沖擊載荷下螺紋連接殘余應(yīng)力檢測：殘余扭矩扳手測量有效性驗證

一、研究背景與問題提出

螺紋連接是機械裝備、土木工程、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的可拆卸連接方式，其連接可靠性直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的運行安全。在風(fēng)電主軸連接、汽車發(fā)動機緊固件、橋梁節(jié)點螺栓、高鐵軌道扣件等典型工程場景中，螺紋連接件長期承受交變沖擊載荷作用，初始預(yù)緊應(yīng)力會發(fā)生不同程度的松弛，殘余預(yù)緊應(yīng)力不足會引發(fā)連接面滑移、緊固件疲勞斷裂等嚴重安全事故。據(jù)中國特種設(shè)備檢測研究院統(tǒng)計，超過30%的機械結(jié)構(gòu)失效事故與螺紋連接殘余預(yù)緊應(yīng)力不足直接相關(guān)，因此對在役螺紋連接的殘余應(yīng)力進行定期檢測，是保障結(jié)構(gòu)安全運行的核心環(huán)節(jié)。

目前工程領(lǐng)域常用的殘余應(yīng)力檢測方法包括X射線衍射法、鉆孔法、超聲檢測法等，這類方法雖然檢測精度較高，但存在設(shè)備成本高、檢測流程復(fù)雜、難以現(xiàn)場快速檢測等缺陷，不適用于大規(guī)模在役檢測場景。殘余扭矩扳手測量法憑借操作簡便、設(shè)備成本低、無需對結(jié)構(gòu)進行破壞改造等優(yōu)勢，成為工程現(xiàn)場常用的殘余預(yù)緊應(yīng)力快速檢測方法。其基本原理是：通過施加遞增扭矩，記錄螺栓剛發(fā)生轉(zhuǎn)動時的扭矩值，將該扭矩值近似等同于螺栓當(dāng)前的殘余扭矩，再通過扭矩-預(yù)緊力關(guān)系換算得到殘余預(yù)緊應(yīng)力。

然而，現(xiàn)有殘余扭矩扳手測量法的有效性大多基于靜載條件下的經(jīng)驗總結(jié)，針對沖擊載荷作用后的螺紋連接，該方法是否仍然能夠準確反映真實殘余應(yīng)力尚未得到系統(tǒng)驗證。沖擊載荷會引發(fā)螺紋牙間的塑性變形、接觸面微觀形貌改變、摩擦系數(shù)波動等一系列變化，這些變化是否會影響殘余扭矩轉(zhuǎn)動法的測量精度，測量偏差的主要來源是什么，目前學(xué)界和工程界都缺乏明確的結(jié)論?；诖?，本文開展沖擊載荷循環(huán)作用后螺紋連接殘余應(yīng)力的對照試驗，通過與應(yīng)力片實測結(jié)果對比，驗證殘余扭矩扳手測量法的有效性，并分析不同條件下測量誤差的變化規(guī)律，為工程現(xiàn)場檢測提供參考依據(jù)。

二、殘余扭矩扳手測量法的基本原理

2.1 測量方法流程

殘余扭矩扳手測量法也被稱為“轉(zhuǎn)動起點法”，其標準檢測流程可以分為三個步驟：第一，在被測螺栓標記位置線，將螺栓頭與被連接件表面的相對位置記錄下來；第二，使用扭矩扳手緩慢遞增施加扭矩，同時通過放大鏡或者位移傳感器觀察螺栓頭的轉(zhuǎn)動狀態(tài)；第三，記錄螺栓剛發(fā)生可觀測轉(zhuǎn)動瞬間的扭矩值，該值即為測量得到的殘余扭矩，再通過扭矩系數(shù)公式計算得到殘余預(yù)緊力：，其為殘余扭矩，$K$為扭矩系數(shù)，$d$為螺栓公稱直徑，最終得到螺栓桿的殘余預(yù)緊應(yīng)力，為螺栓桿應(yīng)力截面積。

2.2 理論假設(shè)與核心邏輯

該方法成立的核心理論假設(shè)包括兩點：第一，螺栓剛發(fā)生轉(zhuǎn)動時，外扭矩剛好克服殘余預(yù)緊力產(chǎn)生的總摩擦力矩，此時外扭矩等于殘余扭矩；第二，螺紋連接的扭矩系數(shù)在安裝后保持不變，沖擊載荷作用不會改變扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性，因此可以用初始標定的扭矩系數(shù)換算殘余預(yù)緊應(yīng)力。如果沖擊載荷作用破壞了上述兩個假設(shè)條件，就會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差，而當(dāng)前工程領(lǐng)域普遍忽略了這一問題，直接沿用靜載條件下的測量邏輯，這也是引發(fā)檢測誤差的潛在原因。

