常用螺栓装配失效试验研究

奚慧，袁建宁，石磊

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京210014）

检测与测试

常用螺栓装配失效试验研究

奚慧1，袁建宁1，石磊2

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京210014）

螺纹连接简单可靠，拆卸方便，因其良好的稳定性而被用于各种设备、零部件的装配中，因此螺纹的拧紧成了现代机械行业所关注的重点课题之一。M6×20是农业机械常用的一种螺栓，本文对这种典型螺栓进行了基本的性能测试，包括螺栓材料分析、拧紧试验及失效分析。试验结果表明:螺栓拧紧过程中，拧紧的角度、拧紧角度和拧紧方式的交互作用这两个因素对螺栓影响较大。根据分析的结果，找出螺栓拧紧过程中最易失效的拧紧组合。

螺纹拧紧；螺栓失效；正交试验；方差分析

螺栓连接是一种常见的连接方法[1-4]。但是在进行农机装配的过程中，总会因为各种因素的影响或装配不当，导致螺栓产生滑丝，断裂等失效现象。在螺栓现场装配的过程中，主要涉及螺栓拧紧的角度、拧紧添加物等因素，这些因素对螺栓失效有怎样的影响，尚未有确切的结论。在研究螺栓的学科范围内，做的更多的是螺栓的失效应力分析[5-8]。故本文以生产中常用的M6×20螺栓联接装配为例，考察螺栓拧紧的角度、油脂和紧固剂的使用和拧紧方式对螺栓装配的影响，分别进行单因素和多因素试验，采用极差分析和方差分析的方法来处理实验数据，以得到有效结论来为螺栓装配提供参考。

1 螺栓材料分析

螺栓的材料对螺栓的性能影响很大，因此在试验之前先测定螺栓的材料性能。螺栓采取统一批次的M6×20螺栓，随机采样，测得螺栓的硬度为HRC26，材料为组织较粗大的奥氏体组织，如图1所示。分析其硬度和金相分析结果，确定该螺栓可以满足一般机械器具的使用。

图1 M6螺栓金相组织

2 螺栓失效试验与实验设备

2.1 实验指标

在实际使用中，不同产品或设备装配过程中所依据的拧紧扭矩标准也各有不同。试验过程中，因为螺栓的失效有各种形式，无法比较失效时各因素的影响大小，因此本文采用螺栓失效力矩作为考察标准。考虑到试验次数过多，这里采用正交实验来完成本次的装配失效研究[9-10]。

2.2 实验设备

由于实验室条件的限制，这里采用万能数字试验机搭配试验夹具来进行实验。工作原理为通过专用夹具将电子试验台的垂直力转化为试验所需的扭转力，实验设备如图2所示。

图2 实验设备

3 螺栓连接失效单因素试验及分析

3.1 螺栓失效影响因素

试验考虑到的因素分别为：螺栓拧紧的角度、油脂和紧固剂的使用、拧紧方式。

（1）拧紧角度

在螺栓的现场装配中，操作人员经常使用扳手来拧紧螺栓，在此过程中，并不能很好地保持扳手的回转中心与螺栓中心重合，从而影响螺栓的紧固效果与失效力矩，因此，螺栓的拧紧角度是一个必须考虑的因素。由于试验夹具的限制，试验拧紧角度的调节是固定的，夹具设定的可试验角度有三个，分别是：0°、3°、6°.

（2）油脂和紧固剂的使用

在不同的工况要求下，有时需要在螺栓装配中添加油脂或紧固剂。因此，添加剂的使用也是螺栓失效研究试验中必须考虑的因素之一。

（3）垫片的材质

在不同的装配位置，有时会要求使用不同材料的垫片。因此，垫片的材质也是螺栓连接失效应当考虑的一个因素。

3.2 单因素试验结果分析

（1）拧紧角度的影响

实验只考察拧紧角度对失效力矩的影响，设定试验条件为采用3 mm不锈钢垫片，不使用添加剂，调节螺栓拧紧的角度为0°、3°、6°.螺栓拧紧采用固定螺母拧紧螺栓的方式。表1列出了不同拧紧角度下螺栓的失效力矩。根据表格的实验数据，若仅考虑拧紧角度的影响，当拧紧角度为3°时，实验指标最小，即螺栓最易失效；当拧紧角度为0°时，实验指标最大，即螺栓最不易失效。

表1 拧紧角度单因素试验结果

（2）添加物的影响

只考虑油脂和紧固剂的影响，设定的试验条件为3 mm不锈钢垫片，拧紧角度为0°，分别添加油脂和紧固剂进行实验。螺栓拧紧采用固定螺母拧紧螺栓的方式。表2列出了使用不同添加剂时螺栓的失效力矩。根据实验数据，仅考虑添加剂对实验的影响时，使用油脂的实验指标最小，即螺栓最易失效；不使用添加物时，实验指标最大，即螺栓最不易失效。

表2 添加剂单因素试验结果

（3）垫片材质的影响

只考虑垫片材质的影响，设定的实验条件为不使用添加剂，分别采用不锈钢、PVC、铝合金三种材质的垫片进行螺栓失效试验，垫片厚度均为3 mm.螺栓拧紧采用固定螺母拧紧螺栓的方式。表3列出了使用不同材质垫片时螺栓的失效力矩试验结果。根据实验数据，仅考虑垫片材质的影响，使用不锈钢垫片时，实验指标最大，即螺栓最不易失效；而使用铝合金垫片时，实验指标最小，即螺栓最易失效。

