李天雷¹，李　宏²，鄧智昌²，王　卓²，丁曉宇¹
（1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京，100081；2.內(nèi)蒙古機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭　014030）

　　螺紋連接優(yōu)點(diǎn)眾多，是機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用Z廣泛的連接方式之一。螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)不僅會(huì)降低預(yù)緊力，而且還會(huì)誘發(fā)螺栓斷裂^[1]，造成嚴(yán)重事故。常用的防松方法有很多，其中楔形螺母是近些年受關(guān)注度較高的防松產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代美國(guó)底特律工具公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，設(shè)計(jì)出楔形螺母，有效地解決了螺栓連接的松動(dòng)問(wèn)題^[2]。楔形螺母憑借其良好的防松性能，在汽車工業(yè)、工程機(jī)械、鐵路系統(tǒng)和軌道交通、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。近年來(lái)，楔形螺母在工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍在繼續(xù)。許克楊等人^[3]介紹了楔形角螺紋在主齒凸緣螺母的應(yīng)用，改善了主齒凸緣螺母的松脫問(wèn)題；朱衍順等人^[4]對(duì)楔形螺母在重卡驅(qū)動(dòng)橋殼上的應(yīng)用展開(kāi)研究，利用橋殼疲勞試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證了楔形螺母具有很好的防松效果；D.M.S.Ronden等人^[5]在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域GUPP（Generic Upper Port Plug）的研究上采用楔形螺母對(duì)儀器進(jìn)行緊固；張挺等人^[6-7]將楔形螺母與其他緊固件進(jìn)行比較研究，探究了不同緊固件的防松性能；A.S.Tremsin等人^[8]則是利用能量分辨中子透射成像法對(duì)楔形螺母進(jìn)行非破壞性檢測(cè)，使得楔形螺母的檢測(cè)手段有了新的突破。雖然許多學(xué)者利用各種方法檢驗(yàn)楔形螺母的防松性能，然而對(duì)于究竟采用什么樣的安裝工藝才能確保Z優(yōu)的防松性能并未給出說(shuō)明。公開(kāi)文獻(xiàn)資料中也缺乏對(duì)其擰緊工藝的相關(guān)參考。筆者通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探究初始軸向預(yù)緊力對(duì)楔形螺母防松性能的影響。
　　1　試驗(yàn)研究
　　1.1　理論分析
　　20世紀(jì)60年代后期，德國(guó)工程師G.H.Junker[9]從橫向動(dòng)載條件入手展開(kāi)對(duì)螺栓連接松動(dòng)問(wèn)題的研究，對(duì)螺栓連接件施加橫向振動(dòng)載荷，發(fā)現(xiàn)螺栓連接在橫向動(dòng)載的條件下非常容易發(fā)生松動(dòng)，于是Junker設(shè)計(jì)了橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)如圖2所示，被測(cè)螺栓通過(guò)螺母緊固到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)板和固定架上，滾動(dòng)軸承用來(lái)減小活動(dòng)板和基座之間的摩擦，活動(dòng)板通過(guò)連桿與偏心輪相連而受到往復(fù)循環(huán)的橫向載荷，試驗(yàn)螺栓的軸向力以及施加的橫向力通過(guò)力傳感器測(cè)得，往復(fù)活動(dòng)板的位移由位移傳感器測(cè)量得到。通過(guò)預(yù)緊力的衰減曲線，可以分析螺栓的防松性能。Junker的研究工作深化了人們對(duì)于螺栓連接松動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，他設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法和設(shè)備后來(lái)也被其他學(xué)者廣泛采用，并被稱為Junker測(cè)試（或Junker試驗(yàn)）。利用橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，可以用來(lái)探究初始軸向預(yù)緊力對(duì)楔形螺母防松性能的影響。

　　1.2　橫向振動(dòng)試驗(yàn)
　　橫向振動(dòng)試驗(yàn)如表1所列。試驗(yàn)中，楔形螺母及螺栓的材料均為45，強(qiáng)度等級(jí)均為8.8級(jí)，為保證試驗(yàn)安全，要求軸向預(yù)緊力不超過(guò)螺栓屈服極限的70%（即為23kN）。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10431—2008緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)振幅為1mm，頻率為12.5Hz，振動(dòng)周期為2000個(gè)。橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)可以精確控制螺栓軸向力的大小，初始軸向預(yù)緊力分別為10、12、15、18、23kN共5組，試驗(yàn)來(lái)觀測(cè)不同初始軸向預(yù)緊力所對(duì)應(yīng)螺母的松動(dòng)情況，并記錄不同周期對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力。

