光伏支架中螺栓連接和拉鉚連接在軸向循環(huán)荷載作用下的松動行為對比試驗研究

苗廣威，陳志超，張 軼，楊俊芬，王維新，郝凱麗

(1.中國能源建設(shè)集團 甘肅省電力設(shè)計院有限公司, 甘肅 蘭州 730050; 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 3.西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室, 陜西 西安 710055)

太陽能作為儲備量豐富的清潔能源，使太陽能光伏發(fā)電增長迅猛，成為全球新能源的重要選擇[1]，光伏支架安裝需求也迅速提升[2].目前，在光伏支架領(lǐng)域，一般采用普通螺栓進(jìn)行光伏支架的安裝固定.由于光伏支架處于室外環(huán)境中，在風(fēng)荷載作用下，用于連接的普通螺栓易發(fā)生松動，并且松動是非線性的狀態(tài)[3]，松動過程具有一定的階段性，在松動的前期，雖然不會引起故障，但是，如果在使用和維護(hù)階段沒有及時檢測和發(fā)現(xiàn)，就會導(dǎo)致連接件的力學(xué)性能下降，甚至引發(fā)嚴(yán)重的事故[4].

裝配式結(jié)構(gòu)往往采用螺栓連接[5]，螺栓不僅存在強度問題，在光伏支架中，還存在螺栓的松動問題.早期國內(nèi)外關(guān)于螺栓連接的松動研究主要集中于承受軸向荷載作用下的螺栓連接件.Goodier和Sweeney[6]研究發(fā)現(xiàn)，在軸向荷載作用下螺栓連接由于“摩擦棘輪效應(yīng)”會發(fā)生松動.Nassar等[7-9]通過試驗研究并建立數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，在軸向交變荷載作用下，螺栓連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑性變形是螺栓連接松動的原因之一.劉建華[10]基于動力學(xué)響應(yīng)及螺紋表面損傷形貌分析，結(jié)合有限元分析計算，發(fā)現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動機理是由于結(jié)構(gòu)的塑性變形和接觸界面的微動磨損.Ibrahim等[11-13]發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下的螺栓連接，由于螺紋之間的接觸面產(chǎn)生了磨損并且進(jìn)一步導(dǎo)致了螺栓軸向力的下降，軸向力下降的同時也導(dǎo)致了螺紋之間摩擦力的下降，最后下降到一定的程度后，螺紋之間發(fā)生轉(zhuǎn)動，最后產(chǎn)生松動的現(xiàn)象.

拉鉚釘?shù)某霈F(xiàn)為解決光伏支架領(lǐng)域連接節(jié)點松動的問題提供新了的選擇.拉鉚釘，又稱哈克(Huck)鉚釘或哈克螺栓，是根據(jù)胡克定律原理，使用拉鉚釘專用設(shè)備將結(jié)合件夾緊后，在單向拉力的作用下，將套環(huán)的金屬擠壓并充滿到帶有多條環(huán)狀溝槽的栓桿的凹槽內(nèi)，使套環(huán)和栓桿緊密結(jié)合的一種緊固方式.拉鉚釘具有較高的緊固力、優(yōu)異的防松性能等特點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路車輛、鐵路軌道、橋梁、重型汽車、建筑結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域.汝繼來[14]通過對拉鉚釘系統(tǒng)的研究，確定了影響拉鉚釘可靠性和耐久性的性能指標(biāo)和實驗方法，初步探討了這些性能的重要性和必要性.與此同時，通過對國內(nèi)研制的拉鉚釘與進(jìn)口拉鉚釘?shù)闹饕阅軐Ρ仍囼?，證實國內(nèi)研制并生產(chǎn)的拉鉚釘?shù)男阅苓_(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，并測出拉鉚釘具有較高的防松性能，但是未與同規(guī)格的螺栓進(jìn)行對比分析.

