摩擦型螺栓連接沖擊載荷傳遞特性試驗(yàn)

丁振東 ，趙振華 ，羅 剛 ，張峰旗 ，陳 偉

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，2.工信部航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：南京 210016）

0 引言

在對(duì)螺栓連接進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，通常分為承壓型和摩擦型2 類。前者允許被連接件間發(fā)生相對(duì)滑移，依靠摩擦力以及螺栓桿和孔壁間的相互作用傳遞載荷；后者的螺栓桿和孔壁始終保持間隙，依靠結(jié)合面間的摩擦力傳遞載荷，具有剛度大、整體性好和可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中[1-3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中可能遭遇硬物撞擊（如金屬外物、飛脫的葉片）和軟物撞擊（如鳥、冰撞擊）等極端情況，沖擊載荷在極短的時(shí)間內(nèi)通過螺栓連接結(jié)構(gòu)傳遞，使結(jié)合面出現(xiàn)松動(dòng)、滑移等現(xiàn)象，在接觸、摩擦和預(yù)緊力等非線性因素的耦合作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、鼓筒等結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征[4-5]，給發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)和連接部件的抗沖擊設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的困難。因此，研究摩擦型螺栓連接結(jié)構(gòu)的沖擊載荷傳遞特性具有重要的實(shí)際意義。

Zhao 等[6-8]采用錘擊試驗(yàn)的方法研究螺栓連接結(jié)構(gòu)的剛度特性和能量耗散，但錘擊試驗(yàn)激勵(lì)能量較小，不能反映沖擊載荷下連接結(jié)構(gòu)的接觸非線性特征；Vingsbo等[9]的研究表明，在外激勵(lì)作用下，連接結(jié)構(gòu)的接觸可以分為粘附、微滑移和滑移3 種狀態(tài)，存在摩擦滯后的現(xiàn)象；Bograd 等[10]采用幅值較小的正弦激勵(lì)獲得了螺栓連接結(jié)構(gòu)的遲滯回線，并根據(jù)遲滯回線計(jì)算損耗因子和切向接觸剛度；Li等[11]利用螺栓連接結(jié)構(gòu)的微動(dòng)測(cè)試設(shè)備獲得了接觸剛度和摩擦系數(shù)隨螺栓預(yù)緊力以及外激勵(lì)幅值的變化規(guī)律；Guo[12]的研究表明，當(dāng)外激勵(lì)為作用時(shí)間較短、幅值較高的沖擊載荷時(shí)，螺栓連接結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分為沖擊響應(yīng)為主導(dǎo)的階段和振動(dòng)響應(yīng)階段，由于非連續(xù)界面的影響，響應(yīng)的頻率比沖擊載荷的頻率低，而且較高的沖擊頻率會(huì)導(dǎo)致較大的阻尼比；Sanborn 等[13]測(cè)得了摩擦型螺栓連接在低速和高速?zèng)_擊下的載荷響應(yīng)，確定了接觸面滑移所需的載荷大小，并分析了沖擊能量的耗散。以上研究沒有考慮預(yù)緊力和結(jié)合面表面情況的影響，有關(guān)螺栓連接結(jié)構(gòu)在高能沖擊下載荷傳遞特性方面的研究還有待深入開展。

本文利用空氣炮裝置開展沖擊試驗(yàn)，以獲得螺栓連接結(jié)構(gòu)在金屬和冰沖擊下的載荷響應(yīng)特征，研究螺栓擰緊力矩、結(jié)合面的表面粗糙度和沖擊能量對(duì)沖擊載荷傳遞的影響，并通過遲滯回線分析其沖擊剛度和能量耗散特性，揭示能量耗散與沖擊載荷傳遞的關(guān)系。

1 沖擊載荷傳遞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

摩擦型螺栓連接試驗(yàn)件的幾何尺寸如圖1 所示。被連接件的材料為45鋼，由1個(gè)規(guī)格為M10高強(qiáng)度螺栓壓緊，螺栓采用精裝配，孔徑為10.5 mm，略大于螺栓的公稱直徑。考慮到試驗(yàn)環(huán)境和傳感器安裝要求，被連接件上有圓弧過渡防止應(yīng)力集中，并加工有安裝螺紋。按照HB/Z 223.2-2003[14]要求，利用丙酮溶劑清除被連接件表面的油污，確定連接件沒有毛刺、損傷和銹蝕等缺陷。裝配時(shí)螺栓沿孔的軸線裝入，采用定力矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母施加擰緊力矩。擰緊過程分為2 步進(jìn)行：先擰緊到指定力矩的70%，再擰緊到指定力矩。

圖1 摩擦型螺栓連接試驗(yàn)件的幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置如圖2 所示。試驗(yàn)設(shè)備包括空氣炮裝置、高速攝影和補(bǔ)光系統(tǒng)、響應(yīng)采集系統(tǒng)以及固定支撐和防護(hù)靶室。

