螺纹连接松动机理研究回顾(2)…

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》

1.4 工作温度对螺纹联接结构松动的影响研究

    除了机械载荷可以对螺纹联接松动产生明显影响外,螺纹联接服役的环境温度也会对螺栓张紧力产生一定的影响。其中主要包括两个方面:温度变化引起的塑性变形以及热膨胀不均引起的构件间的相对运动。

1.4.1 温度升高引起的塑性变形的影响

    温度升高引起的塑性变形主要包括两类:1)温度变化引起材料属性的变化使得材料在温度升高后持续屈服;2)蠕变带来的张紧力的下降。

    工作于较高温度下的机械结构,其材料都可能发生蠕变,螺栓联接也不例外,国内外均有文章对此进行分析[55-57]。在较高温度下,一般材料的弹性模量也都会变小,而螺栓张紧力主要生成于初始应变,因此张紧力会出现较明显的下降。Yang et al.[58]建立了一维数学模型分别研究了屈服引起塑性变形以及蠕变的影响。

    研究结果显示,螺栓材料与被紧固件之间的材料差异对螺栓张紧力的影响是巨大的。对模型的解析及模拟分析显示当温度变化范围较大时,被紧固件与紧固件之间微小的热膨胀系数的差异即可能使得螺栓张紧力下降至零。而且对于工作于较高温度的螺栓,单纯的增大初始预紧力并不能使螺栓在循环温度载荷作用下保持较高的张紧力。然而,他们在研究弹塑性行为及蠕变行为时将两者分开建模,实际上是两个计算模型,并且没有考虑螺纹处的高应力,因此只能定性的分析螺栓张紧力对松动的影响。

1.4.2 热膨胀不均引起的构件间的相对运动的影响

    热膨胀不均引起的相对运动也主要包含两个方面:被紧固件之间的相对运动以及螺栓胀大引起径向相对运动。

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    对于前者,广岛大学的Sawa 和Ishimura[59][60]发现当被紧固件的热膨胀系数不同时,如果螺纹联接承受循环温度载荷,那么螺栓张紧力会出现缓慢的下降。根据他们的有限元模型,温度载荷的作用主要是使得被紧固件之间由于热膨胀系数的不同而使其热变形不一致,从而使其接触面之间产生了相对位移,如图1.7 所示,其作用类似于侧向载荷。当热膨胀系数的差异变小时,螺栓张紧力的下降会变慢。

而对于而后者,其机理主要是:由于内外螺纹材质的不同,温度差异会引起内外螺纹径向的热膨胀的不一致,变形产生的切应力可能导致接触面上产生径向的相对滑动,在松退力矩的作用下,螺纹联接便很可能开始松动。但是目前并没有文章研究此问题。

温度变化的影响也会与其他影响因素耦合。例如由于温度变化引起的张紧力下降,会使螺纹联接更易于在其他机械载荷的作用下出现松动,而蠕变与棘轮效应之间还存在的一定交互作用。所以,温度变化对松动的影响比较复杂,在此方面仍有许多工作值得完成。

1.5 结构尺寸及防松形式对螺纹联接结构松动的影响研究

结构尺寸与防松形式会影响、限制螺纹联接中构件的受力、运动,所以会对螺纹松动产生比较明显的影响。

1.5.1 结构尺寸的影响

各结构尺寸、公差配合都可能对螺纹联接松动产生一定的影响,所以对螺纹联接松动的理论分析以及实验研究中都多少涉及尺寸的影响。目前的结论主要包括以下几个方面:

a) 粗牙螺纹较细牙螺纹更容易松动;

对螺纹联接的受力分析指出,拆解螺纹联接所需要的松动扭矩的粗略计算式为

[61][62]:

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b) 摩擦面有效摩擦半径越大越容易松动;

既然摩擦力矩是制约螺栓转动的主要因素,那么当摩擦系数确定时,显然增大有效摩擦半径可以有效的增大螺纹联接的抗松动性能。

c) 螺纹间隙越大、螺纹孔间隙越大的联接越容易松动;

Nassar 的分析指出,结构松动期的松动模式主要是“反复摆动的缓慢旋出”,那么更小的螺纹配合显然会在几何上限制螺栓的转动角度。他得出结论,有着更紧密的螺纹配合的螺纹联接更难松动。而螺纹孔与螺杆的间隙越大,则结构允许螺栓产生的弯曲越大、螺栓头部接触面产生的相对滑动的时间越长,因此松动的越快。虽然Nassar 等人从理论分析方面得出了螺纹间隙越大、螺纹孔间隙越大的联接越容易松动,但是实际上,从另一个方面来说,较松的配合会使得接触减小,从而增大接触压力,而提高的接触压力对抑制松动是有利的。贾凤兰在松动实验中即得到了松配合的螺纹联接更难松动的结论[63]。因此这一结论的正确性仍有待验证。

d) 螺栓未旋合部分长度越短越容易松动。

对于相同的侧向位移载荷,螺栓的未旋合部分越短,螺栓的切向刚度越大。因此侧向载荷在螺栓头部及螺纹处接触面引起的相对运动也越大。因此,当侧向位移载荷相同时,具有较长螺栓的螺纹联接其松动更慢。

