被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：陈佳宝（1998），大专，广东史特牢紧扣系统有限公司安全质量部工程师，从事紧固件产品研发与检测工作。-112-被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响 陈佳宝 熊佳豪 王意忠 广东史特牢紧扣系统有限公司，广东 阳江 529568 摘要：摘要：双叠自锁垫圈是一种常用的防松紧固件，其结构特点决定了被夹件硬度会对其防松性能产生影响，但是定量影响规律尚不明确。为定量评价被夹件硬度对双叠自锁垫圈防松性能的影响，本文以临界横向力为防松性能的定量评价指标，对 201、301、401 和 501HRC 四种硬度的被夹件条件下的双叠自锁垫圈的防松性能进行了对比测试，获得以下结论：当被夹件硬度为 30HRC 时，双叠自锁垫圈所组成螺纹连接的防松性能最好，硬度过小或过大都会降低防松性能。关键词：关键词：横向振动试验；自锁垫圈；防松；被夹件硬度 中图分类号：中图分类号：U44 1 概述 螺栓连接是机械制造中使用最为广泛的连接方式之一，螺纹紧固件具有结构简单、可靠性高、易装配等特点。在矿山机械、汽车制造、石油化工等领域，螺纹连结有着大量的应用，且一旦发生失效，将可能影响工件的使用寿命及机器的正常运转。目前，因螺纹紧固件连结松动失效所引发的质量安全等问题仍然频频发生，因此防松自锁型紧固件得刀了大量引用，如双叠自锁垫圈（简称自锁垫圈）因其优异的防松性能得到了工业界的广泛使用。双叠自锁垫圈的由两个与被夹件接触面带有放射状（阶梯状）齿形结构的垫圈组成，其垫圈主要形貌如图 1 所示。图 1 自锁垫圈实物图 螺纹连接当发生旋转松动的趋势时，放射状齿形结构能保证上下两个垫圈不会与被夹件或螺母发生错动，而上下两个垫圈相互接触的侧面则会在楔形面的作用下产生相互分离，从而逐渐增大预紧力的趋势，从而抑制旋转松动的进一步发展，将自锁垫圈与弹簧垫圈、齿形垫圈、平垫进行比对1，当横向振动试验发现，自锁垫圈具有很好的防松效果。放射状齿形结构能否楔入被夹件材料内部，且确保不发生错动，是垫圈防松性能的关键。而被夹件的硬度是决定放射状齿形结构楔入效果的首要，它会对垫圈的防松性能产生影响。经验表明，被夹件材料的硬度过大或过小都会对垫圈的防松性能产生不利影响，然而目前实践中缺少相关的定量数据。本文重点讨论防松性能的定量评价方法，且基于横向振动试验定量研究被夹件硬度对自锁垫圈防松性能的影响规律。2 防松性能定量评价方法 2.1 试验方法 基于横向振动试验对自锁垫圈的防松性能进行的研究，而横向振动试验方法是由德国工程师 G.H.Junker 最早提出2，通过该方法验证了螺纹紧固件连接的松动主要原因之一是横向振动载荷。多年后这种试验方法被标准化，常用的标准包括：德国标准 DIN 651513、国际标准 ISO 161304、我国标准 GB/T 104315。最早符合我国标准 GB/T 10431-2008 要求的横向振动试验设备，也只能对振幅进行开环控制，振动过程中实际振幅和设定偏心量之间的差距往往较大，并不太稳定。为解决这一问题，文献6提出了在横向振动试验中对横向力进行闭环控制的思路，并改进了横向振动试验设备，使之具有横向力闭环控制的功能，新的试验装置结构示意图（如图 2 所示）。文中后续的实验部分都是使用新型的横向振动试验设备进行操作和实验。中国科技期刊数据库 工业 A-113-图 2 新型的横向振动试验设备结构简图6 2.2 评价指标 如何对紧固件（或螺纹连接）的防松性能进行定量评价，应当建立科学的防松性能定量评价指标。基于横向振动试验，文献中7提出如图 3 所示的典型预紧力衰减曲线，其中螺纹紧固件连接的旋转松动显著影响图 3 中第二阶段的斜率。当图 3 所示衰减曲线的第二阶段的斜率为零或略小于零（磨损等非旋转松动因素导致的预紧力缓慢衰减）时，表明其尚未发生旋转而导致松动；当第二阶段斜率明显小于零时，表明发生了其开始旋转并发生松动；当斜率的绝对值越大时，表明其旋转的幅度越大，松动就越厉害。研究8表明：对于横向振动试验中，当螺纹紧固件承受的横向载荷达到某一临界值（临界载荷或称临界横向力）时，其就会发生旋转导致松动，进而发生失效。因此临界载荷可以作为螺纹等紧固件的防松性能的定量评价指标之一，同时可以对紧固件（或螺纹连接）的防松性能进行定量评价6。