張 敬，韓燦峰，李華峰，楊永強(qiáng)，余志庭，張金國(guó)

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430200）

0 引言

螺紋連接在船舶系統(tǒng)管路及設(shè)備安裝中，被廣泛應(yīng)用，避免螺紋連接在船舶系統(tǒng)及設(shè)備工作過(guò)程中發(fā)生松動(dòng)失效是船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)所關(guān)心的核心問(wèn)題之一。因此，設(shè)計(jì)和使用具有較高安全可靠性的螺紋連接防松措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)船舶管路系統(tǒng)中螺紋松動(dòng)問(wèn)題，在分析螺紋連接松動(dòng)機(jī)理、螺紋松動(dòng)的影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)開展了基于齒形墊圈的防松弛技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，為船舶系統(tǒng)緊固件的設(shè)計(jì)選用提供技術(shù)支撐。

1 螺紋連接松動(dòng)機(jī)理

螺紋連接松動(dòng)按階段可分為非旋轉(zhuǎn)式松動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式松動(dòng)。相關(guān)學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)螺紋連接發(fā)生松動(dòng)是積累的過(guò)程，一般可分為2個(gè)階段：第一階段螺紋連接間不發(fā)生明顯的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)螺紋連接松動(dòng)主要是由于材料局部塑性變形導(dǎo)致的預(yù)緊力減??；第二階段螺紋連接在外部載荷下發(fā)生明顯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)[1]。

針對(duì)外載荷作用下的螺紋連接失效機(jī)理，早期的螺紋連接松動(dòng)機(jī)理研究主要集中在軸向載荷作用下對(duì)松動(dòng)的影響，Goodier和Sweeney[2]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)開展了軸向動(dòng)態(tài)載荷下的螺紋連接松動(dòng)機(jī)理研究，指出軸向載荷作用下螺紋發(fā)生松動(dòng)的原因是螺紋嚙合面發(fā)生相對(duì)位移，通過(guò)25000次軸向負(fù)荷循環(huán)，螺紋的最大松動(dòng)角只有6°，這在工程實(shí)際中并不算很大的松動(dòng)角[3]。

相對(duì)于橫向載荷，螺紋連接在軸向載荷作用下不易發(fā)生完全松動(dòng)[4]。1969年，H. Junker發(fā)明了Junker振動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)螺紋連接開展了橫向載荷下的實(shí)驗(yàn)研究[5]，在這之后，針對(duì)螺紋連接的松動(dòng)機(jī)理研究多集中在由橫向振動(dòng)載荷作用下引起的螺紋連接松動(dòng)[6-7]，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺栓受橫向載荷作用時(shí)，螺紋連接面及螺桿頭接觸面易發(fā)生相對(duì)滑移，當(dāng)滑移積累到一定程度時(shí)導(dǎo)致螺紋發(fā)生回轉(zhuǎn)松動(dòng)。通常，螺紋連接在其工作中會(huì)受到復(fù)雜的載荷作用，包括橫向動(dòng)載荷、軸向動(dòng)載荷、彎曲載荷、切向載荷或者是共同作用的結(jié)果，但一般認(rèn)為，螺紋連接松動(dòng)的主要原因是橫向載荷引起的。

2 防松措施

螺紋連接防松的根本思路在于保證螺紋連接在工作過(guò)程中預(yù)緊力的衰減在可控的范圍，螺紋連接防松性能的影響因素有初始預(yù)緊力、旋合長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度等級(jí)、摩擦系數(shù)、外部載荷等[8]。鑒于螺紋連接松動(dòng)通常分為非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和旋轉(zhuǎn)松動(dòng)階段，抑制第一階段松動(dòng)的主要方法是選用高強(qiáng)度、高韌性的材料，采用合適的初始預(yù)緊力擰緊，避免螺紋連接產(chǎn)生初始局部塑性變形。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變螺紋連接的結(jié)構(gòu)形式，增加螺紋副之間及支撐面的摩擦力等有效手段，防止螺紋連接第二階段發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

