复合材料紧固件夹紧力的研究

复合材料紧固件夹紧力的研究

盖克静1,* 王硕樊2 田清文1

1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司
2. 沈阳航空航天大学机电工程学院

*gaikejing@cqsf.com

摘要

螺栓连接在动车组转向架制造与设计中得到普遍得应用。本文分析了复合材料螺栓连接中夹紧力与扭矩之间的关系，分析了不同施加扭矩方式与复合材料不同成型工艺对其夹紧力的影响，结果表明对螺母施加扭矩与三维编织工艺夹紧力效果最好。

关键词：螺栓连接 扭矩 夹紧力

0.引言

随着动车组速度的不断提高,对动车组转向架上各零部件的强度要求也越来越高。螺栓连接作为机车转向架上一种主要的连接方式,是关系到转向架能否安全运行的重要因素。特别是随着动车组速度需求不断提高,很多转向架都不同程度地出现过螺栓连接经常失效的问题,从而导致机破事故甚至于更加严重的后果。因此有必要对其夹紧力情况进行分析,以便为螺栓及相应的螺栓连接部件的设计起一定的参考作用。[1-3]

当用螺母和螺栓连接机械部件时，是用螺母来拧紧的，这样就会使螺栓有轴向伸长趋势，并产生张力把机械部件紧固起来。研究表明，螺栓夹紧作用可以减小在螺栓孔区域应力集中，提高螺栓连接的拉伸强度和疲劳强度[4]。因此，在重要的螺栓连接场合，必须选用高的预紧力，但是必须清楚地知道夹紧力的大小，也就是说，在不同的条件下，需要确定螺栓紧固所需的扭矩。[5]

本文对不同工艺复合材料螺栓连接中夹紧力与扭矩之间的关系与不同施加扭矩方式中夹紧力与扭矩之间的关系进行了研究与描述。

1.实验

本实验采用复合材料的螺栓连接进行实验。螺栓材质为带涂层不锈钢A2-70，其直径为8mm,长度为55mm，如图1(a)。连接关系为T700复合材料板和T700复合材料板（按平头、加垫片、不润滑）的螺栓连接。其中复合材料板尺寸为6mm×100mm,成型工艺按照模压、三维编织两种工艺，如图1(b)。扭紧力矩施加采用两种方式，分别为拧紧螺栓和拧紧螺母。

图1.实验材料与安装情况，(a)螺栓，(b)复合材料，(c)安装情况

图1(c)为安装情况，在室温下进行，轴向力试验按照 GB/T 16823.3-2010 方法进行试验。在实验中使用扭矩扳手依次按照0.5Nm的增量从2Nm增加至30Nm，得到其扭矩与夹紧力之间的变化曲线。

2.不同加载方式对螺栓连接夹紧力的影响

根据螺栓紧固力实验得出施加扭矩与夹紧力之间的曲线，如图2。根据图所示，随着对螺栓施加扭矩的增大，得到的夹紧力变大，但施加到一定值后继续增大，夹紧力反而减少。图2a为模压工艺复合材料的不同施加扭矩方式的扭矩-夹紧力曲线。对螺栓施加扭矩得到曲线更加平滑，其使用更加稳定，但施加相同大小扭矩情况下，扭螺母得到的夹紧力更大，连接更加紧密。图2b为三维编织工艺复合材料的不同施加扭矩方式的扭矩-夹紧力曲线。如曲线所示，在扭矩施加2N·m-12N·m之间，对螺栓施加扭矩产生的加紧力更大；在12N·m-17N·m扭矩之间，加载方式对其影响不大；施加12N·m以上的扭矩时，对螺母施加扭矩产生更大的夹紧力。

图2.不同加载方式扭矩-夹紧力曲线,(a)模压工艺的扭矩-夹紧力曲线，(b)三维编织工艺的扭矩-夹紧力曲线

3.不同工艺对复合材料紧固件夹紧力的影响

根据螺栓紧固力实验得出施加扭矩与夹紧力之间的曲线，如图。图为相同施加方式，不同成型工艺对比曲线。图3a为对螺栓施加扭矩不同成型工艺对比曲线。可以得出，相较于模压成型工艺，施加相同扭矩，三维编织工艺复合材料紧固件的夹紧力更大，连接更紧密。图3b为对螺母施加扭矩不同成型工艺对比曲线。可以得出，在施加扭矩大小为15N·m之前，材料成型工艺对螺母施加扭矩产生夹紧力影响较小；在施加扭矩大小为15N·m之后，相较于模压成型工艺，施加相同扭矩，三维编织工艺复合材料紧固件的夹紧力更大。

图3.不同工艺扭矩-夹紧力曲线(a)扭螺栓的扭矩-夹紧力曲线(b)扭螺母的扭矩-夹紧力曲线

4.结论

1. 对于模压成型工艺，对螺母施加扭矩产生的夹紧力更大；对于三维编织工艺，在扭矩施加2N·m-12N·m之间，对螺栓施加扭矩产生的加紧力更大；在12N·m-17N·m扭矩之间，加载方式对其影响不大；施加12N·m以上的扭矩时，对螺母施加扭矩产生更大的夹紧力。
2. 对于对螺栓施加扭矩，三维编织复合材料紧固件的夹紧力更大；对于对螺母施加扭矩，在施加扭矩大小为15N·m之后，相较于模压成型工艺，施加相同扭矩，三维编织工艺复合材料紧固件的夹紧力更大。

参考文献

[1]袁晓军, 肖守讷, 张卫华.电力机车转向架受拉预紧螺栓连接分析[J].电力机车与城轨车辆， 2007

[2]鲍维千. 内燃机车总体与走行部[M]. 4 版. 北京: 中国铁道出版社, 2004

[3] Fisher J W, Struik S H A. 螺栓和铆钉连接设计准则指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 1983

[4] 张文亭.机械装配中螺栓连接夹紧力的研究[J].航空精密制造技术， 2014

[5] 郑俊,赵红旺,朵兴茂.应力应变测试方法综述[J].汽车科技， 2009(01)