表3 垫片材质单因素试验结果

4 螺栓多因素试验及试验分析

4.1 试验方案

单因素试验的目的是考察某个因素对整体试验的影响，主要的作用是依据试验指标缩小所需考察的实验水平区间。根据单因素分析的结果，进行多因素试验的试验安排，筛选出三个因素：垫片材质、拧紧方式和拧紧角度。根据试验指标要求的不同，依次选择三个因素的试验水平：垫片材质（铝合金、PVC），拧紧方式（固定螺母、固定螺栓），拧紧角度（3°、6°），如表4所示。根据对试验因素和水平的分析，通过对自由度的计算，选择L8（27）正交实验表进行试验，如表5所示。

表4 最小失效力矩因素水平表

表5 M6×20螺栓正交实验表

4.2 实验分析

以上正交实验结果利用SPSS软件进行方差分析，确定影响失效力矩的主次因素顺序及具有显著性的因素。给定显著性水平P=0.05，极显著水平P=0.01，结果如表6所示。根据表的数据绘出螺栓失效力矩的趋势图，如图3所示。

表6 M6螺栓方差分析

图3 M6螺栓失效力矩变化趋势

（1）因素显著分析

根据方差分析表，M6螺栓拧紧失效过程中各因素的影响情况：拧紧角度对螺栓拧紧失效影响极显著；垫片材质和拧紧角度的交互作用影响显著；垫片材质和拧紧方式以及拧紧角度和拧紧方式的交互作用影响不显著。

（2）因素主次分析

综合比较各因素的F值和P值，影响失效力矩大小的主次因素为：主B＞A×B＞C＞A＞B×C次，即拧紧角度＞垫片材质和拧紧角度的交互作用＞拧紧方式＞垫片材质＞拧紧角度和拧紧方式的交互作用。由此可以看出，拧紧角度在各影响因素中居于绝对重要的位置，而垫片材质和拧紧方式对螺栓失效的影响均很小。

为了得到最易失效的螺栓装配工况组合，需要进一步进行极差分析，如表7所示。

表7 最易失效螺栓装配实验表

表7所得的选优水平之中，有3个是三个因素之间的交互作用，并没有给出较为清楚的结论。针对这样的情况，对这三个交互作用进行单独的分析，结果如表8、表9、表10所示。

表8 垫片材质与拧紧角度交互作用结果

表9 垫片材质与拧紧方式交互作用结果

表10 拧紧角度与拧紧方式交互作用

表8为垫片材质与拧紧角度之间的交互作用，分析数据处理的结果，垫片材质为铝合金，拧紧角度为3°时，即拧紧条件为A1B1时，螺栓的失效力矩最小。

表9为垫片材质与拧紧方式之间的交互作用，分析数据处理的结果，垫片材质为铝合金，拧紧方式为固定螺母，即拧紧条件为A1C1时，螺栓失效力矩最小。

表10为拧紧角度与拧紧方式之间的交互作用，分析数据处理的结果，拧紧角度为3°，拧紧方式为固定螺栓，即拧紧条件为B1C2时，螺栓失效力矩最小。

综合分析表7至表10的数据，表10的结论与表7的结论相互冲突，考虑到拧紧方式这一因素对试验结果的影响很小，因此得出最易失效的组合为A1B1C1，即在进行M6×20螺栓装配时，拧紧角度为3°，垫片材质为铝合金，通过固定螺母来拧紧的方式是最易失效的。因此，在实际的装配过程中，要避免出现这一种装配组合。

5 结束语

M6×20是最常用的螺栓之一，其紧固失效试验对于指导生产装配作业具有重要的现实意义。本文进行试验所得结论：角度是螺栓拧紧中最重要的因素，装配时应避免出现拧紧角度为3°，垫片材质为铝合金且固定螺母的拧紧方式，可以在一定程度上减少这种拧紧失效现象的发生，提高装配的效率和可靠度。

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Experiment Research on Common Bolt Connection Assembly Failure

XI Hui1，YUAN Jian-ning1，SHI Lei2
（1.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China；2.Nanjing Institute of Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China）

Threaded connection is simple and reliable，and it is convenient to disassemble.It is applied to the assembling of various equipment and parts because of its good stability，so the tightening of threaded connection has became one of the important subject in modern machinery industry.M6×20 is a kind of bolt commonly that used in agricultural machinery.In this paper，the basic bolts are tested，including bolting material analysis，tightening test and failure analysis.The research result shows that tightening angle and the interaction of tightening angle and tightening method make a greater effect in bolt in the process of tightening bold.According to analysis result，this thesis finds the most likely failure of the tightening combination in the process of tightening bold.

screwed；bolt failure；orthogonal test；variance analysis

TG95

：A

：1672-545X（2017）01-0211-04

2016-10-03

常见螺栓连接失效模式分析研究项目（编号：CGKY-2015-009）

奚慧（1992-），男，江苏大丰人，硕士研究生，研究方向：机械动力学；袁建宁（1960-），男，上海市人，研究员，硕导，研究方向：机械设计与制造。