緊固件旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)分析

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旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)

在絕大多數(shù)應(yīng)用中,螺紋緊固件都是要進(jìn)行擰緊的,以便在接頭中施加預(yù)緊力。松動(dòng)可以定義為擰緊完成后的預(yù)緊力損失。這可以通過(guò)兩種方法中的任何一種方法發(fā)生。旋轉(zhuǎn)松動(dòng),通常稱為自松,是指緊固件在外部載荷作用下發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)是指內(nèi)螺紋和外螺紋之間沒(méi)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),但會(huì)發(fā)生預(yù)加載損失。

緊固件因非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)引起的松動(dòng)

裝配后,緊固件本身或接頭變形可能導(dǎo)致非旋轉(zhuǎn)性松動(dòng)。這可能是這些界面部分塑性坍塌導(dǎo)致的結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)表面相互接觸時(shí),每個(gè)表面上的微凸體承受支撐面壓力載荷。由于凸點(diǎn)實(shí)際接觸面積可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宏觀面積,因此即使在中等載荷下,因表面粗糙度的凸出部分應(yīng)力也會(huì)大于材料的屈服強(qiáng)度,這些凸出處就會(huì)承受非常高的局部應(yīng)力,產(chǎn)生塑性變形。

這會(huì)導(dǎo)致擰緊操作完成后表面部分塌陷。這種塌陷通常稱為嵌入。由于嵌入而損失的夾緊力的大小取決于螺栓和被連接件的剛度、接頭內(nèi)存在的界面數(shù)量、表面粗糙度和施加的接觸應(yīng)力。在中等的表面應(yīng)力條件下,最初的塌陷通常會(huì)導(dǎo)致大約1%到5%的夾緊力損失,這些損失一半在接頭擰緊后的前幾秒鐘內(nèi)丟失。當(dāng)隨后通過(guò)施加的力對(duì)接頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載時(shí),由于接頭界面上會(huì)發(fā)生的壓力變化,接頭會(huì)進(jìn)一步減小。

由于嵌入損失而導(dǎo)致的松動(dòng)在由幾個(gè)薄接合面和螺栓小夾持長(zhǎng)度組成的接合處是有問(wèn)題的。如果表面承載應(yīng)力保持在接頭材料的壓縮屈服強(qiáng)度以下,則可計(jì)算嵌入損耗量,并可通過(guò)接頭設(shè)計(jì)以補(bǔ)償該損耗。

Junker緊固件自松理論

Gerhard Junker于1969年發(fā)表了一篇技術(shù)論文(“振動(dòng)下緊固件自松的新標(biāo)準(zhǔn)”SAE論文690055,1969),給出了他完成的試驗(yàn)工作的結(jié)果,以支持他關(guān)于螺紋緊固件自松原因的理論。他的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是,一旦嚙合螺紋之間以及緊固件的支承面和夾緊材料之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),預(yù)緊緊固件就會(huì)因旋轉(zhuǎn)而松動(dòng)。Junker發(fā)現(xiàn)橫向動(dòng)態(tài)載荷比軸向動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生更嚴(yán)重的自松條件。其原因是軸向載荷作用下的徑向運(yùn)動(dòng)明顯小于橫向載荷作用下的徑向運(yùn)動(dòng)。

Junker研究表明,預(yù)緊的緊固件在配合螺紋與緊固件支承面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)發(fā)生自松現(xiàn)象。當(dāng)作用在接頭上的橫向力大于螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力時(shí),會(huì)發(fā)生這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于較小的橫向位移,螺紋側(cè)面和支撐區(qū)域接觸面之間就可能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一旦螺紋間隙被克服,螺栓將受到彎曲力,如果橫向滑動(dòng)繼續(xù),螺栓頭支承面也將發(fā)生滑動(dòng)。一旦出現(xiàn)這種情況,螺紋和螺栓頭將只有很小的摩擦系數(shù),甚至將暫時(shí)失去摩擦。由于作用在螺紋螺旋角上的預(yù)緊力而在螺紋上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩,因此,就會(huì)在螺母和螺栓之間就會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的旋轉(zhuǎn)。

在反復(fù)的橫向運(yùn)動(dòng)下,該機(jī)構(gòu)可以完全松開(kāi)緊固件。為了研究松脫的原因,容克開(kāi)發(fā)了一種試驗(yàn)機(jī),即所謂的“容克機(jī)”,它將量化緊固件設(shè)計(jì)的松脫阻力的有效性。

滾柱軸承用于消除移動(dòng)和固定板之間摩擦的影響。當(dāng)從螺母夾緊的移動(dòng)板上施加橫向運(yùn)動(dòng)時(shí),壓力傳感器允許連續(xù)監(jiān)測(cè)螺栓荷載。與沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相比,這是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì),因?yàn)榭梢栽谠囼?yàn)期間測(cè)量預(yù)加載損失,并繪制預(yù)緊力與循環(huán)的關(guān)系圖。Junker機(jī)器背后的想法是,凸輪產(chǎn)生的橫向位移會(huì)導(dǎo)致接頭發(fā)生搖擺(滑動(dòng)),克服緊固件的摩擦力以后就會(huì)產(chǎn)生自松作用。

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