【緊固件小課堂】螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷

保證載荷是螺紋產(chǎn)品實(shí)物不產(chǎn)生明顯塑性變形所能承受的極限載荷，該值由產(chǎn)品的螺紋應(yīng)力截面積和保證應(yīng)力的乘積確定。

卸除載荷后，螺母不得脫扣或斷裂，并且可用手將螺母旋出，或借助扳手可松開螺母（不超過半扣）。對(duì)螺栓而言，卸除載荷后螺栓無明顯變長(zhǎng)（測(cè)量誤差為±12.5微米），此載荷即為保證載荷。

為了防止螺栓失效和非預(yù)期失效，高強(qiáng)度螺栓需要進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)。在GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 標(biāo)準(zhǔn)中，螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)是兩個(gè)相互獨(dú)立的試驗(yàn)，需要兩套不同的工裝進(jìn)行兩次試驗(yàn)，分別檢驗(yàn)螺栓和螺母的強(qiáng)度。如果能夠合并進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)，則能大幅提高試驗(yàn)效率。

 一、 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣品

SHT4505 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大載荷為1 000 kN，精度為0.5級(jí)，10°楔墊。10.9S 性能等級(jí)大六角頭高強(qiáng)度螺栓，材質(zhì)為35VB。

二、楔負(fù)載試驗(yàn)

楔負(fù)載試驗(yàn)是在螺栓頭下放置一塊一定角度的楔墊，在拉力試驗(yàn)機(jī)上將螺栓擰在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上進(jìn)行拉力試驗(yàn)，直至螺栓斷裂，如圖1 所示。之所以要做楔負(fù)載試驗(yàn)，是因?yàn)?/span>高強(qiáng)螺栓等緊固件是用來固定物件的，而在固定物件的時(shí)候物件表面與緊固方向不一定是垂直的，有可能會(huì)呈現(xiàn)不同的角度，而不同角度下螺栓表現(xiàn)出來的力學(xué)性能對(duì)使用來說非常重要。

楔負(fù)載試驗(yàn)可以同時(shí)測(cè)定：螺栓成品的最大拉力載荷；螺栓頭與桿部交接處的牢固性，預(yù)防發(fā)生螺栓斷頭現(xiàn)象。

斷裂時(shí)，拉力載荷應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)，且斷裂應(yīng)發(fā)生在螺紋部分或螺紋與螺桿交接處。圖2是3支10.9S 性能等級(jí)的M30 螺栓進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)的力-位移曲線，以位移速率為3 mm/min控制試驗(yàn)過程。

楔負(fù)載試驗(yàn)力-位移曲線的一個(gè)明顯特征是，在一定力值范圍內(nèi)，曲線呈波動(dòng)形，如圖2中的AB段曲線。

圖3是10.9S 性能等級(jí)的M30 螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的力-位移曲線，此時(shí)螺栓頭下放置平墊，以位移速率為3 mm/min 控制試驗(yàn)過程。在螺栓發(fā)生屈服前，力與位移基本成正比關(guān)系，呈一條直線形態(tài)，不存在類似圖2中AB段的波動(dòng)。

三、保證載荷試驗(yàn) 

螺母保證載荷試驗(yàn)是將螺母擰入螺紋芯棒，如圖4 所示，對(duì)螺母施加規(guī)定的保證載荷，持續(xù)規(guī)定的時(shí)間，螺母不應(yīng)脫扣或斷裂。當(dāng)卸除載荷后，應(yīng)可用手將螺母旋出，或者借助扳手松開螺母（但不應(yīng)超過半扣）后用手旋出。

螺母保證載荷試驗(yàn)考察的是螺母螺紋部分承受載荷的能力。保證載荷試驗(yàn)包括兩個(gè)主要程序：（1）借助試驗(yàn)芯棒實(shí)現(xiàn)規(guī)定的保證載荷；（2）檢查有無因保證載荷造成的螺母螺紋損傷。

圖5是2支10.9S性能等級(jí)的M30螺母進(jìn)行保證載荷試驗(yàn)的力-時(shí)間曲線，以位移速率為3 mm/min 控制試驗(yàn)過程，保證載荷為583 kN，保載15s。

