旋轉彎曲載荷作用下管接頭螺紋連接松動現象試驗研究

鐘后順 賈鐸 趙爽 張哲 石大鵬 王潤良 丁曉宇 張旭

（1 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110000；3中國航空綜合技術研究所，北京 100028；4 河南航天精工制造有限公司，信陽 464000；5 河南省緊固連接技術重點實驗室，信陽 464000）

0 引言

在航空航天飛行器、特種車輛、海洋船舶等復雜裝備中，管路通常遍布其動力、制動、冷卻、潤滑等子系統，是這些復雜裝備的必要組成部分[1-2]。工程中通常使用各種管接頭實現復雜管路的連接，其中錐面管接頭由于結構簡單、使用方便、標準化體系完善等優點，在各種裝備中被大量使用。工程經驗表明，在一些高溫、高壓、振動等惡劣工況下，錐面管接頭的密封性能容易出現衰退，導致管路系統出現介質泄漏，嚴重威脅著許多裝備的可靠性。

為確保錐面管接頭的的密封可靠性，學者們展開了許多研究工作，以期找到影響管接頭密封性能的關鍵因素。針對雙錐面管接頭，部分學者使用有限元仿真方法研究了錐面角度、錐角差、錐面厚度等幾何參數及密封面摩擦系數對管接頭密封面寬及接觸面上最大von Mises等效應力影響，并根據密封面寬和接觸面上最大vvon Mises等效應力評價管接頭的密封性能[3-8]；王潤良[9]等從微觀和宏觀多尺度研究了管接頭的密封性能，提出了臨界預緊力來評價管接頭的密封性能。針對球頭錐面管接頭，周鑫等[10-12]、韓沖和張勇[13]、梅加化等[14]、翟富剛等[15]利用有限元仿真和試驗方法，研究了擰緊力矩、預緊力大小、管接頭結構參數和界面加工質量等因素對界面接觸面積、平均接觸應力的影響，并據此評價管接頭的密封性能。

雖然學者們針對管接頭密封性能的影響因素開展了許多研究工作，然而現有研究幾乎都是基于靜態假設，很大程度上忽視了密封性能的時變性，無法充分解釋實際服役過程中管接頭密封性能隨時間逐漸衰退的機理。錐面管接頭通常采用螺紋結構實現裝配，而螺紋連接在振動工況下可能發生松動[16]，因此此許多工程人員認為螺紋紋松動是導致管接頭密封性能逐漸衰退的的一個因素，但一直沒有可以證明該觀點的試驗數據。

本文將以工程中常用的74°錐面管接頭為對象展開研究，通過試驗驗證螺紋松動可以導致密封性能的衰退，并驗證了防松措施對于提升密封性能穩定性的重要作用。

如圖1所示為74°錐面管接頭的的結構示意圖，該管接頭由三部分組成：外錐接頭、內錐接頭和外套螺母。在實際使用過程中，需要把外套螺母擰緊到外錐接頭上從而產生軸向緊固力，在軸向緊固力的作用下，外錐接頭與內錐接頭的錐面間相互擠壓，形成密封區域，以此達到到密封效果。。

圖1 74°錐面管接頭結構示意 Fig.1 Schematic diagram of the 74-degre tapered pipe joint

本文試驗所用管接頭有兩種：普通螺紋管接頭（外錐接頭和和外套螺母上的螺紋規格為M14×1）和使用防松螺紋的管接頭。所用的防松螺紋是基于參考文獻[17]在普通螺紋基礎上改進而得，其公稱直徑及螺距與普通螺紋相同。圖2為兩種螺紋管接頭的連接示意圖。管接頭各零件使用材料如下：外套螺母材料為TC4、外錐接頭及內錐接頭材料均為GH2132。

圖2 管接頭連接示意圖 Fig.2 Connection diagrm of pipe joint

1 旋轉彎曲疲勞試驗方法

本文基于航空工業標準HB 642-90[18]規定的旋轉彎曲疲勞試驗方法開展試驗，圖3為旋轉彎曲疲勞試驗臺示意圖。該試驗臺的尾座可根據試件長度調整位置，并可提供液壓源；旋轉頭座具有一套低摩擦自動定心軸承，并可調節施加在試件上的撓曲度。

