螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接松動(dòng)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

于俊輝，李維榮，許 昊

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

螺栓連接是機(jī)械結(jié)構(gòu)中最為普通的一種零部件連接方式。螺栓連接副的失效的主要標(biāo)志可歸納為兩類： 強(qiáng)度失效，即夾緊力下降到可以接受的水平以下，或螺栓夾緊力下降的極端情況，拉斷或螺紋脫扣等；然而，更普遍的是隨著使用時(shí)間越來越長，螺栓張夾力緩慢下降這一現(xiàn)象，即所謂的螺栓連接副松動(dòng)失效。

導(dǎo)致螺栓連接松動(dòng)的因素主要有： ①支承面壓陷引起的松動(dòng)： 螺栓頭部或螺母支承面的接觸壓強(qiáng)大時(shí)，產(chǎn)生接觸面塑性環(huán)狀壓陷。在使用中，隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致螺栓夾緊力減小，產(chǎn)生松動(dòng)；②初始松動(dòng)： 由于螺紋連接接觸部分的粗糙、波紋、形狀誤差等產(chǎn)生的局部塑性變形在使用中由于外力的積累作用繼續(xù)發(fā)生，從而導(dǎo)致了螺紋連接的初始松動(dòng)，這種松動(dòng)會(huì)在達(dá)到某種程度后停止；③螺母自動(dòng)回轉(zhuǎn)引起的松動(dòng)： 在不考慮蠕變松弛的情況下，動(dòng)態(tài)外部載荷是螺母產(chǎn)生回轉(zhuǎn)的必要條件。美國彈性制動(dòng)螺母公司（ESNA）的研究[1]認(rèn)為，在外載的作用下，螺栓的共振會(huì)不斷迫使螺紋面塑性變形從而引起螺栓張緊力的下降，當(dāng)螺栓張緊力下降到某一臨界值時(shí)，螺母開始向著脫離螺栓的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并最終引起螺紋連接的松動(dòng)。目前此方面研究主要是在確定性載荷（已知方向、振幅、頻率）基礎(chǔ)上進(jìn)行的。奧克蘭大學(xué)的Nassar[2-5]等人利用數(shù)值模擬對(duì)螺栓連接松動(dòng)相關(guān)特性（預(yù)緊力、螺距、螺栓通孔直徑、螺紋公差、摩擦系數(shù)等）進(jìn)行了研究。

本文將通過試驗(yàn)，研究在側(cè)向載荷作用下螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接松動(dòng)的影響。

1 螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接松動(dòng)影響的理論研究

1.1 螺栓連接的擰緊扭矩Tf

在螺紋連接中，施加在螺母上的擰緊扭矩Tf等于螺紋扭矩Tth與克服螺母支承面摩擦的力矩Tb之和，即Tf=Tth+Tb。其中，螺紋扭矩Tth的計(jì)算如下： 假如軸向截面牙形半角為α，垂直截面牙形半角為α'，螺紋升角為β，則可得下列關(guān)系式：

使受軸向力Fb作用的螺母受一切向力Uf而按與Fb推動(dòng)的方向反轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋面上沿螺旋線方向?qū)⑹艿侥Σ亮ψ饔?，因此?/p>

式中： μth—螺紋摩擦系數(shù)。那么：

如取μth/cosα'=tanρ'，則式（2）可簡化為：

式中略去微小量，并取tanρ'=1.15μth，得：

如螺紋的平均直徑（當(dāng)為三角形螺紋是，有效直徑）為dp，則螺紋扭矩為：

克服螺母支承面摩擦的力矩為：

式中，μb—螺母支承面摩擦系數(shù)；db—螺母支承面摩擦力矩的等效直徑，當(dāng)壓力均勻分布時(shí)，支承面為以螺母對(duì)邊距離B 為直徑的圓面積；如螺栓通孔直徑為Di，則此直徑可用下式計(jì)算：

因此，螺栓連接的擰緊扭矩為：

1.2 螺栓連接的松動(dòng)扭矩T l

轉(zhuǎn)動(dòng)有預(yù)緊力Fb的螺紋連接體的螺母，如松動(dòng)扭矩為Tl，則其值可由式（8）將右邊tanβ 的符號(hào)改為負(fù)號(hào)后求出，即：

從式（9）中可以看出，螺紋摩擦系數(shù)μth和支承面摩擦系數(shù)μb的增大會(huì)提高螺栓連接的松動(dòng)扭矩，使得螺栓不易松動(dòng)。

對(duì)于公稱直徑為16mm 的粗牙螺紋，?。?/p>

取B=23.5mm，Di=17.0mm，則式（9）簡化為：

下面，將測(cè)量采用同一潤滑劑不同涂抹方式時(shí)螺栓的摩擦系數(shù)，進(jìn)而觀察摩擦系數(shù)對(duì)螺栓連接松動(dòng)的影響。

2 螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接松動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

抽取同批次M16×110-8.8 粗牙六角頭螺栓（表面發(fā)黑處理，并去油脂）和M16-10 粗牙六角螺母（表面按GB/T 5267.1 電鍍鋅，并去油脂）作為樣本，選取孔徑為17mm的試驗(yàn)墊片，潤滑劑選用LOCTITE Moly-50 型MoS2潤滑脂。

