作者：奚慧1，袁建寧1，石磊2(1．南京工程學(xué)院，江蘇南京211167；2．南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京210014)

出處：《裝備制造技術(shù)》2017年第01期

    螺栓連接是一種常見的連接方法[1-4]。但是在進(jìn)行農(nóng)機(jī)裝配的過程中，總會因?yàn)楦鞣N因素的影響或裝配不當(dāng)，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生滑絲，斷裂等失效現(xiàn)象。在

螺栓現(xiàn)場裝配的過程中，主要涉及螺栓擰緊的角度、擰緊添加物等因素。這些因素對螺栓失效有怎樣的影響，尚未有確切的結(jié)論。在研究螺栓的學(xué)科范圍內(nèi)，做的更多的是螺栓的失效應(yīng)力分析[5-8] 。故本文以生產(chǎn)中常用的M6 X 20螺栓聯(lián)接裝配為例，考察螺栓擰緊的角度、油脂和緊固劑的使用和擰緊方式對螺栓裝配的影響，分別進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)，采用極差分析和方差分析的方法來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以得到有效結(jié)論來為螺栓裝配提供參考。

1 螺栓材料分析

    螺栓的材料對螺栓的性能影響很大，因此在試驗(yàn)之前先測定螺栓的材料性能。螺栓采取統(tǒng)一批次的M6 X 20螺栓，隨機(jī)采樣，測得螺栓的硬度為HRC26，材料為組織較粗大的奧氏體組織，如圖1所示。分析其硬度和金相分析結(jié)果，確定該螺栓可以滿足一般機(jī)械器具的使用。

2 螺栓失效試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

    在實(shí)際使用中，不同產(chǎn)品或設(shè)備裝配過程中所依據(jù)的擰緊扭矩標(biāo)準(zhǔn)也各有不同。試驗(yàn)過程中，因?yàn)槁菟ǖ氖в懈鞣N形式，無法比較失效時各因素的影響大小，因此本文采用螺栓失效力矩作為考察標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到試驗(yàn)次數(shù)過多，這里采用正交實(shí)驗(yàn)來完成本次的裝配失效研究[9-10]。

2．2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    由于實(shí)驗(yàn)室條件的限制，這里采用數(shù)字試驗(yàn)機(jī)搭配試驗(yàn)夾具來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工作原理為通過專用夾具將電子試驗(yàn)臺的垂直力轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)所需的扭轉(zhuǎn)力，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

3 螺栓連接失效單因素試驗(yàn)及分析

3．1螺栓失效影響因素

    試驗(yàn)考慮到的因素分別為：螺栓擰緊的角度、油脂和緊固劑的使用、擰緊方式。

(1)擰緊角度

    在螺栓的現(xiàn)場裝配中，操作人員經(jīng)常使用扳手來擰緊螺栓，在此過程中，并不能很好地保持扳手的回轉(zhuǎn)中心與螺栓中心重合，從而影響螺栓的緊固效

果與失效力矩，因此，螺栓的擰緊角度是一個必須考慮的因素。由于試驗(yàn)夾具的限制，試驗(yàn)擰緊角度的調(diào)節(jié)是固定的，夾具設(shè)定的可試驗(yàn)角度有三個，分別

是：0°、3°、6°。

(2)油脂和緊圍劑的使用

    在不同的工況要求下，有時需要在螺栓裝配中添加油脂或緊固劑 因此，添加劑的使用也是螺栓失效研究試驗(yàn)中必須考慮的因素之一。

(3)墊片的材質(zhì)

    在不同的裝配位置，有時會要求使用不同材料的墊片。因此，墊片的材質(zhì)也是螺栓連接失效應(yīng)當(dāng)考慮的一個因素。

3．2單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)擰緊角度的影響

    實(shí)驗(yàn)只考察擰緊角度對失效力矩的影響，設(shè)定試驗(yàn)條件為采用3 mm不銹鋼墊片，不使用添加劑，調(diào)節(jié)螺栓擰緊的角度為0°、3°、6°。螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表1列出了不同擰緊角度下螺栓的失效力矩。根據(jù)表格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若僅考慮擰緊角度的影響，當(dāng)擰緊角度為3°時，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效；當(dāng)擰緊角度為0°時，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，即螺栓最不易失效。

(2)添加物的影響

    只考慮油脂和緊固劑的影響，設(shè)定的試驗(yàn)條件為3 mm不銹鋼墊片。擰緊角度為0°，分別添加油脂和緊固劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表2列出了使用不同添加劑時螺栓的失效力矩。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅考慮添加劑對實(shí)驗(yàn)的影響時，使用油脂的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效；不使用添加物時，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，即螺栓最不易失效。

