軸向振動工況下切槽式螺母的防松性能研究

孫光陽，何巖，朱喆，胡華民，劉建華*,

軸向振動工況下切槽式螺母的防松性能研究

孫光陽1，何巖1，朱喆1，胡華民2，劉建華*,2

（1.長春中車軌道車輛有限公司，吉林 長春 130062；2.西南交通大學 摩擦學研究所，四川 成都 610031）

針對全扭矩工況（螺栓預緊力矩均為設計值）、欠扭矩工況（螺栓預緊力矩均為設計值的20%）和部分欠扭矩工況（其中一組對角螺栓預緊力矩為設計值，另一組對角螺栓預緊力矩為設計值的20%），系統開展了軸向振動載荷作用下切槽式螺母的防松性能研究；全扭矩工況下研究了切槽處裂紋對切槽式螺母防松性能的影響，利用體式顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀分析設備分析裂紋的擴展情況。結果表明：在三種預緊工況下，全扭矩時螺母具有良好的防松性能，但在欠扭矩和部分欠扭矩工況下螺母的防松性能降低，且后者更為嚴重；螺栓的松動過程可分為兩個階段：第一階段是螺栓軸向力快速下降，原因是材料發生塑性變形和螺紋接觸面應力重新分布；第二階段是螺栓殘余預緊力緩慢下降，原因是螺紋接觸面發生微動磨損。此外，切槽處裂紋會降低螺母防松性能，通過微觀分析表明裂紋試驗后出現明顯擴展。

切槽式螺母；軸向振動；松動行為；裂紋擴展

振動環境下螺栓軸向力不可避免地出現降低的現象，從而導致連接失效。主要的兩種失效方式為螺栓斷裂和結構松動。作為重要的連接部件，螺栓連接一旦失效，極有可能引起結構解體等重大安全事故[1-2]。鑒于螺栓連接的重要性和復雜性，國內外學者對螺栓連接的失效問題及其防護進行了廣泛研究。

螺栓承受的工作載荷對螺栓松動結果影響很大。目前國內外學者主要研究的是軸向載荷、橫向載荷和偏心載荷。Liu等[3]和于澤通等[4]通過試驗研究了軸向激勵下螺栓連接結構的松動機理，指出螺栓預緊力會隨著重復擰緊次數的增加而降低，而且螺栓松動過程的初期主要原因是螺紋發生塑性變形，后期主要原因是螺紋接觸面間的微動磨損。Jiang等[5-6]使用試驗和有限元方法系統研究了橫向交變載荷下螺栓連接結構的松動過程，發現螺栓連接的松動可以分為兩個階段，第一階段為嚙合螺紋的根部產生棘輪效應，導致螺栓應力重新分布，螺栓軸向力降低；第二階段為螺母發生反向轉動，導致螺栓軸向力下降。方子帆等[7]運用有限元方法研究螺栓連接結構的松動機理，發現連接件的變形和滑移是松動的主要原因。鄭生田[8]針對鐵路平板火車中螺栓松動問題，通過結構設計減輕接觸面的滑移，從而提高螺栓連接結構的防松性能。余欽義[9]研究了雙螺母的防松性能，結果表明，通過控制主螺母逆向旋轉減輕界面的相對滑移，可提高結構的防松性能。Zhang等[10]通過試驗發現在螺母反向轉動前，螺栓的松動行為是螺紋接觸面間的微動磨損造成的，且循環次數越大，螺紋接觸表面磨損越嚴重。杜永強等[11]通過試驗和有限元方法開展了偏心載荷下螺栓連接結構的松動行為研究，結果表明螺栓偏心距離和載荷幅值增大，螺栓軸向力下降速率增大，且螺紋接觸表面的主要磨損機理是磨粒磨損、疲勞磨損和粘著磨損。

