多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析.pdf

卢世坤，华灯鑫，李鹏阳.多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析J.机械科学与技术，2023，42（8）：1207-1212多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析卢世坤，华灯鑫，李鹏阳（西安理工大学机械与精密仪器学院，西安710048）摘要：以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比，较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比，以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上，不论刚度特性还是界面部分微凸体，在多次载荷历程作用下都会变化，这就使预测设备的动静态性能复杂化。针对这一问题，本文基于实验研究了粗糙表面单元螺栓结合部刚度特性在循环载荷历程作用下的变化规律，为量化研究和更好的应用这一规律，对本文各载荷历程曲线进行了数值拟合。纵向比较研究发现：单元结合部刚度特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化，即：随着载荷历程作用次数的增加，单元螺栓结合部变形减小，结合部刚度增加。为进一步了解刚度特性变化的机理，还对结合部接触表面进行了载荷作用后的显微镜观察，发现结合部螺栓孔附近的表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧力作用下有不同程度的塑性变形。关键词：螺栓；粗糙度；结合部；弹塑性变形中图分类号：TH131文献标志码：ADOI：10.13433/ki.1003-8728.20230277文章编号：1003-8728（2023）08-1207-06Experimental and Analysis of Characteristics of Bolt Joint UnderMultiple Load HistoryLUShikun，HUADengxin，LIPengyang(SchoolofMachineryandPrecisionInstruments,XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)Abstract：Inthepast,mostofthestudiesonthejointstiffnesscharacteristicsfocusedonthetransversecomparisonofthejointwithdifferentroughness,lessorignoredthelongitudinalcomparisonofthestiffnesscharacteristicsofthesamejointbeforeandafterloadingwithmultiplecyclicloading,andthelongitudinalcomparisonofthechangeofheightofsomemicroconvexbodieschangebeforeandafterloadingwithmultiplecyclicloading.Infact,bothstiffnessandheightofsomemicroconvexbodieswillchangeundermultipleloadcycles,whichmakesitmorecomplextopredictthedynamicandstaticperformanceoftheequipment.Inordertosolvethisproblem,thevariationlawofthestiffnesscharacteristicsoftheboltjointofroughsurfaceelementunderthecyclicloadhistorybasedonexperimentsisstudied.Inordertoquantitativelystudyandbetterapplythislaw,theloadhistorycurvesarefitted.Thelongitudinalcomparativestudyshowsthatthestiffnesscharacteristicsoftheelementjointchangewiththechangeoftheloadcycletimes,thatis,withtheincreasingofloadhistory,thedeformationoftheelementboltjointdecreases,andthejointstiffnessincreases.Inordertofurtherunderstandthemechanismofthechangeinstiffnesscharacteristics,themicroscopicobservationofthecontactsurfaceofthejointbeforeandaftertheloadisalsocarriedout.Itisfoundthattheheightofthemicroconvexbodyofthesurfaceneartheboltholeofthejointhasthedifferentdegreesofplasticdeformationundertherepeatedcyclicpreloadofthebolt.Keywords：bolt；roughness；jointsurface；elastoplasticdeformation高档数控机床、航天航空设备等成为中国制造业重要的战略必争领域1，其意义在于锚定我国装备制造业全球竞争的地位。