(3)墊片材質(zhì)的影響

    只考慮墊片材質(zhì)的影響，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件為不使用添加劑，分別采用不銹鋼、PVC、鋁合金三種材質(zhì)的墊片進(jìn)行螺栓失效試驗(yàn)，墊片厚度均為3 mm．螺栓擰緊采用固定螺母擰緊螺栓的方式。表3列出了使用不同材質(zhì)墊片時螺栓的失效力矩試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅考慮墊片材質(zhì)的影響，使用不銹鋼墊片時，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。即螺栓最不易失效；而使用鋁合金墊片時，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最小，即螺栓最易失效。

4 螺栓多因素試驗(yàn)及試驗(yàn)分析

4．1試驗(yàn)方案

    單因素試驗(yàn)的目的是考察某個因素對整體試驗(yàn)的影響，主要的作用是依據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)縮小所需考察的實(shí)驗(yàn)水平區(qū)間。根據(jù)單因素分析的結(jié)果，進(jìn)行多因素試驗(yàn)的試驗(yàn)安排，篩選出三個因素：墊片材質(zhì)、擰緊方式和擰緊角度。根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)要求的不同，依次選擇三個因素的試驗(yàn)水平：墊片材質(zhì)(鋁合金、PVC)，擰緊方式(固定螺母、固定螺栓)，擰緊角度(3°、6°)，如表4所示。根據(jù)對試驗(yàn)因素和水平的分析，通過對自由度的計(jì)算，選擇L8(27)正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，如表5所示。

4．2實(shí)驗(yàn)分析

    以上正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，確定影響失效力矩的主次因素順序及具有顯著性的因素。給定顯著性水平P=0．05，極顯著水平P=0．O1，結(jié)果如表6所示。根據(jù)表的數(shù)據(jù)繪出螺栓失效力矩的趨勢圖，如圖3所示。

(1)因素顯著分析

    根據(jù)方差分析表，M6螺栓擰緊失效過程中各因素的影響情況：擰緊角度對螺栓擰緊失效影響極顯著；墊片材質(zhì)和擰緊角度的交互作用影響顯著；墊片材質(zhì)和擰緊方式以及擰緊角度和擰緊方式的交互作用影響不顯著。

(2)因素主次分析

    綜合比較各因素的F值和P值，影響失效力矩大小的主次因素為：主B>A~B>C>A>BxC次，即擰緊角度>墊片材質(zhì)和擰緊角度的交互作用>擰緊方式>墊片材質(zhì)>擰緊角度和擰緊方式的交互作用。由此可以看出，擰緊角度在各影響因素中居于重要的位置，而墊片材質(zhì)和擰緊方式對螺栓失效的影響均很小。

    為了得到最易失效的螺栓裝配工況組合，需要進(jìn)一步進(jìn)行極差分析，如表7所示。

 表7所得的選優(yōu)水平之中，有3個是三個因素之間的交互作用，并沒有給出較為清楚的結(jié)論。針對這樣的情況，對這三個交互作用進(jìn)行單獨(dú)的分析，結(jié)果如表8、表9、表10所示。

表8為墊片材質(zhì)與擰緊角度之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊角度為3°時，即擰緊條件為A1B1時，螺栓的失效力矩最小。表9為墊片材質(zhì)與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，墊片材質(zhì)為鋁合金，擰緊方式為固定螺母，即擰緊條件為A1C1時，螺栓失效力矩最小。表10為擰緊角度與擰緊方式之間的交互作用，分析數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，擰緊角度為3°，擰緊方式為固定螺栓，即擰緊條件為BIC2時，螺栓失效力矩最小。綜合分析表7至表l0的數(shù)據(jù)，表10的結(jié)論與表7的結(jié)論相互沖突，考慮到擰緊方式這一因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，因此得出最易失效的組合為A1B1C1，即在進(jìn)行M6x20螺栓裝配時，擰緊角度為3°，墊片材質(zhì)為鋁合金，通過固定螺母來擰緊的方式是最易失效的。因此，在實(shí)際的裝配過程中，要避免出現(xiàn)這一種裝配組合。

5 結(jié)束語

    M6x20是的螺栓之一，其緊固失效試驗(yàn)對于指導(dǎo)生產(chǎn)裝配作業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文進(jìn)行試驗(yàn)所得結(jié)論：角度是螺栓擰緊中最重要的因素，裝配時應(yīng)避免出現(xiàn)擰緊角度為3°，墊片材質(zhì)為鋁合金且固定螺母的擰緊方式，可以在一定程度上減少這種擰緊失效現(xiàn)象的發(fā)生，提高裝配的效率和可靠度。