【螺栓测试】如何通过振动试验评估螺栓连接结构可靠性

   不管是新产品设计、还是结构的失效分析，为了验证产品的可靠性，除了开展理论计算，有限元仿真，必要时还要进行样机振动测试。对于螺栓连接结构尤其如此，因为在螺栓连接结构的失效案例中螺栓螺母松动、脱落，以及螺栓的疲劳断裂的占比非常大，约达到螺栓总故障的80%左右，而螺栓的松动和疲劳断裂一般都是由动态载荷所引起的，因此对含有螺栓连接结构的产品开展振动试验以考核其可靠性是非常有必要的。

   螺栓连接结构该如何开展考虑动态载荷的振动试验呢？这确实是个难题，因为一方面螺栓结构的动态载荷很难获取，另一方面不管是振动测试还是疲劳测试成本都很高。下面就来总结一下各个行业所选择的与螺栓连接相关的振动试验方法。按照从简单到复杂的顺序进行介绍。

1.紧固件横向振动试验

    说起螺栓振动试验，最容易开展的就是紧固件横向振动试验。它是利用动态的横向载荷最易引起螺纹连接松动这一理论，将紧固件及垫圈等安装在实验台上，借助动力装置使滑动板产生变化的横向载荷，使紧固件产生旋转松动。这个试验的优缺点都很明显，具体内容可以看看这篇文章【螺栓测试】说说紧固件横向振动试验的优缺点。

    横向振动试验最大的缺点是试验时两被连接对相对滑移，完全违背了螺栓连接结构不允许滑移的要求，这与真实的螺栓连接受力情况是完全不相符的。

2.冲击振动试验

    GJB 715.3《紧固件试验方法振动》给出了冲击振动试验，该方法多用于航空领域。将测试螺栓拧紧在试验套筒内，并在测试螺栓和套筒上做出位置标记，然后将套筒安装于振动试验台的导槽上做横向往复运动，见下图。开始振动试验，直至达到试样规定的时间或振动次数后停机记录试样的标记位置的变化，从而判定试样是否失效。

1.螺母  2.垫圈  3.导槽  4.套筒  5.螺栓

    这种方法的优点是螺栓螺母被连接作为一个整体进行试验，被连接件间不产生滑移，符合螺栓结构真实情况。缺点是：a)仅靠套筒及螺栓螺母自身重量产生冲击加速度，载荷较小，需要振动时间长。b)载荷无法精确控制，试验结果只能通过振动次数和振动时长进行评估。c)只能用于小规格的紧固件（小于M8）。

3.接头级疲劳试验

   上面说的横向振动试验只考虑了紧固件本身的性能，没有考虑被连接件。而GJB 715.3《紧固件试验方法振动》冲击振动施加载荷不可量化。因此要想真实评估螺栓接头的可靠性需要针对螺栓接头试样开展动态载荷试验。因此可以将产品上的螺栓连接接头制作成一个完整的接头试样，我们称作为接头级疲劳试验，在疲劳试验机上进行轴向或横向载荷的动态疲劳试验。见下图。轴向载荷参照GB /T 13682螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法，横向载荷参照GJB 715.9 紧固件试验方法抗剪接头疲劳。

左：轴向载荷疲劳振动  右：剪切载荷疲劳振动

    该方法的优点是能够较为真实的模拟实际螺栓接头结构和受力情况，能够较好的评估螺栓连接结构的可靠性。缺点是需要疲劳试验机、试验周期长、一次只能做一个试样、成本较高。

4.部件级振动试验

   部件级的振动试验，在不同行业的规定差异很大，例如轨道交通行业要按照国际标准IEC 61373《铁路应用-机车车辆设备-冲击和振动试验》要求模拟设备使用环境条件对部件进行一段时间的随机振动冲击试验。IEC 61373 标准规定了一系列针对不同类型机车车辆设备的冲击和振动试验项目及其要求。标准中根据设备的安装位置和预期承受的振动冲击等级，将设备分为不同的类别，并针对不同类别规定了相应的试验条件。还可以采集实际的载荷谱（例如：路谱），将载荷谱输入实验台，按实际载荷进行振动试验。

   在开展部件级振动测试时，对于部件上的安装螺栓也进行了试验，这种试验方法能够更加真实的反应螺栓连接接头的实际受力情况。在试验的前中后可以开展扭矩测试、螺栓轴力测试，从而评估螺栓连接结构可靠性。

    部件级的振动试验，能够更好的模拟螺栓接头结构和实际受力情况，特别是直接使用载荷谱进行试验时，缺点是试验设备价格昂贵，试验周期长成本高，有些重量重体积大的部件无法开展试验。

5.整机级台架试验

    台架试验常见于汽车行业，台架试验是在一个控制环境中，用以评估和验证汽车或其零部件性能的一种手段。这类测试通常在特设的实验室内进行，目的是复制多样的路况与驾驶情境。对制造商而言，这些测试不仅有助于发现潜在问题，评估新设计或改进措施的效用，也是确保汽车产品安全性和可靠性的关键环节。借助台架测试，汽车制造商能够全方位确保产品在各种使用情境下的性能和安全性，进而提升消费者的信赖感和使用时的满意度。

   当然汽车台架试验并不是仅仅测试螺栓连接结构的可靠性，而是为了考核整车的各方面性能。但是在做台架试验时也可以关注整车各部位螺栓连接结构的表现，例如开展扭矩及螺栓轴力衰减情况测试，也可以在台架试验时使用超声波螺栓轴力测试仪采集螺栓受到的动态载荷，使用这些数据再对螺栓的寿命进行校核。

   台架试验主要用在能够批量化，标准化生产的产品上，产品重量及尺寸也不能太大。对于小批量定制化的产品就不太可能开展台架试验了。因为台架试验的成本极高。

总结

    各振动试验方法优缺点对比：

1.紧固件横向振动试验

优点：简单、高效、成本低

缺点：有相对滑移、破坏了螺栓连接作用。

2.冲击振动试验

优点：螺栓螺母被连接作为一个整体进行试验，符合螺栓结构受力情况。

缺点：载荷无法精确控制，只能用于小规格的紧固件（小于M8）。

3.接头疲劳试验

优点：真实的模拟实际螺栓接头结构和受力情况，能够较好的评估螺栓连接结构的可靠性。

缺点：需要疲劳试验机、试验周期长、一次只能做一个试样、成本较高。

4.部件振动试验

优点：能够更好的模拟螺栓接头结构和实际受力情况，可直接使用载荷谱进行试验。

缺点：试验设备价格昂贵，试验周期长成本高，有些重量重体积大的部件无法开展试验。

5.整机台架试验

优点：适合于能够批量化，标准化生产的产品上。

缺点：产品重量及尺寸也不能太大，成本极高。

   本文简单介绍了5种不同状态和不同级别的螺栓连接结构的振动试验，用于评估螺栓连接结构的可靠性。也给出了它们各自的优缺点，供大家参考！

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