螺紋連接防松方式根據(jù)防松原理的不同主要分為：機(jī)械防松、破壞螺紋副防松和摩擦防松。1）機(jī)械防松的原理是通過(guò)機(jī)械鎖緊元件防止相互配合的螺紋連接在工作中發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，采用該原理的防松措施有雙耳止動(dòng)墊圈、串聯(lián)鋼絲、開口銷、開槽六角螺母等，機(jī)械防松可有效提高螺紋連接的防松性能，但該方式需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的緊固件進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的修改，且裝配、拆卸有一定的困難，重復(fù)使用性較差，在空間有限的船舶系統(tǒng)及管路中使用較少。2）破壞螺紋副防松的原理是通過(guò)機(jī)械加工等方式破壞螺紋副之間的配合關(guān)系，使螺紋副之間失去相互滑移的條件，采用該原理的防松措施有鉚合、涂膠以及沖點(diǎn)，該防松方式具有一定的防松效果，但由于增加了安裝工序，人為因素影響較大，拆卸后不能重新安裝使用，該防松方式在船舶中使用較少。3）摩擦防松的工作原理是通過(guò)增加螺紋副之間及螺栓與支撐面之間的摩擦力，進(jìn)而產(chǎn)生有效的摩擦力矩阻止螺紋連接副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用該原理的防松措施有對(duì)頂雙螺母、彈簧墊圈、平墊圈、碟簧墊圈等，摩擦防松方式目前在船舶系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，有一種齒形墊圈的防松結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)工程界的重視，其結(jié)構(gòu)及連接示意圖如圖1所示。齒形墊圈由兩片相同的外側(cè)帶方向性密集小齒面，內(nèi)側(cè)為較大斜齒面的墊圈組成。其防松原理為：小齒面的方向與螺紋卸載的方向相反，螺紋緊固時(shí)，小齒面嵌入被連接件表面和螺栓頭部，當(dāng)螺紋連接件受到外界載荷作用時(shí)，由于大齒面的角度α比螺紋升角β大，螺紋沿軸向方向上可產(chǎn)生的位移小于2片齒形墊圈之間產(chǎn)生的位移，松動(dòng)位移被齒形墊圈的位移彌補(bǔ)，此時(shí)，螺栓被拉長(zhǎng)，產(chǎn)生更大的預(yù)緊力，防止螺栓和螺母的旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。齒形墊圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要特殊的安裝工具，容易拆卸和維護(hù)，空間需求小，具有較大的使用潛力。

圖1 齒形墊圈及連接件示意圖

另外，碟簧墊圈及Hardlock螺母在其他行業(yè)反饋防松效果良好。碟簧墊圈為錐形環(huán)狀碟片，盤片厚度恒定不變，載荷均勻分布在上表面內(nèi)邊緣和下表面外邊緣，碟簧墊圈在壓緊后產(chǎn)生均勻的彈性恢復(fù)力從而達(dá)到防止螺紋松動(dòng)的目的，可以單個(gè)使用或采用疊合組合、對(duì)合組合或混合組合的形式多個(gè)一起使用。Hardlock螺母由2個(gè)偏心加工的螺母組成，上螺母為凹螺母，下螺母為凸螺母，當(dāng)螺紋緊固時(shí)，在螺母偏心的情況下，上螺母對(duì)下螺母進(jìn)行壓緊，形成在縫隙間打入楔子的功效，從而防止螺母旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

為驗(yàn)證各防松結(jié)構(gòu)的防松性能，挖掘其在船舶系統(tǒng)上的應(yīng)用能力，本文采用緊固件橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)某船舶系統(tǒng)目前采用的彈簧墊圈配合平墊圈的防松形式以及齒形墊圈、Hardlock螺母、碟簧墊圈等防松結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)橫向載荷作用下螺栓預(yù)緊力的衰減對(duì)比不同防松結(jié)構(gòu)適配不同螺栓規(guī)格工況下對(duì)螺紋連接防松性能的影響，并針對(duì)管路法蘭連接的特點(diǎn)，引入預(yù)緊力衰減離散度與極差指標(biāo)評(píng)價(jià)防松結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定性，分析松弛特性及防松能力。

3 橫向載荷下防松性能實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

1）緊固件試樣的實(shí)驗(yàn)預(yù)夾緊力載荷。按照某船舶《管路系統(tǒng)防漏技術(shù)要求》中相關(guān)規(guī)格，螺栓安裝力矩將緊固件裝配至實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2）實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率和振動(dòng)周期。各安裝形式、規(guī)格緊固件試樣防松性能考核實(shí)驗(yàn)振動(dòng)頻率為12.5 Hz，振動(dòng)周期為1000周期。