除了工作載荷的影響外，螺栓連接結構接觸面間的摩擦系數也會對螺栓連接松動產生較大影響。Grabon等[12]通過試驗研究了螺栓預緊力與扭矩的關系，指出螺栓不同制造工藝會造成螺紋表面摩擦系數不同，從而導致擰緊力矩分散性很大，且越大的預緊力，所要求的預緊力矩分散性越大，預緊力與擰緊力矩的關系非線性。Croccolo等[13-14]利用數值分析和試驗方法研究了螺栓預緊力－扭矩關系，指出螺栓接觸界面間摩擦系數受表面光潔度、潤滑條件以及螺栓擰緊次數影響，在相同扭矩下，預緊力差別高達三倍。王崴等[15]運用有限元方法研究橫向載荷下螺栓連接的松動行為，結果表明螺紋的嚙合面和連接件承壓面摩擦系數增大能減小螺栓松動，但連接件間的摩擦系數對于相同振幅下的螺栓松動沒有明顯影響。解慧等[16]分四個階段（摩擦系數上升－摩擦系數下降－摩擦系數下降－摩擦系數下降到最低）研究了振動狀態下螺紋表面摩擦系數的變化。

研究發現改變界面摩擦系數或者使用新型螺母/螺栓和墊片能夠達到較好的防松性能。Zhou等[17]研究不同涂層螺栓在橫向載荷下的防松性能，結果表明，PTTE涂層和MoS2涂層對于螺栓具有明顯的防松性能。劉傳波等[18]通過擰緊力矩和擰松力矩計算模型和試驗分析螺栓連接防松機理，指出細牙螺栓防松性能優于粗牙螺栓。楊廣雪等[19]運用有限元研究了一種新型螺母的防松性能，指出新型螺母通過調節嚙合螺紋在橫向載荷為0時的相對位置以及產生的附加彎矩，有效減緩了螺栓的松動，但產生的附加彎矩在預緊力超過100 kN之后趨于平緩。Panja等[20]通過試驗研究了不同類型墊圈和螺母的防松性能，指出彈簧墊圈和內/外鋸齒墊圈能通過增加接觸阻力來提升防松性能，并發現尼龍自鎖螺母具有良好的防松性能，尤其是與常規螺母結合時的混合雙螺母。Liu等[21]通過數值模擬和試驗系統研究了楔形自鎖螺母的防松性能，結果表明，30°斜角的楔形螺母防松性能最好，但許可預緊力低于普通螺母。

在實際裝配過程中可能出現欠扭矩預緊，因此本文主要開展了軸向交變載荷下切槽式螺母（XH-Ⅱ型）在全扭矩預緊、欠扭矩預緊和部分欠扭矩預緊三種工況下的松動行為。針對切槽處存在裂紋的螺母，在全扭矩預緊工況下研究其松動行為，然后運用光學三維顯微鏡（Optical Microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）研究裂紋試驗后是否會產生擴展。

1 試驗方法

本試驗選用強度為10.9級M16×80的40Cr螺栓和切槽式螺母，螺栓的主要化學成分如表1所示，螺栓相關參數和螺紋牙形參考文獻[22]。試驗前篩選明顯有缺陷的螺栓和螺母。

表1 螺栓的主要化學成分（質量分數）

螺栓連接振動試驗在島津電液伺服疲勞試驗機（型號：EHF-UM100K2-040-OA）上進行，螺栓軸向力通過壓力傳感器測量，并由東華測試公司研發的DHDAS動態信號采集系統進行采集。試驗裝置如圖1所示，上下夾具均為高強度調質鋼（40CrNiMo）。試驗時先用疲勞機下夾頭固定下夾具，之后將四個螺栓依次穿過上夾具、壓力傳感器和下夾具，最后通過螺母連接起來。對四個螺栓按對角預緊原則使用數顯扭矩扳手施加扭矩，然后調整疲勞機上夾頭，降至相應位置后夾緊上夾具。

1.電液伺服系統 2.升降拉桿 3.上夾頭 4.下夾頭 5.升降導桿 6.升降橫梁 7.底座 8.1#螺栓 9.2#螺栓 10.3#螺栓 11.4#螺栓 12.1#螺母 13.2#螺母 14.3#螺母 15.4#螺母 16.上夾具 17.下夾具 18.傳感器

試驗采用載荷幅值控制來模擬螺栓連接結構在振動試驗下的慣性力[23]，其慣性力為正弦加載方式的軸向交變載荷，加載路徑為：

＝A＋Asin(2p)

