CN109000873B - 一种螺栓松动寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺栓松动寿命预测方法，属于机械紧固件失效检测技术领域。对不同位移振幅等级下的螺栓松动程度进行监测，将各个位移振幅下剩余预紧力各个阶段数据汇总，参照疲劳研究中材料S‑N曲线，绘制成不同松动情况下初始预紧力剩余百分比，振动位移幅值‑寿命(D‑N)曲线。通过螺栓松动累积机理，建立螺栓松动线性累积模型。通过试验测量特定螺栓的D‑N曲线及表达式，利用位移幅值‑松动寿命(D‑N)曲线和螺栓松动线性累积模型，对螺栓松动寿命进行预测。

Description

一种螺栓松动寿命预测方法

技术领域

本发明属于机械紧固件失效检测技术领域。

背景技术

在工程应用中，振动条件下螺栓松动是常见的问题，因螺栓张紧力不足而导致的疲劳失效是螺栓振动失效的主要形式。机械装置上的各个螺栓连接处振动形式不同，螺栓连接在不同振幅条件下有着不同的松动过程。如能采用类似研究材料疲劳性能(如S-N曲线)的方法，找到一种类似螺栓松动寿命的规律，则能够有效地对螺栓松动寿命进行预测，这对螺栓连接的设计和实际生产维护有着较大指导意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺栓松动寿命预测方法，它能有效地解决螺栓松动寿命的预测问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一步、测量预测对象试验的基本参数并制表：

a、确定螺栓基本尺寸并查询横向振动试验标准中该螺栓的试验基本参数；

b、根据试验基本参数对螺栓进行横向振动试验，测量并记录螺栓在0.2～1mm振动幅值下的松动过程；

c、标记螺栓连接的夹紧力达到初始预紧力的90％、80％、70％点，记录振动次数-夹紧力之间关系和振动次数；

d、利用螺栓在初始预紧力的90％、80％、70％的所对应的点，将螺栓在对应点的松动程度和振动次数与振幅之间关系绘制成螺栓松动寿命与振幅关系曲线，即D-N曲线；

e、按D-N曲线求解d^mN＝C，形成D-N曲线表达式的表格；其中，d为螺栓横向振动位移幅值，N为振动次数即松动寿命，C与上标m为松动曲线常数；求解时，通过一条曲线上两个点的d与N，计算出松动常数m与C；

第二步、确定螺栓松动判定准则及求解：

a、根据试验标准或现场技术文件确定螺栓松动判定准则，即确定夹紧力下降到初始预紧力的70％为松动；

b、根据螺栓横向振动的形式确定求解方法：

1)对于单一幅值振动情况，直接进行第三步计算；

2)振幅在0.2mm～1mm范围内变幅值振动的情况为复杂振动情况，对于复杂振动情况，则先通过雨流计数法对振动情况进行分析，统计各幅值下振动次数，再通过螺栓松动线性累积方法进行第三步计算；

螺栓松动线性累积方法已通过变幅振动试验验证D：

其中：D——总松动寿命，

N——即松动寿命，N_0.8为振幅0.8mm下松动寿命，N_0.6为振幅0.6mm下松动寿命，

n——验证试验中实际振动次数，n_0.6为振幅0.6mm下振动次数，n_0.8为振幅0.8mm下振动次数，

随后通过式(2)进行累积计算；

式中，i——某一振幅等级，

j——不同振幅等级数第三步、通过D-N曲线表达式表格中各段表达式d^mN＝C计算并预测螺栓松动寿命：

根据螺栓横向振动位移幅值d及初始预紧力百分比，在曲线表达式表格中查找相应表达式d^mN＝C，计算振动次数N；

1)对于单一幅值振动情况：直接通过振动频率f计算出相应的振动时间T:

2)对于振幅为变幅值振动情况：先通过式(2)计算出每个振幅下的振动次数n₁、n₂…，再根据对应振动幅值的频率f₁、f₂…，求和计算出总时间T_总:

至此，得到相应的振动时间为螺栓在计算条件下时间概念上的松动寿命，即在此种振动条件下，当到达计算出的时间后对应螺栓达到松动状态。

通过试验发现，横向振动下螺栓松动寿命主要受振幅影响，受振动频率影响不大，故通过研究振幅对松动的影响来对松动寿命进行预测。

通过振动试验，测量螺栓在不同位移幅值下(0.2mm～1.0mm)的松动情况，记录张紧力下降与振动次数之间关系。将各个振幅等级下张紧力下降到初始预紧力的90％、80％、70％所需振动次数与振幅在对数坐标系下绘制成D-N曲线。松动D-N曲线与材料疲劳S-N曲线有同样特性：在对数坐标下具有双直线、高低周分界(分界点在2500次附近，低于2500次为低周松动，高于2500次为高周松动)的特性。对曲线上各段表达式进行求解，得到d^mN＝C形式的准确表达式。其中：d为振动位移幅值、N为振动次数、m、C为松动常数。