图 3 典型的螺纹预紧力衰减曲线7 如何定量获取预紧力衰减曲线第二阶段斜率的绝对值，选用文献6提出的斜率分析方法，即先将预紧力衰减曲线按照特定周期数 n 进行分割，共分为 m 段（如图 4 所示），文中 n 值按照实际总振动周期数的四分之一经过圆整后来选取，当某样件的总振动周期数为1556，其四分之一为 389，故在此样件的数据处理过程中向上圆整取 n=400；后基于最小二乘法拟合出每一个小段的斜率绝对值 ai，在所有的斜率绝对值中，选取最小的值 amin作为预紧力衰减曲线第二阶段斜率绝对值，单位为 N/周期。图 4 预紧力衰减曲线分段方法6 为对比不同初始预紧力下螺纹紧固件的防松性能，统一对斜率绝对值进行归一化处理6，并将归一化所得到的数据与其对应的初始预紧力相除，同时乘以 100%，便可得到如式（1）所示公式（公式（1）的单位为%/周期），其中 k 为最终求得的归一化斜率，F0为初始预紧力。%100/),2,1,min(0Fmiaki （1）如何判断螺纹连接是否发生旋转松动，参考文献6提出的斜率阈值 0.01%/周期，并根据文中试验结果，最终选用 0.015%/周期作为评判依据，当衰减曲线第二阶段的归一化斜率 k 大于 0.015%/周期时，可近似认为其已经发生旋转松动。特别说明的是 0.015%/周期是个经验数据，它近似代表磨损等非旋转松动因素导致的缓慢预紧力衰减。用上述方法，可近似找到旋转松动发生时的横向力，即临界横向力，具体流程可参考文献的工作6，这里不再赘述。3 试验方案 3.1 试验样件 本文使用上述的防松性能评价标准和实验方法，设计并测试了 4 种不同被夹件硬度（201、301、401 和 501HRC）下自锁垫圈的防松性能，具体实验参数如表 1 所示，其中六角头螺栓符合 GB/T5782、六角螺母符合 GB/T6170 标准，被夹件材料是 45 钢，通过不同的淬火回火可以获得 201、301、401和 501HRC4 种硬度。样件螺栓和螺母经丙酮超声清洗后，放入 DD611-1 型鼓风干燥箱中烘干，最后安装于试验台上准备测试，其安装效果如图 5 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-114-表 1 试验样件参数 试验样件 规格 材料 表面处理 硬度（HRC）六角头螺栓 10.9 级 M10 20MnTiB 发黑-六角螺母 10 级 M10 45 钢 发黑-自锁垫圈 M10 S60C-4548 被夹件-45 钢-20、30、40、50 表 2 不同被夹件硬度和初始预紧力下采用的横向力数值（kN）被夹件硬度 初始预紧力 26kN 34kN 201HRC 4、4.2、4.4、4.6、4.8 4.2、4.4、4.6、4.8、5 301HRC 3.8、4.2、4.6、5、5.4 4.2、4.6、5、5.4、5.6 401HRC 3.8、4.2、4.6、5、5.4 3.6、4、4.4、4.8、5.2 501HRC 4、4.2、4.4、4.6、4.8 4、4.4、4.8、5、5.2 图 5 被测样件在试验台上的安装效果 3.2 试验参数 根据被夹件硬度的不同，试验共分 4 个大组（分别对应 HRC4 种被压件硬度），每个大组根据初始预紧力的不同又分为 2 小组（对应 26kN 和 34kN 的初始预紧力），每个小组试验包含若干不同的横向力条件，如表 2 所示。振动 1600 周期，振动频率为 5Hz。每种试验条件下需要做 3 次重复性试验，一个试验样品只能使用一次。4 试验结果 在实际试验中，由于样件的预紧力衰减曲线第一阶段下降幅度较大，直接选取初始预紧力 F0作为（1）式中分母会对结果造成较大影响。为减小误差，文中将 amin所在区间的数据进行线性拟合，以拟合曲线与纵坐标轴的交点值 F1替代（1）式中的 F0。以第二大组（301HRC）中的小组横向力为4.6kN时的某一样件为例，样件归一化斜率最小值出现在 400800 周期，因此截取 400800 周期的样本点进行线性拟合，得到线性函数，并根据函数计算出 F1，具体处理过程如图 6 所示。图 6 预紧力衰减曲线第二阶段线性拟合方法 按前述的归一化斜率阈值 0.015%/周期判定旋转松动是否发生，当试验条件下 3 个样品的归一化斜率均值大于斜率阈值时，应该近似认为试验条件下已经发生了旋转松动；只有当某一试验条件下的 3 个随机抽取的样品所得的归一化斜率均值小于斜率阈值时，才认定该试验条件下没有发生旋转松动。