三、試驗方案設(shè)計

3.1 試樣制備與參數(shù)設(shè)置

本次試驗選用工程領(lǐng)域常用的M16高強度螺栓，性能等級為8.8級，螺栓桿應(yīng)力截面積，配對螺母為標準六角螺母，被連接件為Q235鋼板，厚度均為20mm，連接總厚度40mm。共制備12組相同規(guī)格的試樣，按照預(yù)設(shè)的沖擊載荷循環(huán)次數(shù)分為4組，分別為0次（對照組，靜載狀態(tài)）、1000次、5000次、10000次，每組3個平行試樣，減少試驗隨機性影響。

3.2 加載方案與殘余應(yīng)力預(yù)置

首先對所有螺栓進行初始預(yù)緊，控制初始預(yù)緊應(yīng)力為400MPa，接近8.8級螺栓屈服強度的70%，符合工程設(shè)計要求。初始預(yù)緊完成后，將試樣安裝到疲勞沖擊試驗機上，施加軸向沖擊載荷，沖擊載荷幅值為120MPa，頻率為5Hz，按照分組設(shè)定完成對應(yīng)循環(huán)次數(shù)的沖擊加載。沖擊加載完成后，試樣內(nèi)部形成穩(wěn)定的殘余應(yīng)力，等待24小時讓應(yīng)力充分松弛后再進行檢測。

3.3 對照檢測方案

為了驗證殘余扭矩扳手測量法的有效性，本次試驗采用兩種方法同步檢測殘余應(yīng)力，對比測量結(jié)果：

· 方法一：應(yīng)變片直接測量法，作為真實殘余應(yīng)力的參考標準。在螺栓桿中部開槽粘貼高溫應(yīng)變片，整個加載和檢測過程中應(yīng)變片實時采集螺栓桿的軸向應(yīng)變，通過應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系直接計算得到?jīng)_擊載荷后的殘余應(yīng)力，測量精度可以達到±1%，作為真值參考。

· 方法二：殘余扭矩扳手測量法，按照工程標準流程操作，使用精度等級為0.5級的數(shù)顯扭矩扳手，記錄螺栓剛發(fā)生轉(zhuǎn)動時的扭矩值，采用初始標定的扭矩系數(shù)換算殘余預(yù)緊應(yīng)力，每個螺栓重復(fù)測量3次，取平均值作為測量結(jié)果。

試驗過程中同時記錄螺紋接觸面、螺栓頭與被連接件接觸面的摩擦系數(shù)變化，分析摩擦系數(shù)對測量結(jié)果的影響。

四、試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 不同沖擊次數(shù)下的測量結(jié)果對比

從試驗結(jié)果可以得到初步結(jié)論：第一，在無沖擊的靜載對照組中，殘余扭矩扳手測量法的平均相對誤差僅為1.61%，測量精度滿足工程要求，驗證了靜載條件下該方法的有效性；第二，隨著沖擊循環(huán)次數(shù)增加，殘余應(yīng)力實測值逐漸降低，符合沖擊載荷引發(fā)預(yù)緊應(yīng)力松弛的基本規(guī)律，同時殘余扭矩扳手測量法的相對誤差逐漸增大，沖擊10000次后平均相對誤差達到13.50%，最大絕對偏差接近50MPa，已經(jīng)超出了工程檢測允許的誤差范圍（一般工程要求檢測誤差不超過5%）。

4.2 誤差來源分析

試驗過程中同步測量了沖擊前后的摩擦系數(shù)變化，結(jié)果顯示：初始狀態(tài)下，螺紋接觸面平均摩擦系數(shù)為0.14，螺栓頭與被連接件接觸面平均摩擦系數(shù)為0.12；沖擊10000次后，兩個接觸面的摩擦系數(shù)分別下降到0.10和0.09，摩擦系數(shù)平均下降了21%左右。摩擦系數(shù)下降是測量誤差的核心來源，具體分析如下：

