在現(xiàn)代機(jī)械中，緊固件的數(shù)量約占機(jī)器零件總數(shù)量的60%，其中螺紋聯(lián)接是機(jī)械聯(lián)接中使用最普遍的形式之一。
一般螺紋緊固都具有自鎖性能，但在變載、沖擊、振動(dòng)作用下或者工作溫度變化較大時(shí)均可能發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致預(yù)緊力下降。
螺紋緊固件的摩擦系數(shù)是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響著螺栓的材料強(qiáng)度效能利用和防松性。摩擦系數(shù)較大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的預(yù)緊力也小。
而且由于擰緊過(guò)程中螺栓會(huì)受到更大的剪切力，螺栓等效拉應(yīng)力更容易超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，此時(shí)設(shè)計(jì)者往往需要提高螺栓的規(guī)格來(lái)滿足預(yù)緊力的設(shè)計(jì)要求，造成材料的浪費(fèi)；
摩擦系數(shù)較小的螺栓，在相同扭矩下得到的預(yù)緊力較大，但自身防松效果較差。可見(jiàn)，螺栓摩擦系數(shù)的選取是一個(gè)平衡防松性能與強(qiáng)度效能利用的矛盾問(wèn)題。
本文以某規(guī)格法蘭螺栓為例，針對(duì)同一規(guī)格不同表面處理要求，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)探究了幾種不同摩擦系數(shù)螺栓的防松特性，為該規(guī)格的高強(qiáng)度連接螺栓的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)、選定提供有意義的參考。
緊固件的各種防松方式
相互配合的螺紋之間受到的是一種復(fù)合力的作用，為了分析方便，以矩形螺紋作為研究對(duì)象。螺紋副中，螺母所受到的軸向載荷Q沿螺紋各圈平均分布，為便于分析，用集中載荷Q代替，并設(shè)Q作用在中徑為d2圓周上的一點(diǎn)。將矩形螺紋沿中徑d2展開(kāi)，得到斜角等于螺紋升角的斜面。當(dāng)螺母相對(duì)于螺桿等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可看作一個(gè)滑塊（螺母）沿著斜面作等速滑動(dòng)，如圖1。擰緊螺母時(shí)，相當(dāng)于水平推力F推動(dòng)滑塊沿斜面向上滑動(dòng)，它的作用方向與d2的圓周相切，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還受到接觸面的摩擦力Ff、軸向載荷Q。
當(dāng)螺母勻速擰緊時(shí)（滑塊勻速升），根據(jù)勻速條件得知滑塊所受到的合力為零，及作用在滑塊的各力平衡。根據(jù)封閉三角形原理，得到平衡方程：勻速擰松螺母時(shí)，相當(dāng)于水平推力F推動(dòng)滑塊沿斜面勻速向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)摩擦力Ff反向，則作用在滑塊的各力平衡，根據(jù)封閉三角形原則，得到平衡方程。1.2 摩擦系數(shù)對(duì)螺栓防松性能的影響螺栓松脫主要是由兩方面原因造成的：松弛和松動(dòng)。其中松弛是指緊固件裝配完成后，整體結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)下，在5～10 min內(nèi)緊固件的夾緊力會(huì)出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕變兩大原因引起的：松動(dòng)是指緊固件在轉(zhuǎn)配完成后，緊固件結(jié)構(gòu)受到一定時(shí)間的交變載荷后，螺母與螺栓之間發(fā)生了顯著的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)緊力下降直到預(yù)緊力消失的現(xiàn)象。摩擦系數(shù)作為螺紋緊固件重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，直接影響這螺紋緊固件的防松性能。根據(jù)前文螺紋受力分析可知：由于螺紋升角的作用，擰緊螺母所需力矩T1和擰松螺母所需要的力矩T2不同，一般情況下擰松力矩為擰緊力矩的80%左右。那么，擰松力矩越大，則螺栓松動(dòng)的可能性就會(huì)越低，即螺栓防松的效果越好。擰松扭矩公式如下：當(dāng)螺紋的類(lèi)型確定（螺紋升角確定）、工況條件確定（Q確定）的前提下，擰松力矩與摩擦系數(shù)成正相關(guān),這里需要考察是的T2絕對(duì)值的大小，即在一定的范圍內(nèi)摩擦系數(shù)越大，其擰松力矩越大，對(duì)應(yīng)螺栓的防松性能相對(duì)越好。從上述理論分析可以看出，摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個(gè)重要因素。為了進(jìn)一步探究螺栓的摩擦系數(shù)對(duì)其防松性能的影響規(guī)律，在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。
