山東耐測（轉載） 
作者：杜永強、 劉建華、 劉學通、 蔡振兵、 彭金方、 朱旻昊
(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室成都 610031)
 
0 前言*
    螺栓連接結構由于具有結構簡單、連接可靠、拆卸方便和成本低等優點，被廣泛應用于各類機械結構中。因此，螺栓連接的可靠性對各類機械結構的安全運行至關重要。螺栓軸向力的下降是螺栓連接結構失效的標志之一，在振動環境下，一方面軸向力直接降為零，即螺栓連接結構發生斷裂；另一方面，螺栓連接結構的軸向力隨著服役時間的增加緩慢下降，即螺栓連接結構的松動[1]。螺栓連接結構出現松動、松脫、疲勞斷裂等情況，將引發重大安全事故[2]。鑒于螺栓連接結構的重要性，對其松動行為的研究一直是國內外相關學者研究的重點。
    關于螺栓連接結構松動行為的研究，最初主要集中于軸向交變載荷的影響[3]。NASSAR 等[4-5]指出在軸向交變載荷作用下螺栓軸向力迅速下降的原因是由于螺栓連接結構發生了不可逆的塑性變形。BASAVA 等[6]通過研究螺栓連接結構的動力學行為，發現軸向振動作用下的螺栓軸向力在穩定之前可能保持不變、減小或增加，這與振動的幅值、頻率以及螺紋接觸面間波動的摩擦力有關。解會等[7]通過對螺栓嚙合表面摩擦因數的研究，把螺栓松動過程分為四個不同階段，并指出摩擦因數是引起松動階段性變化的主要原因。對于螺栓連接結構而言，剪切交變載荷比軸向交變載荷更易引起其松動。JUNKER[8]發明了至今仍在使用的螺栓松動試驗裝置，并研究了剪切交變載荷作用下螺栓連接結構的松動機理，結果表明螺栓連接結構松動的原因是螺紋接觸面之間的相對滑動。何競飛等[9-10]運用有限元研究了剪切交變載荷作用下嚙合螺紋之間的微觀滑移，指出預緊力的下降和螺母的旋轉松動是導致螺栓連接失效的原因；此外，利用解析法探討了偏心載荷作用下螺紋連接螺紋副沿螺旋線的載荷分布規律，并運用螺栓連接振動試驗臺開展滑移試驗，同時結合有限元計算，揭示了軸向偏心交變載荷下螺栓連接發生滑移的原因，偏心距越大，滑移力的范圍和滑移角度越大。ZHANG 等[11-12]研究了剪切交變載荷作用下螺栓連接結構的松動機理，并且將螺栓連接結構的松動過程分為兩個階段：階段由于材料的塑性變形和應力松弛，螺栓軸向力緩慢降低；第二階段由于螺栓和螺母之間發生相對轉動，螺栓軸向力迅速降低。陳海平等[13]分別從解析方法、光彈試驗方法和有限元法研究了螺紋副承載分布，系統考察了螺紋類型、嚙合扣數等因素的影響，結果表明梯形螺紋承載分布均勻性，螺紋副載荷主要集中在前三扣螺紋牙(約65%)。YOKOYAMA等[14]運用有限元法研究了扭轉載荷作用下螺栓連接結構的松動行為，結果發現，當施加的扭轉角度達到臨界值時，螺紋接觸界面發生*滑移，螺栓軸向力迅速降低。李玲等[15]建立了螺栓結合面微觀接觸模型，通過理論計算表明接觸載荷、接觸面積和接觸剛度隨平均表面距離的減小而增大，接觸面積和接觸剛度隨著接觸載荷的增加而增加。劉紹鵬等[16]運用有限元法對螺紋接觸面積進行了研究，結果表明隨著接觸載荷的增加，接觸面積也相應增加；相同接觸載荷下，表面越光滑，接觸面積越大；當接觸面積達到臨界值時，變化不明顯，且接觸面積小于名義接觸面積。隨著微動摩擦學的發展，國內外學者開始關注微動對螺栓松動的影響。在外界交變載荷作用下，螺栓連接結構的松動與螺紋接觸界面的微動行為(微觀滑移和微動磨損)密切相關，但對其機理的研究尚不深入[17]。ZHOU 等[18-19]雖然指出微動損傷是螺紋連接結構松動失效的原因之一， 但并沒有對此進行深入的分析和研究。IBRAHIM 等[17]指出在振動環境中，導致螺栓軸向力逐漸下降是由于螺紋接觸面之間的微動磨損，并且當下降到臨界值時，螺母開始發生回轉，導致螺栓軸向力迅速下降。LIU 等[20-21]開展了軸向激勵下螺栓連接結構的松動機理研究，結果表明，螺栓松動的主要原因是螺栓連接結構的塑性變形和螺紋接觸面之間的微動磨損。
    實際工程中，螺栓連接結構承受的工作載荷主要包括軸向載荷、剪切載荷、扭轉載荷和偏心載荷，目前主要集中于前兩種工況的研究，對偏心載荷工況下的螺栓連接結構的松動行為研究較少。本文主要開展了偏心載荷作用下螺栓連接結構的松動試驗，通過對試驗后的螺紋接觸表面進行損傷分析，深入討論了螺紋接觸界面微動運行行為(微觀滑移和微動磨損)對螺栓松動的影響規律，并且運用有限元軟件ABAQUS 分析接觸螺紋表面的接觸應力、相對滑移幅值以及單位面積的摩擦耗散能，進一步解釋并驗證試驗結果，揭示螺栓連接結構的松動機理，對解決螺栓松動問題、拓展微動摩擦學的實際應用等方面具有重要意義。
1 試驗部分
1.1 試驗材料
    本試驗選用強度等級為8.8 級的碳鋼螺栓和8 級螺母，為國標公制普通螺紋M12×1.75，表面采用電鍍藍白鋅處理，螺紋相關參數和牙形參見文獻[22]。由于試件在加工及運輸過程中會不可避免地發生碰撞而使其出現一定損傷，因此，試驗前必須對試件進行仔細篩選，排除有明顯缺陷的螺栓螺母。
1.2 松動試驗方法
    偏心載荷作用下螺栓連接結構的松動試驗在島津電液伺服疲勞試驗機(型號：EHF-UM100K2-040-OA)上開展，試驗參數的控制以及數據的采集均由試驗機自動完成。采用自主設計加工的松動試驗夾持裝置，如圖1 所示，上下夾具均采用高強度合金調質鋼材料(40CrMnMo)。試驗時，首先將下夾具夾持端通過試驗機下夾頭固定連接；將壓力傳感器安放在試驗研究的偏心距離的位置，并將其與試驗機數據采集系統相連，從而實時監測螺栓軸向力的變化；然后安裝上夾具，通過對中裝置使上下夾具的螺栓槽(寬度為13 mm)*對齊；再將試驗螺栓依次穿過上夾具、壓力傳感器、下夾具，最后通過試驗螺母連接起來。使用扭矩扳手對螺栓連接結構施加試驗所需的預緊力，將疲勞試驗機的上夾頭移動到相應位置，與上夾具夾持端固定連接。試驗所需載荷幅值通過改變試驗機參數實現，偏心距離的改變通過改變試驗螺栓的安放位置實現。