在螺母保載前，力值一直勻速增加，試驗(yàn)曲線呈直線形態(tài)。

四）保證載荷試驗(yàn)的方法

螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)本質(zhì)上都是在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的拉力試驗(yàn)。楔負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，通常是將螺栓擰在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上進(jìn)行拉力試驗(yàn)，但現(xiàn)在考慮把螺栓擰在螺母上，以圖6 的方式裝夾試樣來進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并在載荷達(dá)到螺母規(guī)定的保證載荷時(shí)保載規(guī)定的時(shí)間，然后繼續(xù)拉伸，直至螺栓斷裂。

此試驗(yàn)過程中既包括了螺栓的楔負(fù)載拉伸過程，也包括了螺母在保證載荷下保載的過程。

圖7是3支10.9S 性能等級(jí)的M30 螺栓按圖6方法進(jìn)行拉力試驗(yàn)，并在583 kN 載荷時(shí)保載15 s的力-時(shí)間曲線，以位移速率為3 mm/min 控制試驗(yàn)過程。

在圖7 試驗(yàn)曲線上也有一個(gè)明顯特征是，在一定力值范圍內(nèi)，曲線呈波動(dòng)形，見CD段曲線。CD段對(duì)應(yīng)的力值范圍與楔負(fù)載試驗(yàn)曲線圖2 中AB段對(duì)應(yīng)的力值范圍相同，對(duì)于10.9S 性能等級(jí)的M30螺栓該段力值約為200～300 kN。

通過試驗(yàn)觀察可得，10.9S 性能等級(jí)的M30 螺栓進(jìn)行楔負(fù)載拉伸時(shí)，當(dāng)載荷約為200 kN 時(shí)，螺栓頭開始向楔面傾斜；當(dāng)載荷達(dá)到300 kN 時(shí)，螺栓頭與楔面已貼合，示意圖如圖8 所示。螺栓頭開始傾斜至與楔面貼合的過程，剛好對(duì)應(yīng)圖2中AB段和圖7中CD段試驗(yàn)曲線。

取10.9S 性能等級(jí)的M22、M24、M27 螺栓進(jìn)行楔負(fù)載拉伸，可以發(fā)現(xiàn)螺栓頭開始傾斜至與楔面貼合的過程對(duì)應(yīng)的力值分別約為75～125 kN、100～200 kN 和150～250 kN。

即可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷約達(dá)到螺栓的規(guī)定最小拉力載荷的50%或約達(dá)到螺母的規(guī)定保證載荷的50%時(shí)，螺栓頭已與楔面貼合。GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 標(biāo)準(zhǔn)中，螺栓的規(guī)定最小拉力載荷等于同規(guī)格螺母的規(guī)定保證載荷。

五）合并試驗(yàn)的可靠性分析

合并試驗(yàn)的過程與單獨(dú)進(jìn)行螺母保證載荷試驗(yàn)比較，根本區(qū)別是螺栓頭下面放置了楔墊。合并試驗(yàn)的過程與單獨(dú)進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)比較，根本區(qū)別是螺栓在拉斷前，需要在規(guī)定的螺母保證載荷下保載15 s。

如果合并試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果要與分別進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)的結(jié)果保持一致，應(yīng)該在合并試驗(yàn)中：（1）螺母在保證載荷下不應(yīng)該受到斜拉力；（2）螺母保載15 s 對(duì)螺栓的楔負(fù)載下最大拉力載荷沒有影響。

5.1 分析1

合并試驗(yàn)時(shí)，如圖9 所示，螺栓頭在F點(diǎn)受到垂直于楔面的力，以E為支承點(diǎn)，螺栓上部產(chǎn)生一個(gè)彎曲載荷W，達(dá)到一定程度，螺栓上部就會(huì)發(fā)生彎曲，最終螺栓頭與楔面貼合，如圖8所示。

