基于横向振动试验的螺纹联接临界松动研究

覃雄臻 仝家鹏 覃佳亮 占 魁

（1．上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2．武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

0 前言

横向载荷是螺纹联接发生旋转松动的主要原因，20 世纪60 年代Junker[1]发明了一种能够模拟加载横向载荷的试验仪器，可以用来检测螺纹联接结构的防松性能—横向振动试验机，通过分析比较各因素的变化曲线来评价防松性能的优劣。李维荣[2]研究了螺纹紧固件防松技术和试验方法。Jiang等人[3]研究发现，外部横向载荷存在临界值，当载荷低于该临界值时，螺栓不发生松动。该临界值对机械结构设计中螺栓型号的选取具有重要的实用价值。Dinger 等人[4]报告称，对于特定的螺栓接头，引起松动的横向位移可能低至0.55 mm，而与完全支承面滑动相对应的值为0.86 mm。刘传波等人[5]研究了螺纹紧固件防松性能的影响因素。该文通过制定横向振动试验方案，获得参数组合（紧固件尺寸、材料、摩擦系数、载荷大小、方向、频率，装配结构等）对旋转松动的影响规律，以找到螺纹联接的临界松动条件。

1 横向振动试验原理与方案

试验原理：将样件通过拧紧装置拧紧在指定位置，使螺纹联接结构在该过程中将输入扭矩转化为目标预紧力。以偏心载荷系统产生使金属板间发生横向交变位移的载荷，振动过程中联接结构预紧力逐渐减小，记录夹紧衰减的瞬时值。横向振动试验机的原理图与实物图如图1 和图2 所示。

图1 横向振动试验机原理图

试验方案：首先，确定不同的螺栓材料、规格尺寸、预紧力、摩擦系数、振幅的参数组合。其次，振动一定次数，连续记录夹紧力衰减情况。再次，如果发生旋转松动，减小振幅，如果不发生旋转松动，则增大振幅，直至找到最小的振幅范围。最后，分析试验结果，得出横向载荷下临界松动的参数组合。

图2 横向振动试验机实物图

2 横向振动试验与结果

根据以上试验方案，分为A-D 四组进行，选用10.9 级螺栓，尺寸规格分别为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，螺母选用相对应的规格型号，振动频率选择12.5 Hz，初始预紧力选择70%屈服预紧力。由各自不同时刻的剩余轴力绘制剩余轴力占初始轴力百分比随时间的变化曲线，如图3 所示。观察可知：施加不同预紧力，其残余预紧力各自不同，而初始轴力为36 kN 时剩余轴力占初始轴力百分比最高，约为92.09%，说明其防松效果较好，其次是28 kN、25 kN、20 kN、12 kN、42 kN。而经拧紧试验测得螺栓的屈服紧固轴力约为40 kN，因此在螺栓的屈服轴向力范围内，随着螺栓初始预紧力的增大，其防松性能增强，而当螺栓的初始预紧力超过螺栓的屈服轴向力时，螺栓连接的防松能力显著下降，因为此时螺栓发生了屈服，其紧固扭矩会发生严重衰减，螺栓在横向振动下极易松动。对试验数据进一步分析，绘制最终轴力占初始轴力百分比随初始轴力大小的变化曲线，如图4 所示，当初始预紧力在螺栓屈服预紧力30%～50%，螺栓的材料利用率较低，其防松性能还有较大的提升空间，而在50%～90%，螺栓的材料利用率较高，且随着初始预紧力的增大，其防松性能的提升幅度已不再显著，因此初始预紧力在螺栓屈服预紧力的50%～70%为宜，这样即可实现较好的防松效果，又能实现较好的材料利用率。各组参数组合重复试验3 次，试验结果取平均值，见表1。

表1 试验结果

图3 不同初始预紧力作用下螺栓连接的防松性能

图4 最终剩余轴力百分比随初始轴力大小变化曲线

3 试验结果分析与临界条件提取

根据试验结果分析可知：A 组中编号A-1 预紧力无衰减，其他3 组均衰减至2 kN 以下，视为松动失效，则A 组临界松动振幅为0.1 mm。B、C、D 3 组中B-1、C-1、D-1 组预紧力衰减量在1%以内，B-2、C-2、D-2 预紧力衰减在5%以内，其他组的预紧力均衰减至2 kN 以下，考虑仪器测量误差产生的波动，认为第2 组试验的载荷更接近于临界振幅，因此B、C、D 3组的临界松动振幅分别为0.2 mm、0.4 mm 和0.6 mm。各种螺栓规格的临界松动参数组合见表2。按照此方法，可以得到更多参数组合的试验数据，从而得到更全面、准确的临界参数组合方案，为工程实际提供设计依据与借鉴价值。

表2 横向载荷下的临界松动参数组合

4 结语

该文根据横向振动试验原理制定了获取螺纹联接临界松动条件的试验方案，获得紧固件尺寸、材料，摩擦系数，载荷大小、方向、频率，装配结构等参数对旋转松动的影响规律（预紧力衰减量、百分比及曲线），通过分析试验结果，找到了各参数组合的临界松动条件。随着试验数据的不断积累，按照该文所提方法能够得到更全面、准确的临界参数组合方案，为工程实际提供设计依据与借鉴意义。