圖2 沖擊試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置

通過控制空氣炮注氣壓力來(lái)加速?gòu)椡?，利用高速攝影儀測(cè)量彈丸的沖擊速度和觀察沖擊過程。為了對(duì)比分析不同形狀彈丸的沖擊特征，試驗(yàn)分別采用了20 g 的TC4 合金圓柱彈、20 g 的鋼球以及8 g 的冰球，如圖3 所示。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，試驗(yàn)采用的冰球?yàn)橥慌?，?10 ℃的環(huán)境中用蒸餾水制備。

圖3 試驗(yàn)彈丸

彈丸的沖擊載荷和響應(yīng)分別通過沖擊板后端的動(dòng)態(tài)力傳感器和安裝在固定支撐上的動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量；2 個(gè)加速度傳感器通過螺紋分別固定在被連接件前后2 個(gè)端面上，傳感器的型號(hào)和主要性能參數(shù)見表1，傳感器信號(hào)由DH5981 型多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀同步采集，采集頻率設(shè)置為100 kHz。

表1 傳感器的型號(hào)和主要性能參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

螺栓連接試驗(yàn)件受到?jīng)_擊時(shí)的典型載荷響應(yīng)曲線如圖4 所示。由于載荷通過連接結(jié)構(gòu)傳遞，因此響應(yīng)載荷滯后于沖擊載荷。響應(yīng)包括2 個(gè)階段，即沖擊響應(yīng)為主導(dǎo)的階段（階段Ⅰ）和振動(dòng)響應(yīng)階段（階段Ⅱ）[12]。相比振動(dòng)響應(yīng)階段，沖擊響應(yīng)階段持續(xù)時(shí)間短，峰值較大。載荷傳遞率定義[12]為

圖4 螺栓連接試驗(yàn)件受到?jīng)_擊時(shí)的典型載荷響應(yīng)曲線

式中：α為載荷傳遞率；Fimax為沖擊載荷峰值最大值；Fomax為響應(yīng)載荷峰值最大值。

不同沖擊條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同沖擊條件下的試驗(yàn)結(jié)果

2.2 硬物和軟物沖擊特征

鈦合金圓柱彈沖擊加載和卸載的過程及螺栓連接結(jié)構(gòu)的載荷響應(yīng)如圖5 所示，圓柱彈的沖擊能量為9.42 J，沖擊載荷波形雜亂且變化劇烈，峰值最大為21.59 kN，加載時(shí)間約為0.03 ms。沖擊響應(yīng)主導(dǎo)階段僅有1 個(gè)明顯的峰值，說明在沖擊過程中螺栓桿與孔壁沒有發(fā)生碰撞，載荷僅靠連接結(jié)構(gòu)結(jié)合面間的摩擦傳遞。載荷傳遞率α=0.34，說明沖擊載荷在傳遞過程中耗散了大量的沖擊能量。

圖5 鈦合金圓柱彈沖擊加載和卸載的過程及螺栓連接結(jié)構(gòu)的載荷響應(yīng)

為了觀察彈丸形狀對(duì)沖擊載荷傳遞的影響，采用了與圓柱彈質(zhì)量相同的鋼球，以9.32 J 的動(dòng)能沖擊螺栓連接結(jié)構(gòu)，螺栓連接結(jié)構(gòu)在鋼球沖擊下的載荷響應(yīng)特征如圖6 所示。從圖中可見，沖擊載荷加載波形也存在多個(gè)峰值且變化劇烈，但峰值最大值較圓柱彈小得多，為12.46 kN，載荷加載時(shí)間約為0.04 ms，較圓柱彈略長(zhǎng)。沖擊載荷也靠結(jié)合面間的摩擦傳遞，響應(yīng)載荷峰值約為5.96 kN，載荷傳遞率α≈0.48，較圓柱彈的大。

圖6 螺栓連接結(jié)構(gòu)在鋼球沖擊下的載荷響應(yīng)特征

金屬硬物的直接碰撞不能忽略彈體本身結(jié)構(gòu)變形帶來(lái)的影響。不同形狀彈丸施加的沖擊載荷分布如圖7 所示。圓柱彈與沖擊板的接觸施加的是均布的沖擊載荷；球形彈丸撞擊沖擊板時(shí)經(jīng)歷了一段緩沖過程，形成的是非均布的沖擊載荷，沖擊能量在時(shí)間上的分布較圓柱彈的分散，因此沖擊載荷峰值較小，載荷傳遞率較大。

