在动态载荷如振动、冲击以及循环载荷等作用下,常常会导致螺栓松动,螺栓松动是螺栓连接结构的主要失效形式,其不仅会引发机械异响或介质泄漏等问题,甚至还会造成严重的工业事故。
由于松动机理复杂且松动过程监测困难,至今尚未形成统一全面的认识。本节将通过螺栓松动理论、松动试验、松动仿真以及防松措施这4个方面进行论述。
1.1 螺栓松动理论
螺栓的松动过程一般都是非线性的,往往是螺纹的接触部位发生微观滑动现象,然后渐渐转化为宏观的松动现象。
精确测量螺栓松动和研究螺栓松动机理是预测螺栓松动的前提,但是受技术条件以及观测难度等因素限制,迄今为止还未能形成很好的直接监测螺栓松动的方法。关于螺栓松动机理也一直是人为假设,没有夯实的理论支撑。公众号《机械工程文萃》,工程师的加油站!
螺栓主要是在横向载荷下发生松动失效,失效原因有以下解释:
如图1(a)所示,当一个物块在平面上时,若需要将它移动,则可以在1方向施加一个能够克服最大摩擦力(μmg)的力,但是如果当2方向有这样的一个力,那么1方向只需要提供很小的力就可以推动物块。
如图1(b)所示,当物块在斜面上时,由于倾斜角度小于摩擦角,所以物块有自锁作用,不会向下滑动。但是如果给物块施加一个横向激励,那么物块就会在重力的作用下向下滑动。
螺栓松动就类似于这样的过程,只不过重力类似于螺栓预紧力、轴向载荷等一些轴向力,横向激励类似于螺栓的横向载荷。Jiang等通过螺栓接头扭转疲劳试验验证了螺栓接头松动主要是由接触表面上的微滑动造成的。
螺栓松动还可以用能量理论来解释。Yamamoto 等认为螺栓的拧紧、松动与能量有关,本质上是能量的聚集与耗散,认为螺栓在拧紧时注入了多余的能量,而当螺纹副之间发生相对滑动时,多余的能量被释放出来,螺栓开始反向转动。
为了从能量角度更加深入地研究螺栓松动原理,Andrew等研究发现螺栓的能量耗散程度与螺纹接触面的粗糙程度、外载荷作用形式、外载荷频率以及幅值有关。
1.2 螺栓松动试验
螺栓松动主要由横向载荷引起,因此研究螺栓松动主要考虑横向载荷对螺栓的影响,但也有专家学者就轴向载荷对螺栓松动的影响进行了研究。所以本节将螺栓松动试验分为横向载荷与轴向载荷2种形式分别叙述。
图 1 螺栓松动机理解释模型
1.2.1 横向载荷下的螺栓松动试验
关于横向载荷对螺栓松动的影响,最早由Junker率先对横向载荷下的螺栓松动进行了研究,设计了Junker横向振动试验机,并利用此试验机对螺栓进行了横向振动试验。
通过分析螺栓接头残余预紧力的大小,提出螺栓受到横向载荷(或横向位移)时,螺栓更容易发生松动,即横向激励是螺栓松动的最大影响因素。Junker的研究为横向振动下的螺栓松动理论奠定了基础,他所设计的紧固件横向振动试验机与试验方法沿用至今。
Yamamoto等首先发现螺栓螺杆在横向振动下会发生扭转变形,当扭转变形累积到一定程度后,螺杆会发生回转,从而导致螺栓松动。
Chang等提出螺栓的松动可分为材料松动期与结构松动期2个阶段,并且发现螺栓塑性变形会引起螺栓预紧力的下降。
国内专家学者也对横向载荷下的螺栓松动过程进行了深入的研究。李海江等对横向振动下的螺栓松动过程进行了试验研究,发现在松动初期,预紧力与横向振动次数之间满足双指数函数关系,且振动位移幅值越大,螺栓越容易松动。
姜世霖等在此基础上,研究发现横向振动频率对松动的影响较小,横向位移幅值是影响螺栓松动的主要因素。并且进一步发现横向位移幅值存在门槛值,在低于某个幅值的振动下,螺栓不会发生松动,在达到疲劳寿命后,直接发生疲劳断裂。以上试验结果表明,横向位移幅值是螺栓松动的主要原因。
1.2.2 轴向载荷下的螺栓松动试验
由于轴向载荷对螺栓具有自锁作用,在弹性范围内,螺栓张紧力并不会持续降低,只是在一定范围内波动,所以研究螺栓在轴向载荷作用下的松动大多是集中在塑性变形及微动磨损方面。
Ibrahim等进一步研究了螺栓松动原因,发现螺栓在轴向振动下,螺纹接触面间会发生磨损,而磨损会导致螺栓张紧力下降,进一步导致摩擦力下降,在这种相互负反馈的作用下,螺栓连接开始松动。
