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卡箍螺栓螺帽组合件失效分析

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浏览:- 发布日期:2019-10-28 14:56:22【

 委托方提供失效卡箍螺栓螺母组合件2组(螺母已脱落),未安装的完好件若干组,卡箍材质为304不锈钢,螺栓材质为304Cu不锈钢,规格为M6,螺母材质为316L,是带防松功能的施必牢螺母。组合件用于连接紧固汽车发动机涡轮增压器和三元催化器,安装扭矩为8 N-Ill,最高工作温度为475℃。

据委托方反(fan)映,路试(shi)7万km中途螺(luo)母脱落造(zao)成(cheng)组合件失(shi)效,要求分析失(shi)效原(yuan)因。

1 失效螺栓螺母组合件检测

1.1 宏观分析

   图(tu)(tu)(tu)1所(suo)示为(wei)(wei)组合件安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)位置(zhi)示意(yi)(yi)图(tu)(tu)(tu)。图(tu)(tu)(tu)2为(wei)(wei)送检试样宏观形貌(mao),可见(jian)失效试样表面带有(you)明显的氧化色。图(tu)(tu)(tu)3为(wei)(wei)失效螺(luo)(luo)(luo)栓宏观形貌(mao),可见(jian)螺(luo)(luo)(luo)栓已发(fa)生(sheng)明显的弯(wan)曲现(xian)象。图(tu)(tu)(tu)4为(wei)(wei)1#和2#失效螺(luo)(luo)(luo)栓螺(luo)(luo)(luo)纹低(di)倍形貌(mao),可见(jian)多处螺(luo)(luo)(luo)纹出(chu)现(xian)较严(yan)重的损(sun)伤(箭头所(suo)示)。图(tu)(tu)(tu)5所(suo)示为(wei)(wei)模拟安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)示意(yi)(yi)图(tu)(tu)(tu)。安(an)(an)装(zhuang)(zhuang)后(hou)拆卸发(fa)现(xian)螺(luo)(luo)(luo)栓出(chu)现(xian)轻微弯(wan)曲变(bian)形,如(ru)图(tu)(tu)(tu)6所(suo)示。图(tu)(tu)(tu)7为(wei)(wei)螺(luo)(luo)(luo)纹表面低(di)倍形貌(mao),可见(jian)牙纹出(chu)现(xian)轻微损(sun)伤。

组合件安装位置示意图

失效螺栓宏观低倍组织

模拟安装示意图
模拟安装螺柱宏观形貌

模拟安装螺栓螺母低倍形貌

螺栓拉伸力学性能测试

1.3 横(heng)向振动测试

对送(song)捡螺(luo)栓(shuan)(shuan)进(jin)行横(heng)向振动(dong)试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan),测(ce)试(shi)(shi)(shi)组合(he)件的(de)(de)防松能力(li)。 图8a为(wei)(wei)第1种(zhong)模(mo)拟(ni)试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan)试(shi)(shi)(shi)样(yang)安(an)装,模(mo)拟(ni)卡箍与法兰配合(he)良(liang)好(hao),螺(luo)栓(shuan)(shuan)未发生弯曲变(bian)形时情(qing)况(kuang); 图8b为(wei)(wei)第2种(zhong)模(mo)拟(ni)试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan)试(shi)(shi)(shi)样(yang)安(an)装,增(zeng)加一块12°的(de)(de)斜垫.模(mo)拟(ni)当卡箍法兰配合(he)不良(liang)时导致(zhi)螺(luo)栓(shuan)(shuan)发生弯曲的(de)(de)情(qing)况(kuang)、横(heng)向振动(dong)试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan)参数:试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan)频率为(wei)(wei)12.5 Hz,振幅为(wei)(wei)0.6mm,振动(dong)力(li)为(wei)(wei)1.0 kN ,实验(yan)(yan)结果见表2。2次(ci)模(mo)试(shi)(shi)(shi)验(yan)(yan)结束时,试(shi)(shi)(shi)样(yang)残余轴(zhou)力(li)均(jun)趟(tang)过(guo)初始轴(zhou)力(li)的(de)(de)70% ,但方(fang)案(an)2(螺(luo)栓(shuan)(shuan)弯曲)预紧力(li)下降幅度略大于方(fang)案(an)1。

螺栓横向振动结果

螺栓高温持久分析

1.5 化学成(cheng)分分析

采用(yong)直(zhi)读光谱法对失效螺拎进行化学成分检测(ce),结果见表(biao)4,化学成分符合(he)EN 10269-1999 1[2]于304Cu钢的要求。

2 综合分析(xi)

