（化工过程机械专业论文）热循环载荷对异种材料螺钉联接件影响的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 热循环载荷对异种材料螺钉联接影响的研究 摘要 螺钉联接是一种古老的联接结构，被广泛地应用于各种机械及结 构中。随着工业的发展和技术的进步，现代化的工程结构对螺钉联接 件的设计和可靠性计算提出了更高的要求。 本文以在核反应堆内受热循环载荷的螺钉联接件为研究对象：以 研究螺钉联接受热循环载荷时的受力变形情况，并找出螺钉联接的松 动机理为主要目的；以试验和有限元分析计算为主要方法。作了以下 几个方面的分析和研究： 1 通过四种螺钉联接件模型的热循环试验，对螺钉长度、松动 力矩和螺钉联接件内部的变形情况进行研究，发现螺钉联接件预紧力 矩下降的规律，找出松动的原因。 2 对螺钉联接件进行有限元模拟计算，采用弹塑性分析方法， 进一步研究螺钉联接件松动的原因，找出预紧力下降的规律。并结合 螺钉联接件热循环试验的结果，确定合适的预紧力，提出改进的建议。 3 在有限元分析的基础上，对比理论计算出的螺钉联接件的柔 度值，对传统的理论方法给出合理的建议，并且在一定适用范围内， 提出更加简便、合理的计算方法。 关键词：螺钉联接件，热循环载荷，预紧力，有限元法，柔度系数 浙江_ 业大学硕七学位论文 s t u d yo ne f f e c t so f t h et h e 姗a ic y c l el o a d o nt h e d i s s i m i l a rm a t e r i a l sb o l t e dj o i n t s a b s t r a c t b o l t e dj o i n t sa r et h eo l d e s tm e t h o du s e df o rc o n n e c t i n gt w o c o m p o n e n t st o g e t h e r t h e ya r et h em o s tc o m m o n l yu s e di nm a c h i n e sa n d s t r u c t u r e s r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r ya n d i m p r o v e m e n to ft h et e c h n o l o g y , i tp u t sf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tf o rt h e d e s i g na n dr e l i a b i l i t yo f t h e b o l t e dj o i n t sb e c a u s eo f t h em o d e ms t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , b yu s i n ge x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，b o l t e d j o i n t su n d e rt h et h e r m a lc y c l el o a di nt h e n u c l e a rr e a c t o ra r es t u d i e d t h e m o s t l ya i mo fw h i c hi s t or e s e a r c ht h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o no fb o l t e d j o i n t su n d e rt h et h e r m a lc y c l el o a d ，a n df i n do u tt h e r e a s o no ft h e l o o s e n i n go f b o l t e d j o i n t s t h e m a i nw o r kc o u l db ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 b ye x p e r i m e n to ft h et h e r m a lc y c l el o a do nt h ef o u rd i f f e r e n t s i z e sb o l t e dj o i n t s ，s t u d i e dw i t ht h el e n g t ho ft h eb o l ta n dl o o s e n i n g t o r q u ea n dt h ei n t e r n a ld e f o r m a t i o no f b o l t e dj o i n t s t h es u b j e c ta n a l y z e d c l a m p i n gf o r c ed e c l i n e t h er e a s o no fl o o s e