圖3 旋轉彎曲疲勞試驗臺示意圖 Fig.3 Schematic diagram of rotary bending fatigue test bench

試驗時液壓源將液壓油供入管路中，并可保持恒定壓力。調節撓曲度調節旋旋鈕，可使試件在旋轉頭座端偏移中軸線，從而給試件施加撓曲度。圖4為施加撓曲度后試件的示意圖。

圖4 施加撓曲度后示意圖 Fig.4 Schematic dia gram after applying deflection

施加撓曲度后，由電機驅動旋轉頭座旋轉，同時通過自動定心軸承帶動試件在旋轉頭座端以預設的撓曲度繞y軸轉動，從而給待測管接頭施加往復載荷。該試驗方法可以很好的模擬管接頭在實際使用中所承受的往復載荷，因此被許多國家使用[19-20]，是考核管接頭密封可靠性的重要基礎試驗方法。

圖5為按照航標HB 642-900搭建的旋轉彎曲疲勞試驗臺實物圖，該試驗臺使用磷酸酯液壓油作為液壓介質。為使待測管接頭能夠安裝到試驗驗臺上需對待測管接頭進行預處理，將其與一個導管及兩個設備接頭焊接在一起，焊接前的的各部分實物如圖6所示，焊接完成后的的試件如圖7所示。焊接使用的導管長20 cm，外徑為8mm。設備接頭1和設備接頭2帶有規格為3/8英寸的管螺紋（與試驗臺上的管螺紋相配合），設備接頭1用于試件與試驗臺尾座連接，設備接頭2用于試件與與試驗臺旋轉頭座連接。

圖5 旋轉彎曲疲勞試驗臺實物圖 Fig.5 Physicall map of rotating bending fatigue test bench

圖6 焊接前的的各部分實物 Fig.6 All parts before welding

圖7 焊接后的試件 Fig.7 Specimen after welding

本文開展旋轉彎曲疲勞試驗有兩個目的：獲取管接頭緊固力在試驗過程中的變化曲線及觀察管接頭在試驗過程中是否會因螺紋松動而發生泄漏。由于74°錐面管接頭結構緊湊，無法通過埋設壓力傳感器對管接頭緊固力進行直接測量，故本文通過在外套螺母外表面粘貼應變片，并標定應變與緊固力的關系（詳見第2節），從而實現對管接頭緊固力的測量。為了確保測量數據的準確性，本文在一個外套螺母上粘貼了兩個獨立的應變片，使用應變儀采集兩個應變片的數據，并對兩個應變片的數據一致性進行分析。圖8為應變片粘貼貼完成后的試件。

但是如果噪聲參數qk,Qk,rk,Rk中的部分或全部未知,就必須或者有可能通過一定的手段,在Kalman濾波的過程中同時對它們進行實時估計。當所有的噪聲參數都未知時,估計方法介紹如下。

圖8 粘貼應變片的試件 Fig.8 Specimen attached with strain gauges

試驗時設置電機轉速為100 r/min，每轉10分鐘停止旋轉并取消試件的的撓曲度，讀取應變儀應變數據，然后重新給試件施加相同的撓曲度，繼續以100 r/min的轉速旋轉100分鐘，如此重復進行試驗，每個試件共旋轉80 min。圖9為旋轉彎曲疲勞試驗流程圖。

圖9 旋轉彎曲疲勞試驗流程 Fig.9 Rotational bending fatigue test procedure

需要說明的是，根據HB 642-90規定，針對本文所用規格的樣件，施加的撓曲度應為1.4 mm，電機轉速應為為1500 r/min~3600 r/min。然而為更快速地觀察到試驗過程中管接頭緊固力的變化，本文將偏移量增大到了10 mm；同時為了避免轉速太快導致管接頭處溫度升高過大，而對應變片應變數值產生影響，本文將轉速減小到了100 r/min。

