螺纹连接松动机理研究回顾(1)…

作者:侯世远、廖日东(北京理工大学 机械与车辆学院)

出处:本文摘自《螺纹连接松动机理》


1.1 引言

    由于连接力大、结构紧凑、便于拆卸等优点,螺纹联接广泛存在于各类机械结构中,是最常用的紧固手段之一。它的主要功能是保证被联接结构之间可以可靠地传递力(或运动)。当被联接件为压力容器或管道时,螺纹联接结构还需要保证装配体具有良好的密封性。

    不难发现,无论是力的传递还是密封的实现,均是以被联接结构的接触界面间具有足够大的夹紧力为前提,所以,螺纹联接失效的标志便是螺栓张紧力的下降。螺栓张紧力的下降的极端情况便是拉断、断牙等失效的发生,此类失效直接导致的联接夹紧力的消失,极有可能引起结构的解体等重大事故[1]。然而,对于螺纹联接张紧力下降,更普遍的是随着使用时间越来越长,张紧力缓慢下降这一现象,即所谓的螺纹联接松动。

    虽然螺纹联接松动并没有在失效的初始阶段便引起重大事故,但是在其失效的进行过程中,螺栓张紧力会越来越低,由此导致的诸如泄漏、异响等结构故障也是不容忽视的。而且,当螺栓张紧力降低到一定程度时,也可能使得承受侧向载荷的螺纹联接中的螺栓被剪断。因此,对含有螺纹联接结构的机械产品而言,对螺纹联接结构松动进行分析及预测具有十分重要的意义。避免螺纹联接结构在工作过程中出现松动也已成为目前螺纹联接结构设计所关心的核心问题之一。

    但是,要实现螺纹联接结构松动的分析和预测是非常困难的,主要原因在于螺纹联接结构松动过程是一个强烈的状态非线性过程,该过程通常还伴有复杂的几何非线性(大位移)和材料非线性(塑性)影响,螺纹联接处于不同状态时,其松动机理也有着明显的差别。另外,松动过程通常具有跨尺度特性,宏观可见的松动总是由微细观接触运动累积而成的。要实现宏观松动过程的预测需要探明松动的微细观机理,而由于结构及观测水平的限制,直接监测螺纹接触面或被联接结构界面上的受力、运动状态几乎是不可能实现的,因此松动的机理一直属于人为的假设。

    鉴于松动分析及预测的重要性和复杂性,国内外在该领域开展了长期的研究和探索,积累了大量文献资料,涉及各种外部环境因素以及结构自身因素对螺纹联接松动过程的影响规律的实验、计算和分析。归纳起来,这些因素主要包括:

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    本文绪论部分重点从上述所归纳的6 个主要影响方面总结国内外的研究现状及存在的问题,并在此基础上提出未来的工作方向。另外,虽然环境介质(例如海洋环境)也会对螺纹联接松动产生影响,然而此方面研究较少,因此本文不予涉及。

1.2 螺栓张紧力对螺纹联接松动的影响研究现状

    螺栓张紧力指的是螺栓在服役过程中由于弹性伸长而产生的弹性恢复力,起到压紧被紧固件的作用。在特定的服役状态中,螺栓张紧力的变化机理及变化速度与当时的螺栓张紧力相关,因此具有非线性特征。而预紧力仅仅是螺栓在预紧结束时螺栓所具有的张紧力,并不能用于描述若干循环后的螺纹松动,因此在螺纹联接松动的研究中应强调螺栓张紧力而非螺栓预紧力。

    除却温度等因素的影响,从材料、力学的方面考虑,比较普遍的促使螺栓张紧力下降的原因主要有两个,即材料的塑性变形以及螺栓的旋出。当载荷一定时,螺栓张紧力决定了各个接触面所能承受的最大摩擦力,即决定了螺栓在外载的作用下是否会旋出。而较大的螺栓张紧力也会带来较高的应力,从而影响结构的材料失效(棘轮、蠕变等)。因此,螺栓张紧力决定着螺纹联接松动的机理。当以较大拧紧力矩进行预紧的螺纹联接承受足够大的垂直于螺栓轴线的侧向周期载荷时,其螺栓张紧力的典型的变化曲线如图1.1 所示。内华达大学的Jiang et al.[2-8]的研究显示松动行为可以划分为两个阶段:

