山东耐测（转载） 
作者：杜永强、 刘建华、 刘学通、 蔡振兵、 彭金方、 朱旻昊
(西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都 610031)
 
0 前言*
    螺栓连接结构由于具有结构简单、连接可靠、拆卸方便和成本低等优点，被广泛应用于各类机械结构中。因此，螺栓连接的可靠性对各类机械结构的安全运行至关重要。螺栓轴向力的下降是螺栓连接结构失效的标志之一，在振动环境下，一方面轴向力直接降为零，即螺栓连接结构发生断裂；另一方面，螺栓连接结构的轴向力随着服役时间的增加缓慢下降，即螺栓连接结构的松动[1]。螺栓连接结构出现松动、松脱、疲劳断裂等情况，将引发重大安全事故[2]。鉴于螺栓连接结构的重要性，对其松动行为的研究一直是国内外相关学者研究的重点。
    关于螺栓连接结构松动行为的研究，最初主要集中于轴向交变载荷的影响[3]。NASSAR 等[4-5]指出在轴向交变载荷作用下螺栓轴向力迅速下降的原因是由于螺栓连接结构发生了不可逆的塑性变形。BASAVA 等[6]通过研究螺栓连接结构的动力学行为，发现轴向振动作用下的螺栓轴向力在稳定之前可能保持不变、减小或增加，这与振动的幅值、频率以及螺纹接触面间波动的摩擦力有关。解会等[7]通过对螺栓啮合表面摩擦因数的研究，把螺栓松动过程分为四个不同阶段，并指出摩擦因数是引起松动阶段性变化的主要原因。对于螺栓连接结构而言，剪切交变载荷比轴向交变载荷更易引起其松动。JUNKER[8]发明了至今仍在使用的螺栓松动试验装置，并研究了剪切交变载荷作用下螺栓连接结构的松动机理，结果表明螺栓连接结构松动的原因是螺纹接触面之间的相对滑动。何竞飞等[9-10]运用有限元研究了剪切交变载荷作用下啮合螺纹之间的微观滑移，指出预紧力的下降和螺母的旋转松动是导致螺栓连接失效的原因；此外，利用解析法探讨了偏心载荷作用下螺纹连接螺纹副沿螺旋线的载荷分布规律，并运用螺栓连接振动试验台开展滑移试验，同时结合有限元计算，揭示了轴向偏心交变载荷下螺栓连接发生滑移的原因，偏心距越大，滑移力的范围和滑移角度越大。ZHANG 等[11-12]研究了剪切交变载荷作用下螺栓连接结构的松动机理，并且将螺栓连接结构的松动过程分为两个阶段：第一阶段由于材料的塑性变形和应力松弛，螺栓轴向力缓慢降低；第二阶段由于螺栓和螺母之间发生相对转动，螺栓轴向力迅速降低。陈海平等[13]分别从解析方法、光弹试验方法和有限元法研究了螺纹副承载分布，系统考察了螺纹类型、啮合扣数等因素的影响，结果表明梯形螺纹承载分布均匀性最好，螺纹副载荷主要集中在前三扣螺纹牙(约65%)。YOKOYAMA等[14]运用有限元法研究了扭转载荷作用下螺栓连接结构的松动行为，结果发现，当施加的扭转角度达到临界值时，螺纹接触界面发生完全滑移，螺栓轴向力迅速降低。李玲等[15]建立了螺栓结合面微观接触模型，通过理论计算表明接触载荷、接触面积和接触刚度随平均表面距离的减小而增大，接触面积和接触刚度随着接触载荷的增加而增加。刘绍鹏等[16]运用有限元法对螺纹接触面积进行了研究，结果表明随着接触载荷的增加，接触面积也相应增加；相同接触载荷下，表面越光滑，接触面积越大；当接触面积达到临界值时，变化不明显，且接触面积小于名义接触面积。随着微动摩擦学的发展，国内外学者开始关注微动对螺栓松动的影响。在外界交变载荷作用下，螺栓连接结构的松动与螺纹接触界面的微动行为(微观滑移和微动磨损)密切相关，但对其机理的研究尚不深入[17]。ZHOU 等[18-19]虽然指出微动损伤是螺纹连接结构松动失效的原因之一， 但并没有对此进行深入的分析和研究。IBRAHIM 等[17]指出在振动环境中，导致螺栓轴向力逐渐下降是由于螺纹接触面之间的微动磨损，并且当下降到临界值时，螺母开始发生回转，导致螺栓轴向力迅速下降。LIU 等[20-21]开展了轴向激励下螺栓连接结构的松动机理研究，结果表明，螺栓松动的主要原因是螺栓连接结构的塑性变形和螺纹接触面之间的微动磨损。
    实际工程中，螺栓连接结构承受的工作载荷主要包括轴向载荷、剪切载荷、扭转载荷和偏心载荷，目前主要集中于前两种工况的研究，对偏心载荷工况下的螺栓连接结构的松动行为研究较少。本文主要开展了偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动试验，通过对试验后的螺纹接触表面进行损伤分析，深入讨论了螺纹接触界面微动运行行为(微观滑移和微动磨损)对螺栓松动的影响规律，并且运用有限元软件ABAQUS 分析接触螺纹表面的接触应力、相对滑移幅值以及单位面积的摩擦耗散能，进一步解释并验证试验结果，揭示螺栓连接结构的松动机理，对解决螺栓松动问题、拓展微动摩擦学的实际应用等方面具有重要意义。
1 试验部分
1.1 试验材料
    本试验选用强度等级为8.8 级的碳钢螺栓和8 级螺母，为国标公制普通螺纹M12×1.75，表面采用电镀蓝白锌处理，螺纹相关参数和牙形参见文献[22]。由于试件在加工及运输过程中会不可避免地发生碰撞而使其出现一定损伤，因此，试验前必须对试件进行仔细筛选，排除有明显缺陷的螺栓螺母。
1.2 松动试验方法
    偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动试验在岛津电液伺服疲劳试验机(型号：EHF-UM100K2-040-OA)上开展，试验参数的控制以及数据的采集均由试验机自动完成。采用自主设计加工的松动试验夹持装置，如图1 所示，上下夹具均采用高强度合金调质钢材料(40CrMnMo)。试验时，首先将下夹具夹持端通过试验机下夹头固定连接；将压力传感器安放在试验研究的偏心距离的位置，并将其与试验机数据采集系统相连，从而实时监测螺栓轴向力的变化；然后安装上夹具，通过对中装置使上下夹具的螺栓槽(宽度为13 mm)完全对齐；再将试验螺栓依次穿过上夹具、压力传感器、下夹具，最后通过试验螺母连接起来。使用扭矩扳手对螺栓连接结构施加试验所需的预紧力，将疲劳试验机的上夹头移动到相应位置，与上夹具夹持端固定连接。试验所需载荷幅值通过改变试验机参数实现，偏心距离的改变通过改变试验螺栓的安放位置实现。

