橫向振動作用下螺紋聯(lián)接松動過程的實(shí)驗(yàn)研究

2022-11-29

螺紋聯(lián)接在聯(lián)接件間產(chǎn)生夾緊力，具有結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械零部件的聯(lián)接。螺紋聯(lián)接在振動載荷下工作時，易發(fā)生松動，導(dǎo)致預(yù)緊力的降低甚至聯(lián)接的失效^[1]。振動載荷按照其作用方向可分為4類：沿螺栓軸向的拉壓力、垂直于螺栓軸向的剪切力(橫向載荷)、 沿螺栓軸向的扭矩以及垂直于螺栓軸向的扭矩。Junker^[2]的研究表明，相對于其他3類振動載荷，橫向振動載荷對螺紋聯(lián)接的松動影響最大。橫向振動作用下螺紋聯(lián)接的松動過程伴隨著螺母與螺桿沿?cái)Q松方向的相對轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)有的研究針對橫向振動如何引起螺母與螺桿之間的相對轉(zhuǎn)動這個問題主要提出了3種解釋：

1) 根據(jù)螺紋聯(lián)接的滑塊-斜坡模型^[3]，在同樣的夾緊力作用下，擰緊螺母所需要的力矩大于擰松螺母所需要的力矩。不少學(xué)者^{[4, 5, 6, 7]}認(rèn)為該力矩差的存在是螺紋聯(lián)接在振動載荷作用下松動的原因。

2) Junker^[2]最早提出螺紋聯(lián)接受橫向振動作用時，其周向(擰松方向)的摩擦系數(shù)會變小，從而失去自鎖功能，發(fā)生滑移并松動。Sakai^[8]通過理論計(jì)算表明，橫向振動作用下螺紋聯(lián)接接觸面間發(fā)生周向滑移時其摩擦系數(shù)約為0.03，而在不受橫向振動作用時其摩擦系數(shù)約為0.15。

3) 橫向振動作用下螺母與螺桿之間的相對轉(zhuǎn)動是摩擦副的塑性變形造成的^{[9, 10, 11, 12]}。Haviland^[13]進(jìn)一步指出，材料的棘輪效應(yīng)是引起橫向振動作用下螺紋聯(lián)接松動的原因。棘輪效應(yīng)是指在循環(huán)應(yīng)力加載條件下塑性應(yīng)變的循環(huán)累積現(xiàn)象^[14]。

振動載荷作用下螺紋聯(lián)接的松動是一個多階段的復(fù)雜過程，現(xiàn)有研究對其機(jī)理的認(rèn)識仍然不夠深入。目前，較少有研究定量地描述夾緊力的衰減過程，也鮮有學(xué)者對夾緊力在單個振動周期內(nèi)的變化進(jìn)行研究。本研究改造了Junker橫向振動試驗(yàn)機(jī)，以改造后的試驗(yàn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺研究了橫向振動作用下螺紋聯(lián)接夾緊力衰減的過程，并研究了單個振動周期內(nèi)夾緊力與橫向振動位移的同步變化關(guān)系。通過對夾緊力衰減曲線的數(shù)值擬合分析，本研究提出了描述夾緊力衰減過程的模型函數(shù)，并結(jié)合該模型函數(shù)分析了橫向振動作用下螺紋聯(lián)接松動的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)概況

Junker橫向振動試驗(yàn)機(jī)能模擬螺紋聯(lián)接在橫向交變載荷作用下的松動過程^[15]。圖1是在 Junker 橫向振動試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行螺紋聯(lián)接松動實(shí)驗(yàn)的示意圖。如圖1所示，螺紋聯(lián)接的下連接板固定，上下連接板之間通過滾針軸承連接。實(shí)驗(yàn)開始前擰緊螺母，使得螺母與螺栓頭之間夾緊，該夾緊力在數(shù)值上等于螺桿所受軸向力。夾緊力通過安裝在螺栓頭與下連接板之間的壓力傳感器測量得到。實(shí)驗(yàn)中，由具有調(diào)速機(jī)構(gòu)的電動機(jī)驅(qū)動可調(diào)偏心距的連桿產(chǎn)生橫向往復(fù)運(yùn)動(振動)，并通過橫向傳遞裝置將往復(fù)運(yùn)動傳遞至上連接板。由于上連接板相對于下連接板的運(yùn)動只需克服很小的滾動摩擦力，因而上連接板的橫向振動阻力主要來自于螺母與上連接板之間的剪切力以及螺桿的彎曲變形力。實(shí)驗(yàn)過程中記錄夾緊力的變化。夾緊力的衰減曲線反映了螺紋聯(lián)接的松動過程。

