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标准与技术

防松胶对螺纹连接预紧力影响试验研究

发布时间:2019-01-07   来源:振动与冲击   作者:董得义,李志来,杨利伟,徐宏  

  螺纹连接件具有装配简单、拆卸方便、利于检修等优点广泛用于空间光学遥感器结构组件及整机装配[1]。由于空间光学遥感器在发射过程中经历剧烈振动环境[2],要求螺纹连接件具有良好的防松能力。螺纹连接紧固件常用的防松方法有两类,即①靠防松零件(如自锁螺母等)实现;②在螺纹上涂防松胶[3],固化后可牢固粘接配合的螺纹副,达到防松目的。由于防松胶能减少机械零件数目、提高螺纹连接防松的可靠性,已成空间光学遥感器螺纹连接的主要防松手段。空间光学遥感器装配中,用于螺纹防松连接的胶结剂主要有硅橡胶(如GD414、D04(L)等)及厌氧胶(如乐泰243、J222等),二者在室温下的固化周期均为15天。由于空间光学遥感器对靠近镜面的螺钉预紧力非常敏感[4-9],随工程应用增加,在使用防松胶过程中发现螺钉在涂胶前后镜面面形差别较大;涂不同防松胶镜面面形也不同。而涂胶只对螺栓预紧力有影响,即在相同拧紧力矩下涂与不涂胶,螺钉的预紧力有较大差异;所涂防松胶不同螺钉的预紧力也不同。而在靠近镜面的螺纹连接副中,过大或过小预紧力均有害,即预紧力过大会导致镜面变形较大及连接件在振动试验中会被振断,过小会在振动环境下因连接松动导致连接失效[10-11]。由此可见,螺纹连接件使用中预紧力大小选择、准确度控制是确保螺纹连接质量关键。鉴于预紧力在螺纹连接副中的重要性,本文针对螺纹防松胶对螺纹连接预紧力影响进行定量的试验研究。以期为空间光学遥感器装配中防松胶选择及螺栓紧固方法选择提供借鉴。

  1 拧紧力矩与预紧力关系基本原理

  1.1 拧紧力矩与预紧力关系

  螺纹连接件受力原理见图1。

  在螺栓上施加大小为T的拧紧力矩,在螺栓轴向产生预紧力F,二者关系[12]为

  式中:D1为螺母支撑面摩擦半径;t为螺纹螺距;β为螺纹升角,普通螺纹β=30°;T1为克服螺母与被连接支撑面间摩擦力施加的力矩;T2为克服螺纹副间摩擦力施加力矩;T3为克服螺纹斜面受力产生的阻力矩,使连接件产生预紧力。一般T1 为拧紧力矩T的50%,T2为40%,能产生预紧力的T3仅为拧紧力矩T的10%。

  1.2 影响预紧力大小主要因素

  工程中为便于应用,通常将式(1)简化为

  T=KdF(5)

  式中:K为拧紧力矩系数[13-14];d为螺纹公称直径。

  螺栓规格、材料一定情况下K值仅与螺纹副的摩擦系数μv及螺母与连接件或垫圈接触面摩擦系数μc有关。无论在螺纹上涂厌氧胶或硅橡胶,均会影响螺纹副的摩擦系数μv。若胶溢到螺母与被连接件连接面上会影响连接面的摩擦系数μc,进而影响拧紧力系数K值,导致拧紧力矩一定、预紧力发生变化。

  2 试验方案介绍

  2.1 方案描述

  检测涂防松胶对螺纹预紧力影响试验方案见图2。试验件主要由箱体、M10×120mm螺栓及M10螺母组成。箱体用铸铁材料,螺栓及螺母为不锈钢。

  2.2 试验原理

  用经校准的力矩扳手控制螺纹拧紧力矩,螺母内部产生的预紧力与应变关系推导为:在螺母上施加一定拧紧力矩T,致螺栓杆内部产生预紧力F,螺栓杆在预紧力作用下被拉长,螺栓内部产生拉应力σ,设螺杆横截面积为A,则有

  F=σA (7)

  据胡克定律,在弹性变形范围内螺杆内部拉应力σ与应变ξ满足关系为

  σ =ξE (8)

  式中:E为螺栓材料弹性模量。

  由式(7)、(8)得

  F=ξEA (9)

