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橫向振動(dòng)作用下螺紋聯(lián)接松動(dòng)過(guò)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(jiǎn)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(dòng)載荷下工作時(shí)，易發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)緊力的降低甚至聯(lián)接的失效[1]。振動(dòng)載荷按照其作用方向可分為4類(lèi)：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(duì)于其他3類(lèi)振動(dòng)載荷，橫向振動(dòng)載荷對(duì)螺紋聯(lián)接的松動(dòng)影響最大。橫向振動(dòng)作用下螺紋聯(lián)接的松動(dòng)過(guò)程伴隨著螺母與螺桿沿?cái)Q松方向的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。現(xiàn)有的研究針對(duì)橫向振動(dòng)如何引起螺母與螺桿之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)問(wèn)題主要提出了3種解釋?zhuān)?/span>
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(dòng)載荷作用下松動(dòng)的原因。
2) Junker[2]最早提出螺紋聯(lián)接受橫向振動(dòng)作用時(shí)，其周向(擰松方向)的摩擦系數(shù)會(huì)變小，從而失去自鎖功能，發(fā)生滑移并松動(dòng)。Sakai[8]通過(guò)理論計(jì)算表明，橫向振動(dòng)作用下螺紋聯(lián)接接觸面間發(fā)生周向滑移時(shí)其摩擦系數(shù)約為0.03，而在不受橫向振動(dòng)作用時(shí)其摩擦系數(shù)約為0.15。
3) 橫向振動(dòng)作用下螺母與螺桿之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接松動(dòng)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(dòng)載荷作用下螺紋聯(lián)接的松動(dòng)是一個(gè)多階段的復(fù)雜過(guò)程，現(xiàn)有研究對(duì)其機(jī)理的認(rèn)識(shí)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(guò)程，也鮮有學(xué)者對(duì)夾緊力在單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的變化進(jìn)行研究。本研究改造了Junker橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以改造后的試驗(yàn)機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了橫向振動(dòng)作用下螺紋聯(lián)接夾緊力衰減的過(guò)程，并研究了單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力與橫向振動(dòng)位移的同步變化關(guān)系。通過(guò)對(duì)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(guò)程的模型函數(shù)，并結(jié)合該模型函數(shù)分析了橫向振動(dòng)作用下螺紋聯(lián)接松動(dòng)的機(jī)理。
1 實(shí)驗(yàn)概況
Junker橫向振動(dòng)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(dòng)過(guò)程[15]。圖1是在 Junker 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行螺紋聯(lián)接松動(dòng)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(guò)滾針軸承連接。實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(guò)安裝在螺栓頭與下連接板之間的壓力傳感器測(cè)量得到。實(shí)驗(yàn)中，由具有調(diào)速機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)偏心距的連桿產(chǎn)生橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))，并通過(guò)橫向傳遞裝置將往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞至上連接板。由于上連接板相對(duì)于下連接板的運(yùn)動(dòng)只需克服很小的滾動(dòng)摩擦力，因而上連接板的橫向振動(dòng)阻力主要來(lái)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(guò)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(dòng)過(guò)程。
為了精確測(cè)量單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力的變化，對(duì)Junker橫向振動(dòng)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(cè)量。橫向位移采用電渦流位移傳感器測(cè)量。2) 實(shí)現(xiàn)了橫向振動(dòng)過(guò)程中螺紋聯(lián)接夾緊力與橫向位移之間的同步測(cè)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(dòng)實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 10431－2008 緊固件橫向振動(dòng)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(dòng)的頻率為12.5 Hz；振幅分別為0.4、 0.8、 1.2、 1.6、 2.0 mm；對(duì)每一個(gè)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(dòng)實(shí)驗(yàn)。預(yù)緊力的選擇依據(jù)如下：國(guó)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(guò)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(huì)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(dòng)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接的松動(dòng)曲線。由圖2a可見(jiàn)，夾緊力在松動(dòng)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(dòng)次數(shù)足夠大時(shí)，螺栓疲勞斷裂。圖2b所示為前3 000個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力曲線在Y方向放大后的觀察結(jié)果，可見(jiàn)夾緊力呈現(xiàn)出波動(dòng)式衰減，但整體上不是線性衰減。
現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)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(duì)松動(dòng)初期夾緊力非線性快速衰減的機(jī)制則較少關(guān)注。松動(dòng)初期指的是夾緊力進(jìn)入近似線性衰減階段之前的松動(dòng)階段(如圖2a所示)。本研究采用數(shù)據(jù)處理軟件Origin對(duì)松動(dòng)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(dòng)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(dòng)次數(shù)，A、 B、 D、 τ1、 τ2為模型函數(shù)的參數(shù)。式(1)表明松動(dòng)初期存在兩個(gè)指數(shù)衰減過(guò)程： A·e-N/τ1主導(dǎo)了圖2b中最初的幾個(gè)至幾十個(gè)振動(dòng)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(dòng)過(guò)程中相對(duì)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接的應(yīng)變松弛過(guò)程與摩擦副的磨合(running-in)過(guò)程(將在第3節(jié)進(jìn)一步討論)。