特别说明的是，不同样品所得斜率结果有一定的随机性，如何得到更为准确可靠的结果，可对于某一试验条件重复更多的样品，进行统计学层面上的分析，必须控制试验工作量，本文并没有采用这种做法。根据试验里第二大组（301HRC）中的小组 2 为例，所得不同横向力下的归一化斜率均值和标准偏差如图 7 所示。认为前述的判断标准，5.4kN 时样件没有发生旋转松动，5.6kN时样件发生了旋转松动，为此可知该条件下的临界横向力大约介于 5.4kN 和 5.6kN 间，本文近似取 5.4kN作为该条件下的临界横向力。中国科技期刊数据库 工业 A-115-图 7 不同横向力下的归一化斜率 用同样的方法在 4 种硬度的被夹件上测出初始预紧力分别为 26kN 和 34kN 所对应的临界横向力，结果如表 3 所示。此外，自锁垫圈是否能显著提升螺栓连接的防松性能，文中将文献6等得到的不带垫圈的试验结果与本文试验结果相对比（文献6试验所用的螺栓螺母规格、材料及表面处理与文中试验完全相同）。将表 3中数据及文献6的试验结果绘制成折线图，如图 8 所示。根据结果看出临界横向力随着预紧力的增加而增加，证明增加预紧力可以有效提升螺纹紧固件连接的防松性能。还可以明显看出 301HRC 硬度的被夹件对应的螺纹连接防松性能要明显优于其他三种硬度的被夹件对应的螺纹连接防松性能。此外，将不带垫圈的试验结果与本文试验结果相比对可以看出，无论在何种初始预紧力条件下，带有垫圈的螺栓连接临界横向力都要显著大于不带垫圈的螺栓连接，这说明自锁垫圈能够显著提升螺栓连接的防松性能。表 3 临界横向力(kN)被夹件硬度 初始预紧力 26kN 34kN 201HRC 4.5 4.7 301HRC 5 5.4 401HRC 4.9 5 501HRC 4.6 4.8 图 8 不同条件下螺栓连接的临界横向力 5 结论 文中以临界横向力为防松性能的定量评价指标，基于改进的横向振动试验设备，在 201、301、401 和 501HRC4 种硬度被夹件条件下的防松性能进行定量测试，本研究试验获得以下结论：当被夹件硬度为 301HRC 时，自锁垫圈的防松性能最好，硬度过小或过大都会降低自锁垫圈的防松性能。参考文献 1刘检华,巩浩,丁晓宇.振动条件下自锁垫圈的防松性能研究J.振动与冲击,2019,38(05):38-44.2Junker G.New Criteria for self-loosening of fasteners under vibrationJ.SAE Transactions,1969,78(1):314-335.3Aerospace series-dynamic testing of the locking characteristics of fasteners under transverse loading conditionsJ.DIN 65151,2002(11).4ISO 16130-2015:Aerospace series-dynamic testing of the locking behaviour of bolted connections under transverse loading conditionsJ.vibration test,2008(11).5GB/T10431-2008:紧固件横向振动试验方法M.北京:中国标准出版社,2009.6张铁亮,王卓,宋镝冲,王磊,丁晓宇.紧固件防松性能定量评价方法J.机械工程学报,2021,55(15):71-79.7 巩 浩,刘 检 华,丁 晓 宇.振 动 条 件 下 螺 纹 预 紧 力 衰 减 机 理 和 影 响 因 素 研 究 J.机 械 工 程 学报,2019,55(11):138-148.8Gong H.,Liu J.,Ding X.Study on the critical loosening condition toward a new design guideline for bolted jointsJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science,2019,233(9):3302-3316.