理论和实验分析摩擦系数对紧固件防松性能的影响

理论和实验分析摩擦系数对紧固件防松性能的影响0前言紧固件的防松和夹紧力衰减是紧固件连接中的重要研究课题，在之前的文章中有详细论述紧固件的防松方法，在此不多赘述，今天主要带大家从理论和实验的角度来了解紧固件的摩擦系数是如何影响螺栓的防松性能。在现代机械中，紧固件的数量约占机器零件总数量的60%,其中螺纹联接是机械联接中使用最普遍的形式之一。一般螺纹紧固都具有自锁性能，但在变载、冲击、振动作用下或者工作温度变化较大时均可能发生松动，导致预紧力下降。螺纹紧固件的摩擦系数是重要的设计参数，它直接影响着螺栓的材料强度效能利用和防松性。摩擦系数较大的螺栓一般防松性好，但是相同扭矩下得到的预紧力也小，而且由于拧紧过程中螺栓会受到更大的剪切力，螺栓等效拉应力更容易超过材料的强度极限，此时设计者往往需要提高螺栓的规格来满足预紧力的设计要求，造成材料的浪费；摩擦系数较小的螺栓，在相同扭矩下得到的预紧力较大，但自身防松效果较差。可见，螺栓摩擦系数的选取是一个平衡防松性能与强度效能利用的矛盾问题。本文以某规格法兰螺栓为例，针对同一规格不同表面处理要求，在理论分析的基础上，通过横向振动实验探究了几种不同摩擦系数螺栓的防松特性，为该规格的高强度连接螺栓的摩擦系数设计、选定提供有意义的参考。紧固件的各种防松方式

1理论分析1.1螺纹的受力分析相互配合的螺纹之间受到的是一种复合力的作用，为了分析方便，以矩形螺纹作为研究对象。螺纹副中，螺母所受到的轴向载荷Q沿螺纹各圈平均分布，为便于分析，用集中载荷Q代替，并设Q作用在中径为d2圆周上的一点。将矩形螺纹沿中径d2展开，得到斜角等于螺纹升角的斜面。当螺母相对于螺杆等速旋转时，可看作一个滑块（螺母）沿着斜面作等速滑动，如图1。-图1螺纹受力分析拧紧螺母时，相当于水平推力F推动滑块沿斜面向上滑动，它的作用方向与d2的圆周相切，运动过程中还受到接触面的摩擦力Ff、轴向载荷Q。当螺母匀速拧紧时（滑块匀速升），根据匀速条件得知滑块所受到的合力为零，及作用在滑块的各力平衡。根据封闭三角形原理,得到平衡方程：F=Qt日11如+ps）1-『「-Q亍S「T'.⑴-门：P任二竹

