軸向振動(dòng)工況下切槽式螺母的防松性能研究

孫光陽，何巖，朱喆，胡華民，劉建華*,

軸向振動(dòng)工況下切槽式螺母的防松性能研究

孫光陽1，何巖1，朱喆1，胡華民2，劉建華*,2

（1.長春中車軌道車輛有限公司，吉林 長春 130062；2.西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031）

針對全扭矩工況（螺栓預(yù)緊力矩均為設(shè)計(jì)值）、欠扭矩工況（螺栓預(yù)緊力矩均為設(shè)計(jì)值的20%）和部分欠扭矩工況（其中一組對角螺栓預(yù)緊力矩為設(shè)計(jì)值，另一組對角螺栓預(yù)緊力矩為設(shè)計(jì)值的20%），系統(tǒng)開展了軸向振動(dòng)載荷作用下切槽式螺母的防松性能研究；全扭矩工況下研究了切槽處裂紋對切槽式螺母防松性能的影響，利用體式顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀分析設(shè)備分析裂紋的擴(kuò)展情況。結(jié)果表明：在三種預(yù)緊工況下，全扭矩時(shí)螺母具有良好的防松性能，但在欠扭矩和部分欠扭矩工況下螺母的防松性能降低，且后者更為嚴(yán)重；螺栓的松動(dòng)過程可分為兩個(gè)階段：第一階段是螺栓軸向力快速下降，原因是材料發(fā)生塑性變形和螺紋接觸面應(yīng)力重新分布；第二階段是螺栓殘余預(yù)緊力緩慢下降，原因是螺紋接觸面發(fā)生微動(dòng)磨損。此外，切槽處裂紋會(huì)降低螺母防松性能，通過微觀分析表明裂紋試驗(yàn)后出現(xiàn)明顯擴(kuò)展。

切槽式螺母；軸向振動(dòng)；松動(dòng)行為；裂紋擴(kuò)展

振動(dòng)環(huán)境下螺栓軸向力不可避免地出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致連接失效。主要的兩種失效方式為螺栓斷裂和結(jié)構(gòu)松動(dòng)。作為重要的連接部件，螺栓連接一旦失效，極有可能引起結(jié)構(gòu)解體等重大安全事故[1-2]。鑒于螺栓連接的重要性和復(fù)雜性，國內(nèi)外學(xué)者對螺栓連接的失效問題及其防護(hù)進(jìn)行了廣泛研究。

螺栓承受的工作載荷對螺栓松動(dòng)結(jié)果影響很大。目前國內(nèi)外學(xué)者主要研究的是軸向載荷、橫向載荷和偏心載荷。Liu等[3]和于澤通等[4]通過試驗(yàn)研究了軸向激勵(lì)下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理，指出螺栓預(yù)緊力會(huì)隨著重復(fù)擰緊次數(shù)的增加而降低，而且螺栓松動(dòng)過程的初期主要原因是螺紋發(fā)生塑性變形，后期主要原因是螺紋接觸面間的微動(dòng)磨損。Jiang等[5-6]使用試驗(yàn)和有限元方法系統(tǒng)研究了橫向交變載荷下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)過程，發(fā)現(xiàn)螺栓連接的松動(dòng)可以分為兩個(gè)階段，第一階段為嚙合螺紋的根部產(chǎn)生棘輪效應(yīng)，導(dǎo)致螺栓應(yīng)力重新分布，螺栓軸向力降低；第二階段為螺母發(fā)生反向轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致螺栓軸向力下降。方子帆等[7]運(yùn)用有限元方法研究螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)連接件的變形和滑移是松動(dòng)的主要原因。鄭生田[8]針對鐵路平板火車中螺栓松動(dòng)問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減輕接觸面的滑移，從而提高螺栓連接結(jié)構(gòu)的防松性能。余欽義[9]研究了雙螺母的防松性能，結(jié)果表明，通過控制主螺母逆向旋轉(zhuǎn)減輕界面的相對滑移，可提高結(jié)構(gòu)的防松性能。Zhang等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在螺母反向轉(zhuǎn)動(dòng)前，螺栓的松動(dòng)行為是螺紋接觸面間的微動(dòng)磨損造成的，且循環(huán)次數(shù)越大，螺紋接觸表面磨損越嚴(yán)重。杜永強(qiáng)等[11]通過試驗(yàn)和有限元方法開展了偏心載荷下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為研究，結(jié)果表明螺栓偏心距離和載荷幅值增大，螺栓軸向力下降速率增大，且螺紋接觸表面的主要磨損機(jī)理是磨粒磨損、疲勞磨損和粘著磨損。

