橫向振動下螺栓連接失效及影響因素研究

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(1.大連理工大學工程力學系,大連 116024;2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

0 引言

螺栓連接結構因其結構簡單、可操作性好等優點廣泛應用于航天器的艙段對接、石油管道運輸等工業結構中[1]。在復雜的振動環境下，螺栓連接結構容易產生松動、斷裂等失效現象，由此可能引發諸如泄露、異響等情況，甚至可能導致結構解體等重大事故，可見連接結構的可靠性對整個結構的安全起著至關重要的作用。

針對螺栓失效問題，國內外學者對其進行了廣泛的研究，Junker[2]首先通過試驗發現，相比于軸向振動，橫向振動更容易引起螺栓松動，并給出了簡化機理模型。Basava等[3]也證明了螺栓連接結構在軸向簡諧振動條件下，軸向力變化并不明顯。陳巖等[4]從理論分析和有限元仿真角度出發，研究了施必牢螺紋副軸向承載力更加均勻的力學機制。莫易敏等[5]通過橫向振動試驗驗證了不同頭部結構、彈簧墊圈、預緊力、表面處理等對螺栓防松性能的影響。Zhang等[6]從微動摩擦以及能譜分析的角度研究了螺栓松動的原因，同時分析了螺紋緊固劑的作用。Sanclemente等[7]通過實驗方法研究了螺栓螺距、公稱直徑、緊固材料彈性模量以及螺栓孔的配合情況等影響因素對螺栓松動的影響。侯世遠[8]用Abaqus模擬方法分析了松動過程中接觸狀態的變化及相關因素的影響規律。Dinger等[9]和Jiang等[10]建立有限元模型分析螺紋及螺栓頭接觸狀態的變化來探究螺栓松動機理。本文主要基于試驗的方法，對螺栓連接結構在橫向簡諧振動下的失效過程，不同類型防松螺母的防松效果以及拆卸次數、振動幅值、初始預緊力和振動頻率等對螺栓失效的影響規律進行研究。

1 試驗原理

本文采用百若公司FPL-200型緊固件橫向振動試驗機對螺栓失效等問題進行研究，試驗機如圖1所示。主要包括預緊系統、橫向振動系統以及相應的配套軟件系統。其原理為內部存在偏心輪結構，在電機帶動下，偏心輪轉動，使得與螺母相接觸的振動部位產生上下簡諧振動，相對螺栓而言即為橫向簡諧振動，而螺栓頭部始終卡在固定裝置中，無法轉動，主要組成如圖2所示。通過試驗機可以調節振動幅值(0～2mm)、頻率(3Hz～15Hz)以及初始預緊力大小，同時可以實時監測振動過程中夾緊力。另外通過安裝附加裝置，如圖3所示，可以輸出螺母轉角的變化。

試驗的一般步驟為：1)根據試驗螺栓規格，安裝選擇配套的夾具，同時調節偏心輪至指定振幅；2)通過軟件控制將振動板調至中位，保證螺栓孔中心一致，避免預緊過程中產生的偏心；3)安裝試驗螺栓螺母樣件，通過固定螺栓頭部，擰螺母的形式預緊，操作上可以在軟件中直接設置預緊力，達到預設預緊力后電機會自動停止；4)根據需要，安裝轉角測量傳感器，將傳感器兩個平行的鐵片緊貼螺母兩側；5)在軟件中設置相關參數，如振動頻率、振動次數、振動結束條件等，開始松動試驗。

圖1 FPL-200型緊固件橫向振動試驗機Fig.1 FPL-200 fastener transverse vibration testing machine

圖2 振動系統主要組成Fig.2 Main components of the vibration system

圖3 螺母轉角測量裝置Fig.3 Measuring device of nut rotation angle

2 橫向振動下連接失效

2.1 普通螺母失效形式

使用試驗機對普通螺栓螺母預緊結構進行橫向振動試驗，螺栓螺母規格為8.8級，M12×1.75×50mm標準緊固件，表面氧化發黑處理，不加潤滑劑，螺栓與孔的間隙為1mm，螺栓連接長度為26mm。試驗中，振動頻率為12.5Hz，參考規范《GB/T 3098.1-2010緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[11]，預緊力取保證載荷的一半24kN，結構中沒有明顯的塑性變形，振幅為1.2mm，振動次數為1000次，在相同條件下進行5組樣品試驗，去掉誤差較大的試驗組，對試驗剩余結果進行平均處理。預緊力及螺母轉動角度變化，如圖4所示。其中一組樣品試驗前后如圖5所示。

圖4 普通螺母預緊力和轉動角度變化Fig.4 The variations of preload and rotation angle of plain nut

(a)試驗前 (b)試驗后圖5 普通螺栓螺母試驗前后對比Fig.5 Comparison of the bolt and nut before/after test

由圖4可見，在振動過程中，預緊力逐漸下降并最終完全喪失，同時螺母發生明顯轉動。隨著預緊力下降，轉動速度逐漸變緩，從試驗后的部件狀態看(圖5)，除了螺母接觸面存在磨損外，其他部件并沒有明顯的損傷，可見結構失效主要是在橫向簡諧振動下，螺栓螺母間發生相互轉動從而引起的預緊力下降。

