非標(biāo)螺栓力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)分析和研究

彭立群,林達(dá)文,王 進(jìn),蔣瑞秋,劉立峰

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007；2.國(guó)家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(湖南)，湖南 株洲 412007)

軌道交通領(lǐng)域特殊結(jié)構(gòu)部件的連接通常需要非標(biāo)螺栓，其性能直接影響連接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。螺栓主要分標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)件，其中標(biāo)準(zhǔn)件最常用的是外六角、內(nèi)六角和T形3種結(jié)構(gòu)的螺栓，而非標(biāo)件是根據(jù)連接方式要求設(shè)計(jì)而成的一種特殊結(jié)構(gòu)螺栓。螺栓結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-3]?，F(xiàn)有金屬材料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)無(wú)法滿足非標(biāo)螺栓的拉拔試驗(yàn)要求，所以本文以一種軌道交通某型減振裝置用非標(biāo)螺栓為研究對(duì)象，研制了一種新型的“以壓代拉”的試驗(yàn)裝置，對(duì)非標(biāo)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載件和螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該試驗(yàn)裝置對(duì)于同類非標(biāo)螺栓的試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)均可參考使用。

圖1 螺栓結(jié)構(gòu)

1 非標(biāo)螺栓結(jié)構(gòu)

新型軌道交通減振裝置用非標(biāo)螺栓為圓柱沉頭結(jié)構(gòu)(圖2)，為了滿足軸向拉力和側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)的工況要求，螺栓的上部設(shè)計(jì)成圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，且只有外側(cè)局部與耐磨板接觸，因此上部結(jié)構(gòu)是螺栓結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，這種受力結(jié)構(gòu)給螺栓的材料和加工提出了更高的要求。

圖2 非標(biāo)螺栓連接結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)方案

目前有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件和金屬材料拉伸的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、ISO 6892-1：2016《 金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫拉伸試驗(yàn)方法 》、 GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，非標(biāo)螺栓試驗(yàn)可以參照上述標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)的測(cè)試螺栓抗拉拔性能的方法是將整個(gè)減振裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括機(jī)械加載、液壓加載和專用液壓機(jī)加載，如圖3所示。該試驗(yàn)方法成本高，效率低，不適用于批量產(chǎn)品試驗(yàn)。

圖3 螺栓拉拔試驗(yàn)

(1) 機(jī)械加載：通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿形成拉力對(duì)螺栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)采用一種成熟的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)V形塊和液壓鎖緊方式夾持螺栓。機(jī)械加載適用于標(biāo)準(zhǔn)金屬棒材、標(biāo)準(zhǔn)螺栓的拉拔試驗(yàn)，但由于夾具結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法對(duì)非標(biāo)螺栓進(jìn)行夾持和施加拉力[4-7]。

(2) 液壓加載：通過(guò)專用夾持工裝將非標(biāo)螺栓事先安裝于工裝內(nèi)并施加規(guī)定的預(yù)緊力，利用液壓試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其施加拉力進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方式克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)夾持方式的不足，滿足不同結(jié)構(gòu)非標(biāo)螺栓的試驗(yàn)要求，但試驗(yàn)機(jī)通常采用單出頭結(jié)構(gòu)液壓油缸，且機(jī)架也只重點(diǎn)考慮輸出壓縮載荷，油缸輸出的壓縮力大于拉伸力，因此適用于壓縮試驗(yàn)，無(wú)法滿足大載荷拉拔試驗(yàn)的要求。另外，這種試驗(yàn)機(jī)夾具每次只能對(duì)一種結(jié)構(gòu)的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)螺栓的分析比對(duì)試驗(yàn)，不能滿足批量試驗(yàn)和快速試驗(yàn)的要求。

(3) 專用液壓機(jī)加載：在200 t液壓靜態(tài)拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的上端和下端分別設(shè)有可旋轉(zhuǎn)連接套筒。這種試驗(yàn)機(jī)雖然可以通過(guò)非標(biāo)工裝對(duì)非標(biāo)螺栓進(jìn)行拉力試驗(yàn)，但是只能完成靜態(tài)測(cè)試，無(wú)法完成疲勞試驗(yàn)，且?jiàn)A具對(duì)螺栓的夾持長(zhǎng)度有嚴(yán)格的要求。

2.2 新型試驗(yàn)方案

新型試驗(yàn)方案是在單個(gè)液壓加載方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，通過(guò)一種壓力轉(zhuǎn)向裝置將試驗(yàn)機(jī)原本的大噸位壓縮載荷轉(zhuǎn)換成拉伸載荷，滿足軸向大載荷拉拔試驗(yàn)要求。該方案設(shè)計(jì)了3組獨(dú)立的預(yù)應(yīng)力裝置，可同時(shí)安裝3種不同的螺栓并施加相應(yīng)的預(yù)緊力，然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)螺栓將3個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置串聯(lián)并懸掛于支撐座的上平臺(tái)，在最下端安裝加力塊，加力塊通過(guò)加力座與試驗(yàn)機(jī)加力平臺(tái)接觸，利用載荷傳遞的原理同時(shí)對(duì)3個(gè)螺栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。新型試驗(yàn)方案的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)滿足正裝和反裝的拉拔試驗(yàn)要求，如圖4所示。