式中：A為載幅值，kN，A＝11.7；為試驗頻率，Hz，＝30。

螺栓初始預緊扭矩為180 N·m和40 N·m。循環次數為1×106和5×106。為了保證試驗準確性，每種工況重復5次。試驗結束后，將切槽式螺母在含有酒精的燒杯中清洗2次，每次10 min。利用OM（型號：OLYMPUSDSX100）和SEM（型號：JOELJEM-6610LV）觀察螺母切槽處裂紋是否發生擴展。

2 不同預緊扭矩工況下螺栓組的松動行為

為便于討論，定義如下函數描述松動行為：

式中：L為松動速率；R為松動程度；P為經過次振動后的螺栓軸向力，kN；0為初始預緊力，kN。

2.1 全扭矩工況

圖2為全扭矩180 N·m工況下切槽式螺母的松動曲線和松動速率曲線。由圖2（a）可以看出，螺栓組在試驗初期松動速率迅速上升，最大松動速率為0.3%±0.2%。在試驗后期，松動速率較低。此外，由于微動磨損產生的磨屑排出，導致松動速率略微上升。因此，松動速率為先增大后減小，但不是單調減小的。

由圖2（b）可知，全扭矩工況下螺栓組的松動曲線都可以分為兩個階段：第一階段（循環次數＝0～104）先出現短暫的平緩期，主要原因是試驗機振動幅值正在緩慢加載，初期尚未達到預設值，隨后由于螺紋發生塑性變形和螺紋接觸表面接觸應力重新分布，螺栓軸向力快速下降；第二階段（＝104～106），螺栓預緊力緩慢下降，這是接觸界面的微動磨損導致的。試驗結束后，R＝99.35%±0.25%，說明切槽式螺母在全扭矩擰緊工況下具有良好的防松性能。

2.2 欠扭矩工況

圖3為欠扭矩工況下切槽式螺母的松動速率曲線與松動曲線。

圖2 全扭矩工況下螺栓松動速率曲線和松動曲線

圖3 欠扭矩工況下螺栓松動速率曲線和松動曲線

從圖3（a）可以看出，螺栓松動速率曲線與全扭矩工況下具有相同特征，在試驗初期松動速率迅速增大，且最大松動速率為12.5%±0.2%。隨后松動速率迅速下降并趨于平緩。

由圖3（b）可知，欠扭矩工況下螺栓松動曲線和全扭矩工況時松動過程相似，可以分為兩個階段。經過第一階段（＝0～104）后，＝89.5%±3.4%；經過第二階段（＝104～106）后，＝86.4%±2.2%。相對于全扭矩工況，螺栓松動程度更大。因此，切槽式螺母施加的擰緊扭矩對于切槽式螺母的防松效果產生了明顯影響。

2.3 部分欠扭矩工況

圖4為部分欠扭矩工況下切槽式螺母的松動速率曲線與松動曲線。其中2#和4#螺栓施加全扭矩180 N·m預緊，1#和3#螺栓施加欠扭矩40 N·m預緊。

圖4 部分欠扭矩工況下螺栓松動速率曲線和松動曲線

從圖4（a）可以看出，螺栓組的松動速率曲線變化趨勢與全扭矩和欠扭矩工況下一致，2#和4#螺栓最大松動速率為6.57%±1.75%，1#和3#螺栓最大松動速率為15.64%±0.46%。對比全扭矩工況和欠扭矩工況，部分欠扭矩因為擰緊扭矩不平衡，導致連接板受力不一致，因此造成最大松動速率增加。

同樣地，如圖4（b）所示，松動過程也可分為兩個階段。經過第一階段（＝0～104）后，預緊力矩為40 N·m的1#和3#螺栓，＝84.1%±0.9%；預緊力矩為180 N·m的2#和4#螺栓，＝93.6%±1.9%。經過第二階段（＝104～106）后，預緊力矩為40 N·m的1#和3#螺栓，＝81.5%±2.8%；預緊力矩為180 N·m的2#和4#螺栓，＝93.0%±2.0%。相對于螺栓組施加相同擰緊力矩，螺栓在部分欠扭矩工況下螺栓軸向力下降更大。因此，對螺栓組施加不相等的擰緊力矩容易造成連接部件應力分布不均勻，導致螺栓松動程度加大。

