橫向振動(dòng)下螺栓連接失效原因分析*

丁旺生,唐 岐，黃 飛

(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

螺栓連接形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)結(jié)構(gòu)中。在復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境下，螺栓連接結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生松動(dòng)、斷裂等失效現(xiàn)象，由此可能引發(fā)諸如泄露、異響等情況，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體等重大事故，可見連接結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全起著至關(guān)重要的作用。

針對(duì)螺栓失效的問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，Junker[1]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比于軸向振動(dòng)，橫向振動(dòng)更容易引起螺栓松動(dòng)，并給出了簡(jiǎn)化機(jī)理模型；胡洋等[2]對(duì)地鐵B型列車軸箱彈簧下蓋板緊固螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析；莫易敏等[3]通過橫向振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同頭部結(jié)構(gòu)、彈簧墊圈、預(yù)緊力、表面處理等對(duì)螺栓防松性能的影響；李志彬等[4]研究了橫向振動(dòng)下螺栓連接失效及其影響因素；侯世遠(yuǎn)[5]用Abaqus模擬方法分析了松動(dòng)過程中接觸狀態(tài)的變化，進(jìn)而探究螺栓松動(dòng)機(jī)理。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，采用有限元軟件進(jìn)行力學(xué)仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核是目前研究機(jī)載電子設(shè)備抗振動(dòng)能力的一種有效方法。筆者主要基于仿真計(jì)算對(duì)失效螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，并結(jié)合試驗(yàn)的方法，給出了問題產(chǎn)生的原因，提出改進(jìn)措施并驗(yàn)證了有效性。

1 問題概述

某機(jī)載電子設(shè)備模擬件功能試驗(yàn)需進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的功能振動(dòng)，給定的載荷功率譜為寬帶隨機(jī)振動(dòng)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。具體試驗(yàn)條件見圖1和表1，試驗(yàn)總均方根值為14.6 g。

圖1 功能振動(dòng)試驗(yàn)條件

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)將夾具剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)面上，然后再將電子設(shè)備模擬件通過4個(gè)M6六角頭螺栓和30顆M5內(nèi)六角螺栓固定在試驗(yàn)夾具上，見圖2。試驗(yàn)件在X和Z方向各經(jīng)歷1 h振動(dòng)后經(jīng)檢查無異常，Y方向振動(dòng)20 min后發(fā)現(xiàn)三個(gè)螺栓斷裂，試驗(yàn)中止。斷裂位置見圖3。

圖2 電子設(shè)備模擬件試驗(yàn)安裝示意圖

圖3 螺栓斷裂示意圖

2 原因分析

螺栓斷裂失效問題錯(cuò)綜復(fù)雜，從工程經(jīng)驗(yàn)初步分析，造成電子設(shè)備試驗(yàn)螺栓斷裂的主要原因包括：螺栓強(qiáng)度不足、試驗(yàn)控制不當(dāng)?shù)?。下面逐一進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2.1 有限元法螺栓強(qiáng)度校核

斷裂螺栓型號(hào)規(guī)格為：HB1-101 M5×16；強(qiáng)度等級(jí)：12.9級(jí)；材質(zhì)：30CrMnSiA。電子設(shè)備模擬件材質(zhì)為高強(qiáng)鋁合金7050(T651)。試驗(yàn)夾具材質(zhì)為鋁合金2A12。三種材料的力學(xué)性能見表2。

表2 各部件材料力學(xué)性能

(1) 有限元模型建立及網(wǎng)絡(luò)劃分

電子設(shè)備模擬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)螺栓強(qiáng)度分析結(jié)果影響很小，綜合考慮仿真計(jì)算效率及模型準(zhǔn)確度等因素建立有限元分析模型，對(duì)CAD模型進(jìn)行局部簡(jiǎn)化和修正，保留該元件的等效質(zhì)量。在仿真中采用適應(yīng)性較好的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元總量為252 858，節(jié)點(diǎn)數(shù)為414 778，完整數(shù)值模型如圖 4所示。

圖4 仿真模型建立及網(wǎng)格劃分 圖5 邊界約束及載荷設(shè)置示意圖

(2) 邊界條件及載荷

試驗(yàn)夾具與振動(dòng)臺(tái)安裝孔施加固定約束，電子設(shè)備模擬件底部30顆M5內(nèi)六角螺栓建立Beam梁?jiǎn)卧?只傳遞載荷，不考慮底部30顆螺栓應(yīng)力)，對(duì)設(shè)備兩端4顆M5材料為30CrMnSiA的螺栓模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)置，并添加預(yù)緊力Bolt Pretension 1500N，見圖5。定義接觸：被試件與夾具安裝面為有摩擦接觸Frictional，摩擦系數(shù)0.15。螺栓分為光桿和螺紋兩部分，螺紋和光桿連接面為Bond，螺紋和被試件為Bond，螺釘頭與夾具接觸面為Frictional。其余接觸面均為默認(rèn)Bond。載荷方向設(shè)置為試驗(yàn)出現(xiàn)故障的Y向。

