壓鉚螺母強(qiáng)度及疲勞壽命試驗(yàn)研究 Experimental Research on Strength and Fatigue Life of Self-Riveting Nuts

溫歡 WEN Huan 謝建良 XIE Jian-liang 鐘智祎 ZHONG Zhi-yi

摘要：為探究壓鉚螺母推廣應(yīng)用的可行性，本文通過靜載力學(xué)試驗(yàn)，得出了壓鉚螺母CLS-M8-2的推出力、扭出力矩以及極限安裝力矩;同時(shí)，基于不同應(yīng)力水平進(jìn)行了疲勞壽命測(cè)試，得到了CLS-M8-2的疲勞壽命數(shù)據(jù)，擬合了S-N曲線，總結(jié)了壓鉚螺母疲勞壽命規(guī)律;驗(yàn)證了壓鉚螺母CLS-M8-2的靜力學(xué)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及應(yīng)用可靠性。

Abstract： In order to explore the feasibility of the promotion and application of the pressure riveting nut， In this paper obtained the push force， torque and limit installation torque of the pressure riveting nut CLS-M8-2 through the static load test. Meanwhile， the fatigue life test of CLS-M8-2 was carried out based on different stress levels， and the fatigue life data of CLS-M8-2 was obtained. The S-N curve was fitted， and the fatigue life law of riveting nut was summarized. The static strength， fatigue strength and application reliability of pressure riveting nut CLS-M8-2 are verified.

關(guān)鍵詞：壓鉚螺母;靜載力學(xué)試驗(yàn);軸向疲勞試驗(yàn);S-N曲線

Key words： pressure riveting nut;static loading test;axial fatigue test;sn curves

中圖分類號(hào)：V261.2+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?   ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0032-02

0? 引言

隨著軌道交通裝備的快速發(fā)展，列車運(yùn)行速度的提升，列車輕量化、節(jié)能環(huán)保是行業(yè)發(fā)展的方向。鋁合金密度低、比強(qiáng)度高，正被大量應(yīng)用于軌道車輛裝備核心部件的變流器柜體上。變流器柜體中采用大量不銹鋼螺母的零件，以實(shí)現(xiàn)器件的螺栓連接。而傳統(tǒng)的焊接已不適用于鋁合金和不銹鋼螺母的復(fù)合連接，因此需采用壓鉚工藝實(shí)現(xiàn)鋁合金和不銹鋼螺母的連接。用壓鉚螺母代替焊接螺母，還具有成本低、工藝簡單、人員技能要求低等優(yōu)點(diǎn)。

1? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)壓鉚螺母產(chǎn)品應(yīng)用的特點(diǎn)與要求，制定了圖1所示的壓鉚螺母應(yīng)用的驗(yàn)證方案技術(shù)路線。

壓鉚螺母通過防轉(zhuǎn)花齒擠壓使母材塑性流動(dòng)至防拉溝槽內(nèi)，從而產(chǎn)生鎖緊效果。選用PEM品牌CLS-M8-2壓鉚螺母，材質(zhì)為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2? 靜載試驗(yàn)

壓鉚螺母通過壓鉚過程壓裝在板材上，并具備了一定防扭轉(zhuǎn)與防推出能力，靜載試驗(yàn)的目標(biāo)是檢測(cè)壓鉚螺母的推出力、扭出力矩以及極限安裝力矩。

2.1 推出力試驗(yàn)

先將螺栓從背面擰入螺母中，試驗(yàn)機(jī)沿螺母軸線垂直向下，逐漸增大壓力，直到螺母被推出，試驗(yàn)過程中最大載荷為推出力。

2.2 扭出力矩試驗(yàn)

先將試樣固定，再將螺栓從正面擰入螺母中。用數(shù)顯扭力扳手施加逐漸增大的緊固力矩，直到螺母與板材發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)顯扭力扳手自動(dòng)記錄下的最大力矩即為壓鉚螺母的扭出力矩。

