紧固件防松性能定量评价方法

紧固件防松性能定量评价方法摘要：螺纹连接通常具有结构简单、装拆方便、连接∗国家自然科学基金(51975055)，国防基础科研核科学挑战专题(TZ2018007)和天地科技股份有限公司创新创业基金重点(2020-2-TD-ZD002)资助项目。20200814收到初稿，20201212收到修改稿可靠、互换性好、价格便宜等优点，在各种机械产品和工程结构中应用十分广泛。大量的工程经验表明，在振动环境下，螺纹连接容易出现松动失效。螺纹连接松动失效问题严重影响着机械产品的可靠性和寿命，工程中由于螺纹连接松动失效所引发的质量问题和事故屡见不鲜。为了防止螺纹连接的松动失效，人们通常会使用具有防松作用的紧固件，如各种防松垫圈和防松螺母。然而，各种防松紧固件到底能在多大程度上提升螺纹连接的防松性能呢？对于这个基本的问题，目前并没有准确的答案。这造成了许多争议，也给紧固件的设计、制造、选型及使用带来了许多问题。关键词：紧固件；防松性能；评价方法；引言安装螺纹螺栓固定螺栓而不松开。若要解决螺纹联接的防松问题，请将螺纹联接分析为链，研究螺纹联接的松弛和规律性，并进一步分析螺纹联接。螺纹联接的松弛指数和性能指标因螺纹联接的拧紧程度而异，因为在紧缩过程中必须有放松的趋势。螺栓越紧，放松的倾向越强。螺丝锁系统是两个方面的矛盾。锁定时，大多数螺纹联接的轴向应力可用于测量释放的程度。在螺纹联接锁紧系统的振动释放性能中，轴向张力-振动时间(线)性能是指紧固件锁紧系统随振动时间的变化而减小，反映了锁紧系统在振动条件下的释放。同样，释放锁紧系统可能会对其他重要的连接元件产生负面影响。1基本概念螺栓螺母配合后向内部物体施加的力，叫夹紧力；螺栓螺母配合使用后，夹紧力比初始锁紧状态小，即为螺栓松脱；螺栓失效常见形式是夹紧力不足，夹紧力不足有以下2种可能：1）初始锁紧夹紧力小。因接触表面的材料相互嵌入、材料蠕变、锁紧力矩不够、摩擦系数的变化等因素，都会导致螺栓的初始锁紧状态夹紧力不足；2）使用后夹紧力变小。因螺栓承受交变载荷、振动或高温环境等影响因素，夹紧力随着使用周期的变长而减小，甚至夹紧力可能完全消失。第一种情况，可以通过螺栓螺母的配合结构、原材料、生产过程控制、表面处理以及规范锁紧力矩进行规避；但第二种情况，这种失效模式危害性更大，是行业内一直在致力改善的问题。2紧固件轴向夹紧力螺纹螺栓通过向“紧固”工具施加力来连接两个连接的主体，通过螺纹齿轮紧密连接它们，并承受一定的动态载荷。为了确保连接零件之间的可靠性和密封性，连接的两个主体之间需要足够的夹紧力，即螺纹螺栓拧紧后需要足够的轴向夹紧力f。因此，当连结本体承受工作负载时，为结件提供稳定的轴向夹紧力可避免偏移。因此，为螺纹联接获得稳定的轴向夹紧力是螺纹防松研究的重要方向。3紧固件防松性能的影响因素分析分析螺纹紧固件松动的原因。众所周知，松动是指螺栓连接轴在紧固过程中，螺栓连接轴的向心力全部损失，导致在螺纹紧固件固有的防松功能失效，不能实现防松性能，而螺栓只承受轴向载荷。由于螺纹的起升角，拧紧螺母所需的扭矩不同于松紧力所要求的扭矩。一般来说，拧紧螺母的紧固力矩约是紧固时刻的80%。通过连接摩擦力的作用，螺纹紧固件的接头之间的附加力不会松动，从而实现更好的防松性能。在日常振动和冲击力影响下，螺纹紧固件的松动是常见故障之一。为了更好地实现其防松性能，大多数的螺纹紧固件都是在有振动或者撞击的地方工作，所以应该不断在振动或撞击的环境下进行检查，更好地实现螺纹紧固防松性能。