當(dāng)拉伸載荷達(dá)到約為螺栓的規(guī)定最小拉力載荷的50%或達(dá)到約為螺母的規(guī)定保證載荷的50%時(shí)，螺栓頭就已與楔面貼合。螺栓頭與楔面貼合后，不再有彎曲載荷，螺桿受垂直拉力，與試驗(yàn)機(jī)的載荷方向一致并同軸，從而螺母不會(huì)受到斜拉力。

5.2 分析2

試驗(yàn)過程中，在規(guī)定的螺母保證載荷下保載15 s，因?yàn)樘幱诔?，保載時(shí)間又短，試驗(yàn)中未觀察到螺栓有金屬蠕變現(xiàn)象。如果沒有環(huán)境介質(zhì)的影響，金屬材料的常溫靜載力學(xué)性能與載荷持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大[4]。

本實(shí)驗(yàn)室從同一批次10.9S 性能等級(jí)的M30X200 螺栓中隨機(jī)抽取16 支，然后再隨機(jī)分成兩組，每組各8支。

第1組按圖1 方式單獨(dú)進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)，得到最大拉力載荷為622.4、615.1、614.9、633.6、620.8、629.7、626.7、618.8 kN。測(cè)量次數(shù)n1＝8，平均xˉ1＝622.8 kN，方差S 21＝45.9 kN。

第2組按圖6 方式合并進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)，得到最大拉力載荷為630.9、628.1、634.8、626.0、622.4、626.0、626.7、629.9 kN。測(cè)量次數(shù)n2＝8，平均xˉ2＝628.1 kN，方差S 22＝14.2 kN。

任何顯著性差異都是由平均值的差異引起的，下面用t 檢驗(yàn)確定兩組平均值之間是否有顯著性差異[5]。

在進(jìn)行t 檢驗(yàn)前，先進(jìn)行F 檢驗(yàn)，確定方差之間沒有顯著性差異。

所以兩組結(jié)果沒有顯著性差異，結(jié)果可以接受。

通過以上兩方面分析可知：合并進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)，沒有改變螺母保載時(shí)的受力方向，也沒有對(duì)螺栓的楔負(fù)載下最大拉力載荷產(chǎn)生影響。

此外，螺母保證載荷試驗(yàn)要求，當(dāng)卸除載荷后，應(yīng)可用手將螺母旋出，或者借助扳手松開螺母（但不應(yīng)超過半扣）后用手旋出，以證實(shí)保載后螺母螺紋的完好性。但合并試驗(yàn)后，正常情況下螺母承受的載荷已超過規(guī)定的保證載荷，螺栓都已拉斷，此時(shí)螺母還能順利旋出嗎?

從100 批高強(qiáng)螺栓連接副中，每批隨機(jī)抽取8 副，共800 副，合并進(jìn)行楔負(fù)載試驗(yàn)和保證載荷試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)全部可用手將螺母旋出。合并試驗(yàn)時(shí)，正常情況下螺栓斷裂應(yīng)發(fā)生在螺桿與螺母耦合部位之間的螺紋部分，雖然斷裂部位變形嚴(yán)重，但是螺母耦合部位一般沒有明顯變形，故一般不會(huì)影響到螺母旋出。如果確有個(gè)別斷裂剛好發(fā)生在螺母耦合處，影響到螺母旋出，只要螺栓和螺母的承載已超過規(guī)定值，也應(yīng)視為符合。

結(jié)論

（1）合并進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)，楔塊雖然使螺桿上部產(chǎn)生彎曲載荷而發(fā)生彎曲，但保載時(shí)沒有改變螺母的受力方向，螺母保載15 s也沒有對(duì)螺栓的楔負(fù)載下最大拉力載荷產(chǎn)生影響。

（2）合并進(jìn)行試驗(yàn)，不但試驗(yàn)結(jié)果可靠，試驗(yàn)效率提高，而且試驗(yàn)過程更能真實(shí)反映螺栓連接副的使用環(huán)境。建議高強(qiáng)螺栓標(biāo)準(zhǔn)中允許合并進(jìn)行螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)和螺母保證載荷試驗(yàn)。