    使用扭矩扳手控制螺栓的預緊力，對試驗螺栓施加初始預緊力P0=30 kN±1 kN。交變載荷的加載路徑為F=AFsin(2πf·t)，載荷幅值為AF=3 kN，偏心距離L0 設置為40 mm、50 mm、60 mm、70 mm 和80mm，試驗頻率f=10 Hz，循環次數為N=105 次。試驗后運用光學顯微鏡(OM，型號：OLYMPUSDSX100)和掃描電子顯微鏡(SEM ， 型號：JOELJEM-6610LV)對接觸螺紋表面進行損傷形貌分析，同時運用SEM 附帶的電子能譜儀(EDX，型號：OXFORDX-MAX50 INCA-250)對損傷區表面及磨屑進行化學成分分析。
2 結果與討論
2.1 不同偏心載荷作用下螺紋接觸面損傷形貌分析
    據相關文獻[13]顯示，螺紋連接結構在承載時，接觸面上的載荷呈不均勻分布，圈接觸螺紋承受約1/3 的載荷，前三圈接觸螺紋大約承受全部載荷的65%。因此，對試驗后前三圈接觸螺紋表面進行微觀形貌分析，以揭示偏心載荷作用下螺栓連接結構的松動機理。
    為研究螺紋表面的損傷情況，利用光學顯微鏡(OM，型號：OLYMPUS-DSX100)對試驗后螺栓前三圈接觸螺紋的近加載端和遠加載端進行形貌觀察，研究其損傷規律。圖2 示出了不同偏心載荷作用下前三圈接觸螺紋的OM 形貌(近加載端和遠加載端)，其中，白色線框區域為主要磨損區域。
    從圖中可以看出，相同試驗參數下，近加載端的表面損傷程度明顯比同圈次遠加載端的表面損傷程度更加嚴重，主要是由于近加載端接觸螺紋表面的接觸應力大于同圈次遠加載端接觸螺紋表面的接觸應力；靠近螺紋牙頂部的區域呈現出不同程度的微動損傷，且圈接觸螺紋損傷最嚴重，這是由于圈接觸螺紋承受的載荷，約占載荷總量的1/3，因此，圈接觸螺紋表面的接觸應力，單位面積的摩擦耗散能，界面之間的微動磨損更劇烈。在預緊力和載荷幅值一定的情況下，隨著偏心距離的增大，螺栓連接結構所受的彎矩增大，螺紋接觸面間的振動更劇烈，微動磨損更嚴重。此外，隨著接觸螺紋圈次的增加，接觸螺紋承受的載荷逐漸減小，因此接觸螺紋表面的損傷程度逐漸變輕微，且局部區域的磨損現象呈現出不連續性，這可能是由于接觸螺紋表面接觸不均勻導致的。
    OM 形貌分析顯示試驗后螺栓前三圈接觸螺紋幾乎表現出相同的磨損特征，但不能判斷其磨損機制。為進一步研究螺紋表面的損傷機制，對圈接觸螺紋的近加載端進行詳細地SEM 形貌分析和EDX 化學成分分析。圖3 示出了圈接觸螺紋近加載端的表面SEM 形貌及其EDX 成分分析。


