單螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，螺栓連接形式應(yīng)用廣泛，特別是在壓力容器行業(yè)中，其優(yōu)點(diǎn)是連接可靠、便于拆裝和檢修等。螺栓上的初始預(yù)緊力既保證連接的密封性能[1]，又使得被連接件在外載荷作用時(shí)不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。常見(jiàn)的螺栓失效形式有疲勞、螺栓被剪斷和松動(dòng)等[3]，螺栓的失效不僅會(huì)增加工業(yè)機(jī)械的維修費(fèi)用和不必要的停機(jī)時(shí)間，還會(huì)引發(fā)一些嚴(yán)重的工業(yè)事故[4]。

良好的螺栓連接性能不僅取決于初始預(yù)緊力[5-7]、接觸面摩擦系數(shù)[8-9]和材料[10]等，還取決于螺栓直徑[11]以及螺栓和螺栓孔之間的裝配位置。針對(duì)螺栓裝配的問(wèn)題已有很多學(xué)者做了大量的研究。Lawlor和Mccarthy等[12-13]研究了螺栓孔間隙在螺栓連接中的影響，研究表明：螺栓和螺栓孔的裝配間隙不僅會(huì)影響載荷的分布，而且還會(huì)影響螺栓疲勞壽命。馬傳寶等[14]研究了軸心相對(duì)孔心的偏移量，考慮了螺栓和螺栓孔裝配成功的概率，同時(shí)也考慮了位置度對(duì)雙孔螺栓連接的影響。Mccarthy和Egan等[15-16]研究了裝配間隙對(duì)螺栓連接的影響，研究表明：裝配間隙會(huì)影響螺栓連接強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命，但是研究中并沒(méi)有考慮位置度的影響。目前對(duì)螺栓裝配位置影響連接性能的研究還不夠完善，還沒(méi)有理論或?qū)嶒?yàn)定量研究裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響。筆者研究了螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響，確定了螺栓和螺栓孔相對(duì)位置不同時(shí)對(duì)螺栓可靠性和連接壽命的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

螺栓連接可簡(jiǎn)化為圖1，假設(shè)外部載荷為橫向剪切載荷，被施加在任一連接件上。

圖1 螺栓連接簡(jiǎn)化圖Fig.1 Simplified diagram of the bolted joint

螺栓連接件通過(guò)螺母的相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生預(yù)緊力以實(shí)現(xiàn)連接。為了拆裝方便和部件更換，螺栓和螺栓孔之間采用間隙配合。栓孔之間的最小配合間隙在實(shí)際裝配中不能控制為一個(gè)確定的值，取決于加工方式和裝配技術(shù)。理論上，螺栓和螺栓孔裝配最合理的位置是保證兩者軸線重合，使得螺栓和螺栓孔之間有良好的對(duì)中度。實(shí)際的裝配過(guò)程中，由于裝配工具、技術(shù)以及方法的不確定性，螺栓的裝配位置不可能完全處于理論上的最合理位置，兩者軸線存在一定的相對(duì)距離。螺栓貼近螺栓孔壁面裝配時(shí)，一種是遠(yuǎn)離橫向載荷，一種是靠近橫向載荷，螺栓裝配的極限情況如圖2所示。

圖2 螺栓裝配位置Fig.2 Assembling position

為了研究螺栓與螺栓孔之間裝配位置對(duì)螺栓連接的影響，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中采用M12螺栓和螺母，螺距為1.75 mm，材料為304不銹鋼；連接件材料為304不銹鋼，厚度為18 mm，螺栓孔的直徑為12.7 mm，螺栓與螺栓孔之間的最大間隙為0.7 mm。為了保護(hù)連接件接觸面，連接件之間和螺母與連接件之間分別放置銅帶和墊片。其中，銅帶涂有潤(rùn)滑油。墊片的材料為304不銹鋼。實(shí)驗(yàn)之前，各個(gè)接觸面都應(yīng)用無(wú)水乙醇進(jìn)行擦洗，以去除表面的油污和雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中，螺栓夾緊力的變化由載荷傳感器進(jìn)行采集，其最大量程為50 kN。實(shí)驗(yàn)裝置放置于英斯特朗實(shí)驗(yàn)機(jī)(Instron 8872)，其最大拉伸載荷為25 kN，能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)驗(yàn)在室溫中進(jìn)行。連接件一端固定，一端施加循環(huán)動(dòng)態(tài)載荷。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 The test rig

實(shí)驗(yàn)中外載控制模式采用位移控制，外載位移以正弦曲線進(jìn)行加載，頻率為1 Hz，位移和時(shí)間的關(guān)系為

δ=0.45sin(2πt)

(1)

式中：δ為拉伸位移，mm；t為加載時(shí)間，s。

實(shí)驗(yàn)中，螺栓采用扭矩扳手進(jìn)行預(yù)緊，施加扭矩至載荷傳感器的數(shù)值為7.5 kN，則螺栓的初始預(yù)緊力為7.5 kN。該實(shí)驗(yàn)中螺栓的夾緊力由載荷傳感器采集，以避免扭矩扳手讀數(shù)引入的誤差。連接件裝夾時(shí)，應(yīng)檢查螺栓孔之間的對(duì)中度。為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的可靠性，實(shí)驗(yàn)前對(duì)載荷傳感器進(jìn)行標(biāo)定以確定載荷傳感器數(shù)據(jù)采集的相對(duì)誤差是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。標(biāo)定過(guò)程中，在載荷傳感器上施加壓力載荷，標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖4所示。為了更好地對(duì)比載荷傳感器和試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)取絕對(duì)值。