；＜:摩擦角，丁：拧紧扭矩，心摩擦系数匀速拧松螺母时，相当于水平推力F推动滑块沿斜面匀速向下运动，此时摩擦力Ff反向，则作用在滑块的各力平衡，根据封闭三角形原则，得到平衡方程。 'P=Qtan他—Ps）1-『-Q于s「丁'.⑴-八ps―tan-1fis"：：摩擦角，？'：!：拧松扭矩，八摩擦系数1.2摩擦系数对螺栓防松性能的影响螺栓松脱主要是由两方面原因造成的：松弛和松动。其中松弛是指紧固件装配完成后，整体结构处于静止状态下，在5〜10min内紧固件的夹紧力会出现衰退的现象，主要是由于粗糙表面的相互嵌入和材料的蠕变两大原因引起的：松动是指紧固件在转配完成后，紧固件结构受到一定时间的交变载荷后，螺母与螺栓之间发生了显著的相对转动，预紧力下降直到预紧力消失的现象。摩擦系数作为螺纹紧固件重要的设计参数，直接影响这螺纹紧固件的防松性能。根据前文螺纹受力分析可知：由于螺纹升角的作用，拧紧螺母所需力矩人和拧松螺母所需要的力矩不同，一般情况下拧松力矩为拧紧力矩的80%左右。那么，拧松力矩越大，则螺栓松动的可能性就会越低，即螺栓防松的效果越好。拧松扭矩公式如下：1--Q子：＜■匕八广-j：-当螺纹的类型确定（螺纹升角确定）、工况条件确定（Q确定）的前提下，拧松力矩与摩擦系数成正相关，这里需要考察是的t2绝对值的大小，即在一定的范围内摩擦系数越大，其拧松力矩越大，对应螺栓的防松性能相对越好。2实验分析从上述理论分析可以看出，摩擦系数是影响螺栓防松性能的一个重要因素。为了进一步探究螺栓的摩擦系数对其防松性能的影响规律，在理论研究的基础上设计了如下实验。2.1实验材料本文研究的对象是摩擦系数对高强度螺栓防松性能的影响分析，因此选取的实验样件型号为M10*1.25*65-8.8,头部形状均为六角头法兰面，唯一区别是各组之间螺栓的表面处理不同（决定摩擦系数的差异），具体的材料信息见表1。表1实验材料清单序号表面处理方式摩擦系数个数1达克罗0.25102达克罗0.20103达克罗0.15104达克罗0.12102.2实验条件整个实验过程中所用到的实验样件均由同一个生产厂家提供，保证材料、加工工艺等方面的一致性：实验环境始终保持在常温（出现个别天气变化的情况要更改实验进度计划）；实验仪器中选择的频率为12.5Hz，空载振幅为±0.8mm；实验终止条件为振动时间达到120s或者残余轴向力减少至零。2.3实验方法本实验利用横向振动试验机，该试验机可以测量出螺栓拧紧过程中的夹紧力、螺纹副上的扭矩以及分阶段测出轴向力的变化，并对轴向力衰减做出一个实时反映。实验采用的方法是单一变量的原理，整个实验过程中唯一的变量是螺栓的摩擦系数（由表面处理不同来体现）。实验共分为4组，每组各做10次实验，每次实验都要更换新的样件及工装夹具。每组实验保证在初始轴向力相同的情况下（19.5kN），分别记录30s、60s、90s、120s的轴力变化，最终获得各组螺栓的轴力残余比。根据记录数据的分析和对比可以判定紧固件的防松性能。在实验过程中，夹紧力衰减的越慢（残余比越大），防松性能越好；反之，夹紧力衰减越快（残余比越小），防松性能越差。2.4实验结果分析（1）对实验数据进行整理，得到不同摩擦系数的螺栓在振动过程中各监测点的残余轴向力均值，如表2。3t2不閘摩拥棗議蜉检各监测点歿余辆力的平均值数初始轴向力M30：轴向力（何力（kN）90'■轴向力艸1旳辅向力{kN}残余f韧始（%）0.2519.S410.6713.5810.5418.5393.390.2019.7918.5418.3510.2718,2091,980.1519.7618.1117.6717.3017,08S6.610.1219.8117.7917.1916.6015.9700.63通过表2可以得出，随着实验时间的推移，各组螺栓的残余轴向力都有不同程度的衰减，且当摩擦系数由0.25降至0.12时，对应的轴力残余比也依次降低，根据前面的分析可得，其对应的螺栓防松性能也依次下降。（2）为了能更加直观地表现出螺栓所受轴向力衰减与摩擦系数的关系，对实验数据进行整合处理，得到各监测点残余轴向力与初始轴向力百分比的平均值，如表3；并将不同摩擦系数下的各监测点轴力残余比拟合成了四条曲线，如图2。

摩擦桨戲初始3OJ60?901讪0.2510.9410.9360.9340.9330.201Q.9370.9270.9230.9190.1510.9160.3940.8750,矽0.121O.89SQ.S670.3370.806图2不同摩擦系数下各监测点轴力残余比变化趋势通过表3对四种摩擦系数下得到的螺栓实验数据的对比，以及图2表示的不同摩擦系数下各监测点轴力比的变化趋势，可以得出以下测试结果。对于高强度螺栓(强度等级28.8)紧固过程中，在保证拧紧的前提下(初始轴向力一般为屈服轴向力的75%左右)，以上四种摩擦系数的螺栓最终的轴力残余比均280%，可见以上四组螺栓均具有一定的防松能力，但防松的性能有一定的差异；以上4种摩擦系数的螺栓在经历120s的横向振动后，轴向力都有衰减的趋势，但4组螺栓的轴力衰减程度不同。摩擦系数高(0.25)的螺栓，在到达30s过后，衰减曲线几乎趋于水平，轴力衰减相对较平缓，防松性能较好；摩擦系数低(0.12)的螺栓，经历120s的实验过程中，衰减曲线始终呈现坡度下降的趋势，轴力衰减相对较快，防松性能相