為了精確測量單個振動周期內(nèi)夾緊力的變化，對Junker橫向振動試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了如下的改造：1) 增加了圖1中上連接板橫向位移的測量。橫向位移采用電渦流位移傳感器測量。2) 實(shí)現(xiàn)了橫向振動過程中螺紋聯(lián)接夾緊力與橫向位移之間的同步測量。夾緊力與橫向位移均由數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6251采集，采樣頻率為1 kHz。

橫向振動實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 10431－2008 緊固件橫向振動實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。螺栓與螺母樣品分別為同批次的M16×110-8.8 粗牙六角頭螺栓與M16-10粗牙六角螺母，不使用墊片。實(shí)驗(yàn)前將螺母及螺栓在丙酮溶液中超聲波清洗30 min，以除去螺紋及螺栓表面的油脂。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：橫向振動的頻率為12.5 Hz；振幅分別為0.4、 0.8、 1.2、 1.6、 2.0 mm；對每一個振幅值，進(jìn)行預(yù)緊力(即初始夾緊力)分別為50、 40、 30、 20 kN的松動實(shí)驗(yàn)。預(yù)緊力的選擇依據(jù)如下：國標(biāo)緊固件的扭矩-夾緊力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 16823.3—2010)規(guī)定，為了防止螺紋聯(lián)接整體的塑性變形，試驗(yàn)力不應(yīng)超過保證載荷的75%。M16螺栓的保證載荷為91.1 kN，在本實(shí)驗(yàn)的預(yù)緊力作用下(靜態(tài))，螺紋聯(lián)接不會發(fā)生整體的塑性變形。此外，本研究所有實(shí)驗(yàn)中螺紋聯(lián)接的各摩擦副均處于干摩擦狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 松動曲線的特征與擬合

圖2a與2b所示為不同實(shí)驗(yàn)條件的橫向振動作用下螺紋聯(lián)接的松動曲線。由圖2a可見，夾緊力在松動初期經(jīng)歷了快速衰減，之后進(jìn)入緩慢的線形衰減階段。當(dāng)振動次數(shù)足夠大時，螺栓疲勞斷裂。圖2b所示為前3 000個振動周期內(nèi)夾緊力曲線在Y方向放大后的觀察結(jié)果，可見夾緊力呈現(xiàn)出波動式衰減，但整體上不是線性衰減。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對夾緊力線性衰減的機(jī)制已經(jīng)有了深入的研究^{[16, 17]}，但對松動初期夾緊力非線性快速衰減的機(jī)制則較少關(guān)注。松動初期指的是夾緊力進(jìn)入近似線性衰減階段之前的松動階段(如圖2a所示)。本研究采用數(shù)據(jù)處理軟件Origin對松動初期夾緊力變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析。如圖2b所示，擬合分析表明在松動初期夾緊力的衰減可以用雙指數(shù)函數(shù)描述，

式中： F表示夾緊力，N表示振動次數(shù)，A、 B、 D、 τ₁、 τ₂為模型函數(shù)的參數(shù)。式(1)表明松動初期存在兩個指數(shù)衰減過程： A·e^-N/τ₁主導(dǎo)了圖2b中最初的幾個至幾十個振動周期內(nèi)夾緊力的急速衰減，B·e^-N/τ₂主導(dǎo)了夾緊力在隨后的振動過程中相對緩慢的非線性衰減。 A·e^-N/τ₁與B·e^-N/τ₂可能分別反映了橫向振動作用下螺紋聯(lián)接的應(yīng)變松弛過程與摩擦副的磨合(running-in)過程(將在第3節(jié)進(jìn)一步討論)。

