承受轴向激励螺栓接合的实验和数值模拟研究外文翻译资料

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承受轴向激励螺栓接合的实验和数值模拟研究

刘建华 a，华江欧阳 b，彭金芳 a，超前张 C，平舆县周 C，利君马 C，朱旻昊

  1. 摩擦学研究所牵引动力国家重点实验室，西南交通大学，成都610031，中国
  2. 工程，利物浦大学，利物浦L69 3GH，英国的学校
  3. 青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛266111，中国

articleinfo

文章历史：

收到2 2015年6月

在收到修改后的形式

2015年10月12日

接受16 2015年10月

可在线3 2015年11月

关键词：

螺栓连接

松

磨损机理

润滑

有限元法

抽象

承受轴向激励螺栓连接的动态行为是使用实验和数值的方法的影响。首先，减少夹紧力的量是通过实验找到。此外，螺纹的损伤是用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线（EDX）分析。其次，通过改变紧固扭矩，轴向excita-和灰的幅度，和涂布润滑剂（MOS2）上的螺纹，其上夹持负载损耗和螺纹的损伤两者的效果在实验被确定。研究发现，夹紧力在初期迅速下降，因为循环塑性变形，然后慢慢地因为在后期微动磨损的。随着紧固力矩的增加和轴向激励的振幅的减小，所述夹紧载荷损失减少和螺纹的损伤变得轻微。润滑（MOS2）螺栓螺纹的是减少螺栓松动和线程的损伤是有用的。

三维 科幻有限元模型用于模拟下轴向激励螺栓接合用ABAQUS创建的，通过该摩擦应力，滑动振幅和沿着两个SPECI每单位面积的摩擦功科幻在编路径 科幻第一个线程进行了研究。据发现，有限元分析结果与实验结果吻合得很好。

＆ copy;2015爱思唯尔所有权利。

1.简介

螺栓接头已经发现了许多机器和结构广泛使用。作为基本的紧固件，他们直接在FLuences上的结构系统的安全性和可靠性。它采用螺栓连接组件通常在振动的环境中工作。过去大多数STU-模具的重点在于能源消耗和螺栓连接的阻尼[1-3]， 参数不确定性 [4-6]， 失败和的结构疲劳 关节 [7-9]和松动机制 [10-12]。

从负载是如何应用观看时，螺栓接头经受四种不同类型的负载：轴向拉伸载荷，横向或剪切负荷，扭转载荷，并且撬负载。这种振动载荷条件可导致振动引起螺栓松动，这会导致增加的维护和/或故障URE。用于轴向张力加载的关节松动机制已经在文献中广泛地研究。一般而言，有松动机构的两个基本视图：（1）微滑移发生

  1. 通讯作者。联系电话：thorn;86 28 87600715; 传真：thorn;86 28 87600723。

电子邮件地址： zhuminhao@swjtu.cn （M.诸）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.wear.2015.10.012

0043-1648 /＆ copy;2015爱思唯尔所有权利。

无论在螺纹和轴承表面上; （2）紧固件伸长超出其弹性极限。

振动会通过增加磨损和松动锤击。一个SUF后科幻的摩擦力cient量丢失，则螺母实际开始后退，夹紧负荷完全丢失 [6]。Goodier等。[13] 似乎已经在 科幻首先，研究了轴向载荷下的螺栓松动机制。他们指出，负载的增加引起了螺栓螺纹径向向内移动和螺母螺纹径向向外。此操作导致在接触线之间的径向微滑动。基于静态平衡赖斯-蒸发散，这个理论卸载，具有松动每个循环在扭转时预测出的松动装载期间扭转和紧固扭转。细川等人。[14] 报告说，在装载和卸载过程中，发生相对microslippage径向既对螺纹面和支承面，由于POI的-儿子的比率的效果上。Izumi等人。[15] 使用三维分析轴向张力负荷下螺栓和螺母的松动详细行为 科幻有限元法。酒井[16] 研究基于材料的强度自松机构。Experi-发言：和由巴萨瓦等分析。[17] 和Hess等。 [18] 与由重力加载并受到轴向简谐振动螺纹紧固件透露，螺纹部件可与扭曲或