圖7 不同形狀彈丸的沖擊載荷分布

螺栓連接結(jié)構(gòu)在冰球沖擊下的載荷響應(yīng)特征如圖8 所示，冰球的沖擊能量為27.56 J。與金屬不同，冰球的沖擊過程伴隨著冰球的變形破碎。當(dāng)接觸沖擊板后，冰球產(chǎn)生局部裂紋，沖擊載荷達(dá)到第1 個(gè)峰值；然后裂紋數(shù)量增多并向后擴(kuò)展，冰球?qū)_擊板進(jìn)行二次加載，沖擊載荷達(dá)到最大值，約為3.82 kN，此后冰球不能維持形態(tài)，完全破碎，對(duì)沖擊板的加載結(jié)束。整個(gè)過程持續(xù)了約0.12 ms。在沖擊響應(yīng)主導(dǎo)階段，僅有1 個(gè)沖擊峰，說明沖擊過程中螺栓桿與孔壁沒有發(fā)生接觸，結(jié)合面間僅發(fā)生微滑移。此時(shí)α>1，是因?yàn)楸虬l(fā)生了破碎，沖擊激勵(lì)水平較低，結(jié)合面的摩擦等非線性因素對(duì)載荷傳遞的影響較小。

圖8 螺栓連接結(jié)構(gòu)在冰球沖擊下的載荷響應(yīng)特征

2.3 螺栓連接結(jié)構(gòu)沖擊載荷傳遞特性分析

由于冰球的沖擊不易引發(fā)螺栓與孔壁碰撞、宏觀滑移甚至斷裂等行為，因此本文選用冰球作為沖擊彈丸，研究摩擦型螺栓連接結(jié)構(gòu)在不同沖擊條件下的載荷傳遞規(guī)律。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，基于連接部位的抗疲勞設(shè)計(jì)和防止螺栓松動(dòng)的考慮，一般要求螺栓的預(yù)應(yīng)力達(dá)到材料屈服應(yīng)力的50%~70%[15-16]，但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際裝配和服役期間，螺栓經(jīng)常會(huì)因?yàn)楦鞣N原因松動(dòng)，造成連接結(jié)構(gòu)的局部剛度和接觸狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響載荷傳遞性能。載荷傳遞率隨擰緊力矩的變化曲線如圖9所示。從圖中可見，擰緊力矩T減小，同樣的沖擊能量下，載荷傳遞率α越小。

圖9 載荷傳遞率隨擰緊力矩的變化曲線

在冰球沖擊過程中，結(jié)合面僅發(fā)生微觀滑移，此時(shí)載荷和位移響應(yīng)具有明顯的遲滯特性。通過測(cè)量載荷響應(yīng)和結(jié)合面間的相對(duì)位移可以得到遲滯回線?？紤]到固定支撐的剛度、載荷和位移響應(yīng)的時(shí)間匹配、傳感器的直流偏移和環(huán)境噪聲等因素均會(huì)對(duì)遲滯曲線的準(zhǔn)確性帶來(lái)較大誤差。本文采取了增加固定支撐的厚度、同步采集載荷和位移響應(yīng)等措施，連接結(jié)構(gòu)結(jié)合面間的相對(duì)位移由加速度信號(hào)在頻域內(nèi)二次積分后疊加獲得，選取的加速度信號(hào)頻帶為5~12000 Hz，以避免直流偏移和環(huán)境噪聲信號(hào)引入的偏差[17]。

不同擰緊力矩下的遲滯回線如圖10 所示。從圖中可見，隨著擰緊力矩的減小，遲滯回線趨于飽滿和光滑，螺栓連接處的非線性增強(qiáng)。在冰球的沖擊下，螺栓結(jié)合面間殘余相對(duì)位移Δx小于100 μm，并且隨T的減小而增大，滑移耗散的能量增加。當(dāng)T>30 N·m時(shí)，Δx<20 μm，連接結(jié)構(gòu)近似線性系統(tǒng)，因此α>1。

圖10 不同擰緊力矩下的遲滯回線

通過遲滯回線可以求解結(jié)合面的沖擊剛度和損耗因子[10,18]，如圖11 所示，遲滯回線加載階段的斜率即為沖擊剛度

圖11 沖擊剛度與損耗因子求解

另外，遲滯回線的包絡(luò)面積就是1 個(gè)振動(dòng)周期耗散的能量Wd，三角形abΔxmax的面積為最大勢(shì)能Umax，損耗因子與Wd和Umax的關(guān)系見式（3），即

沖擊剛度kt體現(xiàn)了結(jié)合面抵抗沖擊變形的能力，損耗因子χ綜合考慮了能量的耗散與轉(zhuǎn)化。沖擊剛度和損耗因子隨擰緊力矩的變化曲線如圖12 所示。從圖中可見，kt隨擰緊力矩的增大而增大，χ隨擰緊力矩的增大而減小。這是由于加大擰緊力矩會(huì)使結(jié)合面上實(shí)際接觸面積增大，從而導(dǎo)致連接部位的剛性增強(qiáng)，結(jié)合面的微觀滑移減小，降低了連接結(jié)構(gòu)能量耗散對(duì)沖擊載荷傳遞的影響。