摩擦系數(shù)的測(cè)量采用如圖1 所示的螺栓摩擦性能試驗(yàn)機(jī)。設(shè)定螺栓連接副扳緊的最大夾緊力68.3kN（M16 螺栓保證載荷的75%），擰緊速度為5r/min。分別測(cè)量以下幾種潤滑方式時(shí)螺栓的摩擦系數(shù)，每種方式進(jìn)行3 組試驗(yàn)： ①螺紋和螺母支承面處均不涂抹潤滑；②螺栓1/3螺紋處均勻涂抹MoS2；③螺母支承面處均勻涂抹MoS2；③螺栓1/3 螺紋和螺母支承面處均勻涂抹MoS2。圖2（a）～（d）分別給出了以上四種情形的螺紋摩擦系數(shù)、支承面摩擦系數(shù)以及總摩擦系數(shù)試驗(yàn)值。

圖1 螺栓摩擦性能試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Bolt friction performance test machine

圖2 螺紋和支承面摩擦系數(shù)值Fig.2 Experimental bearing and thread friction coefficients values

由圖2 可觀察到，摩擦系數(shù)在有潤滑條件下圖2（b）、2（c）、2（d），隨夾緊力的增加趨于穩(wěn)定；而無潤滑狀態(tài)下圖2（a），離散程度較大。表1 給出了相同預(yù)緊力下，扭矩與摩擦系數(shù)的平均值。從表中可見，摩擦系數(shù)越大，所需擰緊扭矩越大，這與理論研究吻合；此外，在螺紋處涂抹和在支承面處涂抹潤滑脂對(duì)總摩擦系數(shù)的影響并不大。

表1 試驗(yàn)參數(shù)值Tab.1 Test values

采用如圖3 所示的緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試螺栓連接的防松性能。該設(shè)備主要由動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)、偏心機(jī)構(gòu)、載荷傳遞系統(tǒng)、支撐部件、擰緊裝置、測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。它大體相當(dāng)于一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，“曲柄” 通過安裝在主軸上的一個(gè)偏心軸來實(shí)現(xiàn)；“滑塊” 則是由基座、動(dòng)板、滾針、傳感器部件等，通過擰緊被試螺栓和螺母連接而成。試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)通過主軸、曲柄、連桿帶動(dòng)動(dòng)板作往復(fù)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)緊固件的橫向振動(dòng)。

圖3 緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Transverse vibration testing machine

螺栓連接的測(cè)試組件如圖4 所示。設(shè)定振動(dòng)頻率12.5Hz，振幅±1.6mm，循環(huán)次數(shù)1500 次，分別測(cè)試上文四種潤滑狀態(tài)下的螺栓連接放松性能，每種狀態(tài)進(jìn)行5 組試驗(yàn)。圖5 給出了隨振動(dòng)循環(huán)次數(shù)增加，螺栓夾緊力的衰減均值曲線。從曲線中可以看出： 無潤滑狀態(tài)下，螺栓夾緊力衰減 了 8% ；僅支承面潤滑和僅螺紋潤滑狀態(tài)下，螺栓夾緊力衰減情況相似，約為31%；而螺紋與支承面均涂抹潤滑劑時(shí)，連接已接近完全松動(dòng)。

圖4 螺栓連接測(cè)試組件Fig.4 The fixture used in the experimental setup

圖5 不同潤滑狀態(tài)下螺栓連接松動(dòng)曲線Fig.5 Experimental loosening curves for the bolts with different lubricating condition

3 結(jié)論

本文使用緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了螺栓連接防松性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，在相同螺栓預(yù)緊力條件下，摩擦系數(shù)越大，螺栓連接越不易松動(dòng)，這與松動(dòng)扭矩理論相符。但并不表明在工程防松應(yīng)用中，摩擦系數(shù)越大越好。一方面，摩擦系數(shù)的增大將導(dǎo)致相同預(yù)緊力下，擰緊扭矩的增大；另一方面，同批次螺栓中，不進(jìn)行潤滑處理的比進(jìn)行潤滑處理的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出較大不穩(wěn)定性，不利于扭矩控制。此外，從試驗(yàn)中觀察到，潤滑劑涂抹位置上，在螺紋處涂抹和在支承面處涂抹對(duì)連接防松性能的影響是相近的。

[1] ESNA Division, America Corporation. Maintaining the tightness of threaded fasteners[Z].Union, NJ, USA, 1976.

[2] Nassar S A, Housari B A. Study of the effect of hole clearance and thread fit on the self-loosening of threaded fasteners[J].ASME，Journal of mechanical design，2007，129.

[3] Nassar S A, Housari B A. Study of the effect of hole clearance and thread fit on the self-loosening of threaded fasteners due to cyclic transverse loads[J].ASME，Journal of mechanical design,2006，128.

[4] Nassar S A, Housari B A. Effect of thread pitch and initial tension on the self-loosening of thread fasteners[J].ASME,Pressure vessels and piping division，2006，128.

[5] Housari B A, Nassar S A. Effect of thread and bearing friction coefficients on the vibration induced loosening of threaded fasteners under cyclic transverse loads[J]. ASME, Journal of vibration and acoustics，2007，129.

[6] 山本晃；郭可謙，等（譯）. 螺紋聯(lián)接的理論與計(jì)算[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1984.