    第一阶段中,螺母与螺栓之间没有相对运动或者相对运动非常小,螺栓张紧力的下降主要是由于材料塑性变形及其扩展引起的;

    第二阶段中,伴随比较明显的螺栓旋出或者螺栓与螺母之间的相对转动,张紧力下降明显。

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    美国弹性制动螺母公司(ESNA)的研究[9]认为在外载的作用下,螺栓的共振会不断迫使螺纹面塑性变形从而引起螺栓张紧力的下降,当螺栓张紧力下降到某一临界值时,螺母才开始向着脱离螺栓的方向转动,并最终引起螺纹联接的松动。这也隐含着螺纹联接松动应该分成至少两个阶段。

    当然,如果初始预紧力不够大,螺纹联接并不会完全历经这两个阶段,松动可能起始于第二阶段的某一时刻。但是对于需要拧紧至塑性变形的螺栓,例如发动机的缸盖、机体等位置的螺栓,其松动历程一般是从第一阶段开始。目前并没有文章指出或否定这两个阶段有所重叠。

    由于这两个阶段的松动机理不同,不妨分别将其命名为材料松动期和结构松动期,本节将对其分别阐述。

1.2.1 材料松动期的研究现状

    在螺栓张紧力比较大时,各接触面之间存在着较大的摩擦力,以至于一般的载荷很难引起接触面之间的相对运动。这时螺纹联接的张紧力的下降主要是由于塑性变形引起的,其中包括单次大载荷引起的材料屈服以及循环载荷作用下棘轮效应引起的塑性变形扩展。

    众所周知,当螺栓中张紧力较大时,螺纹的牙底会由于应力集中而进入屈服状态。但在第一阶段松动中,不仅螺纹牙底的塑性变形值得被关注,螺杆的塑性变形也是不可忽视的。奥克兰大学的Nassar et al.[10-16]从弹性到塑性,用不同的模型研究了轴向载荷作用于较大预紧力的螺纹联接时的螺栓张紧力的变化。他们将螺栓螺母并将螺纹联接简化为一维模型,研究结果显示,仅仅几个循环后就可以使螺栓张紧力不可恢复的下降到较低的水平。除此之外,初始预紧后典型的嵌入松弛(垫片等构件)也会带来螺栓张紧力的明显下降[17]。

    Jiang 通过实验观测与弹塑性有限元模型证实了承受循环侧向载荷的螺栓的材料松动期的松动是因为旋合螺纹牙底的循环塑性变形引起的。在循环载荷的作用下,牙底圆角处的塑性区由于棘轮效应的存在会逐渐发展变大[7]。但是他们并没有总结出可以用于来描述螺栓张紧力随载荷循环变化的材料松动期松动模型。

    对于棘轮效应引起的螺栓张紧力下降,由于不同材料的循环特性差异较大,其材料松动期的松动历程差别可能很大,例如常用做8.8 级螺栓材料的45 钢的循环特性表现为循环硬化,而常用做12.9 级螺栓的35CrMo 则是一种比较典型的循环软化材料[18]。因此对于不同的材料,棘轮效应引起的一阶段松动也应分别进行研究。

1.2.2 结构松动期的研究现状

    结构松动期松动的主要特征是联接中各接触面之间有相对运动产生,因此,接触面的接触状态变化是这一阶段的研究重点。在较早的年代中,就算假设了接触面的接触状态的变化也不能通过其他方法验证其正确性[19],因此并没有比较详细并且有说服力的模型说明接触状态的变化。虽然目前也仍不能直接在实验中实现对接触状态的监测,但至少随着计算机性能的提升,使用有限元方法来研究接触的状态变化已经变得可行。

    通过分析有限元分析的计算结果,南佛罗里达大学的Hess 和Pai[20]认为接触状态可分为两类,局部滑动和完全滑动,而且与完全滑动所需要的侧向载荷相比,累积局部滑动所需要的侧向载荷相对低得多[21]。局部滑动的概念的引入对理解螺纹联接在承受侧向载荷时的松动行为意义重大。但是,局部滑动如何发生及发展为完全滑动仍然未被研究清楚。图1.2 为螺栓螺母结构承受侧向载荷时在左右两个止点处的接触状况。东京大学的Izumi 和Sakai[22-26]在Hess 的研究基础上指出,接触状态应该分为三种:没有粘着区域的完全滑动、没有稳定粘着区域的微小滑动、有稳定粘着区域的局部滑动。于是,螺栓头部以及螺纹这两处接触面可以组合出9 种不同的松动过程。研究的结果还显示,只要任意接触面有稳定的黏着区域,那么螺栓就不会转动,即松动不会进行。

