Page 15 - 《摩擦学学报》2020年第5期

570 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

螺栓连接结构因为拆卸简单、加工成本低和连接 当提高拉应力，即增大初始预紧力，以此达到螺栓连
可靠性高，被广泛应用于各种机械结构领域. 但是在 接结构的防松目的 [22-24] . Liu等 和Zhou等 通过试验
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长时间服役过程中，螺栓连接结构可能发生松动或断 发现MoS 涂层螺栓具有优良的防松性能，但是MoS 2
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裂，从而造成重大安全事故 [1-2] . 国内外学者对螺栓连 涂层和基体结合强度低. 此外，当振动载荷较大时，螺
接结构的松动机理及其防松方法进行了广泛研究. 纹间的低摩擦系数不利于防松. MoS 涂层摩擦系数
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Jiang和Zhang等 [3-4] 通过试验和有限元方法研究了横向 低，但易磨损和易氧化 . TiCN涂层具有耐磨损、耐腐
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交变载荷下螺栓连接结构的松动机理. 结果表明：连 蚀和硬度高等特点 [27-28] ，但较于螺栓连接摩擦系数相
接结构前期松动的主要原因是结构的塑性变形，其后 对偏大，不利于预紧. 因此，本文作者系统开展了横向
期松动的主要原因是螺栓与螺母之间发生相对转动. 交变载荷下TiCN/MoS 复合涂层(后文简称为复合涂
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Gong等 研究发现螺栓连接结构松动的主要原因是 层)螺栓连接结构的松动行为研究，并基于螺纹表面
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螺纹的塑性变形. Zhang等 使用子模型研究螺纹接触 损伤形貌分析，揭示其损伤机理.
界面相对滑移对螺栓连接结构松动的影响规律. Pai和
1 试验部分
Hess [7-8] 通过螺纹简化模型和有限元方法指出螺栓接
触面间存在局部滑移和完全滑移两种状态，且在局部 1.1 试验材料及试验方法
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滑移时螺栓连接结构可能会发生松动. Jiang等 通过 本次试验选用材料为45钢螺栓和螺母，其螺纹是
试验和有限元方法研究螺栓连接结构的松动行为. 结 普通公制螺纹M12×1.75，表面采用TiCN/MoS 复合涂
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果表明，螺纹接触界面的局部滑移是连接结构的松动 层处理. 螺栓相关参数见文献[29]. 因为螺栓在运输过
原因之一. Dinger等 指出螺纹间局部滑移向完全滑 程发生碰撞可能造成螺纹损坏，因此试验前对所有螺
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移转变时，螺栓松动速率增大. 周仲荣等 、管聪荣 [12] 栓和螺母均进行筛选，排除存在明显缺陷的螺栓和螺母.
和Liu等 [13-14] 提出螺纹表面的微动磨损是螺栓松动的 螺栓连接结构的松动试验在岛津电液伺服疲劳
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原因之一. 杜永强等 和于泽通等 指出螺纹表面的 试验机(型号：EHF-UM100K2-040-OA)上进行，数据
微动磨损和连接结构的塑性变形是螺栓松动的主要 采集和试验加载控制均由试验机自主完成. 如图1所
原因，并揭示了螺纹表面的磨损机理. Zhang等 [17-18] 指 示，其中下夹具材质为45钢，上夹具材质为7050铝合
出在螺栓和螺母发生相对转动之前，螺纹表面的微动 金，为减小连接件间的摩擦系数，下夹具使用了滚柱
磨损改变其界面的接触状态，导致螺栓轴向力下降. 和深沟球轴承. 首先通过下夹头固定下夹具，随后使
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Shoji等 指出高预紧力、偏心螺母和双螺母能够 用数显扭矩扳手拧紧螺栓至预定预紧力，最后调整升
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有效防松. Bhattacharya等 和Dravid等 通过试验发 降横梁至相应位置夹紧上夹具. 试验过程中，螺栓轴
现多种垫圈和锁紧螺母具有良好的防松性能. 相关研 向力通过压力传感器实时采集.
究发现使用涂层可降低螺纹间的摩擦系数，从而减小 针对普通碳钢螺栓，由预紧力在螺栓截面产生的
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螺纹根部受到的切应力，在相同等效应力状态下可适 许可拉应力为材料屈服强度的50%~70% . 试验中选

Electro hydraulic
servo system Upper fixture
Lifting beam Bearing

Lifting pull rod
Bolt
Upper holder Roller
Nut
Load cell
Lifting guide
pillar
Lower holder Lower fixture
Base

Fig. 1 Experimental setup
图 1 螺栓连接振动试验装置