(3) 振動(dòng)仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，設(shè)備兩端的4顆M5螺栓光桿和螺紋分界處應(yīng)力較大，最大3σMises應(yīng)力值為352 MPa，見圖6，小于30CrMnSiA材料屈服強(qiáng)度，并有較大安全系數(shù)。螺栓強(qiáng)度滿足使用要求，因而排除因螺栓強(qiáng)度不足造成故障的原因。

圖6 應(yīng)力云圖

2.2 試驗(yàn)控制方法

電子設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)被試件通常需要通過夾具與振動(dòng)臺(tái)相連，盡可能選擇剛性好的夾具，才能把振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不失真地傳遞給被試件。馬紅衛(wèi)[6]討論分析了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中確定控制點(diǎn)布置方案的兩種方法。控制點(diǎn)是電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)中作為閉環(huán)控制輸入的加速度計(jì)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、夾具或被試件上的具體位置?？梢岳谜駝?dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制儀，通過控制點(diǎn)的反饋信號(hào)來調(diào)整功率放大器的輸出。采用不同的試驗(yàn)控制方式，可能會(huì)對(duì)試件響應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響。控制點(diǎn)位置的選擇不當(dāng)可能會(huì)造成控制系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)從而不能如實(shí)的反映試驗(yàn)所需要的規(guī)定量級(jí)，出現(xiàn)“欠試驗(yàn)”和“過試驗(yàn)”的現(xiàn)象。在振動(dòng)試驗(yàn)中，為了在試件上產(chǎn)生所需要的振動(dòng)量值，在多點(diǎn)控制的振動(dòng)試驗(yàn)中，合理地布置控制點(diǎn)是極其重要的。

本試驗(yàn)控制方式采用三點(diǎn)平均值控制，三個(gè)監(jiān)控點(diǎn)分布位置分別見圖7(第1次試驗(yàn))、圖8(第2次試驗(yàn))。通過兩次實(shí)驗(yàn)及布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)得到失效螺栓附近處振動(dòng)載荷。第一次試驗(yàn)控制點(diǎn)分布方式中，設(shè)備兩端輸入載荷被放大，是實(shí)際試驗(yàn)載荷的3倍左右，出現(xiàn)“過試驗(yàn)”現(xiàn)象。根據(jù)GJB150.16A中關(guān)于監(jiān)控點(diǎn)選擇要求，將控制點(diǎn)設(shè)在設(shè)備與夾具連接點(diǎn)附近及振動(dòng)臺(tái)上(第2次試驗(yàn)方式)，進(jìn)行Y向試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行35 min，螺栓仍斷裂失效。綜上所述，試驗(yàn)控制點(diǎn)設(shè)置不是造成螺栓斷裂失效的原因。

圖7 第1次試驗(yàn)監(jiān)控點(diǎn)位置示意圖

圖8 第2次試驗(yàn)監(jiān)控點(diǎn)位置示意圖

2.3 螺栓松動(dòng)

摩擦型螺栓連接是一種通過連接板將被連接件牢固連接的方式，螺栓擰緊后達(dá)到足夠的預(yù)緊力，將連接構(gòu)件緊密拉牢，保證連接成為整體。當(dāng)這樣的連接受剪力作用時(shí)，被連接件間產(chǎn)生摩擦力，阻止構(gòu)件彼此之間的相對(duì)位移。這樣，螺栓本身受軸向拉力，能保證被連接件之間的摩擦力傳遞剪力。保證連接零部件之間的可靠連接和正常運(yùn)行，需要兩個(gè)零部件之間具備足夠的夾緊力，因此就要求連接的螺栓在擰緊后要具備足夠的軸向預(yù)緊力。當(dāng)連接受到較大瞬時(shí)沖擊、連續(xù)振動(dòng)等交變載荷時(shí)，連接的各個(gè)部分尺寸會(huì)發(fā)生微小變化，各部分的相互位置發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)，使接觸面的摩擦系數(shù)減小，造成松動(dòng)。