在式(1)中增加一個線性項(xiàng)就可以描述夾緊力在更長振動時間內(nèi)的衰減過程，

式中，C為線性衰減系數(shù)。

2.2 振幅與預(yù)緊力對松動曲線特征的影響

圖3以預(yù)緊力為50 kN的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，顯示了橫向振幅對松動曲線的影響?？梢?，振幅越大，夾緊力曲線波動越大，且夾緊力衰減越快。使用式(2)對圖3中各曲線進(jìn)行擬合(擬合曲線見圖3)，得到的模型函數(shù)各參數(shù)列于表1。由表1可以看出，參數(shù)A、 B、 C隨著振幅的增加而增加，亦即振幅越高，指數(shù)函數(shù)衰減的幅值越大且線性衰減的斜率越大；相應(yīng)地，參數(shù)D隨著振幅的增加而減少。此外，從表1不能看出振幅對式(1)中指數(shù)衰減的時間常數(shù)τ₁、 τ₂的影響規(guī)律。

圖4以振幅為0.4 mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,顯示了預(yù)緊力對松動曲線的影響。可見，預(yù)緊力越小，松動初期夾緊力衰減的幅值越大。使用式(2)對圖4所示的松動曲線進(jìn)行擬合分析，擬合得到的模型函數(shù)各參數(shù)列于表2。表2總體上反映出，預(yù)緊力越大，參數(shù)A、 B、 C的值越小。從表2不能看出預(yù)緊力對指數(shù)衰減的時間常數(shù)τ₁、 τ₂的影響規(guī)律。

參數(shù)A、 B、 C反映了松動初期夾緊力的衰減量及衰減速率。橫向振幅與預(yù)緊力對參數(shù)A、 B、 C的影響可以直觀地理解為：從橫向振動實(shí)驗(yàn)的原理(圖1)來看，振幅越大，則施加在螺母上的橫向剪切力與松動力矩越大，因而夾緊力衰減越快；而預(yù)緊力越小，則螺紋聯(lián)接摩擦副的摩擦阻力越小，因而螺母更容易克服摩擦阻力發(fā)生松動方向的轉(zhuǎn)動。

表1與2中有個別數(shù)據(jù)點(diǎn)(以下劃線標(biāo)明)與整體的趨勢不相符合，這反映了對松動曲線進(jìn)行定量研究的困難。本研究比較了預(yù)緊力分別為50、 40、 30、 20 kN，振幅分別為0.4、 0.8、 1.2、 1.6、 2.0 mm 實(shí)驗(yàn)條件下的松動曲線的擬合參數(shù)?？傮w而言，模型函數(shù)參數(shù)A、 B、 C的值隨振幅與預(yù)緊力的變化規(guī)律與上文所述是一致的；而時間常數(shù)τ₁、 τ₂的值隨振幅與預(yù)緊力的變化規(guī)律目前尚不清楚。

2.3 單個周期內(nèi)夾緊力的變化

圖5所示為單個振動周期內(nèi)夾緊力與橫向位移的同步變化關(guān)系。單個振動周期的起點(diǎn)定義為上連接板(圖1)位于原點(diǎn)并且向右運(yùn)動的時刻。上連接板的位置由位移傳感器測得(如圖5b所示)。圖5c表明，在橫向振動實(shí)驗(yàn)剛開始時夾緊力快速單調(diào)衰減(圖5c中第3、 4個周期所示)。第3個振動周期內(nèi)，夾緊力減少量高達(dá)1 kN。經(jīng)過最初的快速衰減之后，夾緊力在單個周期內(nèi)隨著橫向位移的變化而交替增加或減少。在單個振動周期內(nèi)夾緊力與橫向振動的位移之間沒有表現(xiàn)出恒定的相關(guān)性(如圖5c中第89、 90個周期所示)。

圖5 不同振動周期內(nèi)夾緊力與振動角橫向位移(φ)的關(guān)系 (預(yù)緊力15 kN，振幅1.6 mm)