    從圖 3a 中可以看出，磨損區域呈現出明顯的犁溝和剝層形貌。由于螺紋接觸面受力不均勻，因此螺紋表面損傷程度不連續，即某些區域損傷嚴重，某些區域損傷輕微。靠近接觸起點和終點(磨損帶II 和磨損帶I)的磨損相較于中間接觸部位的磨損更嚴重，這是由于在接觸起點和終點附近的接觸應力更高，并且在交變載荷的作用下，該區域的微動滑移幅值，因此該區域單位面積的摩擦耗散能，界面之間發生的微動磨損更加劇烈，磨損更嚴重。靠近螺紋牙頂部區域出現明顯的犁溝形貌，并伴有剝層剝落現象，螺紋牙中間區域分布著不均勻的剝落坑；遠離螺紋牙頂部的區域主要呈現出剝層形貌和塑性流動，形成剝層堆積。螺紋牙頂部邊緣凹凸不平，有壓潰脫落的特征，這主要是因為螺紋牙頂部邊緣本身較薄，施加預緊力的過程中發生塑性變形，受載后振動劇烈，因而被擠壓脫落。從圖3b 中可以看出，I區出現明顯的剝層形貌，并伴有犁溝形貌，鍍鋅層呈片狀脫落，表明該區域主要發生了疲勞磨損和磨粒磨損。從圖3c 中可以看出， II 區可以看到明顯的剝層形貌，并伴有犁溝形貌和塑性流動，表明該區域的主要磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損。同時，對損傷區進行EDX 化學成分分析，如圖3d 所示，結果顯示A、B 兩點主要含鐵元素和碳元素，有少量氧元素，表明該區域發生了嚴重的磨損，螺栓表面鍍鋅層已經被磨損而*脫落；C 點含有少量鐵元素和氧元素，主要含鋅元素，表明該區域僅發生了輕微的磨損。A、B、C 三點的氧含量相差不大，因此，不能判斷是否發生了氧化磨損。綜上所述，螺紋接觸面的損傷機制為疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損。
2.2 不同偏心載荷作用下螺栓連接結構的松動曲線
    為了便于討論，定義兩個函數 RF(N)、RT(N)來描述螺栓的松動程度。經過N 次循環加載后，螺栓軸向力與預緊力之比為RF(N)，擰松力矩與預緊力矩之比為RT(N)。圖 4 示出了螺栓連接結構在試驗過程中軸向力隨循環次數的時變曲線。從圖中可以看出，不同試驗參數下，螺栓軸向力的下降均包含兩個階段，即急劇下降階段和緩慢下降階段。隨著循環次數的增加，螺栓松動程度逐漸減緩并趨于穩定，這是因為在試驗初期，螺栓連接結構發生一定的塑性變形，且螺紋接觸表面的粗糙峰在振動初期被去除，因此，軸向力迅速下降。隨著試驗的進行，由于材料的棘輪效應，塑性變形趨于安定極限，振動過程中螺紋接觸面之間發生微動磨損，因此軸向力呈現緩慢下降趨勢。當試驗參數為P0=30 kN，AF=3 kN，L0=60mm，f=10 Hz，N=105 次時，螺栓軸向力在階段經過大約1 000 次循環加載后，螺栓軸向力下降約8%；第二階段，螺栓軸向力下降約2%。此外，在局部循環周次內，由于微動磨損所產生的磨屑在螺紋接觸面之間發生堆積、排除，螺栓軸向力出現先升高再降低的現象，即螺栓軸向力不是單調遞減的，但整體呈現緩慢下降趨勢。