圖4 新型試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)裝置

新型試驗(yàn)方案的試驗(yàn)裝置由液壓加載試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)工裝組成，試驗(yàn)機(jī)配備不同載荷的液壓油缸，可滿足不同拉拔試驗(yàn)的精度要求。試驗(yàn)工裝是整個(gè)試驗(yàn)的核心部分，主要由壓力轉(zhuǎn)換裝置、預(yù)應(yīng)力裝置和導(dǎo)向裝置組成(圖5)。

圖5 液壓加載試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)

3.1 壓力轉(zhuǎn)換裝置

壓力轉(zhuǎn)換裝置由2個(gè)n形支座構(gòu)成(圖6)，內(nèi)側(cè)支座安裝于試驗(yàn)機(jī)底平臺(tái)中心位置，兩側(cè)支撐板固定于試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)，利用上平板以懸掛方式固定預(yù)應(yīng)力串聯(lián)組件，外側(cè)支座橫跨于內(nèi)側(cè)支座，通過(guò)兩側(cè)支撐板傳遞壓縮載荷，實(shí)現(xiàn)螺栓的拉拔試驗(yàn)。

圖6 壓力轉(zhuǎn)換裝置

3.2 預(yù)應(yīng)力裝置

預(yù)應(yīng)力裝置分單個(gè)和組對(duì)2種。

單個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置由安裝圓盤(pán)、T形螺栓、限位筒和固定圓盤(pán)組成(圖7)。為模擬產(chǎn)品的實(shí)際安裝工況和滿足模擬螺栓與工裝局部接觸的細(xì)節(jié)要求，將安裝圓盤(pán)設(shè)計(jì)成下沉結(jié)構(gòu)，同時(shí)在中心位置設(shè)計(jì)有同心圓結(jié)構(gòu)的“凸臺(tái)”，并通過(guò)調(diào)整中間限位套筒的長(zhǎng)度來(lái)控制螺栓螺紋擰入固定圓盤(pán)的有效距離。在試驗(yàn)前對(duì)單個(gè)螺栓施加200 N·m扭矩。這種對(duì)螺栓施加預(yù)應(yīng)力的試驗(yàn)方法，相比傳統(tǒng)試驗(yàn)方法能更準(zhǔn)確測(cè)試出螺栓的疲勞壽命。

圖7 單個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置

組對(duì)預(yù)應(yīng)力裝置由上部固定螺栓、上預(yù)應(yīng)力裝置、中間連接螺栓、中預(yù)應(yīng)力裝置和下預(yù)應(yīng)力裝置組成(圖8)。所有預(yù)應(yīng)力裝置連接件均設(shè)計(jì)成相同直徑的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，且在圓盤(pán)的四周均布4個(gè)U形槽和通孔，通過(guò)U形槽和通孔的錯(cuò)位裝配來(lái)解決限位筒高度不夠問(wèn)題。由于采用串聯(lián)方式會(huì)導(dǎo)致上預(yù)應(yīng)力裝置承受的載荷最大，受力最為集中，因此在上端連接處增加了1倍的連接螺栓。

圖8 組對(duì)預(yù)應(yīng)力裝置

3.3 導(dǎo)向裝置

導(dǎo)向裝置由導(dǎo)向螺栓和導(dǎo)向板組成(圖9)。為使工裝結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，導(dǎo)向裝置在原有支座側(cè)板下端兩側(cè)增加設(shè)計(jì)了導(dǎo)向用U形通孔，通過(guò)導(dǎo)向螺栓固定于導(dǎo)向板，實(shí)現(xiàn)左右導(dǎo)向并防止導(dǎo)向板左右方向擺動(dòng)；加力塊的寬度等同于支座內(nèi)側(cè)距離，實(shí)現(xiàn)前后導(dǎo)向并防止加力板前后方向擺動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可確保試樣的加載中心穩(wěn)定，避免因偏擺角度和橫向位移影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖9 導(dǎo)向裝置

4 計(jì)算

4.1 靜強(qiáng)度分析

試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載件(安裝圓盤(pán)、固定圓盤(pán)、轉(zhuǎn)換裝置)和非標(biāo)螺栓均采用Q345B低合金鋼。靜強(qiáng)度分析結(jié)果如表1和圖10所示。從表1可以看出，關(guān)鍵承載件的最大應(yīng)力均小于材料允許值，滿足Q345B最大應(yīng)力為345 MPa的要求。