这些设备是复杂的机械结构系统，由众多零件相互连接构成。因螺栓连接具有方便、易拆卸、易更换等优点，被广泛应用，而螺栓连接的强度、精度等直接影响着设备的性能2，收稿日期：2020-10-23基金项目：国家自然科学基金项目（51675422）作者简介：卢世坤（1980），博士研究生，研究方向为界面接触摩擦、斯 特 林 发 动 机、复 杂 机 电 系 统 的 动 态 特 性，2023 年8 月机械科学与技术August2023第 42 卷第 8 期MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineeringVol.42No.8http:/ 实验原理 1.1单元螺栓结合部载荷特性实验原理由于金属是弹塑性材料，其表面微凸体在载荷作用下易发生弹性、塑性变形23-25，螺栓连接在预紧力的作用下，结合面上的微凸体易发生塑性变形，这势必对螺栓结合部静动态特性产生影响，为了准确掌握预紧力作用下的表面微凸体随预紧载荷的变化，有必要进行深入研究。为研究螺栓结合部静态特性及其结合面表面微凸体的变化，设计了单元螺栓装配体刚度实验装置，实验原理如图 1 所示。采用读数式扭矩扳手加载预紧力，预紧力的施加如图 2 所示。图 3 为预紧力加载试验加载方案图，每次加载预紧力矩和力矩作用时间相等，卸载载荷时间也相等。被连接件被连接件支撑台螺母高精度螺旋测微器螺栓图1实验原理图Fig.1Schematicdiagramoftheexperiment TLB 表盘指针可读式高精度扭力扳手实验装配件活动扳手图2螺栓预紧扭矩施加图Fig.2Applicationofboltpreloadtorque32402416860 s时间加载第 1 次卸载停留第 2 次第 3 次第 4 次60 s60 s60 s0.5 h0.5 h0.5 h60 s0.5 h第 5 次螺栓预紧扭矩/Nm图3预紧力矩施加方案Fig.3Applicationschemeofthepretensiontorque用高精度螺旋测微器测量被连接件及螺栓头的变形，螺旋测微器的精度为 0.001mm。螺栓被连接件变形检测实验现场如图 4 所示。实验测试变形计算原理如图 5 所示。测试冲点0.001 mm5075 mm测试冲点图4测试现场图及测点细节Fig.4Testsiteandtestdetails1208机械科学与技术第42卷http:/ 5 中变量之间的关系，每一次螺栓预紧扭矩作用前的结合部两点间的距离 Lb0及每一次螺栓预紧扭矩作用后结合部两点间的距离 Lb1，可以通过螺栓测微器直接测量得到，又半径 r0为已知量，因此可以计算得到 bo的值。为了减小测量误差，采用定点测量，首先在螺栓头、螺母外侧圆心处用冲头做测量位置标记如图 4 所示，以保证每次测量时螺栓测微器尖头在同一位置。1.2结合面表面粗糙度实验原理1.2.1结合面表面粗糙度实验系统为了得到结合面表面特性，需要对结合面表面进行检测，本文采用表面粗糙度仪进行表面形貌的测量，粗糙度仪的型号为 TR200，分辨率为 0.001m，测试现场如图 6 所示，测试系统由高度调节架、表面粗糙度仪、测试台、数据传输线、数据显示电脑等组成。高度调节架TR200 高精度粗糙度仪测试台数据传输线数据显示电脑图6螺栓连接结合面表面特征测试现场Fig.6Measurementofthesurfacecharacteristicsoftheinterface1.2.2结合面表面实验材料为研究螺栓装配体在预紧载荷作用下的变形规律，需要对螺栓装配体进行实验测试，被连接件用45 钢制造，并表面高频淬火，采用 8.8 级螺栓及螺母，实验测试被连接件、螺栓及螺母的几何参数与材料参数如表 1 所示。实验测试的被连接件如图 7所示。表 1 M10 螺栓连接参数表Tab.1M10boltconnectionparametertable型号螺栓/螺母/被连接件材料螺栓头接触直径dhe/mm螺栓头厚度ahe/mm螺栓杆直径db/mm螺母接触直径dn/mm螺母厚度an/mm螺栓孔直径dh/mm被连接件厚度tm1/mm被连接件厚度tm2/mmM1045钢14.56.41014.58.2112020M1245钢16.57.51216.510.5131515M1645钢22.5101622.514.51715151111131317178080160606060606060a)孔 11 mm,厚 20 mmb)孔 13 mm,厚 15 mm 厚 15 mmc)孔 17 mm,图7实验测试的被连接件Fig.7Boltconnectedparts 2 实验结果及分析 2.1单元螺栓结合部实验结果及分析实验测试了上述螺栓规格为 M10、M12、M16的 3 种螺栓连接件，然后对各规格单元螺栓结合部各次测量所得数据进行了拟合，拟合时使拟合曲线和实验数据之间的误差尽量小，各规格单元螺栓结合部各次测量值和拟合值对比，如图 8图 10所示。第8期卢世坤，等:多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析1209http:/ 1 次加载拟合曲线第 2 次加载拟合曲线第 3 次加载拟合曲线第 4 次加载拟合曲线第 5 次加载拟合曲线螺栓扭矩 Tbo/变形 bo/mmNm图8M10 单元螺栓结合部变形测试结果的曲线拟合Fig.8CurvefittingofdeformationtestresultsofM10unitboltjoint102030405000.020.040.060.080.100.12第 1 次加载拟合曲线第 2 次加载拟合曲线第 3 次加载拟合曲线第 4 次加载拟合曲线第 5 次加载拟合曲线螺栓扭矩 Tbo/变形 bo/mmNm图9M12 螺栓单元结合部变形测试结果的曲线拟合Fig.9CurvefittingofdeformationtestresultsofM12unitboltjoint102030405000.020.040.060.080.10第 1 次加载拟合曲线第 2 次加载拟合曲线第 3 次加载拟合曲线第 4 次加载拟合曲线第 5 次加载拟合曲线螺栓扭矩 Tbo/变形 bo/mmNm图10M16 螺栓单元结合部变形测试结果的曲线拟合Fig.10CurvefittingofdeformationtestresultsofM16unitboltjoint从图 8图 10 中可以看出，实验曲线与拟合理论曲线吻合较好。