。這是由于低頻率加載下，相對于高頻率條件下單次加載持續(xù)時間長，即螺栓保持變形狀態(tài)的時間同樣長，最終造成低頻率載荷下螺栓變形量大于高頻率工況。

表3 不同頻率下螺栓變形量的平均值/μmTab.3 Average Bolt Deformation Under Different Frequencies

2.5 螺栓表面損傷分析

由于螺栓微動磨損對螺栓預緊力退化有一定的影響，進行了微動下螺紋接觸面間的磨損試驗，研究了軸向交變載荷幅值及頻率對螺紋磨損的影響。

由于螺紋聯(lián)接結構在承載時，載荷分布不均勻，前三圈工作螺紋承受全部載荷的三分之二，且第一圈工作螺紋承受約1/3 載荷[10]。為此，通過觀察工作螺紋磨損情況以研究不同載荷、頻率下螺栓的磨損情況。采用VHX-500 數(shù)碼顯微鏡對試驗后螺栓進行觀察，取得螺紋磨損情況圖，如圖8～圖10 所示。通過測長法對磨損試驗前后的摩擦表面法向尺寸進行測量，其磨痕寬度可表征為螺紋表面的磨損情況。

2.5.1 不同軸向交變載荷幅值下的螺紋損傷特性

從圖8、圖9 可知，在頻率f 為3Hz 不變的情況下，經(jīng)過5×104 次循環(huán)后，在載荷幅值17.5kN 作用下，第一圈工作螺紋磨痕寬度為487.569um，第二圈工作螺紋磨痕寬度為204.801um。而在載荷幅值27.5kN 作用下，第一圈工作螺紋磨痕寬度為757.390um，第二圈工作螺紋磨痕寬度為641.508um。此外，螺紋表面磨損形成了典型線型接觸疲勞磨損，并伴隨材料剝離現(xiàn)象。

圖8 第一、二圈工作螺紋表面形貌損傷（f=3Hz A0=17.5kN）Fig.8 Surface Damage of the First and Second Working Threads

圖9 第一、二圈工作螺紋表面形貌損傷（f=3Hz A0=27.5kN）Fig.9 Surface Damage of the First and Second Working Threads

以第一圈工作螺紋而言，載荷幅值27.5kN 作用下的螺紋磨痕寬度要大于載荷幅值17.5kN 工況下。這是因為隨著軸向交變載荷增大，螺栓的變形量增大即螺紋間的相對位移增大，磨損加重。此外，由于螺紋承載不均勻，工作螺紋承載依次減弱，為此，第一圈工作螺紋磨痕寬度要大于第二圈工作螺紋磨痕寬度。此外，仔細觀察發(fā)現(xiàn)，螺紋表面有材料剝離現(xiàn)象。這是由于螺紋接觸面的不均勻，實際接觸面積很小。造成局部應力集中過大，再加上微動滑移，致使瞬間溫升過高，造成局部區(qū)域粘連，再經(jīng)后續(xù)交變作用，從而造成材料剝離。

因此可以得出，當頻率一定的情況下，螺紋接觸面的磨痕寬度隨軸向交變載荷幅值的增加而增大，第一圈工作螺紋磨痕寬度要明顯大于第二圈工作螺紋的磨痕寬度。

2.5.2 不同頻率下的螺紋損傷特性

如圖10 所示，在軸向交變載荷幅值A0 為27.5KN，頻率f 為7Hz 作用下，循環(huán)5×104次，第一圈工作螺紋磨痕寬度為699.955μm，第二圈工作螺紋磨痕寬度為574.351μm。

圖10 第一、二圈工作螺紋表面形貌損傷（f=7Hz A0=27.5kN）Fig.10 Surface Damage of the First and Second Working Threads

從圖9、圖10 可以明顯看出，當A0為27.5kN 不變的情況，經(jīng)過5×104次循環(huán)后，3Hz 下螺紋磨痕寬度要高于7Hz。這是由于當載荷不變的情況下，隨著頻率的增大，螺栓變形量減小，螺紋接觸面間的相對位移較小，磨損減??；另一個原因為螺紋接觸面承受單次載荷的時間變短，磨損也相應減小。

此外，螺紋表面損傷主要是疲勞磨損，并且第一圈工作螺紋的磨痕寬度要大于第二圈工作螺紋的磨痕寬度，其原因為第一圈工作螺紋承受載荷比重最大導致的。

3 結論

不同頻率和幅值的軸向交變載荷對于螺栓預緊力衰退、螺栓變形以及螺紋磨損情況影響的試驗研究表明，軸向交變載荷的幅值和頻率是影響螺栓預緊力衰退、螺栓變形以及螺紋磨損情況的主要因素，其具體表現(xiàn)如下：

（1）對不同載荷幅值和頻率的試驗結果可以看出，螺栓預緊力衰退趨勢呈現(xiàn)兩個不同階段，即急速衰退階段和緩慢下降階段。螺栓預緊力急速衰退階段發(fā)生在前500 次循環(huán)左右，預緊力迅速衰退15%左右，而后進入螺栓預緊力緩慢下降階段，此外，隨著軸向交變載荷幅值的增大，螺栓預緊力衰退的越快。

（2）根據(jù)螺栓變形試驗表明，在預緊力急速衰退階段螺栓產(chǎn)生的變形較大，可見其是導致預緊力急速衰退的主要原因；而進入預緊力緩慢下降階段時，螺栓變形量基本穩(wěn)定，可見預緊力緩慢下降的原因與螺栓變形關系不大；

（3）根據(jù)螺栓螺紋磨損試驗表明，預緊力緩慢下降的原因主要是由于螺紋面之間的微動磨損造成的，隨著試驗時間的增加，螺紋磨損情況加重，螺栓預緊力緩慢下降，同時螺紋接觸面的磨痕寬度增大，并且磨痕寬度隨著載荷幅值的增加而增大，但隨著頻率的增加磨痕寬度略有減小，該主要原因為頻率較高時螺紋接觸面承受單次載荷的時間短造成的。

通過這里的研究，明確了螺栓預緊力衰退的機理以及影響其衰退的因素，為其在實際工程應用中，無論是密封結構還是緊固結構，當承受軸向交變載荷時，螺栓預緊力的估算提供了重要的試驗數(shù)據(jù)。