螺栓組件位置對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)生相對運(yùn)動(dòng)[2]。螺栓的常見失效方式包括疲勞，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)者對螺栓組裝問題進(jìn)行了大量研究。
Lawlor和McCarthy等。 [12G13]研究了螺栓孔間隙對螺栓連接的影響。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，并考慮了位置對雙孔螺栓連接的影響。
Mccarthy和Egan等。 [15G16]研究了裝配間隙對螺栓連接的影響。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)于螺栓裝配位置對連接性能影響的研究尚不完善，沒有關(guān)于裝配位置對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螺栓連接性能的影響，并確定了螺栓和螺栓孔的相對位置對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，銅帶上涂有潤滑油。
墊片的材料是304不銹鋼。
實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)使用無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。
螺栓連接通過螺母的相對旋轉(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齊。
在實(shí)際的組裝過程中，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)，請檢查螺栓孔之間的對準(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)收集的相對誤差是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。
在校準(zhǔn)過程中，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)載傳感器和測試機(jī)的測試數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中會(huì)獲取測試數(shù)據(jù)的絕對值。
校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表明，傳感器的最大相對誤差為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。
在螺栓自松的過程中，螺栓和螺母之間會(huì)發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，并且螺母會(huì)出現(xiàn)軸向松開[16]。預(yù)緊力P0和夾緊力P對于測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，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齊。
螺栓和螺栓孔的完全對準(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滿足螺栓在周期性拉伸過程中的相對運(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，螺栓和螺栓孔的對準(zhǔn)越差。螺栓軸線與螺栓孔中心線之間的相對距離很小。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。
在組裝過程中控制Cmin的大小可以有效地延長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螺栓連接松動(dòng)的影響，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來設(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，且連接可靠；螺栓未與螺栓孔對齊。
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)，通過控制螺栓和螺栓之間的對準(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。 ##