振動試驗螺桿螺紋磨損變形分析

華 棟，龐家志，祝 捷（中國航天科工集團第二研究院二〇一所，北京 100854）

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振動試驗螺桿螺紋磨損變形分析

華 棟，龐家志，祝 捷
（中國航天科工集團第二研究院二〇一所，北京 100854）

摘要：目的 振動試驗是力學環境試驗中的重要組成部分，在固定待試產品時，螺桿是連接振動臺臺面和產品固定夾具的關鍵受力部件，目的在于研究振動環境對螺桿螺紋磨損變形的影響。方法 以螺桿的螺紋在使用過程中的形態變化為關注點，通過改變振動量級、螺桿緊固力矩及試驗次數等途徑，借助圖像處理方法，分析了螺紋齒峰的變化規律。結果 通過控制相關變量，振動量級、試驗次數等因素對螺紋的磨損程度影響較小，而緊固力矩對螺紋的磨損程度影響突出。結論 在振動試驗中，較大的緊固力矩可引起螺桿螺紋發生明顯磨損及變形，是螺桿螺紋發生機械損傷的主要因素。

關鍵詞：螺紋變形；振動量級；緊固力矩；圖像處理

引言

力學環境試驗中，振動試驗是檢驗產品可靠性水平的重要試驗項目，對產品的質量保證具有關鍵作用。在振動試驗中，受試產品通過試驗夾具與振動臺臺面進行連接，而螺桿是實現夾具與產品連接的必要組成部分。一個良好的振動系統對試驗夾具及螺桿連接有著較高的要求[1,2,3,4]，其連接質量的好壞對試驗系統的振動傳遞特性具有直接影響[5]。在工程應用中，螺栓的使用會隨著其使用次數的增加而產生磨損和變形，并引起螺栓承載能力的下降，嚴重的會造成質量事故的發生[6,7,8,9]。在振動環境中，螺桿的失效與長期的疲勞載荷作用有關，在細觀上則表現為螺桿與螺母之間螺紋的接觸疲勞問題或摩擦問題。實際上，接觸疲勞問題及摩擦問題一直是工程中失效問題的關注熱點[10,11,12]，因而在加工工藝中，對螺桿螺紋規格及表面處理均有著嚴格要求。此外，螺桿失效同時與其外部承載及緊固預緊力密切相關[14,15]，在相同的固定方式下，不同的振動量級及緊固力矩均會引起螺桿受力狀態的改變。在本文的研究中，通過借助CMOS相機對不同使用階段的螺桿螺紋進行觀察，并利用Matlab圖像處理的方法，對螺桿螺紋的齒峰曲線進行提取，最終通過分析齒峰曲線的變化形態，給出了影響螺紋變形的關鍵因素。

1 試驗方法

1.1 工裝的安裝及固定

試驗所用螺桿為長120 mm的M10雙頭螺紋螺桿、試驗工裝重為10 kg的鋁鎂合金框架結構（如圖1所示）、振動臺為東陵ES-20電動振動臺，試驗時使用扭矩扳手將試驗工裝通過螺桿固定在振動臺臺面上。

1.2 試件分組及試驗條件

試驗采用6個試件，每2個試件分為一組，分別進行常規量級、加強緊固力矩和加強量級的試驗，試件分組信息如表1所示。

圖1　試驗所用螺桿及工裝

表1　試件分組及所對應的試驗條件

1.3 數據采集及處理

每次緊固螺栓時記錄所用扭矩大小，并在每次振動前及振動后對螺桿螺紋進行圖像觀察和采集，試驗所用CMOS相機及其所采集的典型螺紋圖像如圖2所示。

為避免螺紋表面附著的灰塵雜質對螺紋表面清晰度的影響，在圖像采集前對螺栓表面進行清洗、烘干等處理。在圖像處理時，僅分析螺桿固定時與螺母嚙合的關鍵區域，并對選取區域進行消噪、平滑及二值化處理，最后通過提取圖形邊界得到螺紋的齒峰曲線（圖3）。

圖2　采集圖像用CMOS相機及采集的螺紋圖像

圖3　齒峰曲線

2 試驗過程及結果分析

2.1 振動量級對螺桿齒峰曲線的影響

試驗選取的常規量級及加強量級的試驗條件如表1，固定工裝時使用的常規緊固力矩為26 N·m。在試驗的不同階段，即試驗前、試驗200次后，分別對螺紋進行分析，得到的1#及5#試件的對比試驗結果如圖4所示。

由圖4(a)知，在試驗前1#與5#的齒峰曲線基本重合，由此可以排除由試件加工問題而引起的額外誤差；在進行200次試驗后，試件的螺紋仍舊基本重合（圖4(b)）。在試驗中，1#試件的振動量級為6.06 g，5#試件的振動量級為17.15 g，量級相差約2.8倍，而兩者螺紋磨損程度基本相同，由此說明振動量級對螺紋變形的影響并不明顯。

2.2 緊固力矩對螺桿齒峰曲線的影響

螺桿作為試驗工裝與振動臺臺面的連接件，為使振動波形不失真的傳遞到工裝，必須使用適當的緊固力矩。在長時間的振動過程中，較小的緊固力矩會引起工裝固定的松弛，進而影響到振動波形的傳遞。理論上較大的緊固力矩會提高振動系統的剛性連接，進而保證振動能量的有效傳遞；然而過大的緊固力矩會導致螺桿過載情況的產生，當緊固力矩產生的拉伸應力大于螺桿的抗拉強度時，則會導致螺桿斷裂。在工裝的固定過程中，緊固力矩的維持主要取決于螺母與螺桿間陰陽螺紋的靜摩擦力，且兩者成正比例關系。因而在緊固螺桿時，螺紋必然會因為緊固力矩的反復作用而增加磨損，進而消耗螺桿使用壽命。