3）實(shí)驗(yàn)振動(dòng)振幅。選用無(wú)防松結(jié)構(gòu)的緊固件試樣（負(fù)載最小），并選取一個(gè)比較低的振動(dòng)振幅，在振動(dòng)300±100次后，緊固件試樣必須完全松脫（剩余預(yù)緊力＜10%初始預(yù)緊力）；如試樣未完全松脫，則調(diào)整至更高一檔振幅（階梯式遞進(jìn)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；當(dāng)連續(xù)3次振動(dòng)測(cè)試中緊固件試樣的預(yù)緊力完全松脫，則此振動(dòng)振幅用于對(duì)比不同防松結(jié)構(gòu)的防松性能考核實(shí)驗(yàn)。不同規(guī)格的緊固件分別進(jìn)行振幅標(biāo)定。

4）防松性能考核實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始前記錄安裝力矩下的初始預(yù)緊力值，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察配套軟件顯示的夾緊力變化數(shù)據(jù)至振動(dòng)周期，記錄實(shí)驗(yàn)完成后殘留預(yù)緊力；各安裝形式、規(guī)格緊固件試樣每組實(shí)驗(yàn)的數(shù)量為10件，每次使用新的緊固件進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)預(yù)緊力衰減率、預(yù)緊力衰減離散度與極差進(jìn)行防松性能評(píng)價(jià)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為考慮防松結(jié)構(gòu)裝配至不同規(guī)格緊固件時(shí)的防松性能，實(shí)驗(yàn)中采用M14，M20，M30三種規(guī)格8.8級(jí)的螺栓、螺母，分別配組相應(yīng)規(guī)格彈簧墊圈及平墊圈、齒形墊圈、碟簧墊圈、Hard Lork螺母，所有緊固件表面均采用鋅鋁復(fù)合涂層處理，實(shí)驗(yàn)對(duì)象如表1所示。

表1 橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)組1-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著橫向載荷的不斷加載，彈簧墊圈+平墊圈的防松結(jié)構(gòu)預(yù)緊力逐漸減小，試樣3在500次橫向載荷加載后就完全松脫，10組試樣1000次振動(dòng)周期后預(yù)緊力衰減平均值52.4%，預(yù)緊力衰減離散度15.1%，彈簧墊圈+平墊圈的防松組合在該實(shí)驗(yàn)工況下防松性能一般。

圖2 實(shí)驗(yàn)組1-1橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組2-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，相對(duì)于平墊圈+彈簧墊圈組合，10組齒形防松墊圈初始預(yù)緊力及預(yù)緊力衰減表現(xiàn)出優(yōu)良的防松性能和規(guī)律的一致性，1000次振動(dòng)周期后，所有樣件預(yù)緊力衰減均小于21%，預(yù)緊力衰減平均值為18.4%，預(yù)緊力衰減離散度為1.4%，配合齒形墊圈的緊固體系仍然具有很好的防松性能。

圖3 實(shí)驗(yàn)組2-1橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組3-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，隨著橫向載荷的不斷加載，碟簧墊圈防松結(jié)構(gòu)預(yù)緊力快速減小，僅試樣3、試樣7和試樣8完成了1000橫向載荷加載，1000次振動(dòng)周期后預(yù)緊力衰減均大于70%，預(yù)緊力衰減平均值85.1%，預(yù)緊力衰減離散度7.5%，在此實(shí)驗(yàn)及安裝工況下碟簧墊圈的防松效果不佳。

圖4 實(shí)驗(yàn)組3-1橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)組4-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，1000次振動(dòng)周期后，僅試樣3預(yù)緊力衰減小于45%，為22.19%，其余各試樣的預(yù)緊力衰減較為分散，區(qū)間位于48%～79%，緊力衰減平均值58.9%，預(yù)緊力衰減離散度為21.8%，Hardlock螺母防松結(jié)構(gòu)效果并不明顯，也不穩(wěn)定。