2.3 極限安裝力矩試驗(yàn)

極限安裝力矩試驗(yàn)通過模擬產(chǎn)品實(shí)際安裝形式，測(cè)量最大的極限安裝力矩，試驗(yàn)方法與扭出力矩試驗(yàn)類似。

2.4 試驗(yàn)試樣

試樣縫分別采用100mm×100mm×3mm鍍鋅鋼板、Q235鋼板、5083-O鋁板作為基板，CLS-M8-2壓鉚螺母進(jìn)行壓接，試驗(yàn)用螺栓均采用8.8級(jí)鍍彩鋅六角頭螺栓。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.5.1 推出力? 通過表1數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)測(cè)量的推出力比標(biāo)準(zhǔn)值高出143%～256.5%，壓鉚螺母在不同材料上的推出力大關(guān)系滿足：碳鋼>鍍鋅鋼>鋁合金。

2.5.2 扭出力矩? 通過表2數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)測(cè)量的扭出力矩比標(biāo)準(zhǔn)值高出103.7%～158.7%，壓鉚螺母在不同材料上的扭出力矩大關(guān)系滿足：碳鋼>鍍鋅鋼>鋁合金。

2.5.3 極限安裝力矩? 通過表3數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)測(cè)量的極限安裝力矩高出工藝標(biāo)準(zhǔn)值136.3%～192.6%。

3? 疲勞壽命試驗(yàn)

3.1 疲勞壽命試驗(yàn)方案

根據(jù)GJB715.30A-2002《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸疲勞》、GB/T 24176-2009 《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》，在給定的應(yīng)力S下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分成多個(gè)應(yīng)力水平，每個(gè)應(yīng)力水平做3個(gè)試樣，測(cè)量每一試樣的疲勞壽命值。

3.2 軸向疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過表4數(shù)據(jù)分析，CLS-M8-2軸向疲勞壽命在105～107次數(shù)之間，軸向疲勞壽命較高;在同等疲勞載荷下，疲勞壽命比較穩(wěn)定;隨著疲勞載荷減小，CLS-M8-2軸向疲勞壽命也隨之增加，在靜載極限的0.4倍載荷的疲勞作用下，CLS-M8-2達(dá)到軸向疲勞壽命就極限500萬次，軸向疲勞極限載荷為8.64kN。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，CLS-M8-2的軸向疲勞壽命整體較高。

3.3 腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)GJB 1997-1994《金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗(yàn)方法》，把試樣浸泡在3.5%NaCl水溶液中，在室溫、r=0.1、f=5Hz的條件下進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)，測(cè)量了腐蝕疲勞壽命數(shù)據(jù)。根據(jù)表5數(shù)據(jù)可知，CLS-M8-2在室溫、r=0.1、f=5Hz的條件下，通過了10萬次的軸向腐蝕疲勞壽命檢測(cè)。

4? 結(jié)論

①試驗(yàn)表明，壓鉚螺母CLS-M8-2壓裝在碳鋼、鍍鋅鋼、鋁合金基材上的推出力、扭出力矩、極限安裝力矩均符合性能指標(biāo)要求;②壓鉚螺母CLS-M8-2在室溫25℃、應(yīng)力比0.1、f=50Hz的條件下，通過了500萬次的軸向疲勞壽命檢測(cè)，軸向疲勞極限載荷為8.64kN;試驗(yàn)證明：在軸向疲勞循環(huán)載荷下，壓鉚螺母應(yīng)用于產(chǎn)品上是可行的;③壓鉚螺母CLS-M8-2浸泡3.5%NaCl水溶液中，在室溫25℃、應(yīng)力比0.1、f=5Hz的條件下，通過10萬次軸向腐蝕疲勞壽命測(cè)試;試驗(yàn)表明：CLS-M8-2壓鉚螺母結(jié)構(gòu)具有良好的抗腐蝕性能。

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