    使用扭矩扳手控制螺栓的预紧力，对试验螺栓施加初始预紧力P0=30 kN±1 kN。交变载荷的加载路径为F=AFsin(2πf·t)，载荷幅值为AF=3 kN，偏心距离L0 设置为40 mm、50 mm、60 mm、70 mm 和80mm，试验频率f=10 Hz，循环次数为N=105 次。试验后运用光学显微镜(OM，型号：OLYMPUSDSX100)和扫描电子显微镜(SEM ， 型号：JOELJEM-6610LV)对接触螺纹表面进行损伤形貌分析，同时运用SEM 附带的电子能谱仪(EDX，型号：OXFORDX-MAX50 INCA-250)对损伤区表面及磨屑进行化学成分分析。
2 结果与讨论
2.1 不同偏心载荷作用下螺纹接触面损伤形貌分析
    据相关文献[13]显示，螺纹连接结构在承载时，接触面上的载荷呈不均匀分布，第一圈接触螺纹承受约1/3 的载荷，前三圈接触螺纹大约承受全部载荷的65%。因此，对试验后前三圈接触螺纹表面进行微观形貌分析，以揭示偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动机理。
    为研究螺纹表面的损伤情况，利用光学显微镜(OM，型号：OLYMPUS-DSX100)对试验后螺栓前三圈接触螺纹的近加载端和远加载端进行形貌观察，研究其损伤规律。图2 示出了不同偏心载荷作用下前三圈接触螺纹的OM 形貌(近加载端和远加载端)，其中，白色线框区域为主要磨损区域。
    从图中可以看出，相同试验参数下，近加载端的表面损伤程度明显比同圈次远加载端的表面损伤程度更加严重，主要是由于近加载端接触螺纹表面的接触应力大于同圈次远加载端接触螺纹表面的接触应力；靠近螺纹牙顶部的区域呈现出不同程度的微动损伤，且第一圈接触螺纹损伤最严重，这是由于第一圈接触螺纹承受的载荷最大，约占载荷总量的1/3，因此，第一圈接触螺纹表面的接触应力最大，单位面积的摩擦耗散能最大，界面之间的微动磨损更剧烈。在预紧力和载荷幅值一定的情况下，随着偏心距离的增大，螺栓连接结构所受的弯矩增大，螺纹接触面间的振动更剧烈，微动磨损更严重。此外，随着接触螺纹圈次的增加，接触螺纹承受的载荷逐渐减小，因此接触螺纹表面的损伤程度逐渐变轻微，且局部区域的磨损现象呈现出不连续性，这可能是由于接触螺纹表面接触不均匀导致的。
    OM 形貌分析显示试验后螺栓前三圈接触螺纹几乎表现出相同的磨损特征，但不能判断其磨损机制。为进一步研究螺纹表面的损伤机制，对第一圈接触螺纹的近加载端进行详细地SEM 形貌分析和EDX 化学成分分析。图3 示出了第一圈接触螺纹近加载端的表面SEM 形貌及其EDX 成分分析。


