共振狀態(tài)下螺栓的松動(dòng)行為的主要原因

摘要：從螺栓嚙合表面摩擦系數(shù)變化入手，研究了振動(dòng)狀態(tài)下螺栓的松動(dòng)行為，根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果把螺栓松動(dòng)過(guò) 程分為了四個(gè)階段。結(jié)合螺紋的有限元受力分析及掃描電鏡磨損圖像，在理論與微觀兩方面對(duì)螺紋接觸壓力、接觸 剪力和相互滑動(dòng)區(qū)域的分布進(jìn)行分析，對(duì)壓力和滑動(dòng)導(dǎo)致的表面磨損而引起的摩擦系數(shù)變化進(jìn)行了分析，研究引起 摩擦系數(shù)變化的微觀原因，得出摩擦因數(shù)是引起松動(dòng)階段性變化的主要原因。

0 引言

螺栓連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、各種機(jī)械及結(jié)構(gòu)中，是各種機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)件中最基本的連接方式。由振動(dòng)引起的螺栓松動(dòng)現(xiàn)象，是螺栓失效的主要形式。做振動(dòng)狀態(tài)下螺栓松動(dòng)原因的研究主要有Pai 和Hess［1 － 2］， Izumi［3］及Koch［4］，他們認(rèn)為是螺紋及螺帽的滑動(dòng)導(dǎo)致了螺栓的松動(dòng)。Jiang 等人［5 － 6］研究了螺紋根部塑性變形導(dǎo)致的螺栓松動(dòng)。摩擦力是螺栓保持?jǐn)Q緊狀態(tài)的關(guān)鍵因素，摩擦力影響著螺紋嚙合面及螺帽承力面的擰緊力矩，進(jìn)而影響擰緊力矩產(chǎn)生的軸向應(yīng)變引起的預(yù)緊力，當(dāng)把螺帽擰緊到螺栓上時(shí)，是摩擦力的作用阻止螺母旋轉(zhuǎn)松脫。雖然摩擦力是螺栓防松的基本因素，但是在振動(dòng)狀態(tài)下連接件的螺栓摩擦力變化還沒(méi)有確切的研究。所以以共振狀態(tài)下的螺栓預(yù)緊力松弛試驗(yàn)來(lái)研究螺栓松動(dòng)過(guò)程，結(jié)合螺紋嚙合面的掃描電鏡形貌圖分析了摩擦系數(shù)對(duì)松動(dòng)過(guò)程的影響并對(duì)摩擦系數(shù)變化的微觀原因進(jìn)行了分析。

1 振動(dòng)松弛實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)所用的試驗(yàn)件是兩塊上下疊加的45 號(hào)鋼矩形板條，厚度分別為8 mm、3 mm，連接板試驗(yàn)件通過(guò)單排螺栓連接構(gòu)成( 圖1) ，螺栓為普通M5 螺栓。

振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)( 圖2) 主要包括激勵(lì)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。激勵(lì)系統(tǒng)設(shè)備主要是振動(dòng)臺(tái); 控制系統(tǒng)設(shè)備包括振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，功率放大器; 采集系統(tǒng)設(shè)備包括動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀、電阻應(yīng)變計(jì)和壓電式加速度傳感器。用夾具將試驗(yàn)連接板的一端固定在振動(dòng)臺(tái)上，另一端加配重塊。實(shí)驗(yàn)分為正弦掃頻與正弦定頻實(shí)驗(yàn)。掃頻試驗(yàn)頻率范圍為5 Hz ～ 500 Hz，掃頻持續(xù)時(shí)間為3 min。掃頻試驗(yàn)主要目的是測(cè)出螺栓連接結(jié)構(gòu)件的共振頻率，然后

用該固有頻率對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行正弦定頻振動(dòng)，正弦定頻試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)為螺栓的軸向力。正弦振動(dòng)的位移設(shè)為3 mm，頻率為共振頻率，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔10 min 停機(jī)一次，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、存儲(chǔ)，檢查試驗(yàn)件是否發(fā)生破壞，對(duì)預(yù)緊力變化數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)。

設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器測(cè)量螺栓的軸向力，測(cè)力傳感器由空心圓筒和電阻應(yīng)變片組成，空心圓筒的高度和厚度根據(jù)圣維南原理設(shè)計(jì)，測(cè)力傳感器所用材料為45#鋼。用密封膠來(lái)密封電阻應(yīng)變片進(jìn)行防護(hù)，保證電阻應(yīng)變片的絕緣電阻以及振動(dòng)測(cè)試時(shí)電阻應(yīng)變片不受到損害。最后將電阻應(yīng)變片接入動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀上，檢查測(cè)試通道，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行平衡與清零操作，確保采集數(shù)據(jù)沒(méi)有零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