在實際的工程中，光伏支架一般采用4.8級的螺栓進(jìn)行連接，拉鉚釘中只有5.8級可以代替.故研究5.8級拉鉚釘代替4.8級螺栓的可行性.本文分別對規(guī)格8 mm的4.8級普通螺栓、4.8級防松螺栓以及5.8級小規(guī)格拉鉚釘進(jìn)行軸向循環(huán)荷載作用下的松動試驗研究.對比分析三種連接方式的防松性能，并考察了荷載幅值和頻率對螺栓連接和拉鉚連接松動行為的影響.通過螺栓與拉鉚釘?shù)难佬吞卣骱吐菁y面配合狀態(tài)分析其防松原理，結(jié)合微觀分析對松動試驗后的螺栓與拉鉚釘?shù)膿p傷形貌進(jìn)行分析.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗試件選用直徑均為8 mm的4.8級普通螺栓、4.8級防松螺栓以及小規(guī)格拉鉚釘.試驗中共制作7組普通螺栓、7組拉鉚釘和1組防松螺栓，每組各3個試件，共45個試件.

試件由U形夾具、固定螺栓、定位栓、傳感器和試驗螺栓/鉚釘組成，具體構(gòu)造見圖1.首先將上夾具2、傳感器、定位栓和下夾具2組裝好，再安裝試驗螺栓/鉚釘，最后利用固定螺栓安裝上夾具1和下夾具1.通過對試件兩側(cè)的夾持端施加軸向循環(huán)荷載，兩側(cè)的夾持端與試驗螺栓/鉚釘共面并居中，保證試件受到軸向荷載作用.

1.2 材性試驗

根據(jù)規(guī)范《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試件取樣位置及試件制備》(GB/T2975—2018)[15]和《金屬材料室溫拉伸試驗：第一部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1—2010)[16]在鋼板上用線切割截取制作拉伸試件，線切割不會引入熱應(yīng)力而保證材料本身的性質(zhì).

本文的試件為3個Q355B拉伸試件，厚度為10 mm.具體形狀尺寸如圖2所示.

對于厚度為10 mm的拉伸試件采用長春科學(xué)研究院研發(fā)的WAW-3000L型30 t電液伺服試驗機進(jìn)行加載速率為2 mm/min的拉伸加載試驗.

試驗結(jié)束后，觀察被拉斷的板材，分析得出斷裂后的試件均發(fā)生延性斷裂.并且測定出其靜力拉伸性能數(shù)據(jù).材性試驗結(jié)果見表1.

表1 Q355B板材性試驗結(jié)果

根據(jù)材性試驗結(jié)果表明，所選Q355B板材的強屈比大于1.2，伸長率大于20%，所選的Q355B板材性能滿足試驗要求.

拉鉚釘直徑為8 mm，其力學(xué)性能由廠家提供，見表2.螺栓為4.8級普通螺栓，材料性能符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[17](GB50017—2017)，連接件鋼材均為Q355B.

表2 拉鉚釘力學(xué)性能

1.3 加載方案及測量方案

軸向循環(huán)荷載作用下的松動試驗在經(jīng)過改造后的美國MTS生產(chǎn)的250 kN電液伺服疲勞試驗機上進(jìn)行，如圖3.試驗參數(shù)的控制以及數(shù)據(jù)的采集由試驗機自動完成.

通過查詢《普通螺紋 基本尺寸》(GB/T 196—2003)可得規(guī)格為M8的普通螺栓和防松螺栓預(yù)緊力推薦值為8 kN.根據(jù)《環(huán)槽鉚釘連接副的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 36993—2018)，規(guī)格為LMY8的拉鉚釘?shù)念A(yù)緊力最小值為12.7 kN，在實驗中經(jīng)過鉚接設(shè)備鉚接成型后實測規(guī)格為LMY8的拉鉚釘?shù)念A(yù)緊力大于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的最小預(yù)緊力12.7 kN，在13.8～14.3 kN的范圍內(nèi)波動，且波動范圍均小于5%.

試驗程序?qū)崟r記錄軸向載荷和試驗機夾頭軸向位移，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄軸向夾緊力.到達(dá)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)或者超過預(yù)設(shè)的保護(hù)參數(shù)，試驗結(jié)束.圖4所示試件在試驗機上進(jìn)行加載.試驗后試件松動程度越低，說明防松性能越好.