n i n go fb o l t e dj o i n t si sf i n d o u t 2 t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e de l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d l i 浙江工业人学硕士学位论文 c a l c u l a t i o nm o d e f u r t h e ra n a l y z e dt h er e a s o no fl o o s e n i n g f i n do u tt h e r u l eo ft h ep r e l o a dd e c l i n e b a s e do nt h ed a t ao ft h ef i e l dm e a s u r e m e n t s a n dt h ec a l c u l a t i o n sr e s u l t ，t h i sp a p e rh a sg i v e nt h ea p p r o p r i a t ep r e l o a d ， a n dg i v e ns o m eb e n e f i c i a la d v i c e so nt h eb o l t e d jo i n t sd e s i g n 3 t h ec o m p a r eb e t w e e nt h er e s u l t so fc o m p l i a n c ec o e f f i c i e n tf r o m t r a d i t i o n a lt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r e s e n t e di n t h i sp a p e r g i v e na d v i c eo nt h et r a d i t i o n a lt h e o r yc a l c u l a t i o n ，a n db r o u g h tf o r w a r d e a s i e ra n dm o r ea c c e p t a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hc o n f i n e dt oa c e r t a i n b o u n d k e yw o r d s ：b o l t e dj o i n t s ，t h e r m a lc y c l el o a d ，p r e l o a d ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，c o m p l i a n c ec o e f f i c i e n t 浙江工业大学硕七学位论文 主要符号说明 a b 一螺钉光杆计算面积，m m 2 ； a c - 被联接件压力锥等效面积，m m 2 ； a 螺钉上第f 段的面积，m i l l 2 ； a 广螺纹的剪切面积，m i l l 2 ； a t 一螺钉头面积，m m 2 ； d 0 _ 一螺钉光杆直径，删； d l 外螺纹小径，t o n i ； d 2 外螺纹中径，i i 吼； d b h 螺钉头直径，m m ； d f h - 一被联接件螺孔直径，m m ； d l l 螺钉的公称直径，f t l l n ； d p 一被联接件外边缘直径，m l t l ； d 广一内螺纹大径，m m ； b 一材料的弹性模量( 下标f 为被联接件，下标b 为螺钉，上标为温度) ，m p a e p t o e q v _ 一弹塑性总应变，； 毛螺纹间摩擦系数； 丘被联接件支承面处摩擦系数； f 一预紧力( 下标a 、b 为不同工作点) ，n ： f 残余预紧力，n ； f w - 一工作载荷，n ； h - - - - - 螺钉头高度，l n m | k 拧紧力矩系数； k 2 螺纹剪应力计算系数； l _ 预紧力作用的长度，m i l l ； l i 一螺钉上第i 段的长度，黼： i 螺钉总长度，m l n 一塑鋈三些盔兰堡! 兰垡堡苎 i u 一螺钉光杆长度，m i l l ： l l 螺钉螺纹长度，m m ： i r 一螺钉尾部长度，m m ； i 广旋合长度，m m ： 幺螺纹旋合部分等效长度，f i l m ； m 一计算弯矩，n - m m ： p 一螺纹螺距，m m ； s 接合面到螺柱螺纹部分顶端距离，l t l m ； s e q l ，当量应力，m p a ； s 。一材料许用应力强度，m p a ： s u _ 材料抗拉强度，m p a ： s 厂材料屈服强度，m p a ； t r 一被联接件法兰厚度，m m ： t 广一带螺纹孔的被联接件厚度，m m ： t 预紧力矩，n ； t l 螺旋副间的螺纹力，n ： t 2 螺钉和被联接件之间的摩擦力矩，n ； z 一旋合齿数； d 一热膨胀系数( 下标f 为被联接件。