对螺栓进行变幅振动试验(先以0.8mm振幅振动至夹紧力到达初始预紧力的80％，再以0.6mm振幅振动至夹紧力到达初始预紧力的70％)，计算结果如式(1)所示。结果显示螺栓松动线性累积具有与材料疲劳线性损伤累积相似的准则。故利用试验获得的振动位移幅值-松动寿命(D-N)曲线和建立的螺栓松动线性累积模型，可对螺栓松动寿命进行预测。

这里规定，剩余预紧力达到初始预紧力70％判定为螺栓松动，则松动累积计算以表一中初始预紧力70％的公式为依据。位移振幅0.6mm属于高周松动，根据表一中表达式计算，可得：N₂＝5143。振幅0.8mm属于低周松动，计算可得：N₁＝2252。在验证试验中测得两种振幅下分别振动1546次与1464次，即n_0.8＝1546，n_0.6＝1464。

参考线性疲劳累积损伤理论，计算得：

其中：D——总松动寿命

N——即松动寿命，N_0.8为振幅0.8mm下松动寿命，N_0.6为振幅0.6mm下松动寿命振动次数，

n——验证试验中实际振动次数，n_0.6为振幅0.6mm下振动次数，n_0.8为振幅0.8mm下振动次数，由此，对多个变幅值振动下的螺栓松动进行线性松动累积，如式2所示。

式中，i——某一振幅等级，

j——不同振幅等级数。

对于常用尺寸高强度六角头螺栓，均可以使用本发明试验方法进行试验。将被测螺栓拧紧于带有压力传感器的工装，置于横向振动试验机上进行振动试验。预先设定振动频率、幅值，通过记录夹紧力随振动次数变化，绘制松动特性曲线。将各振幅下松动曲线汇总，在对数坐标系下绘制振幅-振动次数(D-N)曲线。求解D-N曲线，通过试验数据对不同预紧力水平下的高低周松动曲线分别求解，列出D-N曲线表达式。

本发明的有益效果是，采用疲劳寿命预测方法对螺栓寿命进行预测。通过D-N曲线与其表达式，结合松动累积方法能够对不同振动条件下(振幅、频率)的螺栓寿命进行预测，为生产与维护带来便利。

附图说明

图1为本发明对数坐标系下绘制的振幅-松动寿命(D-N)曲线图；

图2为本发明D-N曲线上高低周、分界点的示意图；

图3为本发明变幅振动下螺栓松动曲线(张紧力与振动次数之间关系)。

具体实施方法

以下结合附图和实例对本发明做进一步的说明。

本发明的工作过程是：对某个振动条件下的螺栓进行寿命预测时，包括以下步骤：

第一步、测量预测对象试验的基本参数并制表：

a、确定螺栓基本尺寸并查询横向振动试验标准中该螺栓的试验基本参数；

b、根据试验基本参数对螺栓进行横向振动试验，测量并记录螺栓在0.2～1mm振动幅值下的松动过程；

c、标记螺栓连接的夹紧力达到初始预紧力的90％、80％、70％点，记录振动次数-夹紧力之间关系和振动次数；

d、利用螺栓在初始预紧力的90％、80％、70％的所对应的点，将螺栓在对应点的松动程度和振动次数与振幅之间关系绘制成螺栓松动寿命与振幅关系曲线，即D-N曲线，如图1所示；

e、按D-N曲线求解d^mN＝C，形成D-N曲线表达式的表格，如表一所示；其中，d为螺栓横向振动位移幅值，N为振动次数即松动寿命，C与上标m为松动曲线常数；求解时，通过一条曲线上两个点的d与N，计算出松动常数m与C；

第二步、确定螺栓松动判定准则及求解：

a、根据试验标准或现场技术文件确定螺栓松动判定准则，即确定夹紧力下降到初始预紧力的70％为松动；

b、根据螺栓横向振动的形式确定求解方法：

1)对于单一幅值振动情况，直接进行第三步计算；

2)振幅在0.2mm～1mm范围内变幅值振动的情况为复杂振动情况，对于复杂振动情况，则先通过雨流计数法对振动情况进行分析，统计各幅值下振动次数，再通过螺栓松动线性累积方法进行第三步计算；

螺栓松动线性累积方法需通过试验验证D，如图3及表二所示：随后通过式(2)进行累积计算；

其中：D——总松动寿命

N——即松动寿命，N_0.8为振幅0.8mm下松动寿命，N_0.6为振幅0.6mm下松动寿命振动次数，

n——验证试验中实际振动次数，n_0.6为振幅0.6mm下振动次数，n_0.8为振幅0.8mm下振动次数，随后通过式(2)进行累积计算；

式中，i——某一振幅等级，

j——不同振幅等级数；

第三步、通过D-N曲线表达式表格中各段表达式d^mN＝C计算并预测螺栓松动寿命：

根据螺栓横向振动位移幅值d及初始预紧力百分比，在曲线表达式表格中查找相应表达式d^mN＝C，计算其振动次数N；

1)对于单一幅值振动情况：直接通过振动频率f计算出相应的振动时间T:

2)对于振幅为变幅值振动情况：先通过式(2)计算出每个振幅下的振动次数n₁、n₂…，再根据对应振动幅值的频率f₁、f₂…，求和计算出总时间T_总:

至此，得到相应的振动时间为螺栓在计算条件下时间概念上的松动寿命，即在此种振动条件下，当到达计算出的时间后对应螺栓达到松动状态。

实例：M10x70螺栓，在变振幅振动条件下工作，频率5Hz，振幅0.6mm下振动4000次，之后再以0.4mm振幅振动，预测其松动寿命(当剩余预紧力达到初始预紧力的70％判定为松动)。

表一 D-N曲线表达式

表二 变振幅试验结果

(1)振幅0.6mm与0.4mm均为高周松动振幅，频率为5Hz；

(2)当预紧力达到初始预紧力的70％时为松动；

(3)70％初始预紧力为松动判定标准，故采用表一中公式d^2.028N＝1825.324。

当d＝0.6时，解得：N_0.6＝5143。

当d＝0.4时，解得：N_0.4＝11705。

(4)根据公式代入数值：

解得：n_0.4＝2601故螺栓剩余松动寿命约在振动2601次，根据频率5Hz计算，时间约在520s。

Claims (4)

1.一种螺栓松动寿命预测方法，包括如下步骤：

第一步、测量预测对象试验的基本参数并制表：

a、确定螺栓基本尺寸并查询横向振动试验标准中该螺栓的试验基本参数；

b、根据试验基本参数对螺栓进行横向振动试验，测量并记录螺栓在0.2～1mm振动幅值下的松动过程；

c、标记螺栓连接的夹紧力达到初始预紧力的90％、80％、70％点，记录振动次数-夹紧力之间关系和振动次数；

d、利用螺栓在初始预紧力的90％、80％、70％的所对应的点，将螺栓在对应点的松动程度和振动次数与振幅之间关系绘制成螺栓松动寿命与振幅关系曲线，即D-N曲线；

e、按D-N曲线求解d^mN＝C，形成D-N曲线表达式的表格；其中，d为螺栓横向振动位移幅值，N为振动次数即松动寿命，C与上标m为松动曲线常数；求解时，通过一条曲线上两个点的d与N，计算出松动常数m与C；

第二步、确定螺栓松动判定准则及求解：

a、根据试验标准或现场技术文件确定螺栓松动判定准则，即确定夹紧力下降到初始预紧力的70％为松动；

b、根据螺栓横向振动的形式确定求解方法：

1)对于单一幅值振动情况，直接进行第三步计算；

2)振幅在0.2mm～1mm范围内变幅值振动的情况为复杂振动情况，对于复杂振动情况，则先通过雨流计数法对振动情况进行分析，统计各幅值下振动次数，再通过螺栓松动线性累积方法进行第三步计算；

螺栓松动线性累积方法已通过变幅振动试验验证D：

其中：D——总松动寿命

N——振动次数，即松动寿命，N_0.8为振幅0.8mm下松动寿命，N_0.6为振幅0.6mm下松动寿命

n——验证试验中实际振动次数，n_0.6为振幅0.6mm下振动次数，n_0.8为振幅0.8mm下振动次数

随后通过式(2)进行累积计算；

式中，i——某一振幅等级

j——不同振幅等级数；

第三步、通过D-N曲线表达式表格中各段表达式d^mN＝C计算并预测螺栓松动寿命：

根据螺栓横向振动位移幅值d及初始预紧力百分比，在曲线表达式表格中查找相应表达式d^mN＝C，计算其振动次数N；

1)对于单一幅值振动情况：直接通过振动频率f计算出相应的振动时间T:

2)对于振幅为变幅值振动情况：先通过式(2)计算出每个振幅下的振动次数n₁、n₂…，再根据对应振动幅值的频率f₁、f₂…，求和计算出总时间T总:

至此，得到相应的振动时间为螺栓在计算条件下时间概念上的松动寿命，即在此种振动条件下，当到达计算出的时间后对应螺栓达到松动状态。

2.根据权利要求1所述的一种螺栓松动寿命预测方法，其特征是：通过步骤一中d步所述的螺栓松动寿命与振幅关系曲线描述螺栓振动松动寿命。

3.根据权利要求1所述的一种螺栓松动寿命预测方法，其特征是：通过步骤一中e步所述的各段曲线求解d^mN＝C表达式并制成表格。

4.根据权利要求1所述的一种螺栓松动寿命预测方法，其特征是：通过步骤二中b2)所述的螺栓松动累积方法预测振幅为变幅值时螺栓松动寿命。

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