常見緊固件橫向振動試驗方法

周思琪， 張建軍

（中機生產(chǎn)力促進中心， 北京 100044）

0 引言

螺紋連接在工作狀態(tài)下可能會經(jīng)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(jié)構(gòu)的疲勞壽命短得多，遠在疲勞破壞之前，就已經(jīng)出現(xiàn)了因松動而造成螺紋連接的松脫失效，或者出現(xiàn)了因松動而導(dǎo)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(chǎn)品和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，甚至?xí)斐蓢乐氐暮蠊?/p>

實際的使用經(jīng)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(jīng)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(tài)的橫向載荷更能引起螺紋連接松動。此后，他發(fā)明了如今仍被廣泛應(yīng)用的Junker 橫向振動試驗機。

Junker 橫向振動試驗機的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，將試驗螺栓按照規(guī)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(chǎn)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(shù)據(jù)可以判定螺栓連接的防松性能。 國內(nèi)外學(xué)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(nèi)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(chǔ)上，制定并發(fā)布實施了國家標準（GB/T 10431-1989）。 這種方法在國內(nèi)越來越多地使用， 在鐵路等行業(yè)標準中得到廣泛應(yīng)用，TB/T 2073、TB/T 3019 等標準中關(guān)于緊固件橫向振動試驗方法均制定此方法。

本標準規(guī)定了用于測定緊固件防松性能的橫向振動試驗和數(shù)據(jù)處理方法。 方法延續(xù)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(shù)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(yù)緊力和自由狀態(tài)下空載振幅。 明確預(yù)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(yè)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(tài)橫向載荷下的松緊性能。制定了測試設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)，用于橫向負載條件下緊固件的鎖定特性的動態(tài)試驗， 明確預(yù)緊力作為測試條件。測試結(jié)果受許多測試參數(shù)的影響，在個別情況下，這些參數(shù)的定性效果仍不清楚。根據(jù)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(guī)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(xù)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(guī)定不同等級螺栓使用墊片符合DIN EN ISO 7093-1 規(guī)范及硬度、 表面平行度、粗糙度等要求，規(guī)定測試頻率為12.5Hz，給出螺栓初始預(yù)緊力范圍及潤滑方式，振動周期2000 次等要求規(guī)定螺栓夾緊長度比1.7。 ，提出了評估剩余預(yù)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(guī)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(yù)緊力具體數(shù)值，列出了衰減率評估表和防松性能優(yōu)劣，規(guī)定了相關(guān)結(jié)構(gòu)細節(jié)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(shè)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(shè)備、試驗條件、試驗結(jié)果的區(qū)別見表1～表3。

表1 試驗設(shè)備要求對比

表2 試驗條件對比

表3 試驗結(jié)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(guī)定振動次數(shù)或螺母松脫，觀察松轉(zhuǎn)量是否失效。

圖3 加速振動實驗方法原理

得出現(xiàn)鎖緊結(jié)構(gòu)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(shù)，無法在試驗過程中測量預(yù)緊力衰減。

5 結(jié)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(shù)及試驗結(jié)果的要求有所區(qū)別，要決定使用哪種標準和哪種測試方法，需要根據(jù)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(guī)定的測試條件下松動行為的標準化評估。