2.2 防松螺母失效形式

為了提高連接可靠性，防止螺栓松動造成的失效，工程中存在各種不同的防松方法，從類型上可以分為：1)機械防松，如開口銷、止動墊片等；2)永久防松，如點焊、沖點等；3)摩擦防松，如彈簧墊片、自鎖螺母等。但從可拆卸的角度考慮，多數情況下會采用摩擦防松的形式，其原理主要是在相同預緊力條件下，設法增大接觸摩擦力，使接觸面更難發生轉動，從而達到防松的目的，如典型的施必牢螺紋，其內螺紋的牙底處有一個30°的楔形斜面使螺紋間的接觸力與螺栓軸成60°角，而不像普通螺紋成30°角，如圖6所示。當達到相同預緊力時，施必牢螺紋的法向接觸力遠遠大于普通螺紋，同理為了克服增大的摩擦力，達到指定預緊力，需要施加更大的預緊扭矩。

(a)普通螺紋 (b)施必牢螺紋圖6 施必牢螺紋示意圖Fig.6 The diagrammatic sketch of Spiralock thread

通過試驗機對市面上常用的防松螺母進行失效分析，包括尼龍螺母、金屬鎖片螺母、雙開槽螺母、施必牢螺母以及Hard-lock螺母等，如圖7所示。

試驗條件與上一部分普通螺母試驗一致，對于不同類型防松螺母，振動過程中預緊力的變化如圖8所示。

圖7 不同類型防松螺母Fig.7 Different types of anti-loose nut

圖8 不同類型防松螺母預緊力變化Fig.8 The preload variations of different anti-loose nuts

但對于一些防松螺母而言，由于存在增大摩擦的設計，振動開始后，預緊力會快速下降一段時間，隨即進入平緩變化階段，同時通過對比發現，Hard-lock螺母和施必牢螺母的防松效果明顯優于其他類型的防松螺母。

但在不斷振動過程中，防松螺母在某時間點會出現預緊力斷崖式下降直接降至零點，且螺桿根部發生斷裂的現象。以Hard-lock螺母為例，增加振動次數至3000次，其預緊力變化如圖9所示，可以看出當振動到2500次左右時發生斷裂，斷裂后的螺栓如圖10所示。其原因主要是預緊力趨于平緩時，說明螺母與連接件接觸面之間已經不再發生相對轉動，而螺母隨著連接件不斷作橫向簡諧運動，由于螺栓頭被固定，此時螺栓可看作一懸臂梁結構，自由端受強制簡諧位移荷載，在不斷振動過程中根部因應力較大最終發生疲勞斷裂。

圖9 Hard-lock螺母預緊力變化Fig.9 The preload change of Hard-lock nut

圖10 Hard-lock螺母斷裂失效Fig.10 Fracture failure of Hard-lock nut

3 螺栓失效影響因素

同樣以普通螺栓螺母為研究對象，利用橫向振動試驗機，考察拆卸次數、振動頻率、振動幅值和初始預緊力等因素對螺栓失效的影響規律，對每組試驗對象均進行5次試驗，去掉誤差較大的試驗組，然后再對剩余結果進行平均處理。

3.1 拆卸次數的影響

試驗螺栓螺母規格為8.8級M12×1.75×50mm的標準緊固件，表面采用氧化發黑處理，不加潤滑劑，孔間隙為1mm，螺栓連接長度為26mm。用扭矩扳手對試驗中的螺母拆卸10次，每次均達到預緊力24kN，每次施加的扭矩與拆卸次數的關系如圖11所示。可以看出，在前4次裝配過程中，所需扭矩近似線性增加，而裝配4次后所需扭矩趨于穩定。

圖11 預緊扭矩與拆卸次數的關系Fig.11 Relationship between preload torque and number of disassembly

參考規范《GB/T 16823.2-1997螺紋緊固件緊固通則》[12]可知，彈性區內緊固扭矩與預緊力的關系可近似通過式(1)得出：

(1)

式中：

(2)

(3)

(4)

各參數含義如下：Ts為螺紋面上的扭矩，Tw為螺栓頭支撐面上的扭矩，K為扭矩系數，F為預緊力，d為螺栓公稱直徑，d2為螺紋中徑，d0為螺母支撐面外徑，dh為螺栓孔直徑，dw為等效摩擦直徑，α為螺紋牙側角，P為螺距，μs、μw分別為螺紋摩擦系數和螺栓頭摩擦系數。

由公式(1)可見，拆卸過程中僅摩擦系數可能發生變化，從而說明圖11呈現的所需扭矩增大的現象是拆卸過程造成的磨損使得接觸面變得粗糙，但多次拆卸后，摩擦系數趨于穩定，所需的預緊扭矩也隨之趨于平緩。