    从图 3a 中可以看出，磨损区域呈现出明显的犁沟和剥层形貌。由于螺纹接触面受力不均匀，因此螺纹表面损伤程度不连续，即某些区域损伤严重，某些区域损伤轻微。靠近接触起点和终点(磨损带II 和磨损带I)的磨损相较于中间接触部位的磨损更严重，这是由于在接触起点和终点附近的接触应力更高，并且在交变载荷的作用下，该区域的微动滑移幅值最大，因此该区域单位面积的摩擦耗散能最大，界面之间发生的微动磨损更加剧烈，磨损更严重。靠近螺纹牙顶部区域出现明显的犁沟形貌，并伴有剥层剥落现象，螺纹牙中间区域分布着不均匀的剥落坑；远离螺纹牙顶部的区域主要呈现出剥层形貌和塑性流动，形成剥层堆积。螺纹牙顶部边缘凹凸不平，有压溃脱落的特征，这主要是因为螺纹牙顶部边缘本身较薄，施加预紧力的过程中发生塑性变形，受载后振动剧烈，因而被挤压脱落。从图3b 中可以看出，I区出现明显的剥层形貌，并伴有犁沟形貌，镀锌层呈片状脱落，表明该区域主要发生了疲劳磨损和磨粒磨损。从图3c 中可以看出， II 区可以看到明显的剥层形貌，并伴有犁沟形貌和塑性流动，表明该区域的主要磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和黏着磨损。同时，对损伤区进行EDX 化学成分分析，如图3d 所示，结果显示A、B 两点主要含铁元素和碳元素，有少量氧元素，表明该区域发生了严重的磨损，螺栓表面镀锌层已经被磨损而完全脱落；C 点含有少量铁元素和氧元素，主要含锌元素，表明该区域仅发生了轻微的磨损。A、B、C 三点的氧含量相差不大，因此，不能判断是否发生了氧化磨损。综上所述，螺纹接触面的损伤机制为疲劳磨损、磨粒磨损和黏着磨损。
2.2 不同偏心载荷作用下螺栓连接结构的松动曲线
    为了便于讨论，定义两个函数 RF(N)、RT(N)来描述螺栓的松动程度。经过N 次循环加载后，螺栓轴向力与预紧力之比为RF(N)，拧松力矩与预紧力矩之比为RT(N)。图 4 示出了螺栓连接结构在试验过程中轴向力随循环次数的时变曲线。从图中可以看出，不同试验参数下，螺栓轴向力的下降均包含两个阶段，即急剧下降阶段和缓慢下降阶段。随着循环次数的增加，螺栓松动程度逐渐减缓并趋于稳定，这是因为在试验初期，螺栓连接结构发生一定的塑性变形，且螺纹接触表面的粗糙峰在振动初期被去除，因此，轴向力迅速下降。随着试验的进行，由于材料的棘轮效应，塑性变形趋于安定极限，振动过程中螺纹接触面之间发生微动磨损，因此轴向力呈现缓慢下降趋势。当试验参数为P0=30 kN，AF=3 kN，L0=60mm，f=10 Hz，N=105 次时，螺栓轴向力在第一阶段经过大约1 000 次循环加载后，螺栓轴向力下降约8%；第二阶段，螺栓轴向力下降约2%。此外，在局部循环周次内，由于微动磨损所产生的磨屑在螺纹接触面之间发生堆积、排除，螺栓轴向力出现先升高再降低的现象，即螺栓轴向力不是单调递减的，但整体呈现缓慢下降趋势。

