(浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

在現(xiàn)代機械工業(yè)中，螺栓連接形式應用廣泛，特別是在壓力容器行業(yè)中，其優(yōu)點是連接可靠、便于拆裝和檢修等。螺栓上的初始預緊力既保證連接的密封性能[1]，又使得被連接件在外載荷作用時不發(fā)生相對運動[2]。常見的螺栓失效形式有疲勞、螺栓被剪斷和松動等[3]，螺栓的失效不僅會增加工業(yè)機械的維修費用和不必要的停機時間，還會引發(fā)一些嚴重的工業(yè)事故[4]。

良好的螺栓連接性能不僅取決于初始預緊力[5-7]、接觸面摩擦系數[8-9]和材料[10]等，還取決于螺栓直徑[11]以及螺栓和螺栓孔之間的裝配位置。針對螺栓裝配的問題已有很多學者做了大量的研究。Lawlor和Mccarthy等[12-13]研究了螺栓孔間隙在螺栓連接中的影響，研究表明：螺栓和螺栓孔的裝配間隙不僅會影響載荷的分布，而且還會影響螺栓疲勞壽命。馬傳寶等[14]研究了軸心相對孔心的偏移量，考慮了螺栓和螺栓孔裝配成功的概率，同時也考慮了位置度對雙孔螺栓連接的影響。Mccarthy和Egan等[15-16]研究了裝配間隙對螺栓連接的影響，研究表明：裝配間隙會影響螺栓連接強度、剛度和疲勞壽命，但是研究中并沒有考慮位置度的影響。目前對螺栓裝配位置影響連接性能的研究還不夠完善，還沒有理論或實驗定量研究裝配位置對螺栓連接性能的影響。筆者研究了螺栓裝配位置對螺栓連接性能的影響，確定了螺栓和螺栓孔相對位置不同時對螺栓可靠性和連接壽命的影響。

1 實 驗

螺栓連接可簡化為圖1，假設外部載荷為橫向剪切載荷，被施加在任一連接件上。

圖1 螺栓連接簡化圖Fig.1 Simplified diagram of the bolted joint

螺栓連接件通過螺母的相對旋轉產生預緊力以實現(xiàn)連接。為了拆裝方便和部件更換，螺栓和螺栓孔之間采用間隙配合。栓孔之間的最小配合間隙在實際裝配中不能控制為一個確定的值，取決于加工方式和裝配技術。理論上，螺栓和螺栓孔裝配最合理的位置是保證兩者軸線重合，使得螺栓和螺栓孔之間有良好的對中度。實際的裝配過程中，由于裝配工具、技術以及方法的不確定性，螺栓的裝配位置不可能完全處于理論上的最合理位置，兩者軸線存在一定的相對距離。螺栓貼近螺栓孔壁面裝配時，一種是遠離橫向載荷，一種是靠近橫向載荷，螺栓裝配的極限情況如圖2所示。

圖2 螺栓裝配位置Fig.2 Assembling position

為了研究螺栓與螺栓孔之間裝配位置對螺栓連接的影響，設計實驗裝置，如圖3所示。實驗中采用M12螺栓和螺母，螺距為1.75 mm，材料為304不銹鋼；連接件材料為304不銹鋼，厚度為18 mm，螺栓孔的直徑為12.7 mm，螺栓與螺栓孔之間的最大間隙為0.7 mm。為了保護連接件接觸面，連接件之間和螺母與連接件之間分別放置銅帶和墊片。其中，銅帶涂有潤滑油。墊片的材料為304不銹鋼。實驗之前，各個接觸面都應用無水乙醇進行擦洗，以去除表面的油污和雜質。實驗中，螺栓夾緊力的變化由載荷傳感器進行采集，其最大量程為50 kN。實驗裝置放置于英斯特朗實驗機(Instron 8872)，其最大拉伸載荷為25 kN，能夠滿足實驗需求，實驗在室溫中進行。連接件一端固定，一端施加循環(huán)動態(tài)載荷。

圖3 實驗裝置Fig.3 The test rig

實驗中外載控制模式采用位移控制，外載位移以正弦曲線進行加載，頻率為1 Hz，位移和時間的關系為

δ=0.45sin(2πt)

(1)

式中：δ為拉伸位移，mm；t為加載時間，s。

實驗中，螺栓采用扭矩扳手進行預緊，施加扭矩至載荷傳感器的數值為7.5 kN，則螺栓的初始預緊力為7.5 kN。該實驗中螺栓的夾緊力由載荷傳感器采集，以避免扭矩扳手讀數引入的誤差。連接件裝夾時，應檢查螺栓孔之間的對中度。為了確保實驗數據采集的可靠性，實驗前對載荷傳感器進行標定以確定載荷傳感器數據采集的相對誤差是否滿足實驗要求。標定過程中，在載荷傳感器上施加壓力載荷，標定數據如圖4所示。為了更好地對比載荷傳感器和試驗機的測試數據，數據處理時對測試數據取絕對值。

