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螺栓松动失效详解

发布日期:2023-12-08 10:10:26   浏览量 :53
发布日期:2023-12-08 10:10:26  
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螺栓松动

在动态载荷如振动、冲击以及循环载荷等作用下,常常会导致螺栓松动,螺栓松动是螺栓连接结构的主要失效形式,其不仅会引发机械异响或介质泄漏等问题,甚至还会造成严重的工业事故。

由于松动机理复杂且松动过程监测困难,至今尚未形成统一全面的认识。本节将通过螺栓松动理论、防松措施这两个方面进行论述。


1.螺栓松动理论

螺栓的松动过程一般都是非线性的,往往是螺纹的接触部位发生微观滑动现象,然后渐渐转化为宏观的松动现象。

精确测量螺栓松动和研究螺栓松动机理是预测螺栓松动的前提,但是受技术条件以及观测难度等因素限制,迄今为止还未能形成很好的直接监测螺栓松动的方法。关于螺栓松动机理也一直是人为假设,没有夯实的理论支撑。

螺栓主要是在横向载荷下发生松动失效,失效原因有以下解释:

图1 螺栓松动机理解释模型

如图1(a)所示,当一个物块在平面上时,若需要将它移动,则可以在1方向施加一个能够克服最大摩擦力(μmg)的力,但是如果当2方向有这样的一个力,那么1方向只需要提供很小的力就可以推动物块。

如图1(b)所示,当物块在斜面上时,由于倾斜角度小于摩擦角,所以物块有自锁作用,不会向下滑动。但是如果给物块施加一个横向激励,那么物块就会在重力的作用下向下滑动。

螺栓松动就类似于这样的过程,只不过重力类似于螺栓预紧力、轴向载荷等一些轴向力,横向激励类似于螺栓的横向载荷。Jiang等通过螺栓接头扭转疲劳试验验证了螺栓接头松动主要是由接触表面上的微滑动造成的。

螺栓松动还可以用能量理论来解释。Yamamoto 等认为螺栓的拧紧、松动与能量有关,本质上是能量的聚集与耗散,认为螺栓在拧紧时注入了多余的能量,而当螺纹副之间发生相对滑动时,多余的能量被释放出来,螺栓开始反向转动。

为了从能量角度更加深入地研究螺栓松动原理,Andrew等研究发现螺栓的能量耗散程度与螺纹接触面的粗糙程度、外载荷作用形式、外载荷频率以及幅值有关。


2.螺栓防松措施

螺栓防松措施有很多,大致可以分为保持预紧力、破坏螺纹副运动关系、摩擦防松等。

1.2.1保持预紧力

保持预紧力是最直接的螺栓防松方法。Ding等提出保持足够的螺栓拉力,从而保持初始预紧力,使接头和螺杆更紧密地配合,可以防止接头在弯曲时丧失结构完整性。

Liu等将MoS2作为涂层涂在螺栓上以保持螺栓预紧力,发现此方法具有很好的防松效果。

1.2.2 破坏螺纹副运动关系

防止接触面相对滑移是从载荷输入的方面考虑防松,此方法破坏螺栓螺纹关系,不可拆卸,适用于永久性连接中。包括:

(1) 焊接,将螺母焊接于螺杆上;

(2)冲点,用冲头在螺杆末端与螺母面旋合缝处打冲,利用冲点防松;

(3)涂胶粘剂,在螺纹副间涂液体胶粘剂,胶粘剂固化后能防止螺母转动;

(4)铆合,螺栓拧紧后将螺杆末端伸出螺母的部分铆死,阻止螺栓松动。

1.2.3摩擦防松

图2唐氏螺纹

唐氏螺纹(图2)属于摩擦防松,它同时具有左旋螺纹和右旋螺纹,在装配时,可以同时安装2个不同旋向的螺母,先安装右旋螺母,之后再安装左旋螺母。当发生松动时,2个螺栓的旋转方向相反,可以相互约束。试验测得这种螺栓结构具有较好的防松效果。

螺栓松动是螺栓失效的主要原因之一,目前主要基于能量理论来解释螺栓松动机理,认为螺栓的预紧和松动是能量的聚集与耗散过程。

在分析造成能量耗散以及松动的原因时,一般认为横向载荷是造成松动的主要原因,并且载荷频率与松动关系并不大,而载荷幅值会对松动产生较大的影响,所以现阶段的研究更多集中在载荷幅值、加载形式等。

由于螺栓工作区域很难监测,所以在分析松动具体过程时,有限元模型可以很好地帮助模拟,并有望成为未来螺栓研究的主流方法。


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