    当改变偏心距离时，螺栓连接结构的松动曲线如图5a 所示。在相同循环次数下，随着偏心距离的增大，剩余轴向力减小，螺栓的松动程度增大。这是因为在相同预紧力和相同载荷幅值作用下，随着偏心距离的增大，作用在螺栓连接结构上的弯矩增大，螺栓振动加剧，单位面积的摩擦耗散能增加，因此，螺纹接触面的微动磨损加剧，松动程度增大。

    试验结束后用扭矩扳手测量拧松螺栓时的最大力矩，即拧松力矩T`。将RT(N)与RF(N)进行对比，如图5b 所示。由图5b 可以看出，当偏心距离作为变量时，随着偏心距离的增大，螺栓的轴向力下降明显，但拧松力矩仅有微小波动，没有出现明显的下降趋势。（iFAST：所以，螺栓在偏心载荷作用下，其复拧似乎意义不是很大）这是因为拧松力矩与螺纹接触面之间的摩擦力有着密切关系，在试验过程中，螺纹接触面之间发生微动运行行为(微观滑移和微动磨损)，导致螺纹接触面发生咬合、摩擦因数改变等情况，因此拧松力矩变化很小。此外，随着试验参数的变化，螺纹接触面之间发生微动运行行为的区域会有所不同，导致接触面的磨损程度不同，因此拧松力矩会有所波动。
2.3 偏心载荷作用下螺栓连接结构的有限元分析
2.3.1 有限元分析法
    为进一步解释试验现象并验证试验结果，运用ABAQUS 分析偏心载荷作用下螺纹接触表面的应力应变分布。模型中包含螺栓、螺母、压力传感器和上、下夹具，如图6a 所示。接触螺纹啮合情况如图6b 所示。接触螺纹的分析路径设置如图6c 所示，其中，C 表示螺纹接触起点(靠近螺纹牙底)，C`表示螺纹接触终点(靠近螺纹牙顶)。预紧力及载荷加载路径如图6d 所示。