表1 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

圖10 試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載件應(yīng)力/變形云圖

4.2 安裝圓盤(pán)模態(tài)分析

對(duì)工裝關(guān)鍵件安裝圓盤(pán)模進(jìn)行模態(tài)分析，得出工裝的四階振型如圖11所示，前四階固有頻率分別為244 Hz、253 Hz、279 Hz、457 Hz。分析結(jié)果顯示，安裝圓盤(pán)的最低固有頻率高，表明試驗(yàn)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

圖11 安裝圓盤(pán)四階振型圖

5 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 拉拔疲勞試驗(yàn)

5.1.1 試驗(yàn)方法

(1)M56非標(biāo)螺栓。采用單預(yù)應(yīng)力裝置對(duì)螺栓施加200 N·m扭矩，利用M24標(biāo)準(zhǔn)螺栓將單個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置串聯(lián)；通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置施加280 kN軸向拉伸載荷，頻率為6 Hz，循環(huán)加載200萬(wàn)次，記錄初始狀下的整體動(dòng)態(tài)變形；在試驗(yàn)過(guò)程中觀察螺栓是否有松動(dòng)、斷裂和異常變形的情況。

(2)M48非標(biāo)螺栓。采用單預(yù)應(yīng)力裝置對(duì)螺栓施加180 N·m扭矩，利用M16標(biāo)準(zhǔn)螺栓將單個(gè)預(yù)應(yīng)力裝置串聯(lián)；通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置施加105 kN軸向拉伸載荷，頻率為5 Hz，循環(huán)加載200萬(wàn)次，記錄初始狀下的整體動(dòng)態(tài)變形；在試驗(yàn)過(guò)程中觀察螺栓是否有松動(dòng)、斷裂和異常變形的情況。

5.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在拉拔疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，安裝圓盤(pán)是動(dòng)態(tài)承載件，可通過(guò)模態(tài)分析得出其固有頻率，試驗(yàn)時(shí)使加載頻率避開(kāi)此固有頻率，將有利于提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。拉拔疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果顯示：M48和M56非標(biāo)螺栓均未出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂和異常變形的情況；2種規(guī)格非標(biāo)螺栓的動(dòng)態(tài)變形分別為1.22 mm和1.13 mm；試驗(yàn)工裝未產(chǎn)生明顯變形，螺栓與工裝之間未發(fā)生共振現(xiàn)象，表明其強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明了有限元靜態(tài)分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了模態(tài)分析與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)M48非標(biāo)螺栓進(jìn)行有限元分析，得出的總彈性變形為0.49 mm，小于實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)變形(1.22 mm)，這是因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)位移傳感器安裝在垂向加載油缸的尾部，而實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)變形不僅包括了工裝和螺栓本身的彈性變形，而且包括了試驗(yàn)機(jī)機(jī)架的彈性變形。

5.2 靜態(tài)拉拔試驗(yàn)

5.2.1 試驗(yàn)方法和要求

(1) 常規(guī)拉拔試驗(yàn)。分別以240 kN/min、560 kN/min的加載速度對(duì)M48、M56非標(biāo)螺栓串聯(lián)組合體施加240 kN、560 kN軸向載荷，要求螺栓無(wú)裂紋和其他異常。

(2) 極限拉拔試驗(yàn)。分別以288 kN/min、672 kN/min的加載速度對(duì)M48、M56非標(biāo)螺栓串聯(lián)組合體施加288 kN、672 kN軸向載荷，要求螺栓無(wú)明顯破壞和拉斷。

5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 常規(guī)拉拔試驗(yàn)。該試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證非標(biāo)螺栓在正常載荷工況下的抗拉拔性能，對(duì)于3個(gè)組合整體同時(shí)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)的螺栓而言，最上端螺栓除承受正常拉拔載荷之外，同時(shí)附加一個(gè)工裝本身質(zhì)量產(chǎn)生的向下軸向載荷，根據(jù)剛性連接結(jié)構(gòu)軸向載荷等效傳遞原理，即每個(gè)M48和M56非標(biāo)螺栓都同時(shí)承受240 kN和560 kN的軸向載荷。試驗(yàn)結(jié)果顯示，2種規(guī)格的非標(biāo)螺栓均具有較好的靜強(qiáng)度和抗拉拔性能，表明該結(jié)構(gòu)螺栓具有較高的安全系數(shù)。

(2) 極限拉拔試驗(yàn)。施加1.2倍的常規(guī)拉拔載荷，測(cè)試螺栓的抗拉拔性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，螺栓在極限拉拔載荷作用下未出現(xiàn)裂紋和異常。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)軌道交通減振裝置非標(biāo)螺栓連接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的螺栓在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下組對(duì)壓拉試驗(yàn)方法，以測(cè)試非標(biāo)螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。新型非標(biāo)螺栓的設(shè)計(jì)方法和工裝結(jié)構(gòu)滿足試驗(yàn)要求，可準(zhǔn)確測(cè)試非標(biāo)螺栓的力學(xué)性能，非標(biāo)螺栓疲勞和極限抗拉拔性能均滿足要求，且與分析結(jié)果基本一致。