軸向激勵(lì)下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，螺栓連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)中。作為重要的連接部件，其性能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要影響。在振動(dòng)環(huán)境下，松動(dòng)是螺栓連接結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一。鑒于螺栓松動(dòng)機(jī)制的重要性和復(fù)雜性，國內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。但是由于加工精度和表面粗糙度不同等原因，螺栓松動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差、分散性大，難以發(fā)現(xiàn)松動(dòng)的規(guī)律，對(duì)于螺栓的松動(dòng)機(jī)制至今尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。開展螺栓松動(dòng)試驗(yàn)的研究，具有重要的科學(xué)意義，不

2、僅可以深化對(duì)螺栓松動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，而且為工業(yè)實(shí)際螺栓防松提供重要的理論指導(dǎo)。
　　本論文基于自主研制的螺栓松動(dòng)試驗(yàn)裝置，成功再現(xiàn)了軸向激勵(lì)下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)過程，并在在不同預(yù)緊力矩/預(yù)緊力和交變載荷幅值等試驗(yàn)參數(shù)下，系統(tǒng)開展了軸向激勵(lì)下螺栓/鋁制件連接結(jié)構(gòu)和螺栓/鋼制螺母連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)試驗(yàn);對(duì)螺栓進(jìn)行表面處理，研究聚四氟乙烯涂層（PTFE涂層）、二硫化鉬涂層（MoS2涂層）和氮化鈦涂層（TiN涂層）對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)防松性能的影響;基

3、于MoS2涂層螺栓，通過理論計(jì)算獲取合理的預(yù)緊力，并研究其防松性能。在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和電子能譜儀(EDX)進(jìn)行微觀分析，并結(jié)合有限元計(jì)算，系統(tǒng)揭示了螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理。
　　完成的主要研究?jī)?nèi)容和獲得的主要結(jié)論如下:
　　（一）軸向激勵(lì)下螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)機(jī)理
　　基于動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及螺紋表面損傷形貌分析，結(jié)合有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理是結(jié)構(gòu)的塑性變形和接

4、觸界面的微動(dòng)磨損。
　　(1)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)過程可分為兩個(gè)階段:第一階段，由于螺栓連接結(jié)構(gòu)的塑性變形以及接觸表面粗糙峰被去除，螺栓軸向力迅速下降;第二階段，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由于材料的棘輪效應(yīng)，塑性變形趨于穩(wěn)定，微動(dòng)磨損是螺栓軸向力下降的主要原因。
　　(2)研究表明預(yù)緊力矩/預(yù)緊力、交變載荷幅值、循環(huán)次數(shù)等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為具有強(qiáng)烈的影響:隨著預(yù)緊力矩/預(yù)緊力的增大，螺栓殘余軸向力與預(yù)緊力之比增大，螺紋

5、表面的磨損程度逐漸降低，主要的磨損機(jī)制由疲勞磨損、粘著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變;隨著交變載荷幅值的增大，螺栓殘余軸向力與預(yù)緊力之比減小，螺紋表面的磨損程度加劇，主要的磨損機(jī)制由磨粒磨損向疲勞磨損轉(zhuǎn)變;由于磨屑的塞積、排出，螺栓軸向力在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，但總體呈減小趨勢(shì);在MoS2潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑條件下，螺栓/鋁制件連接結(jié)構(gòu)的殘余軸向力與預(yù)緊力之比相對(duì)于無潤(rùn)滑條件下較大，螺紋表面的損傷程度相對(duì)較輕，主要的磨損機(jī)制為磨粒磨損。
　

6、?。ǘ┹S向激勵(lì)下不同涂層螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)機(jī)理
　　(1)在螺栓松動(dòng)過程的第一階段，由于界面摩擦系數(shù)低，PTFE涂層和MoS2涂層螺栓表面粗糙峰少，螺栓軸向力在此階段變化小;反之，TiN涂層螺栓軸向力在此階段下降相對(duì)明顯。
　　(2)在螺栓松動(dòng)過程的第二階段，由于PTFE涂層的結(jié)合強(qiáng)度低，螺紋表面的PTFE涂層磨損嚴(yán)重，螺栓軸向力在此階段變化大;MoS2涂層摩擦系數(shù)小，螺紋表面摩擦應(yīng)力小，且該涂層結(jié)合強(qiáng)度高，接觸界面的磨損

7、輕微，螺栓軸向力在此階段變化小;由于TiN涂層的耐磨性能好，接觸界面的磨損輕微，螺栓軸向力在此階段變化也小。
　　(3)在螺栓表面涂覆MoS2涂層后，在與未經(jīng)過表面處理的螺栓螺紋根部相同的應(yīng)力狀態(tài)下，預(yù)緊力可以提高近20％。此時(shí)螺紋接觸界面的摩擦應(yīng)力和單位面積的摩擦耗散能減小，說明螺紋表面的損傷輕微;接觸面積增大，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應(yīng)變減小。螺栓的防松性能得到大幅度的提高。
　?。ㄈ┞菟ㄟB接結(jié)構(gòu)的精確建模及數(shù)

8、值分析
　　運(yùn)用Matlab軟件和ABAQUS軟件建立了螺栓連接結(jié)構(gòu)的精確模型，并通過理論計(jì)算驗(yàn)證了有限元模型的有效性，研究結(jié)果表明:
　　(1)第一圈工作螺紋約承受全部軸向力的30％，前三圈工作螺紋約承受全部軸向力的70％。螺栓第一圈工作螺紋牙底的應(yīng)力集中系數(shù)最大，隨著圈次的增加，應(yīng)力集中系數(shù)首先迅速降低，然后緩慢下降。此外，螺母螺紋牙底的應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較低。
　　(2)沿螺栓徑向方向，靠近螺紋牙項(xiàng)區(qū)域單位面積的摩

9、擦耗散能最大，說明此區(qū)域損傷較為嚴(yán)重;靠近螺紋牙底區(qū)域由于沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，因此該區(qū)域損傷輕微。沿螺栓周向方向，單位面積的摩擦耗散能總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，說明隨著工作螺紋圈次的增加，磨損總體呈減輕趨勢(shì);但是單位面積的摩擦耗散能不是單調(diào)減小的，導(dǎo)致螺紋表面的磨損不均勻。
　　(3)隨著預(yù)緊力的增大，螺紋接觸界面的摩擦應(yīng)力略微增大，但相對(duì)滑移量明顯減小，表面單位面積的摩擦耗散能減小，說明螺紋表面的損傷減輕;同時(shí)，螺紋接觸面積增大，螺紋根部

10、由交變載荷引起的累積塑性應(yīng)變減小。因此，殘余軸向力與預(yù)緊力之比增大。隨著交變載荷幅值的增大，螺紋接觸界面的摩擦應(yīng)力和相對(duì)滑移量均增大，表面單位面積的摩擦耗散能增大，說明螺紋表面的磨損加劇;同時(shí)，螺紋根部由交變載荷引起的累積塑性應(yīng)變?cè)龃?。因此，殘余軸向力與預(yù)緊力之比減小。
　　(4)降低螺栓頭部/被連接件和螺紋接觸界面的摩擦系數(shù)，并適當(dāng)提高預(yù)緊力，可降低由交變載荷引起的塑性變形和螺紋表面單位面積的摩擦耗散能，從而有效提高螺栓的防松性