2.3.2 有限元分析结果
    对螺栓连接结构施加预紧力 P0=30 kN，交变载荷幅值AF=3 kN，偏心距离L0=60 mm，分别分析前三圈近加载端和远加载端接触螺纹界面之间的接触应力、滑移幅值以及表面单位面积的摩擦耗散能。螺栓连接结构在预紧状态下承受外载时，螺纹接触界面由于相互挤压会在接触区及其附近产生接触应力，图7 示出了偏心载荷作用下前三圈接触螺纹的接触应力。其中，A1 表示第一圈接触螺纹近加载端，A2 表示第二圈接触螺纹近加载端，A3 表示第三圈接触螺纹近加载端，B1 表示第一圈接触螺纹远加载端，B2 表示第二圈接触螺纹远加载端，B3表示第三圈接触螺纹远加载端(下同)。
    从图 7 中可以看出，在偏心载荷作用下，螺栓连接结构近加载端的接触应力大于相同圈次远加载端的接触应力，且随着圈数的增加，接触应力逐渐减小。前三圈接触螺纹的接触应力的变化趋势类似，靠近接触起点C 的接触应力最大，由于螺纹接触界面受力不均，随着接触长度的增加，接触应力出现轻微波动。

    在交变载荷作用下，螺纹接触界面之间会发生相对滑移幅值很小的微观滑移。图8 示出了偏心载荷作用下前三圈接触螺纹界面之间的相对滑移幅值。

    从图 8 中可以看出，在偏心载荷作用下，螺栓连接结构近加载端的相对滑移幅值大于相同圈次远加载端的相对滑移幅值，且随着圈数的增加，相对滑移幅值逐渐减小。近加载端与远加载端螺纹接触界面之间的相对滑移幅值变化趋势相反，这是由于偏心载荷作用下，近加载端接触螺纹分析路径与远加载端接触螺纹的分析路径方向相反，因此，近加载端在接触终点C`的相对滑移幅值最大，而远加载端在接触起点C 的相对滑移幅值最大。
    单位面积内摩擦耗散能的大小可以用来表示螺纹接触面的损伤程度，摩擦耗散能越大，说明螺纹接触面损伤越严重。单位面积的摩擦耗散能等于摩擦应力与滑移幅值的乘积。图9 示出了偏心载荷作用下前三圈接触螺纹表面单位面积的摩擦耗散能。从图 9 中可以看出，偏心载荷作用下，螺栓连接结构近加载端接触螺纹表面单位面积的摩擦耗散能大于相同圈次远加载端接触螺纹表面单位面积的摩擦耗散能，且随着螺纹圈数的增加，单位面积的摩擦耗散能总体呈减小趋势，说明相同圈次近加载端螺纹接触面的损伤更严重，随着圈数的增加，螺纹接触面的损伤程度逐渐变轻微，这与前文损伤形貌分析的结果相互吻合。

3 结论
(1) 螺栓连接结构的松动过程可以分为两个阶段：第一阶段，由于对螺栓施加预紧力，螺栓连接结构发生一定的塑性变形，且螺纹接触表面的粗糙峰在振动初期被去除，松动程度呈迅速增大趋势；第二阶段，由于材料的棘轮效应，塑性变形趋于安定极限，振动过程中螺纹接触面之间发生微动磨损，导致松动程度呈缓慢增大趋势。
(2) 偏心载荷作用下螺栓连接结构的轴向力随偏心距离的增大而减小，但拧松力矩没有明显的变化，螺栓轴向力的减小与预紧力矩和拧松力矩之间的差异没有明显的相关性。
(3) 由于螺纹表面承载的不均匀性，随着工作螺纹圈数的增加，螺纹损伤程度逐渐减轻，且在局部区域损伤不连续。螺纹接触面之间的主要磨损机制是疲劳磨损，并伴有磨粒磨损和黏着磨损。
(4) 随着螺纹圈数的增加，螺纹表面单位面积的摩擦耗散能总体呈减小趋势，说明随着圈数的增加，螺纹接触面的损伤程度总体呈现减轻趋势；近加载端单位面积的摩擦耗散能大于远加载端，说明近加载端的损伤程度比远加载端严重。这与试验结果较为吻合。