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    如前所述,阻碍螺栓旋出的力矩主要是摩擦力矩,因此对于结构及载荷状态一致的不同的螺纹联接,决定其松动过程类型的主要因素便是两接触面的摩擦系数。在实际应用中,两处接触面的摩擦系数往往是比较接近的,而这种情况下的实验、仿真、解析的研究结果都显示螺纹处接触面往往会率先进入完全滑动状态[27]28],因此Izumi和Sakai 的9 种松动过程中的某些接触状态组合在在实际应用中是较难出现的。

    可以认为,经过了材料松动期的松动之后,在循环侧向载荷的作用下,接触面之间产生了缓慢的类似于爬行的相对运动,并综合出螺栓缓慢的转动。虽然这时螺栓张紧力下降较慢,但是却是螺栓进入快速松动的起始[29][30],所以也是不可忽视的。随着螺栓张紧力的下降,法向接触力的降低,各接触面之间更容易产生相对运动,各接触面会越来越容易进入滑动状态或者说单次载荷循环中进入滑动状态的区域越来越大。单次循环过程中的相对运动逐渐增大,松动逐渐加快。随着接触面之间进入完全的相对滑动,螺栓张紧力随着明显的螺栓旋出快速下降。

    张紧力的大小可以决定各接触面上的最大摩擦力,从而决定能够引起螺纹联接松动的最小侧向载荷值。这也是更大的初始预紧力可以使螺纹联接更难松动的理论解释之一[31][32]。而提高螺纹联接结构的初始拧紧力矩,虽然可以提高各接触面之间的最大摩擦力,进而实现被联接结构界面间大界面作用力的长时间保持。但被联接结构界面间的作用力与螺栓联接结构以及被联接件的结构强度是一对矛盾,所以在用更大螺栓预紧力提高螺纹联接抗松性能时,也应同时考虑由此可能带来的螺纹件杆身拉断、螺牙滑扣或被联接结构出现强度失效。

1.3 工作载荷对螺纹联接松动的影响研究

    需要首先指出的是,本文所指的工作载荷指的螺纹联接这一子结构隔离体所受的载荷,而非螺纹联接所在总体机构所受的工况载荷。由于螺纹联接中螺纹接触面的摩擦角一般大于螺纹的螺旋角,所以如果不考虑蠕变松弛,预紧后处于静止状态的螺纹联接是不可能发生松动的。而由于几何上的限制,单调的载荷也会使得螺纹联接中的构件最终达到运动止点,从而使得结构处于静力平

衡状态。

    因此,动态外部载荷是螺纹联接松动的必要条件,对螺纹联接松动过程具有重要影响。对于工作载荷的影响的研究应首先明确、定量的研究确定性载荷的载荷特征对松动的影响,然后在其基础上进一步研究随机载荷的影响。然而目前并没有随机载荷对螺纹联接松动的影响的研究出现,因此本节仅针对确定性载荷的特征的不同要素,包括方向、幅值、频率等,逐一分析其对螺纹联接松动的影响研究现状。

1.3.1 载荷方向的影响

    通过适当的力系简化,螺纹联接承受的工作载荷总可以分成4 种,沿螺栓轴向的拉压力、垂直于螺栓轴向的剪切力(侧向载荷)、螺栓轴向的扭矩以及垂直于螺栓轴线的扭矩,目前研究较多的主要是前两种载荷。

a) 轴向载荷的影响

    最初对螺纹联接松动的研究主要是集中于轴向动态载荷对螺纹松动的影响[33]。例如Goodier 和Sweeney[34]以及Sauer 等人[35]通过实验的方式研究了承受轴向载荷的螺纹联接的松动。其实验结果指出,对于承受轴向载荷的螺纹联接,周向的滑动行为是由在载荷循环中由于内螺纹直径变小而外螺纹直径变大引起的。虽然他们的研究揭示出,引起螺纹松动的最重要的因素是螺纹联接各接触面对上产生的相对运动,然而,他们通过25000 次循环所得到的最大松动角度是只有6 度,这在工程实际中并不能算是很大的松动量。