下标b 为螺钉，上标为温度) ，1 ( 2 ； p 影响锥面积系数； 一摩擦角，度； 舻螺纹的平均升角，度； o 一柔度计算中的半锥顶角，度； 岛螺母与螺钉的相对转角，度； 艿螺纹牙型角，度； p 材料泊松比： 口应力，m p a ； v 浙江t 业大学硕士学位论文 吒循环应力幅，m p a ； o 订一螺钉光杆部分应力( 上标为温度) ，m p a ； of 广一螺钉头挤压面应力( 上标为温度) ，m p a ； 盯许用应力，m p a ； o 厂y 方向应力，m p a ； o 旷一螺钉头挤压面应力( 上标为温度) ，m p a ； 五柔度系数( 下标f 为被联接件，下标b 为螺钉。上标为温度) ，r m n n ； 名口_ 螺纹柔度，m m n ； 兄，一螺钉头柔度，m n 2 n ； z 螺钉联接件总变形，m n l ； _ 一变形( 下标f 为被联接件，下标b 为螺钉，上标为温度) ，m i l l ； a f 受外载荷影响螺钉拉力改变量，n ； l 受外载荷影响螺钉长度改变量，m l n ； p 一螺钉和被联接件柔度比( 上标为温度) ； 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名 舂 日期：泖多年i 2 - 月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密呵。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 厉蒡 ，( 勿疋 日期：肋口障2 月，孑日 日期：_ 扉1 ，月，咿日 浙江工业大学颈士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 螺钉联接是一种古老的联接结构。因为螺钉联接装拆方便可靠，标准化程 度高、品种多，并且能适应各种不同的工作条件，所以被广泛地应用于各种机 械及结构中【l 】 随着工业的发展，特别是在航空、航天、核电和化工等工业中，有许多工 程结构如锅炉、蒸汽机、内燃机、核反应堆中的螺钉联接件，长期承受高温交 变载荷，冲击载荷等影响。这就对螺钉联接件设计和可靠性计算提出了更高的 要求。目前螺钉联接件大都仍处于经验化设计阶段，而传统的经验设计计算已 不能符合上述现代工程结构设计所提出的要求。 在科学技术的进步的同时，计算的方法也日新月异。有限元法和计算机软 硬件的发展，为人们研究分析计算提供了更好的方法。这就允许我们可以采用 弹塑性理论，有限元分析法等手段，对螺钉联接的实际情况进行模拟，从而对 之做出更加精确的分析。 2 1 世纪，人们越来越注重安全生产，安全已成为生产过程、科学实验、经 济运行的前提条件，已经成为社会安定、人们安居乐业的一种象征。灾难性事 故所带来的严重后果和社会效应已经超过了事故本身，并已经成为社会生活、 经济发展中的一个十分敏感问题。由于螺钉联接的松动引起的设备事故屡见不 鲜，严重的更是造成巨大的人员伤亡和财产损失。例如，1 9 6 6 年日本航空公司 一架从千岁飞往东京羽田机场的飞机，因为安装发动机的螺钉疲劳断裂，在羽 田附近坠入海中【l 】o 由此可见，螺钉联接的可靠性关系到整个设备运行的稳定 性和安全性。 美国汽车制造商接到的投诉中，最多的是紧固件问题。美国空间实验计划 的统计资料表明，在螺钉联接失效的原因中，设计不当和装配不当造成的损坏 占5 0 以上，数字相当可观【2 】。所以，对于有特殊要求的螺钉联接结构进行深 入的分析探讨，是十分紧迫和必要的。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况及发展趋势 受螺钉结构原理的限制，螺钉松弛是螺钉联接件的主要失效形式之一【3 】， 各国科学家都对螺钉联接松弛的因素做了大量的研究。 1 2 1 螺钉循环松弛现象的研究 包括碳钢、合金钢在内的许多金属材料在一定的循环应力作用下，若其应 力幅吒超过一定的范围，则在每个循环后，材料都将会产生微小的残余塑性变 形增量。这种微小的塑性变形增量将随着应力循环次数的增加沿某一方向积累， 从而引起材料逐渐伸长或缩短。这种现象称为材料的循环松弛，并已被现代的 塑性力学理论及大量材料试验所证实。对此现象，在许多工程设计应用中并没 有得到充分的重视。因而对于某些特定的情况，螺钉的应力幅盯。极易超出临界 应力口。，从而产生循环松弛，引起螺钉伸长，预紧力下降，导致螺钉联接的 失效【4 】。 早期对螺钉由于循环载荷而引起的松动研究，j u n k e rg h 1 5 和e s n a ( e l a s t i cs t o pn u tc o r p o r a t i o no f a m e r i c a ) 嘲做了试验，并绘制了曲线。 图1 1残余预紧力变化试验曲线 如图l 一1 所示，j u n k e rg h 在其7 n x e r 实验机上对螺钉联接施加横 向循环载荷时，残余预紧力p 随循环次数n 而变化的特性曲线。由图可见，螺 钉联接的预紧力一开始将有一较明显的下降( 图中a b 段) 。从b 点开始，预紧 2 浙江工业大学硬士学位论文 力将有一个逐渐下降的过程( 图中b c 段) 。当该阶段预紧力的下降达到某一临 界值( 图中c 点对应的残余预紧力) 以后，螺母与螺钉之间开始发生相对转动， 预紧力将明显下降( 图中c d 段) 。