送检螺(luo)(luo)(luo)栓横向振动试(shi)验(yan)指标,化(hua)学(xue)成分及(ji)螺(luo)(luo)(luo)母(mu)(mu)保载试(shi)验(yan)指标均未发现明显(xian)异常。失效螺(luo)(luo)(luo)栓宏(hong)观(guan)形貌显(xian)示出(chu)明显(xian)弯曲,同时(shi)(shi)多处(chu)螺(luo)(luo)(luo)纹出(chu)现严重(zhong)损(sun)(sun)(sun)伤。而(er)模拟(ni)安(an)装后的(de)螺(luo)(luo)(luo)栓同样出(chu)现弯曲现象,但螺(luo)(luo)(luo)纹只出(chu)现局部轻微损(sun)(sun)(sun)伤,可(ke)以(yi)推(tui)断失效螺(luo)(luo)(luo)纹处(chu)的(de)损(sun)(sun)(sun)伤一(yi)方(fang)面(mian)是(shi)由(you)于(yu)安(an)装时(shi)(shi)因(yin)(yin)螺(luo)(luo)(luo)栓弯曲而(er)与(yu)(yu)卡箍(gu)孔(kong)挤(ji)压造成;另一(yi)方(fang)面(mian)是(shi)由(you)于(yu)连接(jie)副松动后螺(luo)(luo)(luo)纹与(yu)(yu)卡箍(gu)孔(kong)挤(ji)压所致。由(you)此可(ke)见,引起组合件失效的(de)根本原因(yin)(yin)是(shi)螺(luo)(luo)(luo)母(mu)(mu)松动。

螺栓失效化学分析

连(lian)接(jie)副中(zhong)采用(yong)的施(shi)比牢螺母因其具(ju)有特殊的螺纹几何结(jie)构而具(ju)有一(yi)定的防(fang)松能力(li),但是这种(zhong)防(fang)松能力(li)与连(lian)接(jie)副的预紧力(li)有关,预紧力(li)越小,其防(fang)松能力(li)

越(yue)低。由于组(zu)合件(jian)的工作(zuo)温(wen)(wen)度较高,通常高温(wen)(wen)下工作(zuo)的螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)会发生(sheng)蠕(ru)变(bian)(bian)松(song)弛(chi)现象 。蠕(ru)变(bian)(bian)松(song)弛(chi)会导致螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)伸(shen)长(zhang)、预(yu)紧力下降(jiang),而(er)(er)且这(zhei)种松(song)弛(chi)会随工作(zuo)时间而(er)(er)不(bu)断(duan)(duan)累积,不(bu)可(ke)(ke)恢(hui)复(fu)。当(dang)发动机停机时,螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)又恢(hui)复(fu)到(dao)室温(wen)(wen),但高温(wen)(wen)下产生(sheng)的蠕(ru)变(bian)(bian)却不(bu)能(neng)恢(hui)复(fu),因此螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)会产生(sheng)永久性伸(shen)长(zhang),螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)伸(shen)长(zhang)后其预(yu)紧力会降(jiang)低,如此反复(fu),施必(bi)牢螺(luo)(luo)母(mu)的防松(song)能(neng)力不(bu)断(duan)(duan)下降(jiang)直至不(bu)能(neng)满足(zu)要求,而(er)(er)车辆(liang)在(zai)运(yun)行中可(ke)(ke)能(neng)会有振动,从而(er)(er)导致螺(luo)(luo)母(mu)松(song)脱掉(diao)落。螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)的蠕(ru)变(bian)(bian)试验显示,在(zai)475 oC环境下保持安装(zhuang)预(yu)紧力72 h,螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)伸(shen)长(zhang)1.193 mm,说(shuo)明该螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)的蠕(ru)变(bian)(bian)比(bi)较明显,这(zhei)也验证了上述推(tui)论(lun)[4-5 ]。

   构件的(de)抗蠕变(bian)松弛性(xing)能不(bu)仅与材料属性(xing)有关(guan),同时也与工作温度和所受应力密切相关(guan),温度越(yue)(yue)高(gao),应力越(yue)(yue)大,则蠕变(bian)越(yue)(yue)明显(xian),因此,为避免蠕变(bian)松弛现象(xiang)造成(cheng)类似紧固失(shi)效(xiao)的(de)发生(sheng),可(ke)从以下几个方(fang)面进行(xing)改进:(1)选(xuan)用抗蠕变(bian)性(xing)能更好(hao)的(de)材料,如(ru)高(gao)温合(he)金;(2)施(shi)加(jia)合(he)适的(de)预紧力;(3)考(kao)虑组(zu)合(he)件与被连

接件之(zhi)间热(re)膨胀系数的(de)匹(pi)配(pei)性;(4)采用(yong)其(qi)他防(fang)松方(fang)式,如用(yong)全金(jin)属锁紧螺(luo)母(mu)替代(dai)施(shi)必牢螺(luo)母(mu),选用(yong)细牙(ya)螺(luo)纹等(deng)。


3 结论


(1)送检卡箍组合(he)件的失效是由于高温下(xia)螺栓发生蠕变(bian)松弛(chi)导致螺母失去锁紧功能而引起的。


(2)送检螺栓抗拉(la)强度不符合图纸要求。


(3)建议选(xuan)用抗蠕(ru)变(bian)性(xing)能更好的材料,同时采(cai)用其他防松方式。

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