某調(diào)距槳裝置螺紋聯(lián)接松動分析

張曉東，鮑嘉威，周瑞平

(1.海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢 430033;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430063)

螺紋聯(lián)接由于結(jié)構(gòu)緊湊、便于拆卸等原因，廣泛應用于各種機械設(shè)備結(jié)構(gòu)中，被作為緊固手段來保證被聯(lián)接件之間力的傳遞。當被聯(lián)接件為液壓管道時，還需要保證其密閉性，若發(fā)生失效則會導致泄露等重大故障，因此其安全性尤為重要。在螺紋聯(lián)接的失效形式中，自松動僅次于疲勞失效，是主要的失效形式之一，國內(nèi)外對螺紋聯(lián)接自松動現(xiàn)象的研究已經(jīng)開展了近70年，自從Junker首先提出橫向載荷是螺紋聯(lián)接的主要影響因素以后，Jiang、Nassar、Kasei、Hess、蔣翔俊等，在螺紋聯(lián)接的松動機理、影響因素、松動過程方面做了更加深入的研究，累積了大量的文獻及研究成果。

1 故障實例

某船的調(diào)距裝置的示意圖如圖1所示，槳轂前擋板和槳轂后擋板是支撐結(jié)構(gòu)，相對槳轂靜止。伺服活塞將伺服油缸分割成為2個獨立的密閉空間。工作時，液壓油通過內(nèi)油管與油缸右側(cè)相通，當油從油管進入油缸時，將推動活塞并使與之相連十字頭導架滑動，并通過與曲柄盤相連的滑塊將往復平動轉(zhuǎn)化為了曲柄盤的旋轉(zhuǎn)運動，而槳葉上的葉根法蘭與曲柄盤固定，因此也會隨著曲柄盤旋轉(zhuǎn)，從而達到了調(diào)節(jié)螺距的目的。左側(cè)的伺服油缸腔體進油時，螺距朝正車方向調(diào)節(jié)，因此稱之為正車油腔，相對應的左側(cè)則稱之為倒車油腔。

圖1 調(diào)距裝置示意圖

裝置右邊是貯存液壓油的管路系統(tǒng)，長約50 m，直徑約150 mm，由內(nèi)油管與外油管組成，形成2個油路，分別與兩邊的腔體相通，整個管路包含若干段短管，中間由調(diào)節(jié)環(huán)聯(lián)接，如圖2所示。

圖2 油管管路示意圖

螺栓在螺旋槳的運行過程中會受到管道前后運動的軸向載荷、軸系旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩、調(diào)節(jié)環(huán)自重、離心力、液壓力等多種載荷的混合作用，工況較為復雜。在運行經(jīng)過一段時間后，調(diào)節(jié)環(huán)處軸向與徑向都發(fā)生了螺栓松脫現(xiàn)象。

針對這一現(xiàn)象，由于無法直接以實船進行試驗來找出螺紋聯(lián)接松動的原因，有必要從機理上進行研究，尋找事故原因及預防方法，以避免事故的再次發(fā)生。

2 螺紋聯(lián)接松動機理

螺紋聯(lián)接松動的研究表明，引起和影響松動的因素很多，但歸納起來可分為以下3點:外部載荷的作用;螺紋本身的微觀形變;螺紋的結(jié)構(gòu)形式。針對本例中的調(diào)距槳機構(gòu)，主要原因是其所受到的復雜載荷作用。外部載荷的作用機理如下。

由于存在螺紋升角，只要作用在螺母的松退轉(zhuǎn)矩小于0.8倍的擰緊轉(zhuǎn)矩［1］，螺紋聯(lián)接就不會松動，這在靜載荷下一般是可靠的，但在外部循環(huán)動載荷的作用下，這種條件可能會失效。外部載荷一般可分為沿螺栓螺桿軸向的載荷與垂直于軸向的橫向載荷。

當承受軸向循環(huán)載荷時，螺紋接觸面的作用力在螺栓徑向會產(chǎn)生分力，導致螺母在徑向有彈性擴張而螺栓有彈性收縮，從而螺紋接觸面間可能產(chǎn)生微小滑移，這種微小的滑移累積起來就會造成螺栓的松動［2－3］。不過在實驗中單純的軸向載荷作用引起的松動角度有時較大有時不大，并不是松動的主要原因。