3 裂紋切槽式螺母松動行為與微觀形貌分析

3.1 裂紋切槽式螺母松動行為

圖5為全扭矩工況下存在裂紋的切槽式螺母的松動速率曲線與松動曲線，由圖5（a）可以看到，循環次數＝104時松動速率最大，約為0.49%±0.06%，之后松動速率降低。由圖5（b）可以觀察到，經過第一階段（＝0～104）后，＝0.994%±0.07%；經過第二階段（＝104～5×106）后，＝0.985%±0.08%。與無裂紋切槽式螺母相比，松動程度增大約1%。因此，切槽處的微小裂紋對于切槽式螺母防松性存在一定影響。

3.2 裂紋切槽式螺母微觀形貌分析

為了進一步研究切槽式螺母的切槽處裂紋是否會在服役過程中發生擴展，利用光學顯微鏡對裂紋進行形貌分析。由圖6可知，1#螺母裂紋長度試驗前約為325 μm，試驗后約為335 μm，裂紋擴展約10 μm。

結合OM和SEM形貌圖以及裂紋螺母的松動曲線，可以得到切槽存在裂紋的切槽式螺母在振動試驗中不僅存在裂紋長度擴展，裂紋寬度同樣出現加寬的趨勢，因此切槽處裂紋會降低螺母的防松性能。甚至在長期服役下會出現切槽斷裂，造成安全隱患，所以建議不重復使用切槽處存在裂紋的切槽式螺母。

圖5 全扭矩工況下螺栓松動速率曲線和松動曲線（存在裂紋的切槽式螺母）

圖6 螺母切槽裂紋微觀形貌

4 結論

（1）切槽式螺母的松動過程可以分為兩個階段：第一階段（＝0～104），由于螺紋和結構件發生塑性變形，螺紋表面的粗糙峰被去除、螺紋接觸應力重新分布，螺栓軸向力快速下降；第二階段（＝104～106）：由于接觸界面的微動磨損，螺栓軸向力緩慢下降。

（2）在全扭矩工況下切槽式螺母具有優良的防松性能。在欠扭矩工況和部分欠扭矩工況下螺母的防松性能降低。

（3）切槽處存在裂紋的螺母，其防松性能略微降低，且在繼續服役過程中裂紋有擴展的趨勢，存在疲勞斷裂的風險。因此，不推薦繼續使用。

[1]張朝暉，由小川，呂海波，等. 火箭級間段連接螺栓失效數值模擬[J]. 強度與環境，2007，34（4）：49-57.

[2]侯世遠，廖日東. 螺紋聯接松動過程的研究現狀與發展趨勢[J]. 強度與環境，2014，41（2）：39-52.

[3]Liu J.，Ouyang H.，Peng J.，et al..Experimental and numerical studies of bolted joints subjected to axial excitation[J]. Wear，2016（346-347）：66-77.

[4]于澤通，劉建華，張朝前，等. 軸向交變載荷作用下螺栓聯接結構的松動試驗研究[J]. 摩擦學學報，2015，35（6）：732-736.

[5]Jiang Y.，Zhang M.，Lee C. H.. A study of early stage self-loosening of bolted joints[J]. Journal of Mechanical Design，2003（125）：518-526.

[6]Jiang Y.，Zhang M.，Park T. W.，et al. An experimental study of self-loosening of bolted joints[J]. Journal of Mechanical Design，2004（126）：925-931.

[7]方子帆，吳行，曹鋼，等. 動態組合載荷作用下螺栓連接結構松動機理研究[J]. 機械強度，2017，39（2）：386-391.

[8]鄭生田. 鐵路軌道平車下心盤螺栓松動原因分析及防松措施[J]. 機械，2000（27）：200-201.

[9]余欽義. 雙螺母防松及其力關系[J]. 機械，1990，17（1）：29-32.

[10]Zhang M.，Lu L.，Wang W.，et al. The roles of thread wear on self-loosening behavior of bolted joints under transverse cyclic loading[J]. Wear，2018（394-395）：30-39.