此外,Liu等还进行了L型短柱螺栓接头在周期性弯曲与轴向载荷下的松动试验和数值计算。结果发现,随着激励大小、偏心率、螺纹损坏、自松程度以及初始预紧力的增加,螺纹的损坏和自松弛的程度减小。
以上螺栓松动试验研究直观地反映了螺栓在不同载荷形式下的松动问题,研究横向载荷时往往都是基于横向振动试验机进行的。
目前主要是国外专家学者通过试验研究轴向载荷对螺栓松动的影响因素,其中横向载荷与轴向载荷施加形式基本都是循环载荷,但是循环载荷却不仅限于轴向和横向,还有诸如偏心载荷、弯曲载荷等,可以在未来进行更好地研究。
以后还可以开展螺栓在随机载荷作用下的松动试验,以更好地贴近螺栓实际运用中的松动问题。
1.3 螺栓连接松动仿真
由于螺栓接头接触面是封闭的,很难时时监测螺栓受力及失效过程,螺栓的试验研究也仅限于得到螺栓松动试验结果,而很难监测到螺栓具体的松动过程。所以针对这种情况,有必要利用有限元仿真来模拟螺栓松动失效形式,分析螺栓松动过程,找出松动原因并提出理论假设。
螺栓有限元建模方法主要分为有限元数值建模和理论建模两方面,目前对螺栓的建模方法主要集中在有限元数值建模上。
巩浩等通过多种有限元仿真对比,发现除了塑性变形和螺纹间相对旋转外,应力再分布是导致预紧力衰退的另一个重要原因,并且提出了螺栓预紧力衰退曲线的3个阶段:第1阶段为非线性快速衰退;第2阶段为预紧力线性衰退;第3阶段为螺栓发生疲劳断裂,预紧力快速降至0。
邬杰等通过精细化数值模型研究了不同因素对螺栓连接结构横向松动寿命的影响,发现横向力与预紧力对旋转松动刚度的影响是单调递减的,螺纹面摩擦因数对旋转松动刚度的影响是单调递增的。
此外,发现采用线性的松动寿命预测函数评估螺栓连接结构服役寿命具有较高精度。Zhang等建立了螺纹表面磨损轮廓演变的有限元模型,结果表明,螺纹之间接触应力的变化会导致预紧力逐渐减小,从而产生微动磨损。
Nassar等基于微分方程和试验提出了一种数学模型来研究螺栓松动,发现对于同样的载荷幅值,频率越低可能会使螺栓更容易松动。
Samantaray等进行了螺栓接头的三维有限元分析,研究了静态载荷对螺栓连接杆结构的完整性、挠度性能、螺母和螺栓的松动以及变形特性的影响,以提高轨道接头的性能和延长预期寿命。
有限元仿真可以高效精确地模拟螺栓失效,是验证理论假设、佐证试验规律的有利工具。
上述几种模型都属于螺栓精细化模型,运用了能量法、数值模型、微分法等多种建模方法,可以很好地模拟螺栓松动失效。
1.4 螺栓防松措施
螺栓防松措施有很多,大致可以分为保持预紧力、破坏螺纹副运动关系、摩擦防松等。
1.4.1 保持预紧力
保持预紧力是最直接的螺栓防松方法。Ding等提出保持足够的螺栓拉力,从而保持初始预紧力,使接头和螺杆更紧密地配合,可以防止接头在弯曲时丧失结构完整性。
Liu等将MoS2作为涂层涂在螺栓上以保持螺栓预紧力,发现此方法具有很好的防松效果。
1.4.2 破坏螺纹副运动关系
防止接触面相对滑移是从载荷输入的方面考虑防松,此方法破坏螺栓螺纹关系,不可拆卸,适用于永久性连接中。包括:
(1) 焊接,将螺母焊接于螺杆上;
(2) 冲点,用冲头在螺杆末端与螺母面旋合缝处打冲,利用冲点防松;
(3) 涂胶粘剂,在螺纹副间涂液体胶粘剂,胶粘剂固化后能防止螺母转动;
(4) 铆合,螺栓拧紧后将螺杆末端伸出螺母的部分铆死,阻止螺栓松动。
1.4.3 摩擦防松
唐氏螺纹(图2)属于摩擦防松,它同时具有左旋螺纹和右旋螺纹,在装配时,可以同时安装2个不同旋向的螺母,先安装右旋螺母,之后再安装左旋螺母。当发生松动时,2个螺栓的旋转方向相反,可以相互约束。试验测得这种螺栓结构具有较好的防松效果。公众号《机械工程文萃》,工程师的加油站!
螺栓松动是螺栓失效的主要原因之一,目前主要基于能量理论来解释螺栓松动机理,认为螺栓的预紧和松动是能量的聚集与耗散过程。
在分析造成能量耗散以及松动的原因时,一般认为横向载荷是造成松动的主要原因,并且载荷频率与松动关系并不大,而载荷幅值会对松动产生较大的影响,所以现阶段的研究更多集中在载荷幅值、加载形式等。
由于螺栓工作区域很难监测,所以在分析松动具体过程时,有限元模型可以很好地帮助模拟,并有望成为未来螺栓研究的主流方法。
图 2 唐氏螺纹