    Hess et al.[36-39]最开始对螺纹松动的研究也是集中于纵向振动引起的螺纹联接松动。但是通过简化模型的理论分析显示,在高预紧水平或者低振动水平下,螺栓张紧力会在很多循环后仍保持稳定。当预紧力下降或者外载激励增大时,螺纹联接先松动后紧固。在轴向振动下,模型预测的最大的张紧力下降为52.9%,最大的张紧力上升为83.4%。但是循环中的螺栓张紧力的平均值几乎没有发生变化。

b) 侧向载荷的影响

    对于螺纹联接来说,动态的侧向载荷比轴向载荷更能引起其松动,即承受垂直于螺栓轴线载荷的螺纹联接更容易出现松动。Junker[40]在1969 年第一个发表了这一观点,并发明了如今仍被广泛应用的Junker 松动试验机。在这之后的针对螺纹联接松动的研究也基本转向了侧向载荷引起的螺纹联接松动。

    Junker 用图1.3 的简化模型说明了侧向载荷引起螺纹松动这一概念。固体A,放置于有一定斜度的平面B 上,如果斜面B 倾斜的角度小于摩擦角,则固体A 不会下滑。I 部分中用斜面表征螺纹面,其倾斜角度表征螺旋角;II 部分中的平面则表征螺栓头部或者螺母的接触支撑面。螺纹联接承受轴向的循环动态载荷类似于此模型中的固体 A 承受垂直载荷,而垂直于轴向的载荷则可以用斜面的横向振动+-S表征。当固体A 承受交变的垂直方向载荷时,只要固体A 没有脱离斜面B,则由于摩擦角大于斜面倾斜角(螺旋角),两物体之间并不会轻易的产生相对运动,也就是螺纹联接并不会轻易地松动。而当固体 A 下面的斜面产生往复横向振动+-S,使得振动过程中固体A 的惯性力与其重力沿斜面向下的分力的合力超过最大静摩擦力时,固体A 滑动时便有了沿斜面向下的速度分量。也就是说螺纹联接中的螺栓与其他构件之间产生了松动方向上的相对运动。

    图1.3 简单地解释了承受轴向载荷的螺纹联接不能引起较大松动的原因,以及侧向载荷作用下的松动的机理。Daadbin 和Chow[41]在1992 年也提出了类似的简化模型。德克萨斯州大学的Zadoks 和Yu[31][32]认为,只要侧向激励力的幅值足够大,可以引起被紧固件之间的切向相对运动,那么螺纹联接在循环载荷的作用下总是会松动的。Sakai[42]在侧向载荷引起的松动方面进行了理论及实验研究,并定义了可以使螺纹头部支撑面产生相对滑动的被紧固件之间的最小滑动量为临界滑动。

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    但是实际上,侧向载荷对螺纹联接的影响比较复杂,它可以同时影响接触面上不同位置的摩擦力的方向及该点所能提供的最大摩擦力。所以此简化模型只能从机理上解释松动问题。

1) 侧向载荷对摩擦力方向的影响

    在侧向载荷的作用下,接触面上不同位置的摩擦力变化方向是不同的,例如对于螺栓头部接触面,图1.4 可以更形象的说明其摩擦力变化过程。

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    将螺栓头部接触面周向等分成若干扇区,图1.4 中白色箭头为接触面上抵抗转动的摩擦力,黑色箭头为抵抗平动的摩擦力,其综合效果如灰色箭头所示。当螺纹联接承受侧向载荷时,接触面不同位置上,保持静止所需要的摩擦力是不同的,其中A 扇区需要抵抗的外力明显大于B 扇区。

    当侧向载荷增大到一定幅值时,A 扇区所受外力会率先超过此处所能提供的摩擦力,从而率先进入相对滑动。而A 扇区接触面上动静状态的转变将使得此处的摩擦系数的降低(通常情况下静摩擦系数大于动摩擦系数),进而影响其他扇区的受力。当侧向载荷继续增大,更多的扇区进入滑动状态,使得螺栓整体做近似于以B 扇区为中心的转动。往复载荷改变方向时,A 扇区与B 扇区的受力状态与先前刚好相反。因此,在结构松动期的张紧力迅速下降的阶段中,螺栓在做反复摆动的情况下缓慢旋出。

2) 侧向载荷对接触压力分布的影响

    侧向载荷也可以通过改变接触面的压力分布,从而对接触面不同位置的最大摩擦力产生影响。如图1.5 所示,侧向载荷会引起螺栓的弯曲,同时接触面上的压力分布也会有相应的变化以产生相应的弯矩。而螺栓的弯曲也会必然的引起螺栓的伸长,增加螺栓的张紧力,这也会对接触压力产生相应的影响。因此,侧向载荷对螺纹联接接触面上的压力分布的影响是比较复杂的。