測(cè)力傳感器安裝在螺母與連接板之間，通過(guò)測(cè)力傳感器即可得到螺栓的軸向預(yù)緊力，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)螺栓預(yù)緊力的目的，測(cè)力傳感器安裝如圖3 所示。考慮到傳感器承受軸向的壓力，可能會(huì)出現(xiàn)偏載產(chǎn)生彎矩，同時(shí)螺母與傳感器接觸面在旋進(jìn)的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的扭矩，全橋測(cè)試法具有橋臂系數(shù)大，且可以消除由于載荷偏心產(chǎn)生的附加彎矩對(duì)測(cè)量值的影響，本實(shí)驗(yàn)用全橋測(cè)試法對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量出的螺栓預(yù)緊力值調(diào)整預(yù)緊程序。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2. 1 預(yù)緊力變化

動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到螺栓的軸向力變化，可以看出螺栓預(yù)緊力在振動(dòng)狀態(tài)下的松弛過(guò)程。圖4 中橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表預(yù)緊力。試驗(yàn)施加的預(yù)緊應(yīng)力范圍σp = ( 0． 5 ～ 0. 6) σs，保證其在彈性變形階段，在位移振動(dòng)激勵(lì)下，螺栓預(yù)緊力初始基本保持不變，30 min 后開(kāi)始緩慢下降，表明螺栓出現(xiàn)了松動(dòng)，120 min 后快速下降，曲線斜率明顯變大，150 min 后曲線變化平緩，預(yù)緊力基本上不再變化，螺栓已經(jīng)松弛失效。與以往的試驗(yàn)結(jié)果［7］相比，預(yù)緊力并不是從一開(kāi)始就下降，而是經(jīng)歷了一段平穩(wěn)變化的過(guò)程，這是由于位移載荷與力載荷作用下預(yù)緊力變化的不同，而該階段的不同主要是由于摩擦系數(shù)的變化不同造成的。

在振動(dòng)載荷作用下，把螺栓預(yù)緊力的變化經(jīng)歷分為四個(gè)階段。

第一階段由于摩擦系數(shù)的增大，螺紋的螺旋形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了松弛力矩，外載荷作用下接觸面間的剪切力產(chǎn)生的松弛力矩與摩擦力矩是相平衡的，螺栓沒(méi)有松動(dòng)。該階段在以往的螺栓預(yù)緊力松弛分析研究中沒(méi)有出現(xiàn)，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是對(duì)連接結(jié)構(gòu)件整體采用位移加載振動(dòng)，而不是激振力振動(dòng)，引起螺栓松動(dòng)的剪切力由連接板的擠壓變形提供，該剪切力變化復(fù)雜且幅值較小。

第二階段由于摩擦系數(shù)的減小，摩擦力矩不足以克服松弛力矩，螺栓開(kāi)始松動(dòng)，軸向的應(yīng)變減小，螺栓的預(yù)緊力出現(xiàn)小幅下降。

第三階段螺紋副無(wú)法滿足自鎖條件而使螺母回轉(zhuǎn)，螺栓軸向應(yīng)變快速減小，預(yù)緊力也急劇下降。

第四階段螺栓已經(jīng)松弛失效，預(yù)緊力達(dá)到最小值。螺栓需要進(jìn)行擰緊，否則會(huì)影響連接件的剛度及緊密度，造成連接件分離，發(fā)生故障。

2. 2 螺紋嚙合面微觀分析

從圖5 中可以看到螺紋斜面在反復(fù)碾磨下產(chǎn)生磨屑碎片與劃痕，表面不光滑，這些區(qū)域越接近齒尖位置，磨損越嚴(yán)重。接觸滑動(dòng)產(chǎn)生的變形過(guò)程會(huì)產(chǎn)生滑移帶，滑移帶的移動(dòng)可能與雜質(zhì)相交，生成更多的位錯(cuò)，位錯(cuò)堆積的地方會(huì)形成微觀裂紋［8］，這些對(duì)摩擦系數(shù)都有一定的影響。

第一階段預(yù)緊力沒(méi)有變化，螺紋在接觸力作用下發(fā)生扭曲變形，尤其以齒尖處的接觸壓力最大，變形會(huì)使表面輕微磨損［9］，這些螺紋接觸面的磨損破壞導(dǎo)致了接觸表面摩擦因數(shù)的增大。

第二階段在接觸壓力及滑動(dòng)作用下螺紋表面發(fā)生塑性變形，塑性變形不斷地積累使得亞表面位錯(cuò)密度不斷增加，發(fā)生了位錯(cuò)堆積，當(dāng)位錯(cuò)與一些缺陷相遇時(shí)，便會(huì)形成空穴，隨著滑動(dòng)的繼續(xù)，局部的地方會(huì)發(fā)生劇烈的冷卻硬化現(xiàn)象，材料就會(huì)變得很脆，接觸表面的滑動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨屑顆粒，通常稱為第三體，由圖6 中可以看到，劃痕帶表面產(chǎn)生了許多裂紋，這些微裂紋相互擠壓、碎化并且漸漸貫通，表面就會(huì)呈顆粒狀脫落，磨屑的作用是它作為磨料加速表面損傷，又可以分開(kāi)兩表面減少接觸，第三體的出現(xiàn)引起摩擦力系數(shù)的下降。