橫向循環(huán)載荷是螺紋聯(lián)接松動現(xiàn)象發(fā)生的最關(guān)鍵因素［4］，其影響機理可用如圖3所示的模型說明。圖中滑塊A代表螺母，斜面或平面B代表螺栓的螺紋面，螺母和螺栓的相對運動就可看作是滑塊在斜面上的運動。FA代表軸向載荷，F(xiàn)S代表橫向循環(huán)載荷，Ⅰ代表螺桿的螺紋部分，Ⅱ代表螺桿的螺栓頭部分。在滑塊達到摩擦自鎖的情況下，無論軸向載荷FA多大，滑塊A始終不會下滑，但是當受到橫向交變載荷FS時，累積的載荷作用可能引起慣性力與滑塊重力沿斜面向下分量的合力大于最大靜摩擦力時，滑塊則有可能滑動。

圖3 橫向載荷影響機理模型

3 螺紋聯(lián)接松動原因分析

3.1 外部載荷的作用

如圖4所示，調(diào)距槳機構(gòu)用于聯(lián)接液油管的調(diào)節(jié)環(huán)，油管整體置于軸內(nèi)，與槳內(nèi)的液壓油缸之間相連，并隨著調(diào)距過程與液壓油缸一同往復運動。

在正常運行過程中，螺栓受到的載荷比較復雜，其中主要會導致螺紋聯(lián)接松動的有以下3點。

圖4 調(diào)距槳聯(lián)接螺栓示意圖

1)軸向力。調(diào)距槳在正常工作時，因為液壓油缸的作用，會產(chǎn)生軸向的往復運動，這樣就會使得螺栓上產(chǎn)生交變的機動軸向力，交變軸向載荷是導致螺栓松動的原因之一。

2)離心載荷。螺旋槳旋轉(zhuǎn)，各個轉(zhuǎn)動件產(chǎn)生離心負荷，包括調(diào)節(jié)環(huán)和其螺栓，而這樣的離心載荷也會隨著槳葉的調(diào)距而產(chǎn)生波動，會對螺栓產(chǎn)生交變橫向載荷，這也是導致螺栓松動的原因之一。

3)液壓波動。管道中的液體在調(diào)距過程中也會產(chǎn)生波動，可能會對調(diào)節(jié)環(huán)及螺栓產(chǎn)生橫向或者軸向的載荷，同理，也會對螺栓的松動起到一定的影響。

為了驗證交變載荷對螺栓松動的影響，利用有限元軟件ANSYS15.0對調(diào)節(jié)環(huán)螺栓連接結(jié)構(gòu)進行仿真。為簡化模型，只選取了螺栓所在的部分進行建模。網(wǎng)格全部采用六面體單元，以提高精度，總共劃分了140 233個網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)環(huán)螺栓有限元模型

模型上施加的恒定力載荷為預緊力25 kN，對于交變力載荷，為了簡化計算過程，用交變位移在載荷來等效替代，它們的作用效果是相似的。并分別取了3組橫向交變位移載荷:0.4 mm，0.3 mm，0.2 mm，變換周期為1 s(如表1)。

表1 有限元分析選取的橫向交變載荷

對于螺栓松動的宏觀表現(xiàn)主要是螺栓聯(lián)接對被夾件的夾緊力下降，以及聯(lián)接螺栓之間有相對旋轉(zhuǎn)，夾緊力可以通過螺栓軸向所受的壓力來確定，螺栓松動量可以通過螺母和螺栓之間的相對位移來得到。

圖6表示了在預緊力25 kN下的3種載荷條件下，夾緊力隨循環(huán)次數(shù)下降的情況。很明顯，對比0.2 mm和0.3 mm可以看出，在載荷變大的情況下，螺栓的預緊力下降變快;而對比0.3 mm和0.4 mm可以看出，在載荷大到一定程度時，螺栓的預緊力將會以很快的速度下降，會造成極大的危害。

圖6 預緊力隨交變載荷降低趨勢

圖7表示了在預緊力25 kN的3種載荷條件下，螺母旋轉(zhuǎn)量隨循環(huán)次數(shù)變化的情況。同樣，對比0.2 mm和0.3 mm可以看出，在載荷變大的情況，螺母的松動速度加快;而對比0.3 mm和0.4 mm可以看出，在載荷大到一定程度時，螺母松動的速度和松動角度也會提高的非?？臁?/p>