根據(jù)《緊固件相關(guān)松動試驗標(biāo)準(zhǔn)》[18]并結(jié)合預(yù)實驗中獲取的試驗結(jié)果設(shè)置軸向荷載作用下相應(yīng)的松動試驗參數(shù).加載的循環(huán)次數(shù)均為30 000次，加載路徑為F=AF+AFsin(2πt)，具體加載制度見表3.每組緊固件試驗重復(fù)3次，疲勞試驗機的工況都保持一致.

表3 加載制度

2 試驗結(jié)果

為了能夠更方便地研究在加載過程中螺栓連接和拉鉚連接節(jié)點實時預(yù)緊力隨著循環(huán)加載次數(shù)的變化規(guī)律,定義一個函數(shù)：S(N)用來表示在松動試驗中，經(jīng)過N次循環(huán)荷載后緊固件的實時軸向力與加載前的初始預(yù)緊力的百分比，如式(1)所示.

(1)

式中：FN為加載過程中連接節(jié)點的第N次荷載時的實時預(yù)緊力；F0為加載前連接節(jié)點的初始預(yù)緊力.

2.1 軸向荷載作用下螺栓與拉鉚釘松動行為對比分析

取工況1對螺栓與拉鉚連接進(jìn)行試驗.試驗結(jié)果如表4所示.由表4得到：在軸向循環(huán)荷載作用下，三種連接方式防松性能由高往低排列順序為：拉鉚釘、防松螺栓、普通螺栓，其中，拉鉚連接的預(yù)緊力下降率平均值為10.91%，僅是防松螺栓的一半，即拉鉚釘?shù)姆浪尚阅苊黠@優(yōu)于防松螺栓和普通螺栓.

表4 軸向荷載作用下不同緊固件連接松動試驗結(jié)果

工況1預(yù)緊力變化的松動曲線如圖5所示.三種連接節(jié)點都呈現(xiàn)出非線性的發(fā)展規(guī)律.根據(jù)預(yù)緊力的下降程度可以將三種連接件節(jié)點的松動過程大概分為兩個階段.在0～1 000次循環(huán)周期內(nèi)的第一階段由于接觸面的塑性變形,預(yù)緊力迅速下降.在之后的第二階段預(yù)緊力緩慢下降，且最終趨于穩(wěn)定，這是由于材料的棘輪效應(yīng)，試件的塑性變形進(jìn)入穩(wěn)定階段，此時，因為接觸界面間發(fā)生磨損而產(chǎn)生材料損失，由于接觸面不可能發(fā)生整體的滑移，只能發(fā)生局部的相對微滑，這屬于微動磨損的部分滑移，因此，預(yù)緊力緩慢下降，是微動磨損的結(jié)果.雖然防松螺栓在第二階段出現(xiàn)緩慢上升的現(xiàn)象，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加預(yù)緊力總體仍然呈緩慢下降趨勢.

由圖5得知，拉鉚釘、防松螺栓和普通螺栓的預(yù)緊力下降主要集中于第一階段，拉鉚釘預(yù)緊力下降的程度明顯低于防松螺栓與普通螺栓，表明在由于塑性變形導(dǎo)致預(yù)緊力快速下降的第一階段，拉鉚連接表現(xiàn)出更好的防松性能.并且拉鉚連接節(jié)點的預(yù)緊力變化曲線在第二階段表現(xiàn)最為平緩，說明在預(yù)緊力迅速下降之后，拉鉚釘更快地將預(yù)緊力保持住并趨于穩(wěn)定.總體來說，拉鉚釘?shù)姆浪尚阅苊黠@優(yōu)于防松螺栓和普通螺栓.