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针对振动的存在重力。结果表明，扭转的方向依赖于初始预载，振动输入的频率和振幅，该组件的质量和材料，以及螺纹科幻吨和摩擦。这种观察到的行为的物理解释涉及螺纹部件之间的振动和摩擦的非线性动态交互，并将得到的重复滑动，粘附的图案，和分离。

转矩-一个线程紧固件张力关系是在磁头/螺母接口和阳螺纹和阴螺纹之间的转动表面之间的摩擦的变化高度敏感 [19，20]。在一些情况下，紧固件的拉伸应力可能超过其屈服强度由于COEF的下降科幻摩擦cients [21]。KAR-AMIş 等。 [22] 用过的理论和实验方法研究螺栓接头的摩擦性能。结果表明，该接头构件和接合材料的表面粗糙度对接头的自松动具有重要影响。当螺栓接合被置于服务，它可以经受外部分离的负荷，这将增加紧固件张力并同时减少被夹持负荷[23]。在最近的研究中，纳塞尔等。[24] 使用实验和所研究的循环分离拉伸载荷下螺栓连接的非线性行为 科幻有限元方法。研究了在夹紧载荷和螺栓张力变化的分离载荷的水平和位置的影响。杨等人。[25] 研究分离的负载水平的影响，螺纹摩擦系数科幻cient，和螺栓预紧利用实验，分析和对夹紧载荷和螺栓张力的变化级别 科幻有限元方法。

铝合金广泛用于降低机器和结构的重量。然而，它的强度低引起螺栓松动或螺栓连接接头疲劳失效。线程插入物用于提高铝合金制的阴螺纹的机械性能。

在本文中，一个广泛的实验研究中调查螺栓连接的行为进行（涂有的MoS的润滑剂2），由铝合金制成的，并配有一个螺纹插入件，承受轴向激励。激励电平，拧紧扭矩和润滑的（MOS效应2）上的夹紧载荷损失和螺纹的损坏螺栓螺纹的进行了研究。另外，所述夹紧载荷损失和螺纹的损坏的水平进行了研究，而螺栓接头经受长期激励。摩擦应力，滑动每单位面积的振幅和摩擦功沿着两个SPECI科幻在编路径 科幻第一个线程使用的分析 科幻有限元法。

2.实验方法

在实验研究中测试的关节中示出 图。1。 两个螺栓测试 科幻由高强度钢的xtures是 夹紧用螺栓和螺母。一科幻夹具是 科幻在一端固定的和一个轴向激发在另一个的端施加 科幻夹具。该

螺栓

博尔特测试夹具

超薄洗衣机

称重传感器

方螺母

在实验中使用的螺栓是由低碳钢（A283D，ASTM A283 / A283M-03）和涂有锌以保护它们免受生锈。涂层的厚度为约5mu;米 在垫圈和方形螺母是由铝合金（7050-T7451，ASTM B209-04）的。甲螺纹插入件，它是由不锈钢（316L，ASTM A580 / A580M-2008年），用于提高螺栓的螺纹和方形螺母的阴螺纹之间的接合。底部螺栓标准测试科幻夹具和螺母，一个负载传感器被用于测量夹紧力。为了保护负荷传感器从微动磨损，由铝合金制成的薄垫圈被放置在称重传感器和螺栓之间的测试科幻夹具。

在实验中， 科幻已经拧紧力矩M的水平0被使用。它们是30nm时，为35nm，40纳米，45纳米，和50nM。轴向激励，表示为FEuml;，是控制参数。轴向激励，F的振幅Euml;将被称为AF。许多A的F值被使用，并且它们的范围从7.5到千牛12.25千牛。此外，轴向激励的频率是30Hz。润滑剂被用于研究其对螺栓松动效果。它是从一个羟基脂肪酸，抗氧化剂和二硫化钼的锂皂制成（MOS2）。应用程序的步骤如下：1）的MoS的薄层2 润滑脂被施加在螺栓的螺纹表面和上表面上 科幻夹具，其与螺栓头接触; 2）关节被组装和施加的紧固扭矩。对于每个experi-精神条件下进行重复试验为四个单独倍。所有的实验都是在空气中在室温下进行。轴向激励，冲程（螺栓测试的位移科幻夹具），并且夹紧力是针对每个加载循环在整个实验中连续测量。磨痕的形态使用扫描电子显微镜（SEM，JOELJEM-6610LV）检查，损伤区的化学组合物通过能量色散X射线（EDX，OXFORDX-MAX50 INCA-250）进行分析。