除了工作載荷的影響外，螺栓連接結(jié)構(gòu)接觸面間的摩擦系數(shù)也會(huì)對螺栓連接松動(dòng)產(chǎn)生較大影響。Grabon等[12]通過試驗(yàn)研究了螺栓預(yù)緊力與扭矩的關(guān)系，指出螺栓不同制造工藝會(huì)造成螺紋表面摩擦系數(shù)不同，從而導(dǎo)致擰緊力矩分散性很大，且越大的預(yù)緊力，所要求的預(yù)緊力矩分散性越大，預(yù)緊力與擰緊力矩的關(guān)系非線性。Croccolo等[13-14]利用數(shù)值分析和試驗(yàn)方法研究了螺栓預(yù)緊力－扭矩關(guān)系，指出螺栓接觸界面間摩擦系數(shù)受表面光潔度、潤滑條件以及螺栓擰緊次數(shù)影響，在相同扭矩下，預(yù)緊力差別高達(dá)三倍。王崴等[15]運(yùn)用有限元方法研究橫向載荷下螺栓連接的松動(dòng)行為，結(jié)果表明螺紋的嚙合面和連接件承壓面摩擦系數(shù)增大能減小螺栓松動(dòng)，但連接件間的摩擦系數(shù)對于相同振幅下的螺栓松動(dòng)沒有明顯影響。解慧等[16]分四個(gè)階段（摩擦系數(shù)上升－摩擦系數(shù)下降－摩擦系數(shù)下降－摩擦系數(shù)下降到最低）研究了振動(dòng)狀態(tài)下螺紋表面摩擦系數(shù)的變化。

研究發(fā)現(xiàn)改變界面摩擦系數(shù)或者使用新型螺母/螺栓和墊片能夠達(dá)到較好的防松性能。Zhou等[17]研究不同涂層螺栓在橫向載荷下的防松性能，結(jié)果表明，PTTE涂層和MoS2涂層對于螺栓具有明顯的防松性能。劉傳波等[18]通過擰緊力矩和擰松力矩計(jì)算模型和試驗(yàn)分析螺栓連接防松機(jī)理，指出細(xì)牙螺栓防松性能優(yōu)于粗牙螺栓。楊廣雪等[19]運(yùn)用有限元研究了一種新型螺母的防松性能，指出新型螺母通過調(diào)節(jié)嚙合螺紋在橫向載荷為0時(shí)的相對位置以及產(chǎn)生的附加彎矩，有效減緩了螺栓的松動(dòng)，但產(chǎn)生的附加彎矩在預(yù)緊力超過100 kN之后趨于平緩。Panja等[20]通過試驗(yàn)研究了不同類型墊圈和螺母的防松性能，指出彈簧墊圈和內(nèi)/外鋸齒墊圈能通過增加接觸阻力來提升防松性能，并發(fā)現(xiàn)尼龍自鎖螺母具有良好的防松性能，尤其是與常規(guī)螺母結(jié)合時(shí)的混合雙螺母。Liu等[21]通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)系統(tǒng)研究了楔形自鎖螺母的防松性能，結(jié)果表明，30°斜角的楔形螺母防松性能最好，但許可預(yù)緊力低于普通螺母。