若继续运行，由于螺母的转动松弛，预紧力 将急剧下降，螺钉联接迅速失效。 由j u n k e rg h 圾e s n a 所做的试验可以得出的结论有： 第一：在a c 阶段中，螺母与螺钉之间没有发生相对转动，而预紧力则在 逐渐下降，显然这不能用螺母与螺钉之间有相对转动的理论来解释。目前存在 的多种对于该阶段预紧力下降原因的解释均很模糊。其中，具有代表性的e s n a 的理论认为，该阶段预紧力下降是由于接触表面之间的相互嵌入( e m b e d m e n t ) 、 磨损( w a r ) 以及锤击( h a m m e r i n g ) 等多种原因造成的。上述这些因素或许会 对预紧力造成一定的影响，但目前尚缺乏有说服力的分析结果。 第- - ：只有当预紧力下降通过了a c 阶段并达到某一特定的临界值( 图中 c 点对应的残余预紧力) 以后，螺母才会发生转动，使预紧力大幅度下降。 y a n y a oj i a m g 和m i n gz h a n g 也做了实验和有限元分析来研究螺钉早期的循 环松弛【7 1 。当螺钉被循环的2 0 0 次横向力作用之后，由于预紧力的大小不同， 它的拧紧载荷比最初的预紧力下降了1 0 到4 0 。从三维有限元分析看出，由 于承受循环载荷的作用，在起作用的螺纹根部发生了塑性变形，使得拧紧载荷 在螺钉上分配的大小发生改变，这个是预紧力下降的直接原因。与e s n a 的理 论相反，接触面的摩擦力在早期的循环松弛中，几乎不起任何作用。 相对而言，热循环载荷对异种材料螺钉联接松弛影响的分析还很不完善。 1 2 2 预紧力对螺钉联接件松弛影响的研究 螺钉联接中，预紧力的控制是很重要的。预紧力过大，会引起螺杆的断裂、 螺纹失效以及被联接件凸缘压溃；预紧力过小，会导致被联接件的分离、滑移， 并加速螺钉联接件的疲劳失效嘲。预紧力的加载不适当，还会造成许多不良后果， 如：压力管道漏水、发动机漏气，使设备使用寿命下降。由于预疑力不足，还将 导致必须使用较大或较多的紧固件，增加了设备的装配成本和制造成本【。 徐爱莉和刘光启【9 】认为对于承受交变载荷的螺栓接头。如果在装配时施加适 当的预紧力，则可提高螺栓疲劳强度。 浙江工业大学硕士学位论文 杨锡和和石辉o o l i k 为提高螺钉联接耐久性的主要方法就是给予足够的预紧 力。预紧应力的大小一般要达到o 5 c r j o 7 c r j ，特殊情况要达到o 8 。他们认 为，增加预紧力是降低循环应力幅吒最有效的方法。 叶红、颜廷武和刘元胜f 1 1 1 认为影响预紧力大小的因素很多，如螺钉、螺母的 制造质量、法兰刚度、螺母与螺栓及法兰接触面的润滑情况、操作条件、螺栓上 紧顺序等，尤其是垫片的材质、加工质量影响最大，因此，要结合实际条件，正 确加载合适的预紧力。 1 2 3 螺钉柔度对螺钉联接件松弛影响的研究 在研究螺钉联接可靠性的过程中，柔度的计算是个极为重要的闯题。因为 通过柔度比值才能分析工作载荷作用于螺钉和被联接件的大小比值，从而确定 所需预紧力的大小，了解松弛的后果及其影响因素，以便采取相应措施，保证 联接正常使用。 杨锡和和石辉f 1 川认为提高螺钉的柔度，在外载荷不变的条件下，有助于降 低作用在螺钉上的应力：在循环外载荷条件下，则会降低螺钉的循环应力幅。 所以提高螺钉的柔度是提高螺钉耐久性的有效方法。为了提高螺钉柔度，法国 劳力氏公司提出螺钉的长度应为直径的5 倍以上。 窦召领 t 2 1 也认为循环应力幅的大小与螺钉与被联接件的柔度比值有关，他建 议在足够大的预紧力f 作用下，尽量使螺钉柔度大，被联接件的柔度小，那么螺 钉所承受的动态力就小，从而减少疲劳破坏的可能。他还建议将螺钉联接件的工 作载荷限制在2 3 的预紧力范围内。 1 3 本文的研究目的和主要内容 上海核工程研究设计院委托浙江工业大学化工机械设计研究所进行恰希玛 工程2 号机组反应堆堆内构件中螺钉联接件的受热循环载荷的研究工作。 核反应堆堆内构件的结构特点决定了堆内构件中有数以千计的紧固件，国 内外的核电厂的堆内构件结构大同小异，基本类似。如秦山3 0 0 m w e 核电厂的 堆内构件，有5 5 9 8 个螺钉、螺母和定位销等联接件，其中吊蓝部件中就有3 5 2 2 4 浙江工业大学硕士学位论文 个联接件，1 9 9 8 年停堆检查时，发现了螺钉联接件松脱等闯题。国外，从6 0 年代开始，就不断有热屏蔽损坏、导向简定位销更换等报导，比较主要的问题 也是紧固件的防松问题，发现问题涉及美国、法国、德国、意大利和西班牙等 国的核电厂，具有一定的普遍性。堆内构件中的螺钉联接件与一般机械设备中 的螺钉联接件在环境条件和受力状况等方面有很大的不同，堆内构件的螺钉联 接件的在高温和辐照环境中工作，且承受流水振动、地震等外部载荷，螺钉和 被联接件、螺母的材料是不同，在运行工况下还存在较大的热应力【1 3 1 。 由于堆内螺钉联接件的防松性能分析比较困难，一般情况下，很多核电厂 都是采用较严格的防松措施，同时进行松动监测，以便在运行时及时发现问题， 及时维修，避免故障扩大化。但是，这样并没有对螺钉联接件的松动情况做出 分析和研究。