圖4 傳感器標定Fig.4 Calibration for the sensor

標定數據表明：該傳感器的最大相對誤差為1.91%，數據跟隨性良好且能夠滿足實驗需求，可保證采集數據的可靠性和合理性。

2 數據分析

2.1 螺栓連接壽命分析

在循環(huán)外載的作用下，螺栓承受往復的剪切載荷，使得夾緊力衰減而導致螺栓發(fā)生自松動。在螺栓自松動的過程中，螺栓和螺母之間會發(fā)生相對旋轉，螺母會表現(xiàn)為軸向的旋退[16]。預緊力P0和夾緊力P是衡量螺栓自松動和連接壽命的重要參數，三種裝配位置螺栓夾緊力的變化如圖5所示。

圖5 三種裝配情況螺栓夾緊力的變化Fig.5 Variation of the clamped force for three different scenarios

相比于螺栓裝配靠近載荷和遠離載荷時，螺栓中間裝配時疲勞壽命更高，連接更可靠。比較不同裝配位置螺栓夾緊力的變化，可得結論：在外載的作用下，螺栓軸線偏離螺栓孔軸線裝配時，螺栓連接件的疲勞壽命較小，螺栓連接更容易發(fā)生松動，不利于結構緊固。

2.2 工作載荷的分析

作為分析螺栓松動的重要參數，工作載荷能夠反映克服連接面上摩擦力的難易程度，較大的摩擦力需要較大的工作載荷來克服。同時，工作載荷的方向會影響連接面上摩擦力的方向。裝配不同位置時，工作載荷F，循環(huán)數N和載荷位移δ之間的關系如圖6～8所示。

圖6 螺栓靠近載荷裝配Fig.6 Bolt close to the load

圖7 螺栓遠離載荷裝配Fig.7 Bolt away from the load

圖6～8顯示：在循環(huán)實驗過程中，滯回線的形狀發(fā)生明顯變化：前期滯回線形成的包絡面積明顯大于后期滯回線的包絡面積，且滯回線的包絡面積隨著循環(huán)數的增加而減小。說明隨著循環(huán)的進行，夾緊力的下降使得接觸面之間的摩擦力減小，摩擦所做的功也會隨著循環(huán)次數的增加而減小，若要達到實驗中設定的外載位移則所需的外載荷會變小。

圖8 螺栓對中裝配Fig.8 Centring the bolt

3 結果與討論

由于螺栓裝配的隨機性，螺栓在螺栓孔里的位置也是隨機分布的，不能保證兩者軸線是完全重合的。理想的情況是螺栓裝配時螺栓和螺栓孔的軸線相重合，保證螺栓孔和螺栓之間的完全對中。螺栓和螺栓孔的完全對中如圖9(a)所示，偏置裝配如圖9(b)所示。

圖9 螺栓的裝配位置Fig.9 Assembling position for the bolt

圖9中，db為螺栓的直徑；dn為螺栓孔的直徑；Cmin為裝配的最小間隙；Cmax為裝配的最大間隙；Cd為裝配后螺栓軸線和螺栓孔軸線的距離；O1為螺栓的圓心；O2為螺栓孔的圓心。定義Ψ為對中度以表征螺栓的裝配位置，計算公式為

(2)

式中：Ψ的取值為[0, 1]；Δ為螺栓半徑和螺栓孔半徑之差。螺栓連接件承受橫向循環(huán)外載荷且載荷幅值較小時，Ψ越大，在循環(huán)拉伸的過程中螺栓和螺栓孔之間有足夠的空間余量來滿足螺栓的相對運動，螺栓和螺栓孔不會發(fā)生剪切接觸；若載荷幅值較大使得螺栓頭和連接件之間發(fā)生明顯的相對滑動，Cmin消耗完畢后，螺栓被連接件剪切，螺栓和螺栓孔發(fā)生接觸。Ψ越小，說明螺栓和螺栓孔的對中度越差，螺栓軸線和螺栓孔中心線之間的相對距離較小，較小的載荷幅值都可使得螺栓和螺栓孔發(fā)生剪切接觸。Cmin越小，螺栓和螺栓孔的對中度越差，同等載荷下，螺栓和螺栓孔越容易發(fā)生剪切接觸，不利于結構緊固。裝配時控制Cmin的大小能夠有效提高螺栓連接的使用壽命和保障連接的可靠性。

4 結 論

為了研究螺栓裝配位置對螺栓連接松動的影響，設計螺栓連接件進行了實驗。實驗結果表明：螺栓和螺栓孔完全對中裝配時，在橫向載荷的作用下，螺栓孔壁和螺栓之間不易發(fā)生剪切，使得連接壽命高和連接可靠；螺栓相對于螺栓孔非對中裝配時，螺栓和螺栓孔壁之間易發(fā)生剪切接觸，使得螺栓夾緊力損耗較大，容易發(fā)生松動，連接疲勞壽命低。因此，在螺栓裝配時，通過控制螺栓和螺栓之間的對中度能夠有效提高螺栓連接的抵抗松動能力和連接壽命，保證螺栓連接的可靠性。