[11]杜永強，劉建華，劉學通，等. 偏心載荷作用下螺栓連接結構的松動行為研究[J]. 機械工程學報，2018，54（14）：74-81.

[12]Grabon W. A.，Osetek M.，Mathia T. G.. Friction of threaded fasteners[J]. Tribology International，2018（118）：408-420.

[13]Croccolo D.，Agostinis M. DE.，VincenziN.. Failure analysis of bolted joints： Effect of friction coefficients in torque–preloading relationship[J]. Engineering Failure Analysis，2011（18）：364-373.

[14]Croccolo D.，Agostinis M. DE.，Fini S.，et al. Tribological properties of bolts depending on different screw coatings and lubrications： An experimental study[J]. Tribology International，2017（107）：199-205.

[15]王崴，徐浩，馬躍，等. 振動工況下的螺栓連接自松弛機理研[J]. 振動與沖擊，2014，33（22）：198-202.

[16]解慧，王峰會，張凱，等. 振動狀態下螺栓松動行為及原因分析[J]. 現代機械，2017（3）：44-47.

[17]Zhou J.，Liu J.，Ouyang H.，et al. Anti-loosening performance of coatings on fasteners subjected to dynamic shear load[J]. Friction，2018，6（1）：32-46

[18]劉傳波，孫靜明，莫易敏. 螺紋緊固件防松性能影響因素研究[J]. 現代制造工程，2018（4）：138-143.

[19]楊廣雪，謝基龍，謝云葉. 基于有限元的一種新型螺母的防松機理研究[J]. 工程力學，2010，27（12）：224-228.

[20]Panja B.，Das S.. Development of an anti-loosening fastener and comparing its performance with different other threaded fasteners[J]. Sādhanā，2017，42（10）：1793-1801

[21]Liu J.，Gong H.，Ding X.. Effect of ramp angle on the anti-loosening ability of wedge welf-locking nuts under vibration[J]. Journal of Mechanical Design，2018（140）：072301.

[22]美制和英制螺紋標準手冊編委會. 公制、美制和英制螺紋標準手冊[M]. 北京：中國標準出版社，2004.

[23]GB/T 21563－2018，軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

Anti-Loosening Performance of Slotted Nuts under Axial Vibration

SUN Guangyang1，HE Yan1，ZHU Zhe1，HU Huamin2，LIU Jianhua2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China; 2.Tribology ResearchInstitute, Southwest JiaotongUniversity, Chengdu 610031, China )

Under three different tightening conditions (C1: the tightening torques of all slotted nuts are equal to the design value; C2: the tightening torques of all slotted nuts are 20% of the design value; C3: the tightening torques of two slotted nuts in the diagonal direction are 20% of design value, and those of two slotted nuts in the other diagonal direction are equal to the design value), the anti-loosening performance of slotted nuts excited by axial vibration were studied. The effect of the crack at groove on the anti-loosening performance of slotted nuts was investigated. The crack propagation was observed with optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that slotted nuts had significant anti-loosening performance under C1, while the anti-loosening performance reduced under C2 and C3, especially C3. The self-loosening process could be divided into two stages: due to the cyclic plastic deformation and the stress redistribution between the threads, the clamping force decreased quickly in the first stage; due to the fretting wear between the contact surfaces, the clamping force decreased slowly in the second stage. Furthermore, the anti-loosening performance of the slotted nuts with cracks at groove was lower than that of the slotted nuts with no cracks, and the crack at groove expanded obviously after the vibration tests.

slotted nut；axial vibration；self-loosening；crack propagation

U213.5+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.005

1006－0316 (2020) 09－0033－07

2020－03－20

國家自然科學基金青年基金項目（51705434）；四川省重點研發項目（2019YFG0290）

孫光陽（1989－），男，吉林長春人，主要研究方向鐵路客車及動車組轉向架工藝開發。

*劉建華（1987－），男，四川成都人，博士，主要研究方向為螺栓連接服役行為及控制、材料服役行為及安全評價，E-mail：jianhua-liu@swjtu.edu.cn。