  式(9)表明,在弹性变形范围内螺栓内部产生的预紧力F与螺杆应变ξ成正比。因此,在螺栓杆上粘贴应变片可实时监测螺栓杆在不同预紧力下的应变大小及螺栓内部预紧力大小。

  2.3 应变测量

  在试件测点粘贴电阻应变片可获取应变大小,即构件表面测点受载产生应变,粘贴在构件表面的电阻应变片感知应变后电阻值发生变化,经电阻应变仪处理获得变化的电流或电压并记录,再经一定比例换算获得构件表面的应力、应变。

  本试验所用合金箔应变片见图3。在箔的一面涂树脂胶,经加温聚合作为基底,另面用照相腐蚀(光刻)制成敏感栅,合金箔厚度0.003~0.01mm,基底厚度0.03~0.05mm。该应变片感受应变状态与试件表面应变状态更接近;横向效应系数较小,散热条件好,允许通过较大电流输出较强信号,提高测量灵敏度;箔栅尺寸、形状精确,且能制成任意形状,如栅长较小的应变片。

  为监测螺栓在不同预紧力下变形量大小,在螺栓上粘贴应变片。将螺栓局部修成平面以保证粘贴质量,在螺杆中间偏下近螺栓头部位两侧各开一平槽各粘贴一枚箔式片,两应变片互为备份,见图4。

  2.4 加载方案

  以图5中螺栓1为研究对象,在不涂螺纹防松胶情况下测得拧紧力矩分别为10Nm、15Nm、20Nm、25Nm;在螺纹上涂D04(L)螺纹防松胶,测得拧紧力矩分别为10Nm、15Nm、20Nm、25Nm,每种工况重复加载5次,得5组读数,去掉最大、最小值,取3组读数进行数据分析。

  以螺栓2为对象,在不涂螺纹防松胶情况下测得拧紧力矩分别为10Nm、15Nm、20Nm、25Nm;涂乐泰243螺纹防松胶后测得拧紧力矩分别为10Nm、15Nm、20Nm、25Nm,每个工况加载次数与螺栓1相同。

  3 实验结果与分析

  3.1 试件及测试设备

  改造后的螺栓及粘贴应变片见图5,其中螺栓1、2为测试对象,3为备用件。整个试验组件见图6,主要由箱体、改造后M10螺栓及螺母组成。用DH3815静态应变仪测量螺栓杆应变,测试设备见图7。

  3.2 测试结果

  涂D04(L)胶前后螺栓在不同拧紧力矩下的应变量测试结果见表1,涂乐泰243胶前后螺栓在不同拧紧力矩下的应变量测试结果见表2。由2表看出,每个状态下的试验结果重复性均较好。

  3.3 结果对比及分析

  以表1、表2中3组读数平均值进行对比,两根螺栓在不涂胶情况下承受同样的拧紧力矩,螺栓内部产生的应变测试结果对比见表3,涂硅橡胶(D04(L))前后螺栓内部应变测试结果对比见表4,涂乐泰243螺纹防松胶前后螺栓内部应变测结果对比见表5。由3表看出,不涂胶情况下两根螺栓在相同拧紧力矩载荷作用下的应变量有接近30%的误差,说明用力矩扳手法控制螺栓预紧力较粗劣。在螺纹上涂D04(L)防松胶后相同拧紧力矩下预紧力减小50%~70%;涂乐泰243防松胶后相同拧紧力矩下预紧力增加46%~98%,两种胶使预紧力变化趋势截然相反,说明若采用力矩扳手法紧固螺钉,须在正式装配前对防松胶与螺纹预紧力关系进行定量试验,否则实际预紧力会与期望值偏差较大。

  4 结论

  通过防松胶对螺纹连接预紧力影响研究,结论如下:

  (1)空间光学遥感器结构件装配中,用力矩扳手控制螺钉拧紧力矩为粗劣方法,误差接近30%;螺纹上涂防松胶会对螺纹副及螺钉头与连接面摩擦系数影响较大,不同防松胶对摩擦系数影响亦不同。

  (2)拧紧力矩相同,涂防松胶后螺栓内部产生的预紧力与设计值亦会严重不符,致产品埋下严重的安全隐患。需进行涂胶对螺纹连接预紧力影响的定量研究。

  (3)本文结果对空间光学遥感器结构设计、装配中对螺纹防松胶的使用具有较强指导意义。而需精确控制(精度需要高于30%)螺栓预紧力连接区域,不可采用力矩扳手方式紧固。

  参考文献

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