拟合后所得各规格单元螺栓结合部的变形与压强之间的特性关系式分别如下：M10 单元螺栓结合部变形各次测试结果的曲线拟合为：第1次测试：bo=1.04104Tbo0.348 9（1）第2次测试：bo=8.71105Tbo0.298 5（2）第3次测试：bo=5.375105Tbo0.362 8（3）第4次测试：bo=6.141105Tbo0.315 7（4）第5次测试：bo=8.072105Tbo0.238 5（5）式中：Tbo单位为 Nm，bo单位为 mm。M12 单元螺栓结合部变形各次测试结果的曲线拟合为：第1次测试：bo=2.3708105Tbo0.404 8（6）第2次测试：bo=1.729105Tbo0.437 5（7）第3次测试：bo=1.716105Tbo0.411（8）第4次测试：bo=1.744105Tbo0.399（9）第5次测试：bo=1.854105Tbo0.378（10）M16 单元螺栓结合部变形各次测试结果的曲线拟合为：第1次测试：bo=2.34105Tbo0.354（11）第2次测试：bo=1.53105Tbo0.404（12）第3次测试：bo=1.279105Tbo0.42（13）第4次测试：bo=9.792106Tbo0.456（14）第5次测试：bo=9.629106Tbo0.455 5（15）从经拟合后关系式（1）式（15）研究发现：多结合面单元螺栓结合部载荷-位移变化规律按照幂指数变化。纵向比较研究发现：多结合面单元螺栓结合部特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化，即：第一次压力载荷作用历程多结合面单元结合部变形最大，以后每一次历程结合部变形逐渐减小，随着作用历程次数的增加，变形的变化逐渐趋于减小，最终相邻历程载荷作用时，变形的变化几乎不变。因螺栓规格越大，其结合面接触面积越大，因此从图 8图 10 可以看出，螺栓头接触面积越大，在预紧力作用后，单元螺栓结合部变形越小，即：刚度越大。2.2循环载荷作用对结合面表面影响的实验结果及分析为了研究预紧载荷循环作用对结合面部分微凸体高度变化的影响，使用电子显微镜观察了结合面螺栓孔周围表面变形区域微观形貌（如图 11所示）。1210机械科学与技术第42卷http:/ 孔件孔周边,处为显著塑性变形点 b)13 孔件孔周边 处为显著塑性变形c)17 孔件孔周边,处为显著塑性变形点0.180.530.880.180.35 mm0.71 mm5015025015050100 像素0.35 mm0.71 mm200 像素200 像素100 像素0.530.180.530.880.180.35 mm0.71 mm5015025015050100 像素0.35 mm0.71 mm200 像素200 像素100 像素0.530.180.530.880.180.35 mm0.71 mm5015025015050100 像素0.35 mm0.71 mm200 像素200 像素100 像素0.53图11电子显微镜表面塑性变形观察结果Fig.11Resultsofsurfaceplasticdeformationobservedbyelectronmicroscope由图 11 可以看出，图中方框内有白色亮点，这是由于结合面部分微凸体发生了塑性变形，方框内白色亮点即为塑性变形点。3 结论1）多结合面单元螺栓结合部的单次载荷-位移变化规律也按照幂指数变化，多结合面单元螺栓结合部的多次载荷-位移特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化，即：第一次压力载荷作用历程多结合面单元结合部变形最大，以后每一次载荷历程多结合面单元结合部变形逐渐减小，随着载荷作用历程次数的增加，变形的变化逐渐趋于减小，最终相邻历程载荷作用时，变形的变化几乎不变。2）结合面表面部分微凸体在螺栓多次循环预紧载荷作用下有变化，即：结合面表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧载荷作用下变小，经分析，这是由于金属材料的弹-塑性特性所致，微观范围内凸峰在多次压力作用下塑性变形导致高度变小。参考文献 刘刚,王双义,祁晓霞,等.兵装集团军工智能制造若干问题研究及应对策略J.兵工自动化,2017,36（9）:1-4.LIU G,WANG S Y,QI X X,et al.Research andpreventive solutions on several problems of militaryintelligence manufacturing of China south industriesgroupcorporationJ.OrdnanceIndustryAutomation,2017,36（9）:1-4.（inChinese）1刘鑫.螺栓连接力学特性建模及在数控刀架系统中的应用D.南京:东南大学,2017.LIU X.Modeling of mechanical properties of boltedjoint interface and its application in CNC turretsystemD.Nanjing:Southeast University,2017.(inChinese)2蔡力钢,郝宇,郭铁能,等.螺栓结合面法向静态刚度特性提取方法研究J.振动与冲击,2014,33（16）:18-23.CAI L G,HAO Y,GUO T N,et al.Method 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