    當改變偏心距離時，螺栓連接結構的松動曲線如圖5a 所示。在相同循環次數下，隨著偏心距離的增大，剩余軸向力減小，螺栓的松動程度增大。這是因為在相同預緊力和相同載荷幅值作用下，隨著偏心距離的增大，作用在螺栓連接結構上的彎矩增大，螺栓振動加劇，單位面積的摩擦耗散能增加，因此，螺紋接觸面的微動磨損加劇，松動程度增大。

    試驗結束后用扭矩扳手測量擰松螺栓時的力矩，即擰松力矩T`。將RT(N)與RF(N)進行對比，如圖5b 所示。由圖5b 可以看出，當偏心距離作為變量時，隨著偏心距離的增大，螺栓的軸向力下降明顯，但擰松力矩僅有微小波動，沒有出現明顯的下降趨勢。（iFAST：所以，螺栓在偏心載荷作用下，其復擰似乎意義不是很大）這是因為擰松力矩與螺紋接觸面之間的摩擦力有著密切關系，在試驗過程中，螺紋接觸面之間發生微動運行行為(微觀滑移和微動磨損)，導致螺紋接觸面發生咬合、摩擦因數改變等情況，因此擰松力矩變化很小。此外，隨著試驗參數的變化，螺紋接觸面之間發生微動運行行為的區域會有所不同，導致接觸面的磨損程度不同，因此擰松力矩會有所波動。
2.3 偏心載荷作用下螺栓連接結構的有限元分析
2.3.1 有限元分析法
    為進一步解釋試驗現象并驗證試驗結果，運用ABAQUS 分析偏心載荷作用下螺紋接觸表面的應力應變分布。模型中包含螺栓、螺母、壓力傳感器和上、下夾具，如圖6a 所示。接觸螺紋嚙合情況如圖6b 所示。接觸螺紋的分析路徑設置如圖6c 所示，其中，C 表示螺紋接觸起點(靠近螺紋牙底)，C`表示螺紋接觸終點(靠近螺紋牙頂)。預緊力及載荷加載路徑如圖6d 所示。