圖4 傳感器標(biāo)定Fig.4 Calibration for the sensor

標(biāo)定數(shù)據(jù)表明：該傳感器的最大相對(duì)誤差為1.91%，數(shù)據(jù)跟隨性良好且能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求，可保證采集數(shù)據(jù)的可靠性和合理性。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 螺栓連接壽命分析

在循環(huán)外載的作用下，螺栓承受往復(fù)的剪切載荷，使得夾緊力衰減而導(dǎo)致螺栓發(fā)生自松動(dòng)。在螺栓自松動(dòng)的過(guò)程中，螺栓和螺母之間會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，螺母會(huì)表現(xiàn)為軸向的旋退[16]。預(yù)緊力P0和夾緊力P是衡量螺栓自松動(dòng)和連接壽命的重要參數(shù)，三種裝配位置螺栓夾緊力的變化如圖5所示。

圖5 三種裝配情況螺栓夾緊力的變化Fig.5 Variation of the clamped force for three different scenarios

相比于螺栓裝配靠近載荷和遠(yuǎn)離載荷時(shí)，螺栓中間裝配時(shí)疲勞壽命更高，連接更可靠。比較不同裝配位置螺栓夾緊力的變化，可得結(jié)論：在外載的作用下，螺栓軸線偏離螺栓孔軸線裝配時(shí)，螺栓連接件的疲勞壽命較小，螺栓連接更容易發(fā)生松動(dòng)，不利于結(jié)構(gòu)緊固。

2.2 工作載荷的分析

作為分析螺栓松動(dòng)的重要參數(shù)，工作載荷能夠反映克服連接面上摩擦力的難易程度，較大的摩擦力需要較大的工作載荷來(lái)克服。同時(shí)，工作載荷的方向會(huì)影響連接面上摩擦力的方向。裝配不同位置時(shí)，工作載荷F，循環(huán)數(shù)N和載荷位移δ之間的關(guān)系如圖6～8所示。

圖6 螺栓靠近載荷裝配Fig.6 Bolt close to the load

圖7 螺栓遠(yuǎn)離載荷裝配Fig.7 Bolt away from the load

圖6～8顯示：在循環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，滯回線的形狀發(fā)生明顯變化：前期滯回線形成的包絡(luò)面積明顯大于后期滯回線的包絡(luò)面積，且滯回線的包絡(luò)面積隨著循環(huán)數(shù)的增加而減小。說(shuō)明隨著循環(huán)的進(jìn)行，夾緊力的下降使得接觸面之間的摩擦力減小，摩擦所做的功也會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，若要達(dá)到實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的外載位移則所需的外載荷會(huì)變小。

圖8 螺栓對(duì)中裝配Fig.8 Centring the bolt

3 結(jié)果與討論

由于螺栓裝配的隨機(jī)性，螺栓在螺栓孔里的位置也是隨機(jī)分布的，不能保證兩者軸線是完全重合的。理想的情況是螺栓裝配時(shí)螺栓和螺栓孔的軸線相重合，保證螺栓孔和螺栓之間的完全對(duì)中。螺栓和螺栓孔的完全對(duì)中如圖9(a)所示，偏置裝配如圖9(b)所示。

圖9 螺栓的裝配位置Fig.9 Assembling position for the bolt

圖9中，db為螺栓的直徑；dn為螺栓孔的直徑；Cmin為裝配的最小間隙；Cmax為裝配的最大間隙；Cd為裝配后螺栓軸線和螺栓孔軸線的距離；O1為螺栓的圓心；O2為螺栓孔的圓心。定義Ψ為對(duì)中度以表征螺栓的裝配位置，計(jì)算公式為

(2)

式中：Ψ的取值為[0, 1]；Δ為螺栓半徑和螺栓孔半徑之差。螺栓連接件承受橫向循環(huán)外載荷且載荷幅值較小時(shí)，Ψ越大，在循環(huán)拉伸的過(guò)程中螺栓和螺栓孔之間有足夠的空間余量來(lái)滿足螺栓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺栓和螺栓孔不會(huì)發(fā)生剪切接觸；若載荷幅值較大使得螺栓頭和連接件之間發(fā)生明顯的相對(duì)滑動(dòng)，Cmin消耗完畢后，螺栓被連接件剪切，螺栓和螺栓孔發(fā)生接觸。Ψ越小，說(shuō)明螺栓和螺栓孔的對(duì)中度越差，螺栓軸線和螺栓孔中心線之間的相對(duì)距離較小，較小的載荷幅值都可使得螺栓和螺栓孔發(fā)生剪切接觸。Cmin越小，螺栓和螺栓孔的對(duì)中度越差，同等載荷下，螺栓和螺栓孔越容易發(fā)生剪切接觸，不利于結(jié)構(gòu)緊固。裝配時(shí)控制Cmin的大小能夠有效提高螺栓連接的使用壽命和保障連接的可靠性。

4 結(jié) 論

為了研究螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接松動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)螺栓連接件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：螺栓和螺栓孔完全對(duì)中裝配時(shí)，在橫向載荷的作用下，螺栓孔壁和螺栓之間不易發(fā)生剪切，使得連接壽命高和連接可靠；螺栓相對(duì)于螺栓孔非對(duì)中裝配時(shí)，螺栓和螺栓孔壁之間易發(fā)生剪切接觸，使得螺栓夾緊力損耗較大，容易發(fā)生松動(dòng)，連接疲勞壽命低。因此，在螺栓裝配時(shí)，通過(guò)控制螺栓和螺栓之間的對(duì)中度能夠有效提高螺栓連接的抵抗松動(dòng)能力和連接壽命，保證螺栓連接的可靠性。