2 管接頭緊固力的測量方法

管接頭的緊固力是外套螺母上的內螺紋與外錐接頭上的外螺紋相互擰緊產生的，其大小等于外套螺母所受的軸向拉力。在旋轉彎曲疲勞試驗中可以直接得到外套螺母上應變的變化曲線，為了得到管接頭緊固力變化曲線，需要對外套螺母的應變與緊固力（即外套螺母所受的軸向拉力）關系進行標定。圖10為應變與緊固力關系標定試驗原理。該試驗在萬能試驗機上進行，通過加載工裝1和加載工裝2對外套螺母施加拉力，模擬在管接頭擰緊狀態下外套螺母的受力狀態。基于萬能試驗機獲取的拉力數據以及應變儀采集的兩個應變片的數據，獲取應變與拉力關系曲線，以此表征應變與緊固力的關系。

圖10 應變與緊固力關系標定試驗原理示意圖 Fig.10 Schematic diagram of the calibration test principle for the relationship between strain and tightening force

3 試驗一：特定擰緊力矩條件下管接頭螺紋松動情況測試

本部分試驗目的是驗證在往復載荷作用下普通螺紋管接頭發生螺紋松動的的可能性，并驗證防松螺紋對于提升管接頭防松性能的顯著作用。本部分試驗分兩組，每組3個樣件，普通螺紋組樣件編號為1-1、1-2、1-3，防松螺紋組樣件編號為1-4、1-5、1-6。在實際使用中，該型號管接頭推薦的擰緊力矩為20 Nm。因此本部分試驗采用20 Nm擰緊力矩安裝試件。為簡化流程試件內暫不施加液壓。

圖1為本部分試驗中6個試件的應變-緊固力關系曲線。兩組分別得到6條應變-緊固力關系曲線（每組3個試件，1個試件粘貼2個應變片）。

從圖11可以看出，每組3個樣件的應變-緊固力關系曲線的重合度較高。應變與緊固力的關系可用式（1）描述

圖11 外套螺母應變-緊固力曲線 Fig.11 Pipe joint strain-tightening force curve

式中F為管接頭緊固力（單位是kN）、ε為管接頭外套螺母的應變、A為關系系數（單位是kN）。

表1 試驗所得A值 Table 1 A obtained from the test

式中F1、F2分別為普通螺紋管接頭緊固力和防松螺紋管接頭緊固力（單位是 kN）；ε1、ε2分別為普通螺紋管接頭外套螺母的應變和防松螺紋管接頭外套螺母的應變。根據式（2）、（3）及外套螺母在擰緊后的初始應變值，可計算得到6個管接頭樣件的預緊力（即初始緊固力，即擰緊后產生的緊固力初始值）如表2所示。

以表2每個樣件兩個應變片所得預緊力均值作為樣件的預緊力，采用旋轉彎曲疲勞試驗方法得到了圖12所示管接頭緊固力隨試驗時長的變化曲線和圖13所示管接頭緊固力剩余百分比（即剩余緊固力占預緊力的百分比）隨試驗時長的變化曲線。從圖12、13可以看出，普通螺紋管接頭緊固力在試驗過程中會隨著試驗時長的增加呈現下降趨勢，而使用防松螺紋的管接頭緊固力在試驗過程中并未呈下降趨勢。需要說明的是，圖12與圖13中的數據存在一定的波動性，這估計是溫度變化等因素對應變測量產生影響導致的。

圖13 試驗一的緊固力剩余百分比變化曲線 Fig.13 Change curve of remaining percentage of tightening force of test one

表2 試驗一管接頭預緊力 Table 2 Pre-tightening force of pipe joint of Test one

對每個樣件的預緊力進行分析發現，3個普通螺紋管接頭樣件預緊力均值為6.105 kN，標準差為0.356 kN；3個防松螺紋管接頭樣件預緊力均值為5.585kN，標準差為0.503kN。可以看出，防松螺紋管接頭的預緊力均值明顯小于普通螺紋管接頭預緊力均值，其中樣件1-5的預緊力最小，為4.873 kN。因此，防松螺紋管接頭樣件在預緊力小于普通螺紋管接頭樣件的情況下，卻產生了更優異的防松效果，這進一步說明了防松螺紋的重要作用。