圖7 螺栓隨交變載荷松動角度趨勢

3.2 螺紋聯(lián)接面的微觀形變

在螺紋聯(lián)接松動的過程中，聯(lián)接面的形變和滑動是重要的先決條件，即使是在橫向載荷作用下，松動也不是立刻發(fā)生的，而是先經(jīng)歷一個形變的過程?，F(xiàn)有關(guān)于螺紋聯(lián)接自松動的實驗研究表明，典型螺紋的松脫包括兩個階段［5］:在第一階段，螺栓與螺母之間沒有發(fā)生相對運動，松動由材料的變形導致;在第二階段，螺紋聯(lián)接有明顯的松脫和相對運動［6－8］，并且夾緊力下降很快，如圖8所示。

圖8 典型螺紋聯(lián)接松動的2個階段

圖8中F為夾緊力，F(xiàn)0為初始預緊力，θ為螺栓與螺母的相對旋轉(zhuǎn)角度。

3.3 螺紋的結(jié)構(gòu)形式等

除了外部載荷和初始形變以外，螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)形式等設(shè)計因素也會一定程度上影響松動。根據(jù)相關(guān)資料，螺紋聯(lián)接所需要的松動轉(zhuǎn)矩的粗略計算式為［9］:

式中:F為張緊力;h為螺距;rt為螺紋面的當量摩擦半徑;rb為圓環(huán)支撐面的當量摩擦半徑;μt為螺旋副的摩擦系數(shù);μb為支承面的摩擦系數(shù);α為牙型角。

從公式 (1)中可得:①螺距越大松退力矩越大，螺栓越容易松動;②當量半徑越小摩擦力越小，螺栓越容易松動，所以改變螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)會使松動力矩發(fā)生變化，從而影響松動過程。此外，研究也表明摩擦系數(shù)、潤滑劑、錐角、墊圈、螺紋配合間隙［10］等參數(shù)都對螺紋松動有不同程度的影響。

4 應對措施

結(jié)合以上歸納的機理，該船調(diào)距槳裝置事故發(fā)生的原因可從以下2點進行考慮:①內(nèi)部因素，包括材料的塑性變形、屈服、蠕變，螺紋的結(jié)構(gòu)形式等，防止螺栓的形變需要對螺栓的材料提出更高的要求，在加工過程中減少脫碳組織的形成，防止蠕變等;②外部因素，包括管路所受到的交變橫向載荷、離心力、液壓力、轉(zhuǎn)矩以及它們的耦合作用。對于外部載荷的作用，首先應通過分析所有可能的外部作用，找出最接近于橫向載荷的作用，然后對整個系統(tǒng)進行簡化，考慮用有限元對模型在橫向載荷下的作用進行宏觀驗證，觀察其螺栓張緊力的變化情況，同時可以用實驗對結(jié)果進行驗證，找出影響最大的因素，然后通過限制該因素來防范松動發(fā)生。

同時，對于已經(jīng)發(fā)生松脫故障的某船，首要做好的就是改善防松措施，根據(jù)實際情況選擇最適合的防松方式。傳統(tǒng)的防松方式包括以下3種。

1)摩擦防松。包括彈簧墊圈、雙螺母、彈性圈螺母等。這種方式適合于受載荷較小的裝置，在受大交變載荷時效果較差，因該船調(diào)距槳裝置受載荷大，不適合用摩擦防松。

2)機械防松。包括開口銷、止動墊圈、串聯(lián)鋼絲等。這種方式在大載荷作用下也較為可靠，適合于該船的調(diào)距槳裝置。

3)破壞螺紋副。包括端面沖點、側(cè)面沖點等使螺紋副失去運動特性而成為不可拆卸聯(lián)接，這種方式效果也很好，但只在永久性聯(lián)接時才可使用。

除此之外，在預緊螺栓時要注意仔細檢查，保證預緊力矩達到要求，平時也必須定期對螺紋聯(lián)接進行檢查，及時把松動危害防范于未然。

5 結(jié)束語

本文針對某調(diào)距槳液壓油管調(diào)節(jié)環(huán)螺栓松脫現(xiàn)象進行分析，從機理上探討了影響螺紋聯(lián)接自松動的若干因素，進行了仿真驗證，并總結(jié)了螺紋聯(lián)接自松動現(xiàn)象的防范措施以及研究方法。首先要從螺栓的結(jié)構(gòu)及材料形式等進行改善;其次是要規(guī)范使用螺栓，定期檢查是否松動;最后也需要對螺栓的工作情況進行考察分析，若有松動的隱患需及時排除。螺紋聯(lián)接的松動故障發(fā)生量大，且影響嚴重，需要引起重視，進行更多機理和實驗研究，以從根本上杜絕螺紋松動事故的發(fā)生。

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