同时，螺纹紧固件的松动可能是由于在生产过程中螺纹的各个部分之间的惯性影响，以及其连接间的相互作用力而导致螺纹与螺母支撑面的摩擦力在震动下迅速下降，出现摩擦磨损，破坏了在生产过程中彼此之间相互平衡的力量，从而使螺纹不能真正达到其防松性能。如果紧螺母方向的位移阻力大于松螺母方向的位移阻力，就会反复发生少量的相对滑动。4螺纹连接防松性能定量评价指标和数据获取方法为了对紧固件防松性能进行定量评价，需要建立科学的螺纹连接防松性能定量评价指标。由于预紧力的衰减是多种因素综合作用的结果，要准确评判防松性能需要把不同因素对预紧力衰减的影响区分开。已有研究已经证明：在横向振动试验条件下，螺纹连接典型的预紧力衰减过程可以分为三个阶段。在第一阶段，预紧力会发生非线性的快速衰减，这一阶段导致预紧力衰减的主要原因是材料的塑性变形，同时也有应力再分布、旋转松动和微动磨损等因素的影响。在第二阶段中，预紧力近似呈现线性衰减，这一阶段导致预紧力衰减的主要原因为内外螺纹间的旋转松动，而其他因素影响相对较小。在第三阶段，螺纹连接结构会逐渐出现疲劳裂纹，导致预紧力衰减速度加快，甚至突然断裂。为了从的预紧力衰减数据中获得对紧固件防松性能的定量评价结果，我们需要明确“松动”和“防松性能”的准确含义。螺纹连接的松动分为旋转松动和非旋转松动，所谓旋转松动是指内外螺纹间发生了导致预紧力衰减的刚性转动，它对应着图7中的第二阶段；所谓非旋转松动是指除旋转松动之外其他因素导致的预紧力衰减，图7中第一阶段和第三阶段主要受非旋转松动的影响。我们把“防松性能”定义为防止螺纹连接产生旋转松动的能力，它和预紧力衰减过程第二阶段的数据密切相关。之所以这么定义防松性能是因为防松紧固件的作用主要是防止旋转松动，而难以抑制非旋转松动导致的预紧力衰减。基于上述定义，在理想情况下，当第二阶段的斜率为零时，意味着螺纹连接没有发生旋转松动；当第二阶段斜率小于零时，意味着发生了旋转松动，且斜率的绝对值越大，旋转松动就越剧烈。而且已有研究已经证明：横向力存在一个临界值，当螺纹连接所受横向力小于该临界值时，螺纹连接不发生旋转松动，当螺纹连接所受横向力大于该临界值时，螺纹连接则会发生旋转松动，因此可以用横向力的临界值(或称临界横向力)作为防松性能的定量评价指标，对紧固件(或螺纹连接)的防松性能进行定量评价。需要说明的是，该指标是基于本文所述的横向振动试验条件提出的，不适用于其他形式的外载荷。结束语(1)在相同预紧力下，相比普通螺纹连接，使用弹簧垫圈后防松性能提升数值基本在0%处波动，说明弹簧垫圈没有防松性能。(2)在相同预紧力下，相比于普通螺纹连接，使用楔形螺母后防松性能最多提升了117%；(3)在相同预紧力下，相比于普通螺纹连接，使用偏心双螺母后防松性能最多提升了125%。(4)在高预紧力条件下，使用楔形螺母和偏心双螺母后防松性能和普通螺纹连接的防松性能相差不大。需要说明的是，上述结论的得出是基于本文的试验条件，当螺栓规格、涂层、装夹长度等试验条件不同于本文时，得出的结论可能不同，但本文所述的紧固件防松性能评价方法是具有普适性的。此外，理论上来讲，横向力和横向位移存在一定的对应关系，既然存在临界横向力，相应的也应该存在一个临界横向位移(即临界振幅)，因此使用临界横向位移作为防松性能定量评判指标也具有理论上的可行性，但具体效果仍需进一步研究。参考文献巩浩，刘检华，丁晓宇.振动条件下螺纹预紧力衰