3 討 論3.1 夾緊力衰減函數(shù)的解讀

本研究表明，橫向振動作用下螺紋聯(lián)接的松動初期是一個呈指數(shù)衰減的過程。式(1)由兩個指數(shù)函數(shù)構(gòu)成，是描述松動初期夾緊力變化的初步模型函數(shù)。指數(shù)函數(shù)A·e^-N/τ₁可能反映了螺栓與摩擦界面材料發(fā)生應(yīng)變松弛所引起的快速松動。應(yīng)變松弛會導(dǎo)致夾緊力的減少。施剛等^[18]的研究表明，在靜態(tài)條件下，螺紋聯(lián)接擰緊后螺栓會發(fā)生應(yīng)變松弛，在實(shí)驗(yàn)初期，應(yīng)變減小較快，而隨著時間增長，應(yīng)變的減少越來越慢，最后趨于穩(wěn)定。施剛等^[18]觀察到的靜態(tài)條件下的應(yīng)變松弛過程與本研究觀察到的橫向振動作用下夾緊力的衰減過程具有相似性。而且，橫向振動條件下，應(yīng)變松弛不僅發(fā)生在受拉伸應(yīng)力作用的螺栓上，也發(fā)生在受剪切應(yīng)力作用的螺紋聯(lián)接摩擦副材料上。橫向振動提供的能量輸入能夠克服應(yīng)變松弛的能壘，從而加速應(yīng)變松弛的發(fā)生。

式(1)指數(shù)函數(shù)B·e^-N/τ₂可能反映了橫向振動作用下螺紋聯(lián)接摩擦副在松動初期的磨合過程。在磨合階段，螺紋聯(lián)接摩擦界面的粗糙峰發(fā)生交替的塑性變形，由于棘輪效應(yīng)^[14]，塑性變形累積式增加，使得粗糙峰平坦化，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)變小。經(jīng)過松動初期的磨合，摩擦系數(shù)才趨于穩(wěn)定。如圖2b與圖3所示，夾緊力在松動初期呈波動式減少，這可能是由于在橫向振動引起的外加驅(qū)動力矩的作用下摩擦界面因摩擦系數(shù)減少而發(fā)生整體滑移，并導(dǎo)致夾緊力快速減少。為了驗(yàn)證以上關(guān)于松動初期的磨合過程的假說，今后需要對螺紋聯(lián)接摩擦副在橫向振動過程中的摩擦系數(shù)進(jìn)行動態(tài)測量。

從單個振動周期來看，夾緊力隨著橫向位移的變化而交替地增加或減少(圖5)，這表明螺紋聯(lián)接在振動過程中發(fā)生了交替的擰緊與擰松過程。螺紋聯(lián)接在擰緊過程中，擰緊力矩T _f與夾緊力F之間滿足^[3]

將式(3)與(4)相減可知，在相同的夾緊力下，總是有T _f＞T _l。橫向振動作用下只要作用在螺母上的驅(qū)動力矩大于擰松力矩T _l，螺母在一個振動周期內(nèi)擰松量必大于擰緊量，從而造成夾緊力的減少。這個機(jī)理已經(jīng)被其他研究者所認(rèn)識^{[4, 5, 6, 7]}。式(3)與(4)只適用于靜態(tài)的擰緊與擰松過程，不能通過單個振動周期內(nèi)外加力矩的變化推導(dǎo)出夾緊力的變化。

目前，鮮有研究關(guān)注單個周期內(nèi)夾緊力隨位移的變化規(guī)律。Nassar與Housari^{[16, 17]}假定橫向振動作用下螺紋聯(lián)接摩擦界面的摩擦系數(shù)恒定，推導(dǎo)出單個振動周期內(nèi)施加于螺母上的力矩與橫向振動的位移之間存在恒定的關(guān)系。然而，圖5表明，單個振動周期內(nèi)夾緊力與橫向位移之間沒有恒定的相關(guān)性。這可能說明單個振動周期內(nèi)，由于螺紋聯(lián)接摩擦界面材料的粘彈性變形以及接觸狀況的動態(tài)變化，摩擦系數(shù)μ _t與μ _b并不是恒定值。

4 結(jié) 論

1) 橫向振動作用下螺紋聯(lián)接的松動過程可用雙指數(shù)函數(shù)來擬合：F=A · e^－N/τ1+B·e^－N/τ₂+C·N+D。式中： F為夾緊力，N為振動次數(shù)，A、 B、 C、 D、 τ₁、 τ₂為模型函數(shù)的參數(shù)。式中的指數(shù)函數(shù)部分描述了松動初期夾緊力衰減的特點(diǎn)。

2) 橫向振動的振幅越大，模型函數(shù)的參數(shù)A、 B、 C的值越大；預(yù)緊力越小，參數(shù)A、 B、 C的值越大。振幅與預(yù)緊力對模型函數(shù)的時間常數(shù)τ₁、 τ₂的影響目前尚不清楚。