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螺栓横向滑移与松动载荷研究
引言：螺栓松动引发的工程事故
2018年5月，日本机械学会期刊刊登了一篇题为《横向载荷下螺栓-螺母紧固件的滑移与松动行为》的研究论文，揭示了螺栓连接在横向载荷下的行为机制。
新干线电机螺栓松动、过山车车轴脱落，这些触目惊心的事故背后，都藏着一个微小却致命的原因——横向载荷下螺栓连接系统的滑移与松动。
滑移三阶段理论
研究团队通过系统的实验观察，将螺栓在横向载荷下的行为分为三个阶段：
第一阶段：弹性变形
当横向载荷较低时，即T＜T1=Fxμ时候，螺栓和被紧固部件作为一个整体变形，这是弹性变形阶段。此时，螺栓头、螺母和被连接件之间，两个被连接件之间是黏着状态，都不会产生滑动。
第二阶段：部件间滑移
随着载荷增加，一旦超过被紧固部件之间的摩擦力，部件间将产生相对滑移。即T1=Fxμ＜T＜T2=2xFxμ时候，螺栓头、螺母与被连接件之间是黏着状态不会产生滑移，而两个被连接件之间是滑移状态，出现了相对微小的滑动，滑移量为S。
为什么是2被的摩擦力呢，是不是跟我们以前想象的不一样？咱们VDI 2230标准和机械设计手册都是认为只要超过了摩擦力就会产生滑动。
同样，上面的问题是，咱们VDI 2230标准和机械设计手册都是认为这种连接结构，螺栓头、螺母侧本身是不承受滑移载荷的，认为只有一个接触面（滑移面），只有下面的这个图片中的连接才会认为两个接触们。
但是，这个研究结果认为2倍的摩擦力，相当于认为螺栓头、螺母侧也会承受滑移力（载荷）。这一点大家可以从网上比较知名的一个日本马自达的螺栓连接计算校核的文章可以看出一二。
第三阶段：螺母开始旋转
临界点出现在当横向载荷达到总摩擦力时，即T≥T2=2xFxμ时候，此时，不仅仅两个被连接件之间会产生滑动，螺栓头、螺母与被紧固部件之间也会产生相对滑移，从而最终导致螺母开始旋转，螺栓预紧力迅速下降。从这一点上来说，按照螺栓头、螺母侧承受剪切力（载荷）比较符合实际情况。
临界相对滑移量的数学定义
考虑螺栓头与被紧固部件接触界面的倾斜柔度 、螺母与被紧固部件接触界面的倾斜柔度 以及螺母的反力矩 ，临界相对滑移量 的估算结果如公式（1）所示。研究团队对临界相对滑移量评估方程进行了重要修正：
Scr: 临界相对滑移量
: 螺栓轴向拉力
: 螺栓头与被紧固部件界面及螺纹界面的摩擦系数
: 作用在螺栓上的横向载荷 =
: 螺栓头与被紧固部件接触界面的倾斜柔度
: 螺母与被紧固部件接触界面的倾斜柔度
: 螺栓的弹性模量
: 螺栓各截面的惯性矩
: 螺纹半角
: 螺栓公称直径
: 螺栓底径
: 螺栓节圆直径
螺母松动力矩的精确计算
螺母临界松动力矩Mc的计算方法：
Mc = 1.08 F μ d2
螺栓头与被紧固部件接触界面的倾斜柔度：
kwh = 0.168d-3
实验数据与验证
实验数据表：M16螺栓临界滑移量与紧固力关系
|
紧固力 F (kN) |
临界相对滑移量 Scr (mm) |
松动速率 dF/dN (kN/cycle) |
摩擦系数 μ |
|---|---|---|---|
|
10 |
0.10 |
0.0008 |
0.20 |
|
15 |
0.15 |
0.0012 |
0.20 |
|
20 |
0.20 |
0.0015 |
0.20 |
|
25 |
0.24 |
0.0018 |
0.21 |
|
30 |
0.28 |
0.0020 |
0.21 |
|
35 |
0.32 |
0.0022 |
0.22 |
研究结论与工程意义
该研究提供了一套完整的评估与设计方法，适用于广泛范围的螺栓连接，为工程安全设计提供了量化依据。
理解并控制临界相对滑移量始终是确保机械结构安全的关键，这项研究提供了一种基于物理原理的预测工具，使我们能够在事故发生前，就识别并消除潜在的风险点。
详细的螺栓连接防松性能测试验证可以采用兹懋的横向振动试验机进行对比分析。也可以通过疲劳试验机设计合适的工装来验证实际装配条件下的螺栓连接真正防松性能。具体可以联系小编沟通交流。
如果对该研究成果感兴趣，需要原版研究论文可以联系小编索取。
