緊固件防松性能定量評(píng)價(jià)方法

緊固件防松性能定量評(píng)價(jià)方法摘要：螺紋連接通常具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、連接?國(guó)家自然科學(xué)基金(51975055)，國(guó)防基礎(chǔ)科研核科學(xué)挑戰(zhàn)專題(TZ2018007)和天地科技股份有限公司創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金重點(diǎn)(2020-2-TD-ZD002)資助項(xiàng)目。20200814收到初稿，20201212收到修改稿可靠、互換性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在各種機(jī)械產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明，在振動(dòng)環(huán)境下，螺紋連接容易出現(xiàn)松動(dòng)失效。螺紋連接松動(dòng)失效問題嚴(yán)重影響著機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和壽命，工程中由于螺紋連接松動(dòng)失效所引發(fā)的質(zhì)量問題和事故屢見不鮮。為了防止螺紋連接的松動(dòng)失效，人們通常會(huì)使用具有防松作用的緊固件，如各種防松墊圈和防松螺母。然而，各種防松緊固件到底能在多大程度上提升螺紋連接的防松性能呢？對(duì)于這個(gè)基本的問題，目前并沒有準(zhǔn)確的答案。這造成了許多爭(zhēng)議，也給緊固件的設(shè)計(jì)、制造、選型及使用帶來了許多問題。關(guān)鍵詞：緊固件；防松性能；評(píng)價(jià)方法；引言安裝螺紋螺栓固定螺栓而不松開。若要解決螺紋聯(lián)接的防松問題，請(qǐng)將螺紋聯(lián)接分析為鏈，研究螺紋聯(lián)接的松弛和規(guī)律性，并進(jìn)一步分析螺紋聯(lián)接。螺紋聯(lián)接的松弛指數(shù)和性能指標(biāo)因螺紋聯(lián)接的擰緊程度而異，因?yàn)樵诰o縮過程中必須有放松的趨勢(shì)。螺栓越緊，放松的傾向越強(qiáng)。螺絲鎖系統(tǒng)是兩個(gè)方面的矛盾。鎖定時(shí)，大多數(shù)螺紋聯(lián)接的軸向應(yīng)力可用于測(cè)量釋放的程度。在螺紋聯(lián)接鎖緊系統(tǒng)的振動(dòng)釋放性能中，軸向張力-振動(dòng)時(shí)間(線)性能是指緊固件鎖緊系統(tǒng)隨振動(dòng)時(shí)間的變化而減小，反映了鎖緊系統(tǒng)在振動(dòng)條件下的釋放。同樣，釋放鎖緊系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)其他重要的連接元件產(chǎn)生負(fù)面影響。1基本概念螺栓螺母配合后向內(nèi)部物體施加的力，叫夾緊力；螺栓螺母配合使用后，夾緊力比初始鎖緊狀態(tài)小，即為螺栓松脫；螺栓失效常見形式是夾緊力不足，夾緊力不足有以下2種可能：1）初始鎖緊夾緊力小。因接觸表面的材料相互嵌入、材料蠕變、鎖緊力矩不夠、摩擦系數(shù)的變化等因素，都會(huì)導(dǎo)致螺栓的初始鎖緊狀態(tài)夾緊力不足；2）使用后夾緊力變小。因螺栓承受交變載荷、振動(dòng)或高溫環(huán)境等影響因素，夾緊力隨著使用周期的變長(zhǎng)而減小，甚至夾緊力可能完全消失。第一種情況，可以通過螺栓螺母的配合結(jié)構(gòu)、原材料、生產(chǎn)過程控制、表面處理以及規(guī)范鎖緊力矩進(jìn)行規(guī)避；但第二種情況，這種失效模式危害性更大，是行業(yè)內(nèi)一直在致力改善的問題。2緊固件軸向夾緊力螺紋螺栓通過向“緊固”工具施加力來連接兩個(gè)連接的主體，通過螺紋齒輪緊密連接它們，并承受一定的動(dòng)態(tài)載荷。為了確保連接零件之間的可靠性和密封性，連接的兩個(gè)主體之間需要足夠的夾緊力，即螺紋螺栓擰緊后需要足夠的軸向夾緊力f。因此，當(dāng)連結(jié)本體承受工作負(fù)載時(shí)，為結(jié)件提供穩(wěn)定的軸向夾緊力可避免偏移。因此，為螺紋聯(lián)接獲得穩(wěn)定的軸向夾緊力是螺紋防松研究的重要方向。3緊固件防松性能的影響因素分析分析螺紋緊固件松動(dòng)的原因。眾所周知，松動(dòng)是指螺栓連接軸在緊固過程中，螺栓連接軸的向心力全部損失，導(dǎo)致在螺紋緊固件固有的防松功能失效，不能實(shí)現(xiàn)防松性能，而螺栓只承受軸向載荷。由于螺紋的起升角，擰緊螺母所需的扭矩不同于松緊力所要求的扭矩。一般來說，擰緊螺母的緊固力矩約是緊固時(shí)刻的80%。通過連接摩擦力的作用，螺紋緊固件的接頭之間的附加力不會(huì)松動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的防松性能。在日常振動(dòng)和沖擊力影響下，螺紋緊固件的松動(dòng)是常見故障之一。為了更好地實(shí)現(xiàn)其防松性能，大多數(shù)的螺紋緊固件都是在有振動(dòng)或者撞擊的地方工作，所以應(yīng)該不斷在振動(dòng)或撞擊的環(huán)境下進(jìn)行檢查，更好地實(shí)現(xiàn)螺紋緊固防松性能。同時(shí)，螺紋緊固件的松動(dòng)可能是由于在生產(chǎn)過程中螺紋的各個(gè)部分之間的慣性影響，以及其連接間的相互作用力而導(dǎo)致螺紋與螺母支撐面的摩擦力在震動(dòng)下迅速下降，出現(xiàn)摩擦磨損，破壞了在生產(chǎn)過程中彼此之間相互平衡的力量，從而使螺紋不能真正達(dá)到其防松性能。如果緊螺母方向的位移阻力大于松螺母方向的位移阻力，就會(huì)反復(fù)發(fā)生少量的相對(duì)滑動(dòng)。