螺紋連接的總扭矩可以分解為螺紋摩擦力矩、支撐面摩擦力矩和螺栓桿扭轉(zhuǎn)變形力矩三部分，其中摩擦力矩占總扭矩的90%以上，總扭矩可以表示為：，其中為螺紋中徑，為螺紋升角，為螺紋當(dāng)量摩擦角，為支撐面摩擦系數(shù)，為支撐面等效直徑?？梢娍偱ぞ嘏c摩擦系數(shù)呈線性正相關(guān)，當(dāng)沖擊載荷引發(fā)接觸面摩擦系數(shù)下降后，相同殘余預(yù)緊力對應(yīng)的總摩擦力矩降低，因此轉(zhuǎn)動螺栓需要的外扭矩也會降低，殘余扭矩扳手測量得到的扭矩值偏小，最終換算得到的殘余應(yīng)力也偏小，這與試驗中測量結(jié)果普遍低于真值的規(guī)律一致。

除此之外，沖擊載荷引發(fā)的螺紋牙塑性變形也會影響測量結(jié)果：沖擊循環(huán)作用下，螺紋牙的接觸部分會發(fā)生局部塑性碾壓，螺紋牙間的間隙減小，接觸面積增大，雖然接觸面積增大會一定程度增加摩擦力，但是摩擦系數(shù)下降的影響占主導(dǎo)地位，因此整體仍然表現(xiàn)為總摩擦力矩下降。另外，沖擊載荷引發(fā)螺栓桿的疲勞軟化，會使得螺栓轉(zhuǎn)動起點的判斷出現(xiàn)偏差，進一步增加測量的隨機誤差。

4.3 不同初始預(yù)緊應(yīng)力下的誤差規(guī)律

為了進一步分析誤差規(guī)律，本次試驗補充了初始預(yù)緊應(yīng)力為300MPa和500MPa兩組試樣，沖擊10000次后的測量結(jié)果顯示：當(dāng)初始預(yù)緊應(yīng)力為300MPa時，平均相對誤差為11.2%，當(dāng)初始預(yù)緊應(yīng)力為500MPa時，平均相對誤差為15.7%，說明初始預(yù)緊應(yīng)力越高，沖擊后測量誤差越大。原因在于高預(yù)緊應(yīng)力條件下，接觸面的正壓力更大，沖擊過程中接觸面微觀凸起的塑性變形更充分，摩擦系數(shù)下降幅度更大，因此測量誤差也更大。

五、結(jié)論與工程建議

本次通過對照試驗系統(tǒng)驗證了沖擊載荷作用后螺紋連接殘余應(yīng)力檢測中殘余扭矩扳手測量法的有效性，得到以下主要結(jié)論：

1. 靜載條件下無沖擊作用時，殘余扭矩扳手測量法的測量誤差小于2%，能夠滿足工程檢測精度要求，方法有效性得到驗證。

2. 沖擊載荷循環(huán)作用后，殘余扭矩扳手測量法的測量誤差會隨沖擊次數(shù)增加逐漸增大，當(dāng)沖擊循環(huán)次數(shù)達到10000次時，平均相對誤差超過13%，無法滿足工程檢測的精度要求，測量結(jié)果普遍低于真實殘余應(yīng)力，會高估預(yù)緊應(yīng)力松弛程度，引發(fā)不必要的螺栓更換，增加運維成本。

3. 沖擊后摩擦系數(shù)下降是測量誤差的核心來源，沖擊載荷引發(fā)接觸面微觀塑性變形，降低了接觸面摩擦系數(shù)，使得相同殘余預(yù)緊力對應(yīng)的轉(zhuǎn)動扭矩降低，最終導(dǎo)致測量結(jié)果偏小，初始預(yù)緊應(yīng)力越高，誤差越大。

針對工程現(xiàn)場檢測提出以下建議：第一，對于承受低次數(shù)沖擊或基本承受靜載的螺紋連接，可以繼續(xù)采用殘余扭矩扳手測量法進行快速檢測，誤差在可接受范圍內(nèi)；第二，對于承受長期交變沖擊載荷的在役螺栓（如風(fēng)電螺栓、軌道扣件螺栓等），采用殘余扭矩扳手測量法時需要引入摩擦系數(shù)修正系數(shù)，根據(jù)沖擊服役年限修正測量結(jié)果，或者結(jié)合超聲法等其他檢測方法進行校準，避免出現(xiàn)大的檢測誤差；第三，建議后續(xù)開發(fā)帶摩擦系數(shù)現(xiàn)場標定功能的殘余扭矩檢測設(shè)備，提高沖擊載荷條件下的檢測精度。