常见紧固件横向振动试验方法

周思琪， 张建军

（中机生产力促进中心， 北京 100044）

0 引言

螺纹连接在工作状态下可能会经受所有类别的变动载荷，包括极为激烈的振动和冲击载荷。在变动载荷的作用下，螺纹连接的失效通常是由其自身的松动和疲劳破坏所引起的。在一般情况下，螺纹连接抗振松的寿命比其材料和结构的疲劳寿命短得多，远在疲劳破坏之前，就已经出现了因松动而造成螺纹连接的松脱失效，或者出现了因松动而导致连接件和被连接件的过早疲劳破坏。螺纹连接的失效会影响产品和设备的正常运转，甚至会造成严重的后果。

实际的使用经验也说明，横向冲击、振动更易引起螺纹连接的松动。试验表明，与横向外力相比，经受轴向外力的螺纹连接不容易松动。在考核和评定紧固件的防松性能时，采用横向加力的试验方式能加速螺纹连接的松动，使考核试验更有效，试验工作的效率更高。

1 试验原理

Junker 于1969 年首先提出[1]，动态的横向载荷更能引起螺纹连接松动。此后，他发明了如今仍被广泛应用的Junker 横向振动试验机。

Junker 横向振动试验机的基本结构如图1 所示，将试验螺栓按照规定扭矩拧紧在工作台上， 工作台分为动板和固定工装两部分， 借助动力装置使动板产生正弦变化的横向载荷，使螺栓连接的夹紧力减小甚至完全松动。 通过分析和比对动过程中夹紧力的衰减数据可以判定螺栓连接的防松性能。 国内外学者利用该试验方法对横向振动下螺栓连接的松动进行了广泛研究。

图1 试验原理图

2 常见试验方法标准

2.1 GB/T 10431[2]

上世纪80 年代初，ISO/TC2 组织德、英、美、日和中国等利用各种横向振动试验机进行试验验证， 以求公认的防松性能试验方法。 我国引进了一台安布内科横向振动试验机，见图2，开展了大量的验证工作，在此基础上，制定并发布实施了国家标准（GB/T 10431-1989）。 这种方法在国内越来越多地使用， 在铁路等行业标准中得到广泛应用，TB/T 2073、TB/T 3019 等标准中关于紧固件横向振动试验方法均制定此方法。

本标准规定了用于测定紧固件防松性能的横向振动试验和数据处理方法。 方法延续了水平横向滑移这一理论标准，也明确是一种对比比较试验，没有绝对的定量指标。 给出了推荐的12.5Hz 的试验频率、测试的数量和振动的周期。提供了工装夹具尺寸图纸和参考材料。以12.9级紧固件为例推荐了初始预紧力和自由状态下空载振幅。 明确预紧力作为测试条件和评估指标。

图2 试验机示意图

2.2 DIN 65151[3]

德国工业标准， 由航空航天标委会机械制造专家编写。 标准所涵盖的试验用于检查航空航天紧固件在动态横向载荷下的松紧性能。制定了测试设备原理和结构，用于横向负载条件下紧固件的锁定特性的动态试验， 明确预紧力作为测试条件。测试结果受许多测试参数的影响，在个别情况下，这些参数的定性效果仍不清楚。根据标准进行的试验不能绝对保证螺栓连接在使用条件下的锁紧性能。 试验的目的是在规定的试验条件下对锁紧元件进行比较评估。

2.3 DIN 25201-4[4]

该标准是德国铁路车辆标准化委员会编写。 标准延续了DIN65151 测试原理，但更严格。 标准引入了参考和验证测试，给出了确定振幅的方法，规定不同等级螺栓使用垫片符合DIN EN ISO 7093-1 规范及硬度、 表面平行度、粗糙度等要求，规定测试频率为12.5Hz，给出螺栓初始预紧力范围及润滑方式，振动周期2000 次等要求规定螺栓夹紧长度比1.7。 ，提出了评估剩余预紧力80%以上为足够防松保护的量化指标。

2.4 ISO 16130[5]

本标准由ISO/TC 20 航空航天紧固件专家编写，试验原理同前， 标准规定了有效恒定振幅确定方法或推荐使用恒定有效振幅， 列出了不同强度等级初始预紧力具体数值，列出了衰减率评估表和防松性能优劣，规定了相关结构细节尺寸和公差， 推荐测试样件长径比为2～2.5。标准将扭矩测量引入振动测试标准，检测前的自锁力矩，振动后的拧紧力矩和自锁力矩都必须记录， 并设置了三种评价方式。 标准没有DIN 25201-4B 那么严格，但遵循了类似的原则。

3 标准部分要求对比

各标准对试验设备、试验条件、试验结果的区别见表1～表3。

表1 试验设备要求对比

表2 试验条件对比

表3 试验结果要求对比

4 GJB 715.3A[6]紧固件试验方法-振动

GJB 715.3A 采用加速振动试验的方法，原理见图3。

该标准原理与其它标准方法原理不同， 采用加速振动试验的方法， 振动方向为垂直紧固件轴向方向 （和横向振动方向相同）。 试验将紧固件与试验夹具组装后， 固定在振动台上进行振动试验。 振动波形为正弦波， 频率30Hz，全振幅：（11.43±0.4）mm。 试验前在螺栓端头到螺母划一参考线，达到规定振动次数或螺母松脱，观察松转量是否失效。

图3 加速振动实验方法原理

得出现锁紧结构破坏。 该试验可以得到振动试验后紧固件的松动情况，或失效振动次数，无法在试验过程中测量预紧力衰减。

5 结束语

几种常见横向振动试验方法试验原理相似，各标准对试验机的要求、 试验参数及试验结果的要求有所区别，要决定使用哪种标准和哪种测试方法，需要根据测试的目的选择适用的方法。 如果要认证紧固件满足标准或满足要求，GB/T 10431、SO 16130、DIN 25201-4、DIN 65151 和GJB 715.3A 都提供了在规定的测试条件下松动行为的标准化评估。