本文研究的對(duì)象是摩擦系數(shù)對(duì)高強(qiáng)度螺栓防松性能的影響分析，因此選取的實(shí)驗(yàn)樣件型號(hào)為M10*1.25*65-8.8，頭部形狀均為六角頭法蘭面，唯一區(qū)別是各組之間螺栓的表面處理不同（決定摩擦系數(shù)的差異），具體的材料信息見(jiàn)表1。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的實(shí)驗(yàn)樣件均由同一個(gè)生產(chǎn)廠家提供，保證材料、加工工藝等方面的一致性：實(shí)驗(yàn)環(huán)境始終保持在常溫（出現(xiàn)個(gè)別天氣變化的情況要更改實(shí)驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃）；實(shí)驗(yàn)儀器中選擇的頻率為12.5 Hz，空載振幅為±0.8 mm；實(shí)驗(yàn)終止條件為振動(dòng)時(shí)間達(dá)到120s或者殘余軸向力減少至零。本實(shí)驗(yàn)利用橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)量出螺栓擰緊過(guò)程中的夾緊力、螺紋副上的扭矩以及分階段測(cè)出軸向力的變化，并對(duì)軸向力衰減做出一個(gè)實(shí)時(shí)反映。實(shí)驗(yàn)采用的方法是單一變量的原理，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中唯一的變量是螺栓的摩擦系數(shù)（由表面處理不同來(lái)體現(xiàn)）。實(shí)驗(yàn)共分為4組，每組各做10次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)都要更換新的樣件及工裝夾具。每組實(shí)驗(yàn)保證在初始軸向力相同的情況下（19.5 kN），分別記錄30s、60s、90s、120s的軸力變化，最終獲得各組螺栓的軸力殘余比。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的分析和對(duì)比可以判定緊固件的防松性能。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，夾緊力衰減的越慢（殘余比越大），防松性能越好；反之，夾緊力衰減越快（殘余比越小），防松性能越差。1）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同摩擦系數(shù)的螺栓在振動(dòng)過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的殘余軸向力均值，如表2。通過(guò)表2可以得出，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移，各組螺栓的殘余軸向力都有不同程度的衰減，且當(dāng)摩擦系數(shù)由0.25降至0.12時(shí)，對(duì)應(yīng)的軸力殘余比也依次降低，根據(jù)前面的分析可得，其對(duì)應(yīng)的螺栓防松性能也依次下降。2）為了能更加直觀地表現(xiàn)出螺栓所受軸向力衰減與摩擦系數(shù)的關(guān)系，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)殘余軸向力與初始軸向力百分比的平均值，如表3；并將不同摩擦系數(shù)下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力殘余比擬合成了四條曲線，如圖2。圖2 不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力殘余比變化趨勢(shì)通過(guò)表3對(duì)四種摩擦系數(shù)下得到的螺栓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，以及圖2表示的不同摩擦系數(shù)下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力比的變化趨勢(shì)，可以得出以下測(cè)試結(jié)果。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓（強(qiáng)度等級(jí)≥8.8）緊固過(guò)程中，在保證擰緊的前提下（初始軸向力一般為屈服軸向力的75%左右），以上四種摩擦系數(shù)的螺栓最終的軸力殘余比均≥80%，可見(jiàn)以上四組螺栓均具有一定的防松能力，但防松的性能有一定的差異；以上4種摩擦系數(shù)的螺栓在經(jīng)歷120s的橫向振動(dòng)后，軸向力都有衰減的趨勢(shì)，但4組螺栓的軸力衰減程度不同。摩擦系數(shù)高（0.25）的螺栓，在到達(dá)30s過(guò)后，衰減曲線幾乎趨于水平，軸力衰減相對(duì)較平緩，防松性能較好；摩擦系數(shù)低（0.12）的螺栓，經(jīng)歷120s的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，衰減曲線始終呈現(xiàn)坡度下降的趨勢(shì)，軸力衰減相對(duì)較快，防松性能相對(duì)較低。通過(guò)理論分析，得出摩擦系數(shù)是影響螺栓防松性能的一個(gè)關(guān)鍵性因素。摩擦系數(shù)較高時(shí)，螺栓的防松性能相對(duì)較好，即在防松方面的連接可靠性較高；反之，摩擦系數(shù)較低時(shí)，螺栓防松性能相對(duì)較差，即在防松方面的連接可靠性相對(duì)較低。當(dāng)然，影響螺栓防松性能的因素不單是摩擦系數(shù)，同樣摩擦系數(shù)也不單只對(duì)螺栓防松性能起作用，它對(duì)螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩系數(shù)、扭矩的轉(zhuǎn)換等也有直接關(guān)系。總之，摩擦系數(shù)的選取是一個(gè)平衡防松性能與強(qiáng)度效能利用的矛盾問(wèn)題，本文只針對(duì)摩擦系數(shù)對(duì)螺栓防松性能的影響做了詳細(xì)的研究分析，具體螺栓摩擦系數(shù)的最終選取需要在此基礎(chǔ)上，根據(jù)螺栓的型號(hào)、使用場(chǎng)合等因素綜合考慮。
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