螺栓組件位置對(duì)螺栓連接性能的影響單螺栓組件位置的影響 上海耶許軸承有限公司2020-04-20 17:18:01
在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，螺栓連接形式被廣泛使用，特別是在壓力容器工業(yè)中。它的優(yōu)點(diǎn)是連接可靠，易于拆卸和維護(hù)等。螺栓上的初始預(yù)緊力不僅保證了連接的密封性能[1]，而且使連接的零件在外部載荷的作用下不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。螺栓的常見(jiàn)失效方式包括疲勞，螺栓的剪切和松動(dòng)等。[3]
]，螺栓的失效不僅會(huì)增加工業(yè)機(jī)器的維護(hù)成本和不必要的停機(jī)時(shí)間，而且還會(huì)引起嚴(yán)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(yù)緊力[5G7]，接觸表面摩擦系數(shù)[8G9]和材料[10]，還取決于螺栓直徑[ [圖11]以及螺栓和螺栓孔之間的組裝位置。
許多學(xué)者對(duì)螺栓組裝問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。
Lawlor和McCarthy等。 [12G13]研究了螺栓孔間隙對(duì)螺栓連接的影響。研究表明，螺栓和螺栓孔的裝配間隙不僅會(huì)影響載荷分布，還會(huì)影響螺栓的疲勞壽命。
馬傳寶等。 [14]研究了軸線與孔中心的偏移，考慮了成功組裝螺栓和螺栓孔的可能性，并考慮了位置對(duì)雙孔螺栓連接的影響。
Mccarthy和Egan等。 [15G16]研究了裝配間隙對(duì)螺栓連接的影響。研究表明，裝配間隙會(huì)影響螺栓連接的強(qiáng)度，剛度和疲勞壽命，但研究中并未考慮位置的影響。
目前，關(guān)于螺栓裝配位置對(duì)連接性能影響的研究尚不完善，沒(méi)有關(guān)于裝配位置對(duì)螺栓連接性能影響的理論或?qū)嶒?yàn)定量研究。
作者研究了螺栓裝配位置對(duì)螺栓連接性能的影響，并確定了螺栓和螺栓孔的相對(duì)位置對(duì)螺栓可靠性和連接壽命的影響。
1經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)
可以簡(jiǎn)化螺栓連接，如圖1所示，假設(shè)外部載荷為橫向剪切載荷，該載荷可應(yīng)用于任何連接。 ##為了研究螺栓和螺栓孔之間的組裝位置對(duì)螺栓連接的影響，設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。 3.
在實(shí)驗(yàn)中，使用M12螺栓和螺母，螺距為1.75mm，材料為304不銹鋼。連接材料為304不銹鋼，厚度為18mm，螺栓孔直徑為12.7mm，螺栓與螺栓孔之間的最大間隙為0.7mm。
為了保護(hù)連接器的接觸面，在連接器之間以及螺母和連接器之間放置了銅帶和墊片。
其中，銅帶上涂有潤(rùn)滑油。
墊片的材料是304不銹鋼。
實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)使用無(wú)水乙醇擦洗所有接觸表面，以去除表面的油漬和雜質(zhì)。
在實(shí)驗(yàn)中，螺栓夾緊力的變化由負(fù)載傳感器收集，最大范圍為50kN。實(shí)驗(yàn)裝置放在Instron 8872上，其最大拉伸載荷為25kN，可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)是在室溫下進(jìn)行的。
連接件的一端固定，一端施加周期性的動(dòng)態(tài)載荷。
螺栓連接通過(guò)螺母的相對(duì)旋轉(zhuǎn)
旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力以實(shí)現(xiàn)連接。
為了便于拆卸和組裝以及部件更換，在螺栓和螺栓孔之間使用了間隙配合。
在實(shí)際組裝中，螺栓孔之間的最小配合間隙無(wú)法控制為某個(gè)值，具體取決于加工方法和組裝技術(shù)。從理論上講，螺栓和螺栓孔組件的最合理位置是確保兩者的軸線重合，以便螺栓和螺栓孔之間有良好的對(duì)齊。
在實(shí)際的組裝過(guò)程中，由于組裝工具，工藝和方法的不確定性，螺栓的組裝位置不能完全處于理論上合理的位置，兩軸之間存在一定的相對(duì)距離。
將螺栓組裝在靠近螺栓孔壁表面的位置時(shí)，一個(gè)遠(yuǎn)離側(cè)向載荷，另一個(gè)靠近側(cè)向載荷。
在實(shí)驗(yàn)中，外部載荷控制模式使用位移控制。外部負(fù)載位移以正弦曲線加載，頻率為1 Hz，位移與時(shí)間之間的關(guān)系為
δ\\ u003d0.45sin2πt1
其中：δ是拉伸位移，mm； t是加載時(shí)間s。
在實(shí)驗(yàn)中，用扭矩扳手預(yù)緊螺栓。施加到載荷傳感器的扭矩值為7.5kN，則螺栓的初始預(yù)載荷為7.5kN。在此實(shí)驗(yàn)中，螺栓的夾緊力由負(fù)載傳感器收集，以避免扭矩扳手
讀數(shù)引起的誤差。
夾緊連接器時(shí)，請(qǐng)檢查螺栓孔之間的對(duì)準(zhǔn)情況。
為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集的可靠性，在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)負(fù)載傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定負(fù)載傳感器數(shù)據(jù)收集的相對(duì)誤差是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。
