非標螺栓力學性能試驗技術分析和研究

彭立群,林達文,王 進,蔣瑞秋,劉立峰

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質量監督檢驗中心(湖南)，湖南 株洲 412007)

軌道交通領域特殊結構部件的連接通常需要非標螺栓，其性能直接影響連接結構的安全性和可靠性。螺栓主要分標準件和非標件，其中標準件最常用的是外六角、內六角和T形3種結構的螺栓，而非標件是根據連接方式要求設計而成的一種特殊結構螺栓。螺栓結構如圖1所示[1-3]。現有金屬材料標準試驗機無法滿足非標螺栓的拉拔試驗要求，所以本文以一種軌道交通某型減振裝置用非標螺栓為研究對象，研制了一種新型的“以壓代拉”的試驗裝置，對非標螺栓進行試驗，同時對試驗工裝關鍵承載件和螺栓結構進行了有限元分析和結構優化。該試驗裝置對于同類非標螺栓的試驗和結構監測均可參考使用。

圖1 螺栓結構

1 非標螺栓結構

新型軌道交通減振裝置用非標螺栓為圓柱沉頭結構(圖2)，為了滿足軸向拉力和側向轉動的工況要求，螺栓的上部設計成圓盤結構，且只有外側局部與耐磨板接觸，因此上部結構是螺栓結構的薄弱環節，這種受力結構給螺栓的材料和加工提出了更高的要求。

圖2 非標螺栓連接結構

2 試驗方案

目前有關標準件和金屬材料拉伸的標準主要有GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、ISO 6892-1：2016《 金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫拉伸試驗方法 》、 GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，非標螺栓試驗可以參照上述標準。

2.1 傳統試驗方案

傳統的測試螺栓抗拉拔性能的方法是將整個減振裝置進行試驗，試驗內容包括機械加載、液壓加載和專用液壓機加載，如圖3所示。該試驗方法成本高，效率低，不適用于批量產品試驗。

圖3 螺栓拉拔試驗

(1) 機械加載：通過電機驅動絲桿形成拉力對螺栓進行拉拔試驗，試驗采用一種成熟的標準試驗機結構，通過V形塊和液壓鎖緊方式夾持螺栓。機械加載適用于標準金屬棒材、標準螺栓的拉拔試驗，但由于夾具結構限制，無法對非標螺栓進行夾持和施加拉力[4-7]。

(2) 液壓加載：通過專用夾持工裝將非標螺栓事先安裝于工裝內并施加規定的預緊力，利用液壓試驗系統對其施加拉力進行拉拔試驗。這種試驗方式克服了傳統試驗機夾持方式的不足，滿足不同結構非標螺栓的試驗要求，但試驗機通常采用單出頭結構液壓油缸，且機架也只重點考慮輸出壓縮載荷，油缸輸出的壓縮力大于拉伸力，因此適用于壓縮試驗，無法滿足大載荷拉拔試驗的要求。另外，這種試驗機夾具每次只能對一種結構的螺栓進行試驗，無法進行不同結構螺栓的分析比對試驗，不能滿足批量試驗和快速試驗的要求。

(3) 專用液壓機加載：在200 t液壓靜態拉力試驗機上進行試驗，試驗機的上端和下端分別設有可旋轉連接套筒。這種試驗機雖然可以通過非標工裝對非標螺栓進行拉力試驗，但是只能完成靜態測試，無法完成疲勞試驗，且夾具對螺栓的夾持長度有嚴格的要求。

2.2 新型試驗方案

新型試驗方案是在單個液壓加載方案的基礎上進行優化設計的，通過一種壓力轉向裝置將試驗機原本的大噸位壓縮載荷轉換成拉伸載荷，滿足軸向大載荷拉拔試驗要求。該方案設計了3組獨立的預應力裝置，可同時安裝3種不同的螺栓并施加相應的預緊力，然后通過標準螺栓將3個預應力裝置串聯并懸掛于支撐座的上平臺，在最下端安裝加力塊，加力塊通過加力座與試驗機加力平臺接觸，利用載荷傳遞的原理同時對3個螺栓進行拉拔試驗。新型試驗方案的模塊化、標準化設計滿足正裝和反裝的拉拔試驗要求，如圖4所示。

圖4 新型試驗方案

3 試驗裝置

新型試驗方案的試驗裝置由液壓加載試驗機和試驗工裝組成，試驗機配備不同載荷的液壓油缸，可滿足不同拉拔試驗的精度要求。試驗工裝是整個試驗的核心部分，主要由壓力轉換裝置、預應力裝置和導向裝置組成(圖5)。

圖5 液壓加載試驗工裝結構

3.1 壓力轉換裝置

壓力轉換裝置由2個n形支座構成(圖6)，內側支座安裝于試驗機底平臺中心位置，兩側支撐板固定于試驗機平臺，利用上平板以懸掛方式固定預應力串聯組件，外側支座橫跨于內側支座，通過兩側支撐板傳遞壓縮載荷，實現螺栓的拉拔試驗。

圖6 壓力轉換裝置

3.2 預應力裝置

預應力裝置分單個和組對2種。

單個預應力裝置由安裝圓盤、T形螺栓、限位筒和固定圓盤組成(圖7)。為模擬產品的實際安裝工況和滿足模擬螺栓與工裝局部接觸的細節要求，將安裝圓盤設計成下沉結構，同時在中心位置設計有同心圓結構的“凸臺”，并通過調整中間限位套筒的長度來控制螺栓螺紋擰入固定圓盤的有效距離。在試驗前對單個螺栓施加200 N·m扭矩。這種對螺栓施加預應力的試驗方法，相比傳統試驗方法能更準確測試出螺栓的疲勞壽命。