2.2 荷載幅值對螺栓與拉鉚釘松動行為的影響

由于普通螺栓的螺桿材質(zhì)與防松螺栓的材質(zhì)一致，只有螺母形式不同.本節(jié)只研究不同荷載幅值下的普通螺栓連接和拉鉚連接節(jié)點的松動行為.為使試驗效果明顯，采用較大的荷載幅值進(jìn)行加載.并且為了比較同一工況下螺栓連接和拉鉚連接表現(xiàn)出的防松性能，故兩者采用同樣的荷載幅值.分別取工況1、2、3對普通螺栓和拉鉚釘進(jìn)行試驗.試驗結(jié)果如表5所示.

表5表明在軸向循環(huán)荷載作用下，隨著荷載幅值的增大，拉鉚連接和螺栓連接節(jié)點的防松性能都在下降.但拉鉚釘?shù)乃蓜映潭染∮谄胀菟ǎ绕涫窃诤奢d幅值為16 kN時，拉鉚連接節(jié)點的預(yù)緊力下降率為29.34%而螺栓則被完全拉脫.說明拉鉚連接節(jié)點的防松性能優(yōu)于普通螺栓連接節(jié)點.

表5 不同軸向荷載幅值作用下的螺栓連接與拉鉚連接松動試驗結(jié)果

兩種連接方式預(yù)緊力變化的松動曲線如圖6、圖7所示.在荷載幅值為12 kN和14 kN時普通螺栓連接節(jié)點和拉鉚連接節(jié)點在試驗中預(yù)緊力下降的松動過程，同樣為兩階段，即第一階段內(nèi)致的預(yù)緊力快速下降，第二階段的預(yù)緊力趨于穩(wěn)定并緩慢下降.

隨著軸向循環(huán)荷載幅值的增大，螺栓在第二階段預(yù)緊力沒有趨于穩(wěn)定，在荷載幅值為16 kN時，螺栓預(yù)緊力一直下降到零，出現(xiàn)完全松動的現(xiàn)象，并且螺栓被拉脫.拉鉚釘則沒有出現(xiàn)完全松動的狀態(tài)，說明當(dāng)承受更大荷載幅值的時候，拉鉚連接節(jié)點表現(xiàn)出優(yōu)越的防松性能.

2.3 荷載頻率對螺栓與拉鉚釘松動行為的影響

為了研究不同荷載頻率下的螺栓連接和拉鉚連接節(jié)點的松動行為.取工況4和5對普通螺栓和拉鉚釘進(jìn)行試驗，并與工況1一同對比分析.試驗結(jié)果如表6所示.

表6 不同頻率的軸向荷載作用下的螺栓連接與拉鉚連接松動試驗結(jié)果

表6表明在軸向循環(huán)荷載作用下，隨著荷載頻率的降低，拉鉚連接和螺栓連接節(jié)點的防松性能都在下降.當(dāng)荷載頻率從20 Hz降低到5 Hz的時，普通螺栓與拉鉚釘?shù)乃蓜映潭榷茧S著荷載頻率的降低而增大，普通螺栓的松動程度從19.79%上升到30.96%，增幅為56%.這是由于低頻率的循環(huán)荷載，荷載作用時間更長，接觸界面之間發(fā)生微動的時間更長，微動損傷的程度也隨之加劇.當(dāng)荷載頻率從20 Hz降低到5 Hz的時，拉鉚釘?shù)乃蓜映潭葟?.52%上升到16.01%，增幅為112%，增幅要大于普通螺栓，表明在軸向荷載作用下，拉鉚釘對荷載的頻率變化更敏感.

兩種連接方式預(yù)緊力變化的松動曲線如圖8、圖9所示.

在整個30 000次的循環(huán)荷載加載過程中，普通螺栓連接節(jié)點和拉鉚連接節(jié)點在高頻率的軸向荷載作用下的預(yù)緊力都是大于頻率較低時的工況，說明了普通螺栓連接節(jié)點和拉鉚連接節(jié)點在更高頻率的軸向荷載作用下的松動試驗的全過程中都能表現(xiàn)出更優(yōu)越的防松性能.隨著荷載頻率的增大，普通螺栓連接節(jié)點和拉鉚連接節(jié)點在第一階段和第二階段的松動曲線下降趨勢都在變緩.但在第一階段拉鉚連接節(jié)點預(yù)緊力下降的程度在不同荷載頻率都明顯低于普通螺栓.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 螺栓與拉鉚釘?shù)姆浪稍矸治?/h3>

從試驗結(jié)果可以得知，拉鉚釘相較于螺栓，防松性能有明顯的提升，為了進(jìn)一步分析其防松原理，通過使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，分析螺栓和拉鉚釘?shù)难佬吞卣骷奥菁y面配合情況.