在校準(zhǔn)過(guò)程中，將壓力負(fù)載施加到稱重傳感器上。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如圖4所示。
為了更好地比較負(fù)載傳感器和測(cè)試機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中會(huì)獲取測(cè)試數(shù)據(jù)的絕對(duì)值。
校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，傳感器的最大相對(duì)誤差為1.91，數(shù)據(jù)遵循良好，可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，可以保證所采集數(shù)據(jù)的可靠性和合理性。
2分析
2.1螺栓連接壽命分析
在周期性外部載荷的作用下，螺栓承受往復(fù)剪切載荷，這會(huì)削弱夾緊力并使螺栓自松。
在螺栓自松的過(guò)程中，螺栓和螺母之間會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，并且螺母會(huì)出現(xiàn)軸向松開(kāi)[16]。預(yù)緊力P0和夾緊力P對(duì)于測(cè)量螺栓的自松性和連接壽命很重要
參數(shù)，三個(gè)組裝位置的螺栓夾緊力的變化
與螺栓組裝時(shí)的比較當(dāng)靠近載荷而遠(yuǎn)離載荷時(shí)，螺栓的中間組裝過(guò)程中的疲勞壽命更高，連接更可靠。
比較不同裝配位置螺栓夾緊力的變化，可以得出結(jié)論，在外力作用下，當(dāng)螺栓軸線偏離螺栓孔軸線組件時(shí)，螺栓連接的疲勞壽命小，并且螺栓連接更可能松動(dòng)，這不利于結(jié)構(gòu)緊密
solid。
2.2工作荷載分析
作為分析螺栓松動(dòng)的重要參數(shù)，工作載荷可以反映克服連接面上的摩擦力的難度。較大的摩擦力需要較大的工作負(fù)荷才能克服。
同時(shí)，工作負(fù)載的方向會(huì)影響連接表面上的摩擦方向。
組裝不同位置時(shí)的工作負(fù)荷
F，循環(huán)次數(shù)N與載荷位移δ
之間的關(guān)系在循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，磁滯線的形狀發(fā)生了顯著變化：早期由磁滯線形成的包絡(luò)面積顯著滯后線的包絡(luò)面積大于后期的滯后線的包絡(luò)面積，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加
減小。
解釋說(shuō)，隨著循環(huán)的進(jìn)行，夾緊力的減小使接觸面之間的摩擦力
如果減小，則隨著摩擦力的增加，摩擦功將減小。循環(huán)數(shù)。如果要獲得實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的外部載荷位移，則所需的外部載荷會(huì)變小。
3結(jié)果和討論
由于由于螺栓裝配的隨機(jī)性，螺栓在螺栓孔中的位置也是隨機(jī)分布的，因此不能保證兩者的軸線完全重合。
理想的情況是，在組裝螺栓時(shí)，螺栓的軸線和螺栓孔的軸線彼此重合，以確保螺栓孔和螺栓之間完全對(duì)齊。
螺栓和螺栓孔的完全對(duì)準(zhǔn)，如圖9a所示，偏移組件
db是螺栓的直徑； dn是螺栓孔的直徑； Cmin是組裝的最小間隙； Cmax是組裝的最大間隙； Cd是組裝后螺栓軸線與螺栓孔軸線之間的距離； O1是螺栓的中心； O2是螺栓孔
圓心。
定義Ψ為定心度，以表征螺栓的裝配位置，計(jì)算公式為
Ψ\\ u003d Cmin /Δ/ 2 2
在公式中：The的值為[0,1]； Δ是螺栓半徑與螺栓孔半徑之差。
當(dāng)螺栓連接承受橫向周期性外部載荷且載荷幅度較小時(shí)，Ψ越大，螺栓和螺栓孔之間就有足夠的空間來(lái)滿足螺栓在周期性拉伸過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
會(huì)發(fā)生剪切接觸；如果載荷幅度大且螺栓頭與連接器之間的相對(duì)滑動(dòng)明顯，則在消耗Cmin后，螺栓會(huì)被連接器剪切，螺栓與螺栓孔接觸。
smaller越小，螺栓和螺栓孔的對(duì)準(zhǔn)越差。螺栓軸線與螺栓孔中心線之間的相對(duì)距離很小。較小的載荷幅度會(huì)使螺栓與螺栓孔發(fā)生剪切接觸。
Cmin越小，螺栓和螺栓孔的對(duì)準(zhǔn)越差。在相同載荷下，螺栓和螺栓孔更容易發(fā)生剪切接觸，這不利于結(jié)構(gòu)緊固。
在組裝過(guò)程中控制Cmin的大小可以有效地延長(zhǎng)螺栓連接的使用壽命并確保連接的可靠性。
4總結(jié)
＃ ##為了研究螺栓組件位置對(duì)螺栓連接松動(dòng)的影響，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)螺栓連接。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)螺栓與螺栓孔完全對(duì)中時(shí)，在側(cè)向載荷的作用下，螺栓孔壁與螺栓之間不易發(fā)生剪切，連接壽命長(zhǎng)，且連接可靠；螺栓未與螺栓孔對(duì)齊。
此時(shí)，螺栓與螺栓孔壁之間容易發(fā)生剪切接觸，螺栓的夾緊力損失更大，容易產(chǎn)生松動(dòng)，連接疲勞壽命低。
因此，在組裝螺栓時(shí)，通過(guò)控制螺栓和螺栓之間的對(duì)準(zhǔn)，可以有效地改善螺栓連接的抗松性和連接壽命，并可以確保螺栓連接的可靠性。 ##