这就导致了无法估计螺钉联接件的松动规律，更加不清楚预期的 螺钉联接件的使用寿命。 对于异种钢螺钉联接件受热循环载荷的研究，目前还存在以下困难： 首先，各国科学家已经对于螺钉联接件松动情况有了比较系统的研究，并 且对于受循环横向载荷的螺钉联接件的松动情况有了一定的认识。但是对受热 循环载荷影响的异种钢螺钉的松动情况没有做出过很好的分析，因而无法确定 所需预紧力，了解松弛的影响因素。 其次，有限元算法经过多年的发展，已经可以模拟许多复杂的现象，但是 要建立符合实际情况，又能比较准确计算的螺钉联接件受熟循环载荷的模型还 是比较困难。用接触元模拟螺钉联接件各接触部分、材料的弹塑性分析、预紧 力的加载以及热循环载荷的模拟都是比较困难和急需解决的问题。 最后，关于螺钉联接件柔度的计算，虽然理论上有许多不同的方法，但是 经过有限元模拟实际情况并计算柔度之后，发现原有理论方法所得出的柔度并 不能反映真实的螺钉联接件的情况。对于原有理论方法的改良和创新也是十分 必要的。 本文的研究对象为核反应堆内，尺寸分别为m 1 2 、m 1 6 、m 1 8 和m 2 0 的螺 钉联接件。通过对这四种螺钉联接件进行热循环试验和有限元计算模拟，分析 其松动的规律，为设计提供可供参考的结论。主要工作围绕以下内容展开： 1 通过对四种螺钉联接件模型的热循环载荷试验，发现螺钉联接件预紧力 浙江工业大学硬士学位论文 矩下降的规律，找出松动的原因。 2 采用a n s y s 软件，对螺钉联接件进行有限元模拟计算，并且采用弹塑 性分析方法，进一步研究螺钉联接件松动的原因，且找出预紧力下降的规律。 并结合螺钉联接件热循环试验的结果，确定合适的预紧力，提出改进的建议。 3 在有限元分析的基础上，对比理论计算出的螺钉联接件的柔度值，对原 有的理论方法提出合理的建议，并且在一定适用范围内，提出更加合理有效的 方法。 6 浙江工业大学硬士学位论文 第二章螺钉联接结构的研究方法 2 1 螺钉联接的预紧力 螺钉联接的预紧力对螺钉的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷之能 力和接合面密封能力等产生影响。预紧力的大小、准确度都十分重要，从而使 预紧力的控制成为螺钉联接的重要问题之一。 2 1 1 预紧力控制方法 根据文献【1 4 】【l 习说明影响螺钉联接可靠性因素多于7 5 种。如材料、摩擦系 数、结构参数、防松方法、紧固件加工方法和机械性能、螺钉牙型和螺旋角、 螺钉孔的大小、联接面硬度和粗糙度、被联接件的强度和刚度、联接处各表面 间的间隙、螺钉组间距和排列及均布情况、螺钉轴线和联接面角度、电位性能 相近、垫圈使用情况、使用环境、工具和安装速度、人员情况、蠕变、腐蚀、 时间等。工程应用设计需综合考虑上述影响因素，保证联接的可靠。在诸多因 素中，影响螺钉联接结构可靠性最重要的因素为螺钉的轴向预紧力的控制。预 紧力控制有经验法、工程上用的较多的力矩法、还有螺母转角控制法、螺钉伸 长量法、测力垫片控制法【8 】【1 6 】【1 7 1 等，简介如下： ( 1 ) 螺母转角控制法：在已知螺钉和被联接件刚度系数的条件下，可通过 控制螺母与螺钉的相对转角以来控制预紧为f 。以和f 存在如下关系： f 以= 3 6 0 l - ( 如+ a ，)( 2 一1 ) ， ( 2 ) 测力垫片控制法：通过测力垫片测量螺钉的应变控制预紧力。 ( 3 ) 螺钉伸长量法：螺钉预紧力f 与螺钉伸长量色存在关系a 6 = 朋，准 确测定与螺钉柔度无相关的参数，即可准确确定预紧力f 。 ( 4 ) 力矩法。螺钉联接结构安装时，受安装空间限制，很多螺钉联接紧固 件是无法观察转角及测量螺钉伸长的，为保证大量紧固件的安装效率，装配中 采用机械力矩扳手控制拧紧力矩来实现预紧力控制较为合适。力矩法控制预紧 7 浙江工业大学硕士学位论文 力是国内外长期普遍使用的方法，优点是较简单、易实施、不需复杂的仪器与 设备、费用少。 国外建筑、航空、航天、汽车、造船、机械等行业自5 0 年代起即采用了控 制预紧力的力矩( 或转角等) 安装技术，控制精度、摩擦性能的紧固件制造技术， 制定了较完善的针对螺钉联接结构安装力矩和预紧力的标准，有较完善的螺钉 联接应用规范，有大量的技术研究成果。研究范围涉及到螺钉联接理论、预紧 力控制、摩擦性能控制、防松控制、防疲劳控制、生产统计过程控制、联接结 构力学试验和分析、可靠性研究、新型多功能紧固件研制、新材料及新结构的 应用、螺钉副应力、变形、运动特性测试、分析等诸多方面。典型的应用标准 如波音公司的螺钉和螺母的安装0 3 a c s 0 0 9 m ) ，n a s a 的 n a s an s t $ 0 8 3 0 7 预紧力螺钉设计准则、s a e 的( s a e l 4 7 1 a ( 2 0 0 0 年) 、俄罗斯的 0 c t l 0 0 0 1 7 1 9 8 9 ) ) ，德国的高强度螺钉联接的系统计算d v l 2 2 3 0 ，日本标 准螺钉紧固件紧同通则j i sb 1 0 8 3 1 9 9 0 等。目前，美、德日、俄等国工程 上大量采用预紧力控制安装技术，力矩法标准中比较严格规定了扭矩系数和应 用条件。