3.预载的分布

拧紧螺栓的扭矩值是控制由螺纹紧固件提供的预载荷的最流行的方法。如何有史以来，通过实验观察到，预加载是不当相同的紧固力矩是在NOM-inally相同螺栓连接在相同条件下施加的CON-STANT值。因此，30nm以下的紧固扭矩施加到每个45个测试螺栓连接，和预紧的分布中所示的图2。大约50％的这些关节都在13.5千牛14.5千牛的范围内实现预加载。这就是为什么许多螺栓接头正常工作，但在相同的条件下，一些松动。

图。1。 实验装置。 图2中。 预载荷的分布（M0 frac14;30牛顿·米）。

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图3。 重新收紧产生的夹紧力的螺栓的作用（M0 frac14;30牛顿·米）。

图4。 实验磁滞回线（M0 frac14;30牛米， 一个F frac14;10千牛， ntilde;frac14;106 循环）。

因此，后续实验在具有以下条件的那些螺栓样品进行：预压范围是13.5千牛和14.5千牛之间，当施加30 Nm的拧紧力矩。预加载的电镀锌接头的重复tigh-特宁期间的变化进行了研究许多研究者[26]。调查收紧预载的数量的效果，科幻已经螺栓连接被测试，并且每一个被拧紧和松开的12个重复循环加载。中观察到的趋势是，预加载减小作为紧固/松开的匝数增加而增加。它迅速下降的科幻RST三个周期，然后四个循环后稳定下来。这在说明图3。在随后的实验中，螺栓接头只拧紧一次。

4.夹紧力损失的分析

4.1。磁滞回线

螺栓接合显示一个滞环为轴向力，FEuml;，与相对位移， delta;，接头在受到轴向激励。每个周期的最小轴向位移被表示为delta;分。作为试验机是无法应用轴向拉伸激发在一个稳定的方式科幻RST 20次循环，所述轴向激励的振幅被发现是小于其预设值，和轴向载荷的最小被发现是大于0这导致两个以下后果：的值 delta;分大于循环塑性变形较大; 和由测力传感器测得的夹紧力也比无轴向载荷其实际值大。因此，对数据科幻RST 20次循环不包括在下面的实验结果。

如图 图4， delta;分在实验开始时明显增加，换言之，迅速发生塑性变形增大。因为材料的棘轮效应，缓缓塑性变形增加在实验的后期，和delta;分 在此期间缓慢增加。

4.2。SEM调查

据报道，所述轴向压力分布是如此不均匀，一个严重的应力集中在存在 科幻其进行30％以上的RST螺纹 [27，28] 的总的轴向载荷。所以的伤害科幻第一个线程使用SEM和EDX分析。在过去，发现有磨损机制是磨粒磨损，粘着磨损，氧化磨损和脱层[29，30]。

的SEM形态和EDX图案示于 图5。如可以从曲线图损害可见是不连续的。在我

区域具有明显的塑料犁地 FL流是主要的磨损PHE-nomenon。磨痕的EDX分析表明，C点呈现比点B.因此较高的O元素峰，主要的机制是磨粒磨损，粘着磨损和OXI-配价磨损在这个区域。由于疲劳磨损的效果，受损表面示出了表示为II的区域脱层现象。点A的材料成分进行了分析。据发现该区域只含有铁和碳。该electrozinc镀（EZP）涂层的螺栓的这种SUG-gests已被完全去除。因此，主要机制是delami国在这一领域。首先，线程之间的接触面的磨损机理是复杂的。它们包含所有上面提到的四种基本磨损机制。

同样地，类似的损伤特征还在测试持续5 10观察到6周期。如图图6，严重破坏的地区，表示为I，发生在螺纹边缘。点A的材料成分进行了分析。据发现该区域只含有铁和碳没有氧气。腐蚀的缺席表明损坏的原因是没有在试验前耐腐蚀性，但微动螺纹之间的磨损。同样，磨损机理主要是分层在这个领域。在二区，磨粒磨损，粘着磨损和脱层现象十分明显。氧中的点C的含量接近，在B点，因此它不能确定是否存在氧化磨损。首先，主要机制是磨粒磨损，粘着磨损和脱层。

4.3。自松动曲线

功能RF 是德科幻定义为的夹紧力的百分比预先加载。下的R值

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