在實(shí)際裝配過程中可能出現(xiàn)欠扭矩預(yù)緊，因此本文主要開展了軸向交變載荷下切槽式螺母（XH-Ⅱ型）在全扭矩預(yù)緊、欠扭矩預(yù)緊和部分欠扭矩預(yù)緊三種工況下的松動(dòng)行為。針對切槽處存在裂紋的螺母，在全扭矩預(yù)緊工況下研究其松動(dòng)行為，然后運(yùn)用光學(xué)三維顯微鏡（Optical Microscope，OM）和掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）研究裂紋試驗(yàn)后是否會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)展。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用強(qiáng)度為10.9級(jí)M16×80的40Cr螺栓和切槽式螺母，螺栓的主要化學(xué)成分如表1所示，螺栓相關(guān)參數(shù)和螺紋牙形參考文獻(xiàn)[22]。試驗(yàn)前篩選明顯有缺陷的螺栓和螺母。

表1 螺栓的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

螺栓連接振動(dòng)試驗(yàn)在島津電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：EHF-UM100K2-040-OA）上進(jìn)行，螺栓軸向力通過壓力傳感器測量，并由東華測試公司研發(fā)的DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。試驗(yàn)裝置如圖1所示，上下夾具均為高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼（40CrNiMo）。試驗(yàn)時(shí)先用疲勞機(jī)下夾頭固定下夾具，之后將四個(gè)螺栓依次穿過上夾具、壓力傳感器和下夾具，最后通過螺母連接起來。對四個(gè)螺栓按對角預(yù)緊原則使用數(shù)顯扭矩扳手施加扭矩，然后調(diào)整疲勞機(jī)上夾頭，降至相應(yīng)位置后夾緊上夾具。

1.電液伺服系統(tǒng) 2.升降拉桿 3.上夾頭 4.下夾頭 5.升降導(dǎo)桿 6.升降橫梁 7.底座 8.1#螺栓 9.2#螺栓 10.3#螺栓 11.4#螺栓 12.1#螺母 13.2#螺母 14.3#螺母 15.4#螺母 16.上夾具 17.下夾具 18.傳感器

試驗(yàn)采用載荷幅值控制來模擬螺栓連接結(jié)構(gòu)在振動(dòng)試驗(yàn)下的慣性力[23]，其慣性力為正弦加載方式的軸向交變載荷，加載路徑為：

＝A＋Asin(2p)

式中：A為載幅值，kN，A＝11.7；為試驗(yàn)頻率，Hz，＝30。

螺栓初始預(yù)緊扭矩為180 N·m和40 N·m。循環(huán)次數(shù)為1×106和5×106。為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每種工況重復(fù)5次。試驗(yàn)結(jié)束后，將切槽式螺母在含有酒精的燒杯中清洗2次，每次10 min。利用OM（型號(hào)：OLYMPUSDSX100）和SEM（型號(hào)：JOELJEM-6610LV）觀察螺母切槽處裂紋是否發(fā)生擴(kuò)展。

2 不同預(yù)緊扭矩工況下螺栓組的松動(dòng)行為

為便于討論，定義如下函數(shù)描述松動(dòng)行為：

式中：L為松動(dòng)速率；R為松動(dòng)程度；P為經(jīng)過次振動(dòng)后的螺栓軸向力，kN；0為初始預(yù)緊力，kN。

2.1 全扭矩工況

圖2為全扭矩180 N·m工況下切槽式螺母的松動(dòng)曲線和松動(dòng)速率曲線。由圖2（a）可以看出，螺栓組在試驗(yàn)初期松動(dòng)速率迅速上升，最大松動(dòng)速率為0.3%±0.2%。在試驗(yàn)后期，松動(dòng)速率較低。此外，由于微動(dòng)磨損產(chǎn)生的磨屑排出，導(dǎo)致松動(dòng)速率略微上升。因此，松動(dòng)速率為先增大后減小，但不是單調(diào)減小的。