圖7 單個預應力裝置

組對預應力裝置由上部固定螺栓、上預應力裝置、中間連接螺栓、中預應力裝置和下預應力裝置組成(圖8)。所有預應力裝置連接件均設計成相同直徑的圓盤結構，且在圓盤的四周均布4個U形槽和通孔，通過U形槽和通孔的錯位裝配來解決限位筒高度不夠問題。由于采用串聯方式會導致上預應力裝置承受的載荷最大，受力最為集中，因此在上端連接處增加了1倍的連接螺栓。

圖8 組對預應力裝置

3.3 導向裝置

導向裝置由導向螺栓和導向板組成(圖9)。為使工裝結構緊湊、可靠性高，導向裝置在原有支座側板下端兩側增加設計了導向用U形通孔，通過導向螺栓固定于導向板，實現左右導向并防止導向板左右方向擺動；加力塊的寬度等同于支座內側距離，實現前后導向并防止加力板前后方向擺動。這種結構可確保試樣的加載中心穩定，避免因偏擺角度和橫向位移影響試驗數據的準確性。

圖9 導向裝置

4 計算

4.1 靜強度分析

試驗工裝關鍵承載件(安裝圓盤、固定圓盤、轉換裝置)和非標螺栓均采用Q345B低合金鋼。靜強度分析結果如表1和圖10所示。從表1可以看出，關鍵承載件的最大應力均小于材料允許值，滿足Q345B最大應力為345 MPa的要求。

表1 靜強度分析結果

圖10 試驗工裝關鍵承載件應力/變形云圖

4.2 安裝圓盤模態分析

對工裝關鍵件安裝圓盤模進行模態分析，得出工裝的四階振型如圖11所示，前四階固有頻率分別為244 Hz、253 Hz、279 Hz、457 Hz。分析結果顯示，安裝圓盤的最低固有頻率高，表明試驗時不會發生共振現象。

圖11 安裝圓盤四階振型圖

5 試驗方法與試驗結果分析

5.1 拉拔疲勞試驗

5.1.1 試驗方法

(1)M56非標螺栓。采用單預應力裝置對螺栓施加200 N·m扭矩，利用M24標準螺栓將單個預應力裝置串聯；通過轉換裝置施加280 kN軸向拉伸載荷，頻率為6 Hz，循環加載200萬次，記錄初始狀下的整體動態變形；在試驗過程中觀察螺栓是否有松動、斷裂和異常變形的情況。

(2)M48非標螺栓。采用單預應力裝置對螺栓施加180 N·m扭矩，利用M16標準螺栓將單個預應力裝置串聯；通過轉換裝置施加105 kN軸向拉伸載荷，頻率為5 Hz，循環加載200萬次，記錄初始狀下的整體動態變形；在試驗過程中觀察螺栓是否有松動、斷裂和異常變形的情況。

5.1.2 試驗結果分析

在拉拔疲勞試驗過程中，安裝圓盤是動態承載件，可通過模態分析得出其固有頻率，試驗時使加載頻率避開此固有頻率，將有利于提高試驗的穩定性和可靠性，保證試驗數據的準確性。拉拔疲勞試驗的試驗結果顯示：M48和M56非標螺栓均未出現松動、斷裂和異常變形的情況；2種規格非標螺栓的動態變形分別為1.22 mm和1.13 mm；試驗工裝未產生明顯變形，螺栓與工裝之間未發生共振現象，表明其強度滿足試驗要求。

試驗結果表明了有限元靜態分析數據的準確性，驗證了模態分析與試驗結果基本一致。對M48非標螺栓進行有限元分析，得出的總彈性變形為0.49 mm，小于實測動態變形(1.22 mm)，這是因為試驗機位移傳感器安裝在垂向加載油缸的尾部，而實測動態變形不僅包括了工裝和螺栓本身的彈性變形，而且包括了試驗機機架的彈性變形。

5.2 靜態拉拔試驗

5.2.1 試驗方法和要求

(1) 常規拉拔試驗。分別以240 kN/min、560 kN/min的加載速度對M48、M56非標螺栓串聯組合體施加240 kN、560 kN軸向載荷，要求螺栓無裂紋和其他異常。

(2) 極限拉拔試驗。分別以288 kN/min、672 kN/min的加載速度對M48、M56非標螺栓串聯組合體施加288 kN、672 kN軸向載荷，要求螺栓無明顯破壞和拉斷。

5.2.2 試驗結果分析

(1) 常規拉拔試驗。該試驗主要用于驗證非標螺栓在正常載荷工況下的抗拉拔性能，對于3個組合整體同時進行拉拔試驗的螺栓而言，最上端螺栓除承受正常拉拔載荷之外，同時附加一個工裝本身質量產生的向下軸向載荷，根據剛性連接結構軸向載荷等效傳遞原理，即每個M48和M56非標螺栓都同時承受240 kN和560 kN的軸向載荷。試驗結果顯示，2種規格的非標螺栓均具有較好的靜強度和抗拉拔性能，表明該結構螺栓具有較高的安全系數。

(2) 極限拉拔試驗。施加1.2倍的常規拉拔載荷，測試螺栓的抗拉拔性能。試驗結果顯示，螺栓在極限拉拔載荷作用下未出現裂紋和異常。

6 結束語

本文根據軌道交通減振裝置非標螺栓連接結構，設計了一種新型的螺栓在預應力狀態下組對壓拉試驗方法，以測試非標螺栓的靜強度和疲勞強度。新型非標螺栓的設計方法和工裝結構滿足試驗要求，可準確測試非標螺栓的力學性能，非標螺栓疲勞和極限抗拉拔性能均滿足要求，且與分析結果基本一致。