2.3.2 有限元分析結果
    對螺栓連接結構施加預緊力 P0=30 kN，交變載荷幅值AF=3 kN，偏心距離L0=60 mm，分別分析前三圈近加載端和遠加載端接觸螺紋界面之間的接觸應力、滑移幅值以及表面單位面積的摩擦耗散能。螺栓連接結構在預緊狀態下承受外載時，螺紋接觸界面由于相互擠壓會在接觸區及其附近產生接觸應力，圖7 示出了偏心載荷作用下前三圈接觸螺紋的接觸應力。其中，A1 表示圈接觸螺紋近加載端，A2 表示第二圈接觸螺紋近加載端，A3 表示第三圈接觸螺紋近加載端，B1 表示圈接觸螺紋遠加載端，B2 表示第二圈接觸螺紋遠加載端，B3表示第三圈接觸螺紋遠加載端(下同)。
    從圖 7 中可以看出，在偏心載荷作用下，螺栓連接結構近加載端的接觸應力大于相同圈次遠加載端的接觸應力，且隨著圈數的增加，接觸應力逐漸減小。前三圈接觸螺紋的接觸應力的變化趨勢類似，靠近接觸起點C 的接觸應力，由于螺紋接觸界面受力不均，隨著接觸長度的增加，接觸應力出現輕微波動。

    在交變載荷作用下，螺紋接觸界面之間會發生相對滑移幅值很小的微觀滑移。圖8 示出了偏心載荷作用下前三圈接觸螺紋界面之間的相對滑移幅值。

    從圖 8 中可以看出，在偏心載荷作用下，螺栓連接結構近加載端的相對滑移幅值大于相同圈次遠加載端的相對滑移幅值，且隨著圈數的增加，相對滑移幅值逐漸減小。近加載端與遠加載端螺紋接觸界面之間的相對滑移幅值變化趨勢相反，這是由于偏心載荷作用下，近加載端接觸螺紋分析路徑與遠加載端接觸螺紋的分析路徑方向相反，因此，近加載端在接觸終點C`的相對滑移幅值，而遠加載端在接觸起點C 的相對滑移幅值。
    單位面積內摩擦耗散能的大小可以用來表示螺紋接觸面的損傷程度，摩擦耗散能越大，說明螺紋接觸面損傷越嚴重。單位面積的摩擦耗散能等于摩擦應力與滑移幅值的乘積。圖9 示出了偏心載荷作用下前三圈接觸螺紋表面單位面積的摩擦耗散能。從圖 9 中可以看出，偏心載荷作用下，螺栓連接結構近加載端接觸螺紋表面單位面積的摩擦耗散能大于相同圈次遠加載端接觸螺紋表面單位面積的摩擦耗散能，且隨著螺紋圈數的增加，單位面積的摩擦耗散能總體呈減小趨勢，說明相同圈次近加載端螺紋接觸面的損傷更嚴重，隨著圈數的增加，螺紋接觸面的損傷程度逐漸變輕微，這與前文損傷形貌分析的結果相互吻合。

3 結論
(1) 螺栓連接結構的松動過程可以分為兩個階段：階段，由于對螺栓施加預緊力，螺栓連接結構發生一定的塑性變形，且螺紋接觸表面的粗糙峰在振動初期被去除，松動程度呈迅速增大趨勢；第二階段，由于材料的棘輪效應，塑性變形趨于安定極限，振動過程中螺紋接觸面之間發生微動磨損，導致松動程度呈緩慢增大趨勢。
(2) 偏心載荷作用下螺栓連接結構的軸向力隨偏心距離的增大而減小，但擰松力矩沒有明顯的變化，螺栓軸向力的減小與預緊力矩和擰松力矩之間的差異沒有明顯的相關性。
(3) 由于螺紋表面承載的不均勻性，隨著工作螺紋圈數的增加，螺紋損傷程度逐漸減輕，且在局部區域損傷不連續。螺紋接觸面之間的主要磨損機制是疲勞磨損，并伴有磨粒磨損和黏著磨損。
(4) 隨著螺紋圈數的增加，螺紋表面單位面積的摩擦耗散能總體呈減小趨勢，說明隨著圈數的增加，螺紋接觸面的損傷程度總體呈現減輕趨勢；近加載端單位面積的摩擦耗散能大于遠加載端，說明近加載端的損傷程度比遠加載端嚴重。這與試驗結果較為吻合。