美国制定了法律 p l1 0 1 5 9 2f a s t e n e rq u a l i t ya c t 规范紧固 件的生产、制造、交易、销售，紧固件制造商向设计者提供紧固件产品细节信 息和试验数据，如产品尺寸、机械性能、力矩拉力曲线、推荐的安装力矩、 疲劳寿命曲线掣1 8 1 1 1 9 1 。 我国力矩法控制预紧力技术在5 0 , - - 7 0 年代基本仿效原苏联的技术资料，应 用范围有限。8 0 年代后，汽车、铁道、航空等行业结合自己的工况开展了相应 研究，制定了相应的行业技术规范。国内典型标准有钢结构设计规范 g b j l 7 8 8 钢结构高强度螺钉联接侔的设计、旌工及验收规程( j g t 8 2 9 1 ) ， 铁路钢桥螺钉联接施工规定( 腰j 2 1 4 9 2 ) 、航空发动机螺钉联接紧固件拧 紧力矩( h 8 6 1 2 5 8 7 ) 、螺钉拧紧力矩( h f 3 6 5 8 6 9 2 ) 、螺钉联接拧紧力矩 与轴向力的关系h b z 2 5 1 9 3 等。上述行业标准和规范对所用的安装力矩作出 了相应的规定。其中航空发动机螺钉联接紧固件拧紧力矩( h 8 6 1 2 5 8 7 ) 、螺 钉拧紧力矩( h f 3 6 5 8 6 9 2 ) 规定了预紧力指标要求。机械部等部门标准编制了 螺钉紧固件紧固通则g b 厂r1 6 8 2 3 2 - 1 9 9 7 。国内有许多行业要求高强度螺钉 联接副按扭矩系数供货，按扭矩法 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 1 1 2 3 r u j x 进行施工，以保证设计要求的预 8 浙江工业大学顼士学位论文 紧力。 2 1 2 预紧力与拧紧力矩的关系n 1 8 1 2 5 1 2 6 拧紧螺钉时，要克服螺旋副问的螺纹力t t 和螺钉与被联接件之间的摩擦力 矩t 2 ，故拧紧力矩p r l + 1 r 2 。 若施加预紧力为f ，则有： 曝-i。丽f,d2 c o s + 粹d d ( 2 - 2 ) 2 万 2 c o s ( j 2 ) c o s ( 尹+ ) c 0 8 妒 铀2 一西2 。、7 将6 2 = 3 0 。，五= 五= 留妒= o 1 5 ，= 8 3 5 。，尹= 2 5 。( 取m 8 、m i o 、 m 1 2 、m 1 6 粗细牙螺纹的平均升角的平均值) 以及有关标准紧固件参数代入式 ( 2 1 ) 得： t = f ( o 1 5 9 p + o 5 3 5 d , , a + o 6 5 d n 六)( 2 - 3 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 - 3 ) 可知，所施拧紧力矩t 被分为三部分，依次为： a 由于螺纹斜面受力而产生预紧力f ； b 螺纹副的摩擦力矩； c 支承面的摩擦力矩。 将m s - m 2 0 粗牙及细牙标准紧固件有关参数值代入式( 2 2 ) 中，可知上述三 项分别占拧紧力矩的8 一1 2 、3 7 籼和4 7 - 一5 1 。 试验与理论分析指出，施加的拧紧力矩与由它所建立的预紧力通常呈线性 关系，其数学表达式如下： r=kfd,(24) 拧紧力矩系数k 的影响因素，主要有摩擦系数和几何尺寸，影响摩擦系数 的随机变量很多，其中有些是根本不可预测的，因而使得拧紧力矩系数是一个 很难控制且变化范围较大的随机变量。 关于拧紧力矩系数各国科学家都做了大量的研究。 a s m e 2 7 1 规范中，将同是钢材料的螺钉联接件的拧紧力矩系数取为 k = 0 2 。 n a s s a r ( 2 8 】还假设了五种不同的外螺纹和内螺纹之间的接触压力，以此为模 9 浙江工业大学硕士学位论文 型对螺纹抗扭摩擦力矩作了研究，为k 值的确定提供了更多的依据。 我国( g b l 2 3 1 9 1 钢结构用大六角头螺栓，大六角头螺母、垫圈技术条件 中规定的拧紧力矩系数为k = 0 1 l o 1 5 ，并规定了整批螺栓拧紧力矩系数标准 方差为0 1 ，该标准中还强调1 0 9 s 级高强度大六角螺栓连接副必须按保证拧紧 力矩系数供货。同时规定交付半年后必须重新测定扭矩系数2 9 3 0 1 1 3 1 1 。 2 2 螺钉联接结构的受力和变形理论【l 】【1 6 1 1 7 1 【3 2 】【3 3 】 在单个螺钉联接件受轴向静载荷作用时，如只受预紧力f 作用，螺钉伸长 屯，被联接件压缩，螺钉结构力与变形的关系为： 等= 厶等= - ( 2 - 5 ) 如和a ，分别是螺钉及被联接件的柔度。若螺钉承受工作载荷e ，螺钉联 接件承受难力增加，则作用在螺钉联接件上的总控伸载荷为q = 瓦+ f ，其 中，是残余预紧力 若螺钉上的拉力改变量为f ，螺钉长度改变量为；被联接件的压力改 变量为民一a f ，其长度改变量也为工。由弹性关系，有： 址= 五a f址= a ，( 瓦一岍( 2 甸 联立求解得： i a f ：毒( 2 - 7 )* f 。 九h + 九f i o 浙江工业大学硕士学位论文 f f - 州只邶邓_ ( 1 等r 把式( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) 中得到： 尸卸一去凡 n f + 彘n q = f + a f = + 南，瓦 仃：奠盥 彳 耐。 