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    由于接触压力分布的复杂性,目前解析的方法研究螺纹连接松动时,对接触面上接触压力以及侧向载荷对接触压力的影响,大多采用了线性的假设。例如奥克兰大学的Nassar 和Housari[43-48]在考虑侧向载荷引起的螺栓的弯曲所带来的接触区法向压力、摩擦力的变化时,对每一扇区进行力学分析,如图1.4,然后将每个扇区的受力合成,再根据刚体动力学得出螺栓在单位时间增量中的运动过程,最终拼接出整个激励历程中的螺栓的运动。但由于使用了线性模型,得到的夹紧力与循环数的关系也是线性的,而这与事实不符。

    在Housari 之后,Nassar 和Yang[28, 49-52]基于摩擦表面的相对滑动建立了更加准确的数学模型来求解侧向循环载荷下支撑面和螺纹处的切向力、支撑面和螺纹处的摩擦力矩,并得出了螺栓旋入被紧固件(被紧固件上加工出内螺纹)这一形式的紧固结构的松动解析准则。其结论虽然有很大价值,但是他的模型对于实际状况也做出了大量简化,例如在使用积分的方式求解松退力矩及摩擦力矩时,对接触压力的分布以及侧向载荷对它的影响也都做了线性假设,所以模型的精度也是有限的。在松动的末尾阶段,其模型的松动趋势与实验相比差别相当大。笔者猜测这是由于在松动的最后阶段,部分接触面可能相互脱离,以至有相当大的区域接触力为零,目前的模型均未能考虑此因素。

3) 侧向载荷螺纹松动的实验设置

    Junker 在提出了侧向载荷是引起螺纹联接松动的主要载荷形式的同时,也发明了研究此种载荷作用下的螺纹联接松动实验机,如图1.6 所示。目前对侧向载荷作用下螺纹联接松动的研究所采用的实验设置也大多由Junker试验机改进而来。随着监测手段的发展,松动实验机被加入了精度越来越高的传感器,可以更高精度的跟踪螺栓转动角度以及螺栓张紧力的变化。在我国,他的方法也已广泛应用于众多行业中防松紧固件的防松性能实验[53],《紧固件横向振动实验方法》(GB/T 10431-2008)所采用的实验机器也是由Junker 实验机改进而来的。

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1.3.2 载荷幅值的影响

    对于材料松动期的松动来说,更大的载荷幅值可以引起更大的塑性变形,会引起更大的不可恢复的螺栓张紧力下降。而更大的循环载荷也会增大塑性应变速率,缩短材料松动期的历程。而过大的载荷则可能使螺栓直接被拉断或者剪断。对于结构松动期的松动,由图1.3 中Junker 的松动原理图可知,更大的侧向载荷幅值可以更容易引起固体A 的惯性力及沿斜面向下的力超过最大摩擦力。同样的结论也可以从图1.4 得以说明,更大的幅值使得更多的扇区在同一时刻进入滑动状态。各种研究也均证明了侧向载荷幅值对螺纹联接的松动速率有着显著影响,幅值越大则螺纹联接越容易松动。

1.3.3 载荷频率的影响

    既然在侧向动态载荷的作用下,松动与惯性力有关,那么载荷的频率就很可能是影响螺纹联接松动的因素之一。

    然而,Junker 在其实验中并没有发现螺栓松动的速度与载荷的频率之间有明显的关系。对于此,Vinogradov 和Huang[54]建立了一个运动学模型,用数值方法研究了高频振动的影响。研究发现,在某些频率、幅值的动态激励下,松动可能会发生。

    但是,他们研究的频率范围要明显高于工程实际中结构可能承受的载荷频率。因此可以认为,对于大多数工程结构来说,惯性力可能并不是影响螺纹松动的一个重要因素。但是,Housari 的研究发现,对于同样的载荷幅值作用,不同载荷频率并不会对螺栓的受力状况有太大影响,但较低频率的载荷可以给予螺栓更多的转动时间。因此,低频率载荷比高频率载荷能够使螺纹联接在同样载荷循环数量时张紧力下降更多,他还用实验验证了这一观点[48]。

待续…

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