常見緊固件橫向振動試驗方法

周思琪， 張建軍

（中機生產力促進中心， 北京 100044）

0 引言

螺紋連接在工作狀態下可能會經受所有類別的變動載荷，包括極為激烈的振動和沖擊載荷。在變動載荷的作用下，螺紋連接的失效通常是由其自身的松動和疲勞破壞所引起的。在一般情況下，螺紋連接抗振松的壽命比其材料和結構的疲勞壽命短得多，遠在疲勞破壞之前，就已經出現了因松動而造成螺紋連接的松脫失效，或者出現了因松動而導致連接件和被連接件的過早疲勞破壞。螺紋連接的失效會影響產品和設備的正常運轉，甚至會造成嚴重的后果。

實際的使用經驗也說明，橫向沖擊、振動更易引起螺紋連接的松動。試驗表明，與橫向外力相比，經受軸向外力的螺紋連接不容易松動。在考核和評定緊固件的防松性能時，采用橫向加力的試驗方式能加速螺紋連接的松動，使考核試驗更有效，試驗工作的效率更高。

1 試驗原理

Junker 于1969 年首先提出[1]，動態的橫向載荷更能引起螺紋連接松動。此后，他發明了如今仍被廣泛應用的Junker 橫向振動試驗機。

Junker 橫向振動試驗機的基本結構如圖1 所示，將試驗螺栓按照規定扭矩擰緊在工作臺上， 工作臺分為動板和固定工裝兩部分， 借助動力裝置使動板產生正弦變化的橫向載荷，使螺栓連接的夾緊力減小甚至完全松動。 通過分析和比對動過程中夾緊力的衰減數據可以判定螺栓連接的防松性能。 國內外學者利用該試驗方法對橫向振動下螺栓連接的松動進行了廣泛研究。

圖1 試驗原理圖

2 常見試驗方法標準

2.1 GB/T 10431[2]

上世紀80 年代初，ISO/TC2 組織德、英、美、日和中國等利用各種橫向振動試驗機進行試驗驗證， 以求公認的防松性能試驗方法。 我國引進了一臺安布內科橫向振動試驗機，見圖2，開展了大量的驗證工作，在此基礎上，制定并發布實施了國家標準（GB/T 10431-1989）。 這種方法在國內越來越多地使用， 在鐵路等行業標準中得到廣泛應用，TB/T 2073、TB/T 3019 等標準中關于緊固件橫向振動試驗方法均制定此方法。

本標準規定了用于測定緊固件防松性能的橫向振動試驗和數據處理方法。 方法延續了水平橫向滑移這一理論標準，也明確是一種對比比較試驗，沒有絕對的定量指標。 給出了推薦的12.5Hz 的試驗頻率、測試的數量和振動的周期。提供了工裝夾具尺寸圖紙和參考材料。以12.9級緊固件為例推薦了初始預緊力和自由狀態下空載振幅。 明確預緊力作為測試條件和評估指標。

圖2 試驗機示意圖

2.2 DIN 65151[3]

德國工業標準， 由航空航天標委會機械制造專家編寫。 標準所涵蓋的試驗用于檢查航空航天緊固件在動態橫向載荷下的松緊性能。制定了測試設備原理和結構，用于橫向負載條件下緊固件的鎖定特性的動態試驗， 明確預緊力作為測試條件。測試結果受許多測試參數的影響，在個別情況下，這些參數的定性效果仍不清楚。根據標準進行的試驗不能絕對保證螺栓連接在使用條件下的鎖緊性能。 試驗的目的是在規定的試驗條件下對鎖緊元件進行比較評估。

2.3 DIN 25201-4[4]

該標準是德國鐵路車輛標準化委員會編寫。 標準延續了DIN65151 測試原理，但更嚴格。 標準引入了參考和驗證測試，給出了確定振幅的方法，規定不同等級螺栓使用墊片符合DIN EN ISO 7093-1 規范及硬度、 表面平行度、粗糙度等要求，規定測試頻率為12.5Hz，給出螺栓初始預緊力范圍及潤滑方式，振動周期2000 次等要求規定螺栓夾緊長度比1.7。 ，提出了評估剩余預緊力80%以上為足夠防松保護的量化指標。

2.4 ISO 16130[5]

本標準由ISO/TC 20 航空航天緊固件專家編寫，試驗原理同前， 標準規定了有效恒定振幅確定方法或推薦使用恒定有效振幅， 列出了不同強度等級初始預緊力具體數值，列出了衰減率評估表和防松性能優劣，規定了相關結構細節尺寸和公差， 推薦測試樣件長徑比為2～2.5。標準將扭矩測量引入振動測試標準，檢測前的自鎖力矩，振動后的擰緊力矩和自鎖力矩都必須記錄， 并設置了三種評價方式。 標準沒有DIN 25201-4B 那么嚴格，但遵循了類似的原則。

3 標準部分要求對比

各標準對試驗設備、試驗條件、試驗結果的區別見表1～表3。

表1 試驗設備要求對比

表2 試驗條件對比

表3 試驗結果要求對比

4 GJB 715.3A[6]緊固件試驗方法-振動

GJB 715.3A 采用加速振動試驗的方法，原理見圖3。

該標準原理與其它標準方法原理不同， 采用加速振動試驗的方法， 振動方向為垂直緊固件軸向方向 （和橫向振動方向相同）。 試驗將緊固件與試驗夾具組裝后， 固定在振動臺上進行振動試驗。 振動波形為正弦波， 頻率30Hz，全振幅：（11.43±0.4）mm。 試驗前在螺栓端頭到螺母劃一參考線，達到規定振動次數或螺母松脫，觀察松轉量是否失效。

圖3 加速振動實驗方法原理

得出現鎖緊結構破壞。 該試驗可以得到振動試驗后緊固件的松動情況，或失效振動次數，無法在試驗過程中測量預緊力衰減。

5 結束語

幾種常見橫向振動試驗方法試驗原理相似，各標準對試驗機的要求、 試驗參數及試驗結果的要求有所區別，要決定使用哪種標準和哪種測試方法，需要根據測試的目的選擇適用的方法。 如果要認證緊固件滿足標準或滿足要求，GB/T 10431、SO 16130、DIN 25201-4、DIN 65151 和GJB 715.3A 都提供了在規定的測試條件下松動行為的標準化評估。