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 螺钉联接的防松o 】嘲f 3 5 l 针对螺钉紧固件松动的问题，人们采取各种积极有效的措施，为螺钉紧固件 的发展注入新的活力。从各种标准和文献中可以看到，螺钉紧固件防松技术和防 松结构很多，总结起来主要包括摩擦防松、直接锁紧、破坏运动副关系和粘结等 几类方法。 ( 1 ) 摩擦防松 a 控制预紧力 控制安装预紧力是防止螺钉紧固件松动的最经济有效的措施之一，这种方法 利用螺钉的自锁条件，不需要对螺钉、螺母结构做任何改动，通过保证合适的预 紧力来实现防松。 b 有效力矩型紧固件 有效力矩型紧固件是在普通紧固件结构基础上增加了有效力矩部分，其作用 是在联接副中增加一个不随外力变化的阻力矩。有效力矩部分主要是加在螺母 上，在外螺纹上加有效力矩部分的产品比较少见。 全金属有效力矩型锁紧螺母，一类是利用螺母体上螺纹加工完成后螺母体变 形，使螺纹发生轴向或径向变形，造成装配时内外螺纹局部出现干涉产生有效力 矩，由于受变形量和变形前毛坯变形阻力和几何精度的影响，对加工工艺要求高， 有效力矩控制难度大；另一类是将有效力矩部分减薄，收口或开槽后收口，目前 国内主要在军工行业使用较多；第三类是在螺母体内嵌入金属弹性元件，装配时 外螺纹迫使弹性元件变形，产生有效力矩，这类螺母对弹性元件弹性及嵌件的位 置的要求较高，有时会划伤外螺纹表面。 非金属嵌件有效力矩型锁螺母的有效力矩部分为无螺纹的尼龙环，装配时靠 外螺纹在尼龙环上攻出螺纹，靠嵌件的弹性变形产生有效力矩，防松性能优良， 可用于冲击、振动较恶劣的工况条件，可重复使用，使用温度在1 0 0 1 2 以内，尼 龙易老化。 带尼龙嵌件的防松螺纹是在螺纹杆部横向孔内嵌入尼龙柱，装配时尼龙柱受 内螺钉挤压产生变形，其弹性使之与内螺纹紧密配合，产生有效力矩，防松效 果良好，使用中须保证尼龙柱在内螺纹内处于合适的位置。 c 使用垫圈 浙旺工业大学硕士学位论文 目前使用的垫圈主要有平垫圈、弹簧垫圈、弹性垫圈。平垫圈主要用于改善 支承面的接触状态，保证支承面的摩擦系数稳定，对防松有一定的作用；弹簧垫 圈利用其弹性产生轴向力，提高联接的弹性，横向振动试验结果表明其在这种试 验条件下防松效果较差；弹性垫圈的扭曲的齿被拧紧的螺母压平，使螺钉副轴身 压紧，同时局部嵌入支承面，弹性均匀，防松效果较好。 ( 2 ) 直接锁住 在拧紧螺母后使用锁紧( 止动) 元件将螺母和螺钉锁住，防止它们相对转动。 最常用的是使用开口销、串联钢丝和止动垫圈等。开口销与末端带孔螺钉及开槽 螺母配套使用，防松可靠，一般螺母开槽夹角为6 0 0 ，安装时必须保证槽孔对正， 装配不便：用低碳钢丝穿入螺栓头部或螺母的金属丝孔内，使几个螺钉或螺母串 联一起相互制约，防松可靠；止动垫圈靠垫圈塑性变形卡住螺母，拆卸时要先将 垫圈压平复原再拧松螺母，用于不经常拆卸的重型、动载荷联接，如飞轮螺母。 ( 3 ) 破坏运动副关系 使用冲头使螺钉和螺母的螺钉局部变形，偏离原牙型轮廓，使其局部不能与 正常螺钉向啮合，破坏原运动副的运动关系，形成不可重复使用的联接，如欲拆 卸，须使用较大的扭矩将螺母拧出或将其破坏，这种方法目前已很少使用。 ( 4 ) 粘结 粘结是将螺钉和螺母或与被联接件粘结在一起，达到防松的目的。用于大 批量生产的粘结螺钉，一般是在紧固件制造厂将厌氧胶涂在零件上并经干燥处 理，形成微胶囊，这种微胶囊表面干燥，没有粘感，装配时，微胶囊受挤压破 裂，胶液溢出，将螺钉和螺母粘结牢固。拆卸时只要施加足够的力矩即可，一 般情况下，在一定的期限内，可以重复使用有限次数。 2 4 小结 综上所述，螺钉联接件安装技术要求必须综合考虑影响螺纹连接结构的诸 因素，准确地选择预紧力控制方法；确定螺钉联接预紧力，必须考虑螺钉和被 连接件的屈服强度、拧紧力矩系数、外载荷、柔度等因素，要选择合适的拧紧 力矩系数通过拧紧力矩计算预紧力的大小；另外还必须正确地计算出螺钉和被 联接件柔度的大小，这对确定外载荷对螺钉联接件影响情况十分重要；在确定 浙江工业大学硕士学位论文 合适的预爨力之后，还可以考虑几种常用的防松方法，使螺钉联接更加安全可 靠。 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章螺钉联接件的热循环试验 试验模拟堆内热循环的温度变化对m 1 2 、m 1 6 、m 1 8 、和m 2 0 等四种规格 的异种材料螺钉联接件的影响，并在此基础上选择部分螺钉联接件进行热循环 棘轮效应的试验和计算分析，研究其预紧力矩、伸长量、松动力矩等参量的交 化，以确定其合理的预紧力矩及是否会发生残余变形或联接松动，从而为工程 设计提供可靠的依据；另外，还作了对m 1 2 螺钉不同循环次数松动力矩对比的 试验，以更好地确定循环次数对松动力矩的影响；最后对螺钉联接件进行了线 切割解剖，进一步观察螺钉联接件塑性变形情况，确定螺钉联接的松动机理。 