4螺紋連接防松性能定量評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)據(jù)獲取方法為了對(duì)緊固件防松性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，需要建立科學(xué)的螺紋連接防松性能定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于預(yù)緊力的衰減是多種因素綜合作用的結(jié)果，要準(zhǔn)確評(píng)判防松性能需要把不同因素對(duì)預(yù)緊力衰減的影響區(qū)分開。已有研究已經(jīng)證明：在橫向振動(dòng)試驗(yàn)條件下，螺紋連接典型的預(yù)緊力衰減過程可以分為三個(gè)階段。在第一階段，預(yù)緊力會(huì)發(fā)生非線性的快速衰減，這一階段導(dǎo)致預(yù)緊力衰減的主要原因是材料的塑性變形，同時(shí)也有應(yīng)力再分布、旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和微動(dòng)磨損等因素的影響。在第二階段中，預(yù)緊力近似呈現(xiàn)線性衰減，這一階段導(dǎo)致預(yù)緊力衰減的主要原因?yàn)閮?nèi)外螺紋間的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，而其他因素影響相對(duì)較小。在第三階段，螺紋連接結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸出現(xiàn)疲勞裂紋，導(dǎo)致預(yù)緊力衰減速度加快，甚至突然斷裂。為了從的預(yù)緊力衰減數(shù)據(jù)中獲得對(duì)緊固件防松性能的定量評(píng)價(jià)結(jié)果，我們需要明確“松動(dòng)”和“防松性能”的準(zhǔn)確含義。螺紋連接的松動(dòng)分為旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，所謂旋轉(zhuǎn)松動(dòng)是指內(nèi)外螺紋間發(fā)生了導(dǎo)致預(yù)緊力衰減的剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，它對(duì)應(yīng)著圖7中的第二階段；所謂非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)是指除旋轉(zhuǎn)松動(dòng)之外其他因素導(dǎo)致的預(yù)緊力衰減，圖7中第一階段和第三階段主要受非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的影響。我們把“防松性能”定義為防止螺紋連接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的能力，它和預(yù)緊力衰減過程第二階段的數(shù)據(jù)密切相關(guān)。之所以這么定義防松性能是因?yàn)榉浪删o固件的作用主要是防止旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，而難以抑制非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)導(dǎo)致的預(yù)緊力衰減?；谏鲜龆x，在理想情況下，當(dāng)?shù)诙A段的斜率為零時(shí)，意味著螺紋連接沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)；當(dāng)?shù)诙A段斜率小于零時(shí)，意味著發(fā)生了旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，且斜率的絕對(duì)值越大，旋轉(zhuǎn)松動(dòng)就越劇烈。而且已有研究已經(jīng)證明：橫向力存在一個(gè)臨界值，當(dāng)螺紋連接所受橫向力小于該臨界值時(shí)，螺紋連接不發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，當(dāng)螺紋連接所受橫向力大于該臨界值時(shí)，螺紋連接則會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)，因此可以用橫向力的臨界值(或稱臨界橫向力)作為防松性能的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)緊固件(或螺紋連接)的防松性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。需要說明的是，該指標(biāo)是基于本文所述的橫向振動(dòng)試驗(yàn)條件提出的，不適用于其他形式的外載荷。結(jié)束語(1)在相同預(yù)緊力下，相比普通螺紋連接，使用彈簧墊圈后防松性能提升數(shù)值基本在0%處波動(dòng)，說明彈簧墊圈沒有防松性能。(2)在相同預(yù)緊力下，相比于普通螺紋連接，使用楔形螺母后防松性能最多提升了117%；(3)在相同預(yù)緊力下，相比于普通螺紋連接，使用偏心雙螺母后防松性能最多提升了125%。(4)在高預(yù)緊力條件下，使用楔形螺母和偏心雙螺母后防松性能和普通螺紋連接的防松性能相差不大。需要說明的是，上述結(jié)論的得出是基于本文的試驗(yàn)條件，當(dāng)螺栓規(guī)格、涂層、裝夾長(zhǎng)度等試驗(yàn)條件不同于本文時(shí)，得出的結(jié)論可能不同，但本文所述的緊固件防松性能評(píng)價(jià)方法是具有普適性的。此外，理論上來講，橫向力和橫向位移存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，既然存在臨界橫向力，相應(yīng)的也應(yīng)該存在一個(gè)臨界橫向位移(即臨界振幅)，因此使用臨界橫向位移作為防松性能定量評(píng)判指標(biāo)也具有理論上的可行性，但具體效果仍需進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)鞏浩，劉檢華，丁曉宇.振動(dòng)條件下螺紋預(yù)緊力衰