圖5 實(shí)驗(yàn)組4-1橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將不同規(guī)格緊固件的各實(shí)驗(yàn)組1000次振動(dòng)周期后的螺栓預(yù)緊力衰減情況匯總于表2，圖6表示了不同工況下1000次振動(dòng)周期后螺栓預(yù)緊力衰減離散度和極差。螺栓預(yù)緊力衰減率可直觀反映防松結(jié)構(gòu)在橫向動(dòng)載荷下的防松性能，1000次振動(dòng)周期后，螺栓預(yù)緊力衰減率越小，防松性能越好。不同于機(jī)械設(shè)備上的緊固螺栓，對(duì)于管路連接法蘭而言，其不僅要求該法蘭上的螺紋連接具有優(yōu)良的防松性能，還對(duì)該法蘭上的螺紋連接預(yù)緊力均勻性有較高要求，當(dāng)預(yù)緊力不均勻時(shí)，可能導(dǎo)致法蘭密封面壓偏從而使管路內(nèi)介質(zhì)泄漏引起密封失效故障，因此本文引入預(yù)緊力衰減離散度與極差，以此表征防松結(jié)構(gòu)在管路法蘭連接系統(tǒng)中的防松性能，預(yù)緊力衰減離散度及極差越小，該型防松結(jié)構(gòu)的松動(dòng)性能越穩(wěn)定。

表2 1000次振動(dòng)周期后各實(shí)驗(yàn)對(duì)象預(yù)緊力衰減情況

由表2及圖6可知，齒形墊圈配合下的緊固體系在4種防松結(jié)構(gòu)的3種螺栓規(guī)格中的平均預(yù)緊力衰減率均最小，M14，M20，M30規(guī)格螺栓的平均預(yù)緊力衰減率分別為18.4%、47.4%、41.4%，1000次橫向振動(dòng)載荷作用下的預(yù)緊力衰減率均小于50%。同時(shí)，齒形墊圈表現(xiàn)出優(yōu)良的衰減一致性，所有規(guī)格螺栓中預(yù)緊力衰減最小極差為2.1%，M14、M20、M30規(guī)格螺栓的預(yù)緊力衰減離散度均不大于5%，這對(duì)于法蘭連接緊固體系，即可保證在外載荷作用下的防松特性，也可使法蘭螺栓松弛特性一致，保證較好的連接均勻性。對(duì)于目前管路系統(tǒng)中使用的螺栓+螺母+彈簧墊圈+平墊圈防松組合，在該橫向振動(dòng)條件下的防松性能表現(xiàn)一般，各規(guī)格螺栓平均預(yù)緊力衰減率均大于50%，且預(yù)緊力衰減離散度較大，防松性能不穩(wěn)定；螺栓+Hard Lork螺母的防松性能與彈簧墊圈相似，各規(guī)格螺栓平均預(yù)緊力衰減率位于50%～70%，且預(yù)緊力衰減離散度較大，防松性能較彈簧墊圈略好；螺栓+螺母+碟簧墊圈在該安裝條件下的4種組合中的防松性能最差，各規(guī)格螺栓平均預(yù)緊力衰減率均大于80%。在實(shí)驗(yàn)條件下，4種防松結(jié)構(gòu)的防松性能排序如下：齒形墊圈＞Hardlock螺母＞彈簧墊圈+平墊圈＞碟簧墊圈。另一方面，從螺栓規(guī)格來(lái)看，各防松結(jié)構(gòu)隨著螺栓規(guī)格增大防松性能有下降的趨勢(shì)。因此，在使用中應(yīng)根據(jù)螺栓規(guī)格結(jié)合性能指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及安裝空間等綜合選用合適的防松結(jié)構(gòu)。

圖6 不同工況下1000次振動(dòng)周期后螺栓預(yù)緊力衰減離散度與極差

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)船舶管路系統(tǒng)及設(shè)備螺紋連接易出現(xiàn)松動(dòng)的問(wèn)題，在分析螺紋連接松動(dòng)機(jī)理和螺紋連接松動(dòng)影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，引入了預(yù)緊力衰減率、預(yù)緊力衰減離散度及極差對(duì)比了彈簧墊圈+平墊圈、齒形墊圈、碟簧墊圈以及Hardlock螺母的防松性能，齒形墊圈的優(yōu)良防松特性可用于船舶管路法蘭的可靠連接，提高管路密封可靠性與安全性。