在式(1)中增加一個(gè)線性項(xiàng)就可以描述夾緊力在更長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間內(nèi)的衰減過(guò)程，
式中，C為線性衰減系數(shù)。
2.2 振幅與預(yù)緊力對(duì)松動(dòng)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(duì)松動(dòng)曲線的影響。可見(jiàn)，振幅越大，夾緊力曲線波動(dòng)越大，且?jiàn)A緊力衰減越快。使用式(2)對(duì)圖3中各曲線進(jìn)行擬合(擬合曲線見(jiàn)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(duì)式(1)中指數(shù)衰減的時(shí)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(duì)松動(dòng)曲線的影響。可見(jiàn)，預(yù)緊力越小，松動(dòng)初期夾緊力衰減的幅值越大。使用式(2)對(duì)圖4所示的松動(dòng)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(duì)指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)τ1、 τ2的影響規(guī)律。
參數(shù)A、 B、 C反映了松動(dòng)初期夾緊力的衰減量及衰減速率。橫向振幅與預(yù)緊力對(duì)參數(shù)A、 B、 C的影響可以直觀地理解為：從橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的原理(圖1)來(lái)看，振幅越大，則施加在螺母上的橫向剪切力與松動(dòng)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(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
表1與2中有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)(以下劃線標(biāo)明)與整體的趨勢(shì)不相符合，這反映了對(duì)松動(dòng)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(dòng)曲線的擬合參數(shù)。總體而言，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(shí)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(gè)周期內(nèi)夾緊力的變化
圖5所示為單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力與橫向位移的同步變化關(guān)系。單個(gè)振動(dòng)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(dòng)的時(shí)刻。上連接板的位置由位移傳感器測(cè)得(如圖5b所示)。圖5c表明，在橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)夾緊力快速單調(diào)衰減(圖5c中第3、 4個(gè)周期所示)。第3個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，夾緊力減少量高達(dá)1 kN。經(jīng)過(guò)最初的快速衰減之后，夾緊力在單個(gè)周期內(nèi)隨著橫向位移的變化而交替增加或減少。在單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力與橫向振動(dòng)的位移之間沒(méi)有表現(xiàn)出恒定的相關(guān)性(如圖5c中第89、 90個(gè)周期所示)。
圖5 不同振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力與振動(dòng)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接的松動(dòng)初期是一個(gè)呈指數(shù)衰減的過(guò)程。式(1)由兩個(gè)指數(shù)函數(shù)構(gòu)成，是描述松動(dòng)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(dòng)。應(yīng)變松弛會(huì)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(huì)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(shí)間增長(zhǎng)，應(yīng)變的減少越來(lái)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(guò)程與本研究觀察到的橫向振動(dòng)作用下夾緊力的衰減過(guò)程具有相似性。而且，橫向振動(dòng)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(dòng)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接摩擦副在松動(dòng)初期的磨合過(guò)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(guò)松動(dòng)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(dòng)初期呈波動(dòng)式減少，這可能是由于在橫向振動(dòng)引起的外加驅(qū)動(dòng)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(dòng)初期的磨合過(guò)程的假說(shuō)，今后需要對(duì)螺紋聯(lián)接摩擦副在橫向振動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。
從單個(gè)振動(dòng)周期來(lái)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(dòng)過(guò)程中發(fā)生了交替的擰緊與擰松過(guò)程。螺紋聯(lián)接在擰緊過(guò)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(dòng)作用下只要作用在螺母上的驅(qū)動(dòng)力矩大于擰松力矩T l，螺母在一個(gè)振動(dòng)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(gè)機(jī)理已經(jīng)被其他研究者所認(rèn)識(shí)[4, 5, 6, 7]。式(3)與(4)只適用于靜態(tài)的擰緊與擰松過(guò)程，不能通過(guò)單個(gè)振動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)振動(dòng)周期內(nèi)施加于螺母上的力矩與橫向振動(dòng)的位移之間存在恒定的關(guān)系。然而，圖5表明，單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)夾緊力與橫向位移之間沒(méi)有恒定的相關(guān)性。這可能說(shuō)明單個(gè)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)作用下螺紋聯(lián)接的松動(dòng)過(guò)程可用雙指數(shù)函數(shù)來(lái)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(dòng)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(dòng)初期夾緊力衰減的特點(diǎn)。
2) 橫向振動(dòng)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(duì)模型函數(shù)的時(shí)間常數(shù)τ1、 τ2的影響目前尚不清楚。