由圖2（b）可知，全扭矩工況下螺栓組的松動(dòng)曲線都可以分為兩個(gè)階段：第一階段（循環(huán)次數(shù)＝0～104）先出現(xiàn)短暫的平緩期，主要原因是試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)幅值正在緩慢加載，初期尚未達(dá)到預(yù)設(shè)值，隨后由于螺紋發(fā)生塑性變形和螺紋接觸表面接觸應(yīng)力重新分布，螺栓軸向力快速下降；第二階段（＝104～106），螺栓預(yù)緊力緩慢下降，這是接觸界面的微動(dòng)磨損導(dǎo)致的。試驗(yàn)結(jié)束后，R＝99.35%±0.25%，說明切槽式螺母在全扭矩?cái)Q緊工況下具有良好的防松性能。

2.2 欠扭矩工況

圖3為欠扭矩工況下切槽式螺母的松動(dòng)速率曲線與松動(dòng)曲線。

圖2 全扭矩工況下螺栓松動(dòng)速率曲線和松動(dòng)曲線

圖3 欠扭矩工況下螺栓松動(dòng)速率曲線和松動(dòng)曲線

從圖3（a）可以看出，螺栓松動(dòng)速率曲線與全扭矩工況下具有相同特征，在試驗(yàn)初期松動(dòng)速率迅速增大，且最大松動(dòng)速率為12.5%±0.2%。隨后松動(dòng)速率迅速下降并趨于平緩。

由圖3（b）可知，欠扭矩工況下螺栓松動(dòng)曲線和全扭矩工況時(shí)松動(dòng)過程相似，可以分為兩個(gè)階段。經(jīng)過第一階段（＝0～104）后，＝89.5%±3.4%；經(jīng)過第二階段（＝104～106）后，＝86.4%±2.2%。相對于全扭矩工況，螺栓松動(dòng)程度更大。因此，切槽式螺母施加的擰緊扭矩對于切槽式螺母的防松效果產(chǎn)生了明顯影響。

2.3 部分欠扭矩工況

圖4為部分欠扭矩工況下切槽式螺母的松動(dòng)速率曲線與松動(dòng)曲線。其中2#和4#螺栓施加全扭矩180 N·m預(yù)緊，1#和3#螺栓施加欠扭矩40 N·m預(yù)緊。

圖4 部分欠扭矩工況下螺栓松動(dòng)速率曲線和松動(dòng)曲線

從圖4（a）可以看出，螺栓組的松動(dòng)速率曲線變化趨勢與全扭矩和欠扭矩工況下一致，2#和4#螺栓最大松動(dòng)速率為6.57%±1.75%，1#和3#螺栓最大松動(dòng)速率為15.64%±0.46%。對比全扭矩工況和欠扭矩工況，部分欠扭矩因?yàn)閿Q緊扭矩不平衡，導(dǎo)致連接板受力不一致，因此造成最大松動(dòng)速率增加。

同樣地，如圖4（b）所示，松動(dòng)過程也可分為兩個(gè)階段。經(jīng)過第一階段（＝0～104）后，預(yù)緊力矩為40 N·m的1#和3#螺栓，＝84.1%±0.9%；預(yù)緊力矩為180 N·m的2#和4#螺栓，＝93.6%±1.9%。經(jīng)過第二階段（＝104～106）后，預(yù)緊力矩為40 N·m的1#和3#螺栓，＝81.5%±2.8%；預(yù)緊力矩為180 N·m的2#和4#螺栓，＝93.0%±2.0%。相對于螺栓組施加相同擰緊力矩，螺栓在部分欠扭矩工況下螺栓軸向力下降更大。因此，對螺栓組施加不相等的擰緊力矩容易造成連接部件應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)程度加大。

3 裂紋切槽式螺母松動(dòng)行為與微觀形貌分析

3.1 裂紋切槽式螺母松動(dòng)行為

圖5為全扭矩工況下存在裂紋的切槽式螺母的松動(dòng)速率曲線與松動(dòng)曲線，由圖5（a）可以看到，循環(huán)次數(shù)＝104時(shí)松動(dòng)速率最大，約為0.49%±0.06%，之后松動(dòng)速率降低。由圖5（b）可以觀察到，經(jīng)過第一階段（＝0～104）后，＝0.994%±0.07%；經(jīng)過第二階段（＝104～5×106）后，＝0.985%±0.08%。與無裂紋切槽式螺母相比，松動(dòng)程度增大約1%。因此，切槽處的微小裂紋對于切槽式螺母防松性存在一定影響。