圖4　1#、5#試件的齒峰曲線

圖5　1#、3#試件的齒峰曲線

為探討不同緊固力矩對螺紋變形的影響，在與編號為1#、2#的螺桿相同的試驗環境及固定方式下，對3#、4#試件進行200次的加強力矩（50 N·m）振動試驗。試驗前、試驗進行200次的1#、3#試件試驗結果如圖5所示。

由圖5可知，在試驗前，由于1#、3#試件均為未使用的嶄新試件，兩試件的螺紋曲線基本重合，并沒有發現加工缺陷或螺紋變形。試驗進行200次后，相對于1#試件，3#試件發生了更為明顯的磨損，齒峰變得更加“銳化”，其齒峰也出現了一定程度的傾斜。由此說明，使用較大的緊固力矩不僅更容易引起螺桿螺紋的磨損，同時會導致螺紋齒峰的傾側變形。

圖6及表2為在常規量級加強力矩情況下3#試件在不同階段螺紋的磨損變形情況。由圖表數據可知，螺桿使用200次后，螺紋齒峰發生了明顯的磨損，齒峰寬度平均磨損量為0.090 5 mm，而試驗前螺桿螺紋的齒峰寬度平均為0.215 1 mm，也即僅經過200次試驗，在大力矩作用下螺紋的齒峰寬度磨損了近0.5倍，由此可知大力矩對螺紋造成的損傷不容忽視。

2.3 試驗次數對螺桿齒峰曲線的影響

圖7為在常規量級及常規力矩情況下1#試件在不同試驗階段的螺紋變化情況，由圖觀察可知，試件螺紋在試驗前后并沒有發生明顯變化，在螺紋齒峰的表面僅出現了輕微的磨損。由此說明，在常規量級及常規力矩作用下使用次數對螺紋的變形并沒有顯著影響。

圖8為在常規力矩加強量級情況下6#試件在不同試驗階段的螺紋變化情況，有圖觀察可知，加強量級后，螺紋齒峰的磨損程度并沒有隨試驗次數的增加而出現明顯變化，僅出現了微量的磨損。

通過以上試驗結果可知，振動試驗中，螺桿螺紋的磨損與緊固時所使用的緊固力矩大小密切相關，較大的緊固力矩會導致螺紋發生明顯損害。由實際分析可知，這種損害來源于螺桿與螺母間相對運動產生的摩擦作用，較大的力矩會使螺紋間嚙合壓力增大，同時由于振動量級引起的力的疊加作用，當嚙合力超過了螺紋材料的塑性極限時，則會導致螺紋的變形，另一方面由于振動時的摩擦作用，使螺紋的磨損程度進一步加深。

表2　振動試驗加強緊固力矩下3#試件螺紋齒峰的變形

圖6　加強力矩下3#試件在試驗前及第200次的齒峰曲線

圖7　1#試件在試驗前、第50次及第200次的齒峰曲線

圖8　6#試件在試驗不同階段的齒峰曲線

3 結論

本文對振動條件下固定力矩、振動量級、使用次數等關鍵因素對螺桿螺紋的磨損變形進行了試驗研究，結果表明：

1）在同樣的固定方式下，使用常規力矩對螺桿進行常規量級的試驗，在進行的200次試驗中，螺母對螺桿螺紋僅存在輕量磨損；保持相同的固定方式及力矩大小，加大將近3倍振動量級，經過相同次數的試驗，螺紋的磨損程度并沒有隨之增加，因而使用次數、振動量級不是影響螺紋磨損變形的主要因素。

2）保持相同的固定方式及試驗量級，對螺桿加大一倍的緊固力矩，經過相同的試驗次數，螺桿的磨損程度顯著增加，螺桿齒峰寬度平均磨損接近0.5倍，螺紋形態發生明顯傾斜。較大的緊固力矩可引起螺桿螺紋發生明顯磨損變形，因而在進行振動試驗實際操作時，應注意所使用的緊固力矩大小。

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中圖分類號：V19

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7204（2016）02-0005-05

作者簡介:

華棟（1982-）,男，江西人，學士，工程師, 主要從事環境試驗、可靠性試驗等方面的研究。

龐家志（1986-）,男，安徽人，碩士，工程師, 主要從事力學環境試驗方面的研究。

祝捷（1977-），女，新疆人，碩士，工程師, 主要從事環境試驗、可靠性試驗等方面的研究。

Analysis of the Wear and Deformation of the Screw Thread in Vibration Test

HUA Dong, PANG Jia-zhi, ZHU Jie
（Institute 201 of the Second Academy of China Aerospace Science & Industry Corp., Beijing 100854）

Abstract：Objective Vibration test is an important part in mechanical environment test. And the screw is the key component in connection the products and the shaking table during the test. The objective of the paper is to investigate the influence of the vibration test on the wear and deformation of the screw. Method By changing the vibration level, tightening torque and the times of the test, the deformation of the screw thread is concerned, and the regular of the screw deformation is analyzed by the method of image procession. Results The results show that the vibration level and the times of the test have less impact on the screw wear and deformation, but the tightening torque has more. Concluussiioonn In vibration test, the larger tightening torque is the major influence factors which result in the obvious wear and deformation of screw.

Key words：screw deformation; vibration level; tightening torque; image procession