螺栓和螺母的牙型為典型的60°等邊三角形螺紋，螺紋齒之間有較大間隙，接觸不充分.由于螺紋面有些地方不平整，在預(yù)緊后可能會存在點接觸出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象.這些都不利于其防松性能.

拉鉚釘螺紋的牙型由多段不同直徑的圓弧組合成，相關(guān)研究表明[19]，在承受載荷一致的情況下，同尺寸的拉鉚釘牙型比螺栓牙型的應(yīng)力集中小，拉鉚釘獨特圓弧結(jié)構(gòu)的牙型可有效降低牙底和牙頂?shù)膽?yīng)力集中，螺紋配合面工作的時候發(fā)生塑性變形的程度也降低，使拉鉚釘防松性能有了明顯的提升.

此外，拉鉚釘?shù)挠捕雀哂诼菟ǎ谘h(huán)荷載作用下能減小拉鉚釘?shù)哪Σ聊p，進(jìn)而提升其防松性能.

3.2 損傷形貌分析

普通螺栓與拉鉚釘在加載過程中，隨著微動磨損的不斷進(jìn)行，使得發(fā)生微動磨損的接觸表面產(chǎn)生缺陷，裂紋可能會在這些缺陷中產(chǎn)生，并影響材料的疲勞性能和防松性能[20]，因此分析緊固件的微動損傷很有必要.利用微距鏡頭對整個的拉鉚釘和螺栓進(jìn)行較為全面的宏觀上損傷形貌觀察分析，為后面進(jìn)一步的SEM分析提供指導(dǎo).

圖10所示為螺栓在工況1下松動試驗后的宏觀損傷形貌.螺栓處于工作狀態(tài)的四圈螺紋發(fā)生了明顯的磨損現(xiàn)象，并且前三圈螺紋磨損比較接近，第四圈螺紋的磨損范圍有所減小.這是由于螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)在承載時載荷分布不均勻，第一圈螺紋牙承受約1/3的載荷，前三圈螺紋牙大約承受全部載荷的70%[21].

圖11所示為拉鉚釘在工況1下松動試驗后的宏觀損傷形貌.與套環(huán)咬合的四圈螺紋都出現(xiàn)了表面鍍鋅層磨損的現(xiàn)象，這是由于軸向荷載作用下的鉚接厚度一致，所以拉鉚釘?shù)你T接成型后的咬合狀態(tài)相同.由于第二圈螺紋未完全咬合，第二圈螺紋產(chǎn)生磨損范圍較小，第三、四、五圈的螺紋產(chǎn)生的磨損范圍較寬.第三圈的螺紋磨損程度最嚴(yán)重，并且從第三圈螺紋開始，鍍鋅層的磨損程度隨著螺紋圈數(shù)的增加，呈現(xiàn)遞減的趨勢.

將試驗后的接觸螺紋沿牙底用線切割方法進(jìn)行截取，清洗后置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察.由于拉鉚釘和普通螺栓的鍍鋅層完全相同，故可以根據(jù)其試驗后表面的Zn含量來比較其磨損的程度.

圖12為軸向荷載作用下螺栓第一圈螺紋表面損傷形貌，表7為表面損傷的主要元素成分含量.咬合邊界范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的損傷，主要呈現(xiàn)犁削劃傷和層狀剝離的形貌.