　　1.3　結(jié)果分析
　　橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄振動(dòng)過(guò)程中螺栓軸向力變化情況，檢測(cè)記錄的數(shù)據(jù)會(huì)同步到電腦，得到振動(dòng)過(guò)程中的軸向預(yù)緊力衰減曲線，曲線的衰減斜率越低，說(shuō)明防松性能越好。軸向預(yù)緊力衰減曲線如圖2所示。從圖2可以觀察到，當(dāng)楔形螺母的初始軸向預(yù)緊力為23kN時(shí)，其防松性能反而低于施加相同初始軸向力普通粗牙螺母的防松性能。在使用楔形螺母擰緊普通螺栓時(shí)，當(dāng)初始軸向預(yù)緊力為10kN時(shí)，軸向預(yù)緊力下降較快，軸向預(yù)緊力的變化不穩(wěn)定，由于未達(dá)到防松所需的預(yù)緊力，因而楔形螺母不能達(dá)到防松效果；當(dāng)初始軸向預(yù)緊力為23kN時(shí)，楔形螺母也無(wú)法達(dá)到防松效果；能夠達(dá)到防松效果的初始軸向預(yù)緊力在12~18kN之間（螺栓屈服極限的35%～55%）。

　　2　有限元計(jì)算分析
　　2.1　有限元模型的建立
　　楔形螺母連接有限元模型如圖3所示。選擇雙線性模型來(lái)近似模擬材料的塑性特性，具體材料參數(shù)：彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，屈服極限為350MPa，切線模量為1550MPa，摩擦因數(shù)為0.15。楔形螺母連接網(wǎng)格的劃分、單元及材料的定義、接觸對(duì)的設(shè)置均在Hypermesh中完成；約束、軸向預(yù)緊力及橫向周期載荷的施加均在ANSYS中實(shí)現(xiàn)。由圖3可知，對(duì)螺栓頭部施加x、y、z方向的約束，活動(dòng)板下側(cè)施加y、z方向的約束；采用PRETS179單元來(lái)進(jìn)行軸向預(yù)緊力的施加；螺母的作用主要是使螺栓在軸向伸長(zhǎng)，因此可直接將螺栓非螺紋部分“切開(kāi)”，添加PRETS179單元產(chǎn)生軸向預(yù)緊力；在活動(dòng)板的側(cè)面施加x方向的橫向周期載荷，振幅取0.1mm。

　　2.2　有限元研究
　　設(shè)定初始軸向預(yù)緊力分別為15、20、25kN，振動(dòng)20個(gè)周期后，得到螺栓軸向預(yù)緊力在振動(dòng)過(guò)程中的衰減仿真曲線如圖4所示。由圖4可知：初始軸向預(yù)緊力為15、20kN的防松效果明顯好于25kN的結(jié)果；剩余軸向預(yù)緊力在第5個(gè)周期后開(kāi)始穩(wěn)定衰減；軸向預(yù)緊力衰減速率的快慢反映了楔形螺母防松性能的好壞。
　　初始軸向預(yù)緊力對(duì)螺紋面接觸應(yīng)力的影響如圖5所示。提取楔形螺母上每個(gè)節(jié)距內(nèi)的楔形面所受平均接觸應(yīng)力，軸向預(yù)緊力對(duì)楔形面接觸應(yīng)力的影響如圖6所示。由圖5、6可知：當(dāng)初始軸向預(yù)緊力為15、20kN時(shí)，螺栓螺紋牙緊緊頂在楔形螺母的楔形面上，這種接觸狀態(tài)符合楔形螺母設(shè)計(jì)的初衷，此時(shí)軸向預(yù)緊力在不同節(jié)距上是近似均勻分布的；而當(dāng)初始軸向預(yù)緊力為25kN時(shí)，由于存在顯著的變形，螺栓螺紋牙與楔形螺母之間的接觸區(qū)域已經(jīng)不局限于楔形面上，即外螺紋牙頂和內(nèi)螺紋楔形面的咬合關(guān)系被破壞，這種接觸狀態(tài)已經(jīng)不符合楔形螺母設(shè)計(jì)的初衷，軸向預(yù)緊力在不同節(jié)距上也不再是均勻分布，此時(shí)的接觸狀態(tài)與普通六角螺母的螺紋接觸狀態(tài)相近，自然也就無(wú)法起到相應(yīng)的防松效果。楔形螺母在與普通螺栓配合使用時(shí)，如果初始軸向預(yù)緊力過(guò)小，無(wú)法達(dá)到防松所需的軸向預(yù)緊力而容易松脫；結(jié)合有限元仿真結(jié)果可知，如果初始軸向預(yù)緊力過(guò)大，外螺紋牙頂和內(nèi)螺紋楔形面的咬合關(guān)系被破壞，這種接觸狀態(tài)已經(jīng)不符合楔形螺母設(shè)計(jì)的初衷，不同節(jié)距上的應(yīng)力也不再是近似均勻分布，自然無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的防松效果；因此，楔形螺母在使用時(shí)不能使用過(guò)大的初始軸向預(yù)緊力。

　　3　結(jié)語(yǔ)
　　初始軸向預(yù)緊力控制在螺栓屈服極限35%～55%時(shí)，能夠保證楔形螺母與普通螺栓連接結(jié)構(gòu)達(dá)到很好的防松效果。進(jìn)而推廣到一般的楔形螺母，對(duì)于規(guī)格、材料、熱處理工藝等條件確定的楔形螺母螺栓結(jié)構(gòu)，其屈服極限值是固定的，該種規(guī)格楔形螺母的初始軸向預(yù)緊力則為其屈服極限值的35%～55%。
　　參　考　文　獻(xiàn)
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來(lái)源：《礦山機(jī)械》2018年5期