綜上所述，在往復載荷作用下管接頭的螺紋連接有出現松動的可能，而使用防松螺紋可顯著提升管接頭的防松性能。需要說明的是，試驗一中樣件的預緊力離散度較大，這是由于扭矩扳手的誤差以及扭拉關系的不確定性等因素導致的[21-22]，為排除預緊力離散度對管接頭密封性能的影響，進一步開展了特定預緊力條件下的管接頭密封性能測試。

4 試驗二：特定預緊力條件下密封性能測試

本部分試驗也分兩組，每組3個樣件，普通螺紋組樣件編號為2-1、2-2、2-3，防松螺紋組樣件編號為2-4、2-5、2-6。本部分試驗使用相同的目標預緊力（5.6 kN）安裝待測管接頭，以盡量避免預緊力離散度對密封性能的影響。對預緊力的控制是通過在擰緊過程中監測外套螺母的應變來實現的。之所以把目標預緊力定為5.6 kN是因為該數值大致處于圖12中所有樣件預緊力的平均水平，這樣可以使試驗二與試驗一中管接頭的力學狀態大致相同。在實際工程使用中，該型號管接頭工作內壓為28 MPa，為觀察在試驗過程中管接頭是否泄漏，在本部分試驗中施加了28 MPa的液壓。

圖12 試驗一的緊固力變化曲線 Fig.12 Change curve of tightening force of test one

表3為本部分試驗管接頭擰緊后的預緊力。對每個樣件的預緊力進行分析發現,本部分試驗管接頭樣件預緊力均值為5.588 kN，標準差為0.091 kN。樣件預緊力的離散度較小。

表3 試驗二管接頭預緊力 Table 3 Pre-tightening force of pipe joint of test two

圖14和圖15為本部分試驗得到的緊固力和緊固力剩余百分比隨試驗時長的變化曲線。與試驗一結果相同，本部分試驗中普通螺紋管接頭的緊固力在試驗過程中呈現下降趨勢，而防松螺紋管接頭的緊固力在試驗過程中未呈現下降趨勢。

圖14 試驗二的緊固力變化曲線 Fig.14 Change curve of tightening force of test two

圖15 試驗二的緊固力剩余百分比變化曲線Fig.15 Change curve of remaining percentage of tightening force of test two

另外，圖16為本部分試驗中普通螺紋組樣件在試驗剛開始和進行80分鐘試驗后的泄漏狀態對比，圖17為防松螺紋組樣件在進行80分鐘試驗后的泄漏狀態。

圖16 普通螺紋組樣件在試驗剛開始及80 分鐘后的泄漏狀態對比 Fig.16 Comparison of the leakage state of ordinary threaded components at the beginning and after 80 minutes of the test

圖17 防松螺紋組樣件在進行80分鐘試驗后的泄漏狀態Fig.17 Leakage state of the anti-loosening thread assembly sample after 80 minutes of test

從圖16和和圖17可以看出，普通螺紋管接頭在剛剛施加完液壓時沒有出現泄漏，在80分鐘后出現了明顯的滲漏（白色方框中為泄露部位），而防松螺紋管接頭自始至終均未發生泄漏。結合緊固力的變化趨勢可知，螺紋連接松動會導致管接頭密封性能逐漸衰退，將普通螺紋改進為防松螺紋可以顯著提升管接頭密封性能的穩定性。

5 總結

本文使用旋轉彎曲疲勞試驗方法對74度錐面管接頭在往復載荷作用下的密封性能進行了研究，觀測到了管接頭緊固力的變化曲線，以及密封性能的衰減過程，得出了以下下結論：

1）在往復載荷作用下管接頭的螺紋連接有出現松動的可能，進而導致管接頭密封性能逐漸衰退；

2）使用防松螺紋可以有效避免管接頭的螺紋松動，從而顯著提升管接頭密封性能的穩定性。