基于橫向振動試驗的螺紋聯接臨界松動研究

覃雄臻 仝家鵬 覃佳亮 占 魁

（1．上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2．武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

0 前言

橫向載荷是螺紋聯接發生旋轉松動的主要原因，20 世紀60 年代Junker[1]發明了一種能夠模擬加載橫向載荷的試驗儀器，可以用來檢測螺紋聯接結構的防松性能—橫向振動試驗機，通過分析比較各因素的變化曲線來評價防松性能的優劣。李維榮[2]研究了螺紋緊固件防松技術和試驗方法。Jiang等人[3]研究發現，外部橫向載荷存在臨界值，當載荷低于該臨界值時，螺栓不發生松動。該臨界值對機械結構設計中螺栓型號的選取具有重要的實用價值。Dinger 等人[4]報告稱，對于特定的螺栓接頭，引起松動的橫向位移可能低至0.55 mm，而與完全支承面滑動相對應的值為0.86 mm。劉傳波等人[5]研究了螺紋緊固件防松性能的影響因素。該文通過制定橫向振動試驗方案，獲得參數組合（緊固件尺寸、材料、摩擦系數、載荷大小、方向、頻率，裝配結構等）對旋轉松動的影響規律，以找到螺紋聯接的臨界松動條件。

1 橫向振動試驗原理與方案

試驗原理：將樣件通過擰緊裝置擰緊在指定位置，使螺紋聯接結構在該過程中將輸入扭矩轉化為目標預緊力。以偏心載荷系統產生使金屬板間發生橫向交變位移的載荷，振動過程中聯接結構預緊力逐漸減小，記錄夾緊衰減的瞬時值。橫向振動試驗機的原理圖與實物圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 橫向振動試驗機原理圖

試驗方案：首先，確定不同的螺栓材料、規格尺寸、預緊力、摩擦系數、振幅的參數組合。其次，振動一定次數，連續記錄夾緊力衰減情況。再次，如果發生旋轉松動，減小振幅，如果不發生旋轉松動，則增大振幅，直至找到最小的振幅范圍。最后，分析試驗結果，得出橫向載荷下臨界松動的參數組合。

圖2 橫向振動試驗機實物圖

2 橫向振動試驗與結果

根據以上試驗方案，分為A-D 四組進行，選用10.9 級螺栓，尺寸規格分別為M8 mm×1.25 mm×50 mm，M10 mm×1.5 mm×50 mm，M12 mm×1.75 mm×85 mm和M14 mm×1.75 mm×120 mm，螺母選用相對應的規格型號，振動頻率選擇12.5 Hz，初始預緊力選擇70%屈服預緊力。由各自不同時刻的剩余軸力繪制剩余軸力占初始軸力百分比隨時間的變化曲線，如圖3 所示。觀察可知：施加不同預緊力，其殘余預緊力各自不同，而初始軸力為36 kN 時剩余軸力占初始軸力百分比最高，約為92.09%，說明其防松效果較好，其次是28 kN、25 kN、20 kN、12 kN、42 kN。而經擰緊試驗測得螺栓的屈服緊固軸力約為40 kN，因此在螺栓的屈服軸向力范圍內，隨著螺栓初始預緊力的增大，其防松性能增強，而當螺栓的初始預緊力超過螺栓的屈服軸向力時，螺栓連接的防松能力顯著下降，因為此時螺栓發生了屈服，其緊固扭矩會發生嚴重衰減，螺栓在橫向振動下極易松動。對試驗數據進一步分析，繪制最終軸力占初始軸力百分比隨初始軸力大小的變化曲線，如圖4 所示，當初始預緊力在螺栓屈服預緊力30%～50%，螺栓的材料利用率較低，其防松性能還有較大的提升空間，而在50%～90%，螺栓的材料利用率較高，且隨著初始預緊力的增大，其防松性能的提升幅度已不再顯著，因此初始預緊力在螺栓屈服預緊力的50%～70%為宜，這樣即可實現較好的防松效果，又能實現較好的材料利用率。各組參數組合重復試驗3 次，試驗結果取平均值，見表1。

表1 試驗結果

圖3 不同初始預緊力作用下螺栓連接的防松性能

圖4 最終剩余軸力百分比隨初始軸力大小變化曲線

3 試驗結果分析與臨界條件提取

根據試驗結果分析可知：A 組中編號A-1 預緊力無衰減，其他3 組均衰減至2 kN 以下，視為松動失效，則A 組臨界松動振幅為0.1 mm。B、C、D 3 組中B-1、C-1、D-1 組預緊力衰減量在1%以內，B-2、C-2、D-2 預緊力衰減在5%以內，其他組的預緊力均衰減至2 kN 以下，考慮儀器測量誤差產生的波動，認為第2 組試驗的載荷更接近于臨界振幅，因此B、C、D 3組的臨界松動振幅分別為0.2 mm、0.4 mm 和0.6 mm。各種螺栓規格的臨界松動參數組合見表2。按照此方法，可以得到更多參數組合的試驗數據，從而得到更全面、準確的臨界參數組合方案，為工程實際提供設計依據與借鑒價值。

表2 橫向載荷下的臨界松動參數組合

4 結語

該文根據橫向振動試驗原理制定了獲取螺紋聯接臨界松動條件的試驗方案，獲得緊固件尺寸、材料，摩擦系數，載荷大小、方向、頻率，裝配結構等參數對旋轉松動的影響規律（預緊力衰減量、百分比及曲線），通過分析試驗結果，找到了各參數組合的臨界松動條件。隨著試驗數據的不斷積累，按照該文所提方法能夠得到更全面、準確的臨界參數組合方案，為工程實際提供設計依據與借鑒意義。