圖12 沖擊剛度和損耗因子隨擰緊力矩的變化曲線

由于能量的耗散主要來(lái)源于結(jié)合面間的摩擦滑移，因此沖擊載荷的傳遞受到結(jié)合面表面情況的影響[19]。機(jī)加工表面形貌具有不同尺度特征疊加的特點(diǎn)，宏觀尺度上的表面形貌包括形狀誤差和表面波紋度，微觀尺度上的表面形貌參數(shù)常用表面粗糙度來(lái)表示。實(shí)際上，一系列高低不平的微凸體分布在粗糙表面上，微凸體之間的接觸滑移是連接阻尼的重要來(lái)源。載荷傳遞率隨結(jié)合面粗糙度的變化曲線如圖13所示。從圖中可見，α隨結(jié)合面粗糙度Ra的增大而增大。不同粗糙度下的遲滯曲線如圖14 所示。從圖中可見，結(jié)合面粗糙度為0.2 μm 時(shí)，遲滯曲線形狀較為扁平，說明結(jié)合面較光滑，容易發(fā)生摩擦滑移，結(jié)構(gòu)的非線性較大，因此載荷傳遞率α<1。

圖13 載荷傳遞率隨結(jié)合面粗糙度的變化曲線

圖14 不同結(jié)合面粗糙度下的遲滯回線

根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算出kt和χ，沖擊剛度和損耗因子隨結(jié)合面粗糙度的變化曲線如圖15 所示。從圖中可見，結(jié)合面粗糙度越大，kt越大，χ越小。說明結(jié)合面表面粗糙度較大時(shí)抵抗沖擊變形的能力越強(qiáng)，摩擦耗散的能量比例越小，導(dǎo)致了載荷傳遞率α的增大。

圖15 沖擊剛度和損耗因子隨結(jié)合面粗糙度的變化曲線

載荷傳遞率隨冰球沖擊能量的變化曲線如圖16所示。從圖中可見，冰球沖擊能量越大，α越小。沖擊剛度和損耗因子隨沖擊能量的變化曲線如圖17 所示。從圖中可見，當(dāng)沖擊能量小于45 J 時(shí)，沖擊剛度基本不發(fā)生變化，這是由于沖擊的能量較小，結(jié)合面間的微滑移對(duì)結(jié)合面剛性的影響較小。隨著沖擊能量的增加，χ 增大，說明結(jié)合面微滑移耗散的能量增加，結(jié)合部的非線性增強(qiáng)，導(dǎo)致了α的減小。

圖16 載荷傳遞率隨冰球沖擊能量的變化曲線

圖17 沖擊剛度和損耗因子隨沖擊能量的變化曲線

對(duì)不同沖擊條件下螺栓連接結(jié)構(gòu)的損耗因子χ與載荷傳遞率α 進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖18 所示。從圖中可見，擬合相關(guān)系數(shù)大于0.92，χ與α呈良好的線性關(guān)系。由載荷傳遞率的變化趨勢(shì)可知，χ增大，α減小，并且當(dāng)χ<0.59 時(shí)，結(jié)合面處的摩擦耗散將使載荷傳遞率α<1，螺栓連接結(jié)構(gòu)起到?jīng)_擊隔振的作用。

圖18 載荷傳遞率與損耗因子的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

（1）金屬?gòu)楏w撞擊摩擦型螺栓連接結(jié)構(gòu)的載荷波形雜亂且變化劇烈，螺栓連接的摩擦滑移導(dǎo)致的能量耗散使載荷傳遞率小于1，并且鋼球撞擊的載荷傳遞率較同質(zhì)量的圓柱彈的大；冰球撞擊的載荷波形變化平緩，結(jié)合面的摩擦等非線性因素對(duì)載荷傳遞的影響較金屬?gòu)楏w沖擊的情況小；

（2）加大擰緊力矩、增大結(jié)合面粗糙度會(huì)導(dǎo)致沖擊剛度增大，沖擊剛度基本不受外激勵(lì)影響；

（3）減小擰緊力矩、結(jié)合面越光滑、加大冰球沖擊能量會(huì)使載荷傳遞下降；

（4）載荷傳遞率和損耗因子呈線性關(guān)系，當(dāng)損耗因子小于0.59時(shí)，結(jié)合面處的摩擦耗散將使載荷傳遞率小于1。

本文研究了摩擦型螺栓連接結(jié)構(gòu)的沖擊載荷傳遞特性，試驗(yàn)方法和結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步研究沖擊載荷在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件間的傳遞機(jī)理及外傳載荷的大小和形式具有一定的參考作用，有助于機(jī)匣、鼓筒和安裝節(jié)等含螺栓連接部件的抗沖擊設(shè)計(jì)，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性具有重要的實(shí)際意義。