3.2 裂紋切槽式螺母微觀形貌分析

為了進(jìn)一步研究切槽式螺母的切槽處裂紋是否會(huì)在服役過程中發(fā)生擴(kuò)展，利用光學(xué)顯微鏡對裂紋進(jìn)行形貌分析。由圖6可知，1#螺母裂紋長度試驗(yàn)前約為325 μm，試驗(yàn)后約為335 μm，裂紋擴(kuò)展約10 μm。

結(jié)合OM和SEM形貌圖以及裂紋螺母的松動(dòng)曲線，可以得到切槽存在裂紋的切槽式螺母在振動(dòng)試驗(yàn)中不僅存在裂紋長度擴(kuò)展，裂紋寬度同樣出現(xiàn)加寬的趨勢，因此切槽處裂紋會(huì)降低螺母的防松性能。甚至在長期服役下會(huì)出現(xiàn)切槽斷裂，造成安全隱患，所以建議不重復(fù)使用切槽處存在裂紋的切槽式螺母。

圖5 全扭矩工況下螺栓松動(dòng)速率曲線和松動(dòng)曲線（存在裂紋的切槽式螺母）

圖6 螺母切槽裂紋微觀形貌

4 結(jié)論

（1）切槽式螺母的松動(dòng)過程可以分為兩個(gè)階段：第一階段（＝0～104），由于螺紋和結(jié)構(gòu)件發(fā)生塑性變形，螺紋表面的粗糙峰被去除、螺紋接觸應(yīng)力重新分布，螺栓軸向力快速下降；第二階段（＝104～106）：由于接觸界面的微動(dòng)磨損，螺栓軸向力緩慢下降。

（2）在全扭矩工況下切槽式螺母具有優(yōu)良的防松性能。在欠扭矩工況和部分欠扭矩工況下螺母的防松性能降低。

（3）切槽處存在裂紋的螺母，其防松性能略微降低，且在繼續(xù)服役過程中裂紋有擴(kuò)展的趨勢，存在疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，不推薦繼續(xù)使用。

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Anti-Loosening Performance of Slotted Nuts under Axial Vibration

SUN Guangyang1，HE Yan1，ZHU Zhe1，HU Huamin2，LIU Jianhua2

(1.CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China; 2.Tribology ResearchInstitute, Southwest JiaotongUniversity, Chengdu 610031, China )

Under three different tightening conditions (C1: the tightening torques of all slotted nuts are equal to the design value; C2: the tightening torques of all slotted nuts are 20% of the design value; C3: the tightening torques of two slotted nuts in the diagonal direction are 20% of design value, and those of two slotted nuts in the other diagonal direction are equal to the design value), the anti-loosening performance of slotted nuts excited by axial vibration were studied. The effect of the crack at groove on the anti-loosening performance of slotted nuts was investigated. The crack propagation was observed with optical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that slotted nuts had significant anti-loosening performance under C1, while the anti-loosening performance reduced under C2 and C3, especially C3. The self-loosening process could be divided into two stages: due to the cyclic plastic deformation and the stress redistribution between the threads, the clamping force decreased quickly in the first stage; due to the fretting wear between the contact surfaces, the clamping force decreased slowly in the second stage. Furthermore, the anti-loosening performance of the slotted nuts with cracks at groove was lower than that of the slotted nuts with no cracks, and the crack at groove expanded obviously after the vibration tests.

slotted nut；axial vibration；self-loosening；crack propagation

U213.5+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.005

1006－0316 (2020) 09－0033－07

2020－03－20

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51705434）；四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2019YFG0290）

孫光陽（1989－），男，吉林長春人，主要研究方向鐵路客車及動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架工藝開發(fā)。

*劉建華（1987－），男，四川成都人，博士，主要研究方向?yàn)槁菟ㄟB接服役行為及控制、材料服役行為及安全評(píng)價(jià)，E-mail：jianhua-liu@swjtu.edu.cn。