表7 軸向荷載作用下螺栓第一圈螺紋表面EDX成分分析

在I區(qū)放大圖中，螺紋表面呈現(xiàn)明顯的塑性流動、溝壑、剝落坑及層狀剝落的特征，對咬合邊界的A、B兩點進(jìn)行EDX分析發(fā)現(xiàn)，咬合邊界內(nèi)的B點的Zn元素含量為2.7%，遠(yuǎn)低于A點，F(xiàn)e元素含量則為96.7%，明顯高于A點，說明該處表面的鍍鋅層發(fā)生了較為嚴(yán)重的脫落，使螺栓的基體完全顯露.綜上所述，第一圈螺紋的磨損機制主要為磨粒磨損和疲勞磨損.

圖13為軸向荷載作用下拉鉚釘?shù)谌β菁y表面損傷形貌，表8為第三圈螺紋表面損傷形貌的主要元素成分含量.該表面在咬合邊界范圍內(nèi)和范圍外的形貌差異較大，發(fā)生了較為嚴(yán)重的磨損，在咬合邊界內(nèi)發(fā)生了剝層的現(xiàn)象，還存在較多犁削劃傷的形貌.在I區(qū)放大圖中，與咬合邊界外相比螺紋表面呈現(xiàn)明顯的塑性流動、剝落坑和層狀剝落的現(xiàn)象，對咬合邊界的內(nèi)外兩邊進(jìn)行EDX發(fā)現(xiàn)，咬合邊界內(nèi)的B點的Zn元素含量為9.8%，遠(yuǎn)低于A點，F(xiàn)e元素含量則為85.2%，高于A點，說明螺紋表面的鍍鋅層發(fā)生了脫落，使拉鉚釘?shù)幕w部分顯露，磨損機制主要為磨粒磨損和疲勞磨損.

表8 軸向荷載作用下拉鉚釘?shù)谌β菁y表面EDX成分分析

螺栓的第一圈螺紋磨損最嚴(yán)重，第一圈螺紋表面B區(qū)域Zn元素含量為2.7%；拉鉚釘?shù)牡谌β菁y磨損最嚴(yán)重，第三圈螺紋表面B區(qū)域Zn元素含量為9.8%.拉鉚釘B區(qū)域Zn元素含量高于螺栓，說明拉鉚釘表面鍍鋅層脫落程度低于螺栓，拉鉚釘在軸向循環(huán)載荷作用下的磨損程度低于螺栓，防松性能更好.

4 結(jié)論

為得到拉鉚連接在光伏支架中應(yīng)用的可行性，本文對普通螺栓、防松螺栓和拉鉚釘進(jìn)行軸向循環(huán)荷載下的松動試驗，對比分析了三種連接方式的松動性能，研究考慮了荷載幅值和頻率對螺栓連接和拉鉚連接松動行為的影響，得到如下結(jié)論：

(1)在軸向循環(huán)荷載作用下，三種連接的松動過程主要分為預(yù)緊力迅速下降的第一階段和預(yù)緊力緩慢下降并基于平穩(wěn)的第二階段.拉鉚連接在兩階段預(yù)緊力下降程度都是最小的，表現(xiàn)出優(yōu)越的防松性能；

(2)在軸向循環(huán)荷載作用下，荷載幅值越高，螺栓與拉鉚釘松動程度越高；加載頻率越高，松動程度越低，并且拉鉚釘?shù)乃蓜映潭仁冀K小于螺栓的松動程度；雖然拉鉚釘強度和預(yù)緊力高于螺栓，但拉鉚釘表現(xiàn)出的防松性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過螺栓；

(3)螺栓的螺紋配合面之間存在較大間隙，存在點接觸導(dǎo)致緊固后出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，更容易發(fā)生塑性變形；而拉鉚釘?shù)莫毺貓A弧結(jié)構(gòu)的牙型和鉚接成型后牙型配合面的過盈配合可有效減少應(yīng)力集中的情況，從而提升防松性能；

(4)螺紋損傷顯示區(qū)域性特征，磨損機制主要為磨粒磨損和疲勞磨損.研究揭示螺栓和拉鉚釘在軸向循環(huán)載荷作用下其松動與接觸面的微動磨損密切相關(guān)，且拉鉚釘磨損程度低于螺栓，拉鉚連接在防松性能上顯著優(yōu)于螺栓連接，更能滿足工程需求.