第三階段滑動(dòng)產(chǎn)生了大量的磨屑并截留在螺紋表面之間，表面材料與磨屑相互摩擦，磨屑對(duì)粗糙的表面“拋光”，接觸表面變得光滑( 圖7) ，使得螺栓摩擦系數(shù)降低。

第四階段摩擦因數(shù)降到最小值并保持不變。

綜合以上分析，摩擦系數(shù)經(jīng)歷了先增大，后緩慢減小，又快速減小直到降到最低值的過(guò)程，摩擦因數(shù)的變化與松動(dòng)過(guò)程緊密聯(lián)系，控制摩擦因數(shù)的變化對(duì)于螺栓的防松設(shè)計(jì)有重要影響，在擰緊過(guò)程中使用潤(rùn)滑油非常有必要，以減少接觸表面的滑動(dòng)磨損。摩擦系數(shù)的不同變化是由于表面磨損情況決定的，以螺栓連接件建立有限元分析模型，對(duì)螺紋處的磨損原因進(jìn)行分析，進(jìn)而研究摩擦系數(shù)變化。

2. 3 嚙合表面有限元計(jì)算

通過(guò)有限元分析軟件得到螺紋表面的接觸壓力與剪切力。螺栓接觸面的滑動(dòng)與接觸面的法向應(yīng)力的分布與切向應(yīng)力的分布有關(guān)，法向應(yīng)力影響摩擦力，切向應(yīng)力影響滑動(dòng)。螺紋的牙型角是60°，螺紋斜面上牙型角方向的法向應(yīng)力σ1與切應(yīng)力τ1沿著螺紋斜面分布。螺紋的升角是3. 25°，螺旋升角方向斜面的法向應(yīng)力為σ2，切應(yīng)力為τ2。在螺紋的齒尖位置，受到較大的壓力與剪切力作用，壓力導(dǎo)致齒尖位置出現(xiàn)塑性變形，剪切力引起相互滑動(dòng)，在塑性變形與滑動(dòng)作用下，齒尖位置出現(xiàn)嚴(yán)重磨損跡象。從掃描電鏡圖像( 圖5) 也可以看到有明顯的磨損及裂紋，磨損情況的不同導(dǎo)致了摩擦系數(shù)變化不同。

圖10 中的曲線代表某一螺紋的根部、中部及齒尖處的橫向滑動(dòng)位移，在4 ～ 6 s內(nèi)施加了預(yù)緊力，在7 ～ 10 s 內(nèi)加載了3 mm 的位移載荷。可以看出螺紋表面的滑動(dòng)主要發(fā)生在螺紋面的齒尖位置與中部，而螺紋根部由于發(fā)生了彈性變形而導(dǎo)致其橫向滑動(dòng)位移沒(méi)有其它兩處的值大。這也解釋了掃描電鏡觀察下的螺紋形貌圖中，螺紋表面的中部與齒尖有明顯的滑動(dòng)磨損( 圖6) 。在壓力及滑動(dòng)作用下，齒尖位置受損嚴(yán)重，產(chǎn)生了大量的磨屑顆粒，螺紋中部的疲勞裂紋萌生并擴(kuò)展，這些因素均導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的下降。

3 結(jié)論

本文研究了共振狀態(tài)下螺栓的松動(dòng)行為，結(jié)論如下:

1) 位移振動(dòng)下的初始階段，螺栓預(yù)緊力沒(méi)有直接下降，而是經(jīng)歷了一段平穩(wěn)變化的過(guò)程，這段過(guò)程是由于摩擦系數(shù)的增大而沒(méi)有發(fā)生松弛。

2) 基于有限元分析結(jié)果對(duì)螺紋接觸表面的接觸力分布及相對(duì)滑動(dòng)分析，結(jié)合螺紋的掃描電鏡形貌圖，發(fā)現(xiàn)齒尖位置受到壓力最大; 中部及齒尖位置的滑動(dòng)現(xiàn)象比較明顯，壓力下的變形及滑動(dòng)導(dǎo)致這兩處的表面磨損加劇。

3) 磨損程度的不同而引起的摩擦因數(shù)的不同變化把松動(dòng)過(guò)程分為了四個(gè)不同的階段。第一階段，輕微的磨損破壞使得表面摩擦因數(shù)增大; 第二階段，微裂紋貫通導(dǎo)致材料脫落而磨屑產(chǎn)生，磨屑引起摩擦因數(shù)的下降; 第三階段，接觸表面截留大量的磨屑，而磨屑對(duì)粗糙表面有“拋光”作用，接觸表面變得光滑，因而摩擦因數(shù)快速下降。第四階段，摩擦因數(shù)降到最低值，螺栓已完全松動(dòng)。