對拆卸10次后的螺栓螺母進行橫向載荷振動試驗，振幅為1.2mm，頻率為12.5Hz，并與之前不拆卸的結果進行對比，預緊力隨振動次數的變化曲線如圖12所示。可見，由于摩擦系數增大的原因，連接結構的失效形式與防松螺母相似。先因接觸面相對轉動而出現預緊力下降，再因螺栓斷裂而導致預緊力直接下降至零。但由于多次拆卸的原因，螺栓經歷幾百次振動后即發生疲勞斷裂，螺栓疲勞壽命明顯小于一般防松螺母。而對于不拆卸的情況，預緊力不存在中間的緩慢下降階段，很快下降至零。可見，多次拆卸普通螺母呈現部分防松效果。

圖12 普通螺母拆卸10次與不拆卸松動曲線對比Fig.12 Vibration curve of ordinary nut with disassembly for 10 times

3.2 振動幅值和初始預緊力的影響

為了增大振動幅值和初始預緊力的變化范圍，以8.8級M14×2×50mm規格的普通螺栓螺母為研究對象，表面同樣氧化發黑處理，不加潤滑劑，孔間隙為1mm，螺栓連接長度為26mm，首先對振幅和預緊力進行單變量分析。

在對振幅影響規律分析中，振幅分別取0.4mm～1.4mm，間隔為0.2mm，振動頻率為12.5Hz，初始預緊力固定為30kN，振動1000次的過程中，剩余預緊力百分比變化如圖13所示。

圖13 振動幅值對松動的影響曲線Fig.13 The influence curve of vibration amplitude on loosening

可見，振動幅值對松動影響較大，且幅值越大，預緊力下降速度越快，隨著振幅的減小，松動曲線可能會出現兩個平臺的現象，在振幅較小時(如0.4mm)，幾乎不會引起結構的松動。

在對初始預緊力影響規律的分析中，初始預緊力分別取20kN～60kN，間隔為10kN，振幅固定設為1.0mm，振動頻率為12.5Hz，試驗中預緊力變化如圖14所示。可見，初始預緊力對結構失效影響較大，當初始預緊力較小時，結構會出現松動失效現象，預緊力下降很快直至降為零。但隨著初始預緊力逐漸增大，螺栓連接結構夾緊力減小速率也越來越緩，在設置的振動次數下，結構預緊力并沒有出現完全松動到零的現象。

圖14 預緊力對松動的影響曲線Fig.14 The influence curve of preload on loosening

通過上述部分的單變量分析可以發現，預緊力和幅值對松動試驗的影響較大，且兩者之間存在相互影響。振幅越小預緊力越大，結構越不容易松動；反之，振幅越大預緊力越小，結構越容易松動。為了進一步分析振動幅值和預緊力對螺栓連接結構松動的影響規律，預緊力分別取10kN～50kN(間隔10kN)，振幅分別取0.4mm～1.4mm(間隔0.2mm)，對每一種工況進行橫向振動試驗，分析相同振動次數下(取500次)，剩余預緊力百分比的大小，結果如圖15所示。

圖15 幅值和預緊力對松動的影響Fig.15 The effect of amplitude and preload on loosening

可見，對于M14×2規格的普通螺栓螺母而言，當振幅很小或很大時，預緊力對結構失效的影響很小。即當振幅很小，結構不會發生松動失效；而振幅大至一定程度時，無論初始預緊力多大，結構都會出現松動失效現象；只有當振幅介于中間時(1mm作用)，預緊力才會對結構失效產生明顯影響。綜合分析，即使預緊力達到一定程度有一定防松效果，但增加振動幅值，預緊力還是會降低到零。所以影響螺栓松動的主要原因還是振幅，預緊力次之。

3.3 振動頻率的影響

本節中螺栓螺母規格及試驗條件與3.2節振動幅值和預緊力的影響一樣。由于試驗機振動頻率的可調節范圍為3Hz～15Hz，此次試驗中振動頻率分別取5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz和15Hz，同樣以M14×2規格的普通螺栓螺母為研究對象，預緊力加載至30kN，振動幅值設為1.4mm。振動次數為1000次。不同振動頻率下預緊力變化如圖16所示。

圖16 振動頻率對松動的影響曲線Fig.16 The influence curve of vibration frequency on loosening

由圖16可以看出，當振動頻率在5Hz～15Hz內變化時，振動頻率對結構失效的影響較小，沒有明顯規律，不同頻率的振動過程中，結構均出現松動失效現象。

4 結論

通過試驗的方法研究螺栓連接結構在橫向簡諧載荷下的失效問題以及重復拆卸、振動幅值、初始預緊力等因素對結構失效的影響規律，主要得出以下結論：

1)在橫向簡諧振動下，普通螺栓連接結構會因螺母松脫而失效，而對于防松螺母而言，會先因螺母松脫使得預緊力出現部分下降，進而再因螺栓根部疲勞斷裂而完全失效；

2)對各種防松螺母的橫向振動試驗發現，Hard-lock螺母和施必牢螺母防松效果較好，尼龍、金屬鎖片、雙開槽螺母Ⅰ及雙開槽螺母Ⅱ防松效果差別不是很大；

3)螺紋面摩擦系數會因拆卸的磨損而增加，但多次拆卸后會趨于穩定，同時螺栓連接壽命會因拆卸次數的增加而降低，更容易產生斷裂失效；

4)振動幅值和預緊力對螺栓松動的影響較大，振動頻率對松動影響較小。