3 2 热循环试验 3 2 1 试验条件 热循环试验用的设备和测量仪器如下； ( 1 ) 试验用电炉( 见图3 1 ) 型号：s x 1 2 1 0 工作室容积： 5 0 0 3 0 0 x 2 0 0 额定温度： 1 0 0 0 生产厂：上海树立仪器仪表有限公司 ( 2 ) 扭矩测定用仪器 型号：t k - 8 8 2 扭矩传感器 显示仪表：3 1 5 5 a 型数字显示器 仪器精度：o 5 级 生产厂：北京海泰克中航测控技术有限公司 ( 3 ) 炉温控制用仪器 型号：x m t1 0 1 型智能数字显示控制仪 控制精度：1 0 级 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 试件温度测量用仪器 型号：x m t a 3 3 0 1 型温度测量仪 测量精度：1 0 级 ( 5 ) 长度测量仪器 沿用传统的外径千分尺。 图3 - 1 试验用电炉 选择反应堆内具体使用数量较多、联接形式较为典型和关键的螺钉联接件 作为试验研究对象，螺钉联接件试件根据反应堆内构件中的实际螺钉联接件尺 寸加工制成。螺钉联接件的螺钉尺寸有m 1 2 ，m 1 6 ，m 1 8 和m 2 0 四种，其试件 结构图见附录1 ，联接件主要尺寸见表3 1 。m 1 2 螺钉联接件实物图见图3 - 2 。 其中螺钉材料为i n c o n e l7 1 8 ( s b 6 3 7 ) ，被联接件材科为3 2 1 ( s a 1 8 2 ，f 3 2 1 锻 件) ，材料性能数据见表3 2 。 图3 - 2m 1 2 螺钉联接件实物图 浙江工业大学硕士学位论文 表3 - 1螺钉联接件主要尺寸 螺钉种类 m 1 2m 1 6m 1 8m 2 0 螺钉光杆直径 1 01 41 51 6 螺钉头直径 1 82 42 73 0 螺钉长度( n u n ) 5 5 1 7 41 5 61 0 6 螺纹长度( i n n l ) 2 03 04 54 5 旋合长度o ) 1 42 2 5 3 5 3 0 被联接件厚度( m m ) 2 61 3 2 5 1 0 0 5 3 被联接件孔径( 埘n ) 1 2 51 7 5 1 9 2 2 被联接件外型尺寸( n m x m m ) 4 0 x 4 05 0 5 05 5 5 56 0 6 0 表3 - 2材料性能数据 材料温度鼠( m p a ) s yq m a ) 瓯( m p a )e ( m p a )q 、( 1 o c ) 2 0 4 8 32 0 71 3 81 9 5 x 1 0 s1 5 3 1 酽 3 2 1 3 5 0 4 4 11 3 71 2 31 7 l l o s1 7 8 i 矿 2 0 1 2 7 61 0 3 54 2 5 2 x l o s 1 2 8 1 矿 7 1 8 3 5 0 1 1 6 09 3 03 8 71 8 3 x l o s 1 3 ，9 1 旷 在弹塑性分析中的应力应变关系，使用在拉伸试验结果基础上回归得到的 式( 3 一l 卜式( 3 - 4 ) 。 3 2 1 材料2 0 c 时的盯一占关系： 占= 5 1 3 1 0 。仃+ 1 6 6 2 x 1 0 - ”xc y 。“ 3 2 1 材料3 5 0 c 时的盯一占关系： 占= 5 8 5 1 0 - 6 x 口+ 1 3 3 8 x 1 0 4 0 x 盯” 7 1 8 材料2 0 。c 时的盯一g 关系： p = 5 x 1 0 - 6 盯+ 1 3 8 x 1 0u 盯地6 7 1 8 材料3 5 0 。c 时的盯一占关系： 占= 5 4 6 l o - 盯+ 1 8 7 x l o ”盯1 t 。 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 棚 1 7 浙江工业大学硬士学位论文 热循环试验的试件，每一种直径的螺钉有三组试件，每组试件有4 个螺钉 联接件，也就是说m 1 2 、m 1 8 、m 1 6 、m 2 0 四种不同尺寸各有1 2 个螺钉联接件。 考虑到螺钉联接件要承受热载荷还有自重、流体力、地震、流致振动、撞 击等外载荷。选则预紧应力为螺钉材料应力强度极限的5 0 左右。并按照美国 a s m e 规范s e c m 中n f 部分【2 7 1 的规定的螺钉预紧力f 与预紧力矩t 的关系按 式( 2 4 ) 计算拧紧扭矩t ，取k = o 2 。得到t 经过选择后，确定4 3n - m 、l l o n - m 、 1 4 0 n - m 、1 8 0 n - m 分别为m 1 2 、m 1 6 、m 1 8 和m 2 0 的拧紧力矩。试验时各种直 径螺钉的拧紧力矩分别以此确定的拧紧力矩及士2 0 的变化量上紧。在此基础上 计算出预紧力，并以式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 计算螺钉光杆应力d k 和螺钉头挤压面应力 盯。，将计算结果列于表3 3 中。 嘉 p 5 表3 - 3预紧力的计算 ( 3 - 6 ) 螺钉种类t 州- m )f f m f a ) o 口( m p a ) 3 41 4 2 3 21 8 1 21 0 8 0 m 1 24 31 8 0 0 02 2 9 21 3 6 6 5 22 1 8 0 02 7 7 61 6 5 5 8 82 7 5 0 01