1.5.2 防松形式对螺纹联接的影响

防松形式指的是各种防松方法以及新型螺纹。各种不同的形式对螺纹联接防松性能的增强能力是不同的。在工程实际中经常使用的防松形式[64][65],可以大致分为四类:

a) 摩擦防松:

纵向或横向压紧螺纹副,使得螺纹副中存在受载荷影响较小的压力,保证螺纹副之间始终具有摩擦力矩,如双螺母[66][67]、偏心螺母、弹簧垫圈等;

b) 机械防松:

在结构上使用一些额外构件阻止螺栓或螺母转动,如开口销与开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝等;

c) 破坏螺旋副运动关系防松:

通过破坏螺纹副使得螺纹联接不可拆卸,如铆冲防松、焊接防松、胀塞式过盈螺栓联接等。

d) 改变齿形防松:

通过改变螺牙形状改变螺纹联接内在的受力机制,使其具有更好的防松性能,如施必牢螺纹、唐氏螺纹[68-70]、SLB[71][72](图1.8)、DTB[73](图1.8)等。

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    虽然常用的螺纹联接的防松方式很多,但效果参差不齐。以往的学者对防松效果的评价主要限于第一类防松措施,但是不同学者对于这些不同防松方法的防松效果的判断略有差异,例如Fuji 对若干防松方法做的松动实验的实验结果(图1.10)与AnirbanBhattacharyad et al.[74]的试验结果(图1.11)就有不同。前者认为双螺母的防松效果要好过尼龙螺母,后者结论则相反。因此,通过更多的实验对不同防松方式进行防松试验、从统计学的角度对其进行防松性能评价、从解析及模拟的角度研究防松方法的作用机理及影响因素都是非常必要的。

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1.6 结构材料及表面加工质量对螺纹联接结构松动的影响研究

前文已经指出,不同材料的循环塑性以及蠕变松弛行为会有所不同,会对松动产生影响。不仅如此,材料的刚度也会对松动产生影响。

有文章研究表明,较软的材料由于更容易变形,因此接触面上的压力分布将更均匀,即摩擦半径更大,所以在相同的螺栓张紧力作用下,较软的接触面具有更大的最大摩擦力矩,因此抗松动性能更好。

Nassar 的研究认为,当螺栓在侧向载荷作用下发生转动时,单次载荷循环后螺栓的转动角度与材料刚度无关。然而要使较软材料的螺纹联接具有同样的张紧力,螺栓需要拉伸的更长,即转动角度更大。所以对于软材料的螺纹联接,使张紧力下降到同样水平的循环数将会增多。

螺纹的松动与摩擦有关,而且显然摩擦系数越大,联接中的摩擦面越难发生相对运动,因此似乎有理由认为摩擦系数越大越难松动。但是,Sanclemente 和Hess[75]的研究结果显示,在拧紧过程中,大摩擦系数会使得螺栓产生更大的弹性扭转变形,在载荷施加的过程中,弹性应变能的释放会使得螺栓有较大的初始松动。其实在众多的研究中也都发现在最初的几个侧向载荷循环中,螺栓的弹性扭转应变的释放使得螺纹联接产生初始的下降。但这些研究中所使用的预紧力都偏小,对于承受大预紧力的螺纹联接,并没有文章分析其扭转弹性应变能究竟在何时以多快的速度被释放。

值得一提的是,Eccles et al.指出[76],铝制螺栓在多次拧紧放松之后,摩擦面的表面摩擦系数会由于磨损而发生改变。因此,在研究螺纹联接机理时,可能也需要引入微动磨损等摩擦理论。

1.7 未来研究的发展趋势

从现有的文献来看,针对螺纹联接松动的研究已经开展了近70 年,发现了引起螺纹松动的最主要的载荷形式,并通过大量实验定性的总结了部分影响因素的影响规律,也通过有限元分析探明了螺纹联接松动时的接触状态变化规律,取得了很大的研究成果。但是至今仍没有一个形式简单、预测准确的模型可以用于描述螺栓在指定载荷条件下的松动规律。而且影响螺纹联接的因素繁多,影响规律复杂,因此继续深入研究螺纹联接松动的机理及其规律的意义无疑是巨大的。

通过对现有文献的理解、总结,本文作者认为螺纹联接松动仍有以下工作等待完成:

1)从不同螺栓材料的棘轮、蠕变行为研究开始,对不同材料的第一阶段松动分别进行研究。

2)对工作于温度有较大变化环境中的螺纹联接进行细致的热机耦合分析以进一步研究温度对松动的影响。

3)对松动问题进行大量的模拟、实验,以期能够定量的确定各因素对松动的影响,并提出能够指导工程实际应用的松动模型。

4)对螺纹联接松动的计算模型本身进行研究、讨论,例如网格收敛性、分析步、增量步、时间积分参量、接触模型、摩擦模型、材料模型的选择等,以使得计算结果能够更接近实验结果。

5)从螺纹联接松动的规律、机理出发,设计防松效果更好并且加工、装配简单的新型螺纹或防松形式,减少因松动引起的设备故障及失效。就目前的形势来说,我国在车辆、船舶、航空航天等各个制造领域内都处于快速发展阶段,同时也正由“制造大国”向“制造强国”转型,需要改进和提高诸多关键产品在疲劳强度、动态特性以及密封性能等方面的设计水平。所以,螺纹联接松动问题研究的意义和价值在我国将显得更加突出。

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