螺栓松動(dòng)原因主要有以下幾點(diǎn)：①螺栓選用的強(qiáng)度不足：螺栓連接一般采用屈服點(diǎn)擰緊法，即螺栓的預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到接近螺栓材料的屈服強(qiáng)度，考慮安全系數(shù)，一般不得超過材料屈服極限的80%；②缺少連接防松：螺栓連接的零部件在交變載荷作用下會(huì)發(fā)生連接的壓緊力和預(yù)緊力逐漸減小和消失的現(xiàn)象，最后造成螺栓松脫。因此要有有效的防松措施；③施工順序不正確，受力不均衡產(chǎn)生微小變形；④摩擦面被污染，油污、雜物等污染物會(huì)大大降低抗滑移性能；⑤因板厚公差、制造公差及安裝偏差等原因，造成接頭摩擦面間產(chǎn)生間隙。當(dāng)摩擦面間有間隙時(shí)，會(huì)使摩擦承載力降低，或者說有間隙的摩擦面其抗滑移系數(shù)降低。

通過上述仿真分析，本試驗(yàn)中斷裂螺栓強(qiáng)度安全系數(shù)較高；施工順序正確，不存在微小變形；摩擦面干凈，無油污；在進(jìn)行試驗(yàn)前，被試件與夾具兩端的緊固螺栓采用了頭部帶保險(xiǎn)孔的螺栓，兩顆螺栓之間采用保險(xiǎn)絲進(jìn)行防松。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲被拉斷。通過上述分析及試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)：被試件兩端M6的螺栓斷裂定位于螺栓振動(dòng)過程中，預(yù)緊力逐漸下降并最終完全喪失，螺栓先產(chǎn)生松動(dòng)，然后在徑向載荷作用下被剪斷。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

螺栓發(fā)生松動(dòng)原因定位在被試件與夾具存在三個(gè)安裝面的問題上，理論上其中兩個(gè)安裝面存在接觸不充分的問題，存在間隙，摩擦面抗滑移系數(shù)降低。安裝時(shí)先將被試件與夾具底面貼合，擰緊緊固螺栓，兩端安裝面之間間隙采用的是0.5 mm厚硅橡膠墊填充，推測(cè)橡膠墊壓縮量不足，在振動(dòng)過程中橡膠軟墊壓縮量會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致被試件與夾具兩端安裝面之間抗滑移系數(shù)急劇降低，試驗(yàn)過程中螺栓產(chǎn)生松動(dòng)后直接受剪切力，并在夾具光孔內(nèi)竄動(dòng)。為驗(yàn)證這一因素，采用0.1、0.2、0.03 mm的銅片替代橡膠墊進(jìn)行安裝面之間間隙補(bǔ)充。再次進(jìn)行Y向試驗(yàn)摸底，試驗(yàn)正常結(jié)束，螺栓未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，拆下螺栓觀察，螺栓未見磨損，外貌完好。

4 結(jié) 論

機(jī)載電子設(shè)備面臨著嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境考驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)是一種最常見的非確定性振動(dòng)，文中對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備模擬件在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中緊固螺栓斷裂失效原因進(jìn)行了分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，從螺栓強(qiáng)度、試驗(yàn)控制方法、螺栓松動(dòng)方面進(jìn)行分析。主要得到以下結(jié)論。

(1) 隨機(jī)振動(dòng)條件下螺栓強(qiáng)度安全系數(shù)較高，強(qiáng)度滿足使用要求。

(2) 設(shè)備前期試驗(yàn)存在“過試驗(yàn)”現(xiàn)象，雖不是造成螺栓斷裂失效的根本原因，但試驗(yàn)控制方法應(yīng)正確合理，避免出現(xiàn)“過試驗(yàn)”、“欠試驗(yàn)”。

(3) 螺栓斷裂失效的主要原因是被試件與夾具安裝面間存在間隙，表面摩擦系數(shù)過小，在交變載荷作用下產(chǎn)生松動(dòng)，導(dǎo)致被試件與夾具之間出現(xiàn)了竄動(dòng)，從而使緊固螺栓受剪力斷裂失效。

綜上所述，機(jī)載電子設(shè)備螺栓選用應(yīng)設(shè)計(jì)安全系數(shù)；在多點(diǎn)控制的振動(dòng)試驗(yàn)中，合理地布置控制點(diǎn)使被試件響應(yīng)正確；零部件裝配應(yīng)盡可能避免存在多個(gè)安裝面，必須存在時(shí)要進(jìn)行有效間隙補(bǔ)充，增大接觸面摩擦。