力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析.doc

力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析郭卫凡 黄文建(重庆工程职业技术学院 邮编；400037)摘要 本文分析了使用力矩法控制螺栓预紧力时螺母系数的变化及与主要影响参数间的关系。关键词 螺栓、预紧力、分析计算1. 引言 普通螺栓联接在装配时都必须拧紧，产生预紧力作用。螺栓预紧力的存在，除了使零件之间产生紧密联接之外，还会大幅度降低在动载荷作用下螺杆应力的变化幅度，提高螺栓联接的疲劳强度。如果预紧力过小，外载荷可能超过螺栓联接的预紧力，这会使螺栓联接体的刚度大幅下降，同时也使应力变化幅度增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。 另外，在振动与冲击作用下，螺栓可能逐渐失去其设定的预紧力，产生螺栓振动松动。增大预紧力，能有效地减低振动与冲击力对螺栓联接的松动作用，提高螺栓联接的强度与可靠性。但若预紧力过大，则可能超过螺栓的静力强度，起到相反的效果。因此，螺栓预紧力的控制，是提高提高螺栓联接疲劳强度与可靠性的重要手段。 螺栓预紧力可以通过多种方法进行控制。其中力矩法控制是最简单易行，最常用的螺栓预紧力控制方法。但力矩法控制螺栓预紧力的准确度较差，发散性很大。本文就对影响力矩法控制预紧力准确度的几个重要参数进行分析讨论。2. 分析计算 螺栓的拧紧力矩与预紧力的关系可用以下公式计算（2）： （2-1） 其中，T为螺栓拧紧力矩，Fi 为预紧力，dm为螺纹的节园直径，近似等于螺纹的平均直径，l为螺纹的升角，a为螺纹牙型斜角，L为螺纹啮合段的工作高度，dc为螺母或螺栓头接触面的平均工作直径，m为螺纹接触面上的平均摩擦系数，mc螺母或螺栓头接触面上的平均摩擦系数。 通常条件下可取 dc = (1+1.5) d/2 = 1.25 d，其中d 是螺栓的公称直径。 由于螺纹的升角可由下式计算 tg l = L /( dm) 则 式(2-1) 可简化成（2-2） 对一个给定规格的螺栓，如果摩擦系数为常数，式(2-2)中的预紧力与拧紧力矩成正比。式(2-2）可以被近似表达为 T= K Fi d (2-3) 其中K 为螺栓联结的扭转系数，或螺母系数。如果K为已知，螺栓预紧力可通过式 (2-3) 得出。计算表明，螺栓公称直径不同，对螺母系数变化影响很小。螺母系数主要与摩擦系数有关。 下面我们来验证以上螺母系数的近似程度及受相关参数应的影响。一般在有充分润滑作用条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.08 0.12之间。而在无润滑条件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在0.1 0.25之间。 取润滑条件下的平均摩擦系数为 m = mc = 0.105，对公制粗螺纹，可算得不同规格螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.1530.1510.150.150.150.1470.1470.1470.1460.1460.1450.145 取无润滑条件下的平均摩擦系数为 m = mc = 0.155，对公制粗螺纹，可算得不同公称直径螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.2040.2030.2030.2020.2020.200.200.200.1990.1980.1980.198 如果螺纹为润滑条件，螺母或螺栓头为无润滑条件，取对应的平均摩擦系数为 m = 0.105，mc = 0.155，对公制粗螺纹，可算得不同公称直径螺栓的螺母系数如下：d6810121416202430364248K0.1780.1770.1760.1750.1750.1730.1730.1730.1720.1710.1710.170 以上的公称直径与螺母系数的关系可由图1表示： 图1：摩擦系数为两个常数时计算得到的螺母系数与螺栓公称直径的关系。 分别取螺栓公称直径为M10 与M20的公制粗螺纹，当摩擦系数变化时，可算得对应的螺母系数变化如下：m 0.070.080.090.100.110.130.150.180.200.220.250.30K (10)0.1040.1160.1270.1390.150.1740.1970.2310.2550.2780.3130.371K (20)0.1010.1130.1240.1360.1470.1710.1940.2290.2520.2760.3110.369 以上结果表明，螺母系数与摩擦系数基本上呈线性关系，而螺栓公称直径改变对螺母系数影响很小。图2 给出了螺栓对应螺母系数随摩擦系数变化的关系曲线： 图2：螺母系数随摩擦系数变化的关系曲线。 类似的计算结果表明，公称直径，螺纹的粗细对螺母系数K的影响很小，而摩擦系数的变化，对螺母系数K的影响则很大。摩擦系数的正常变化范围可能导致螺母系数产生+30%的变化。 在实际应用中，螺栓联接接触面处在非润滑条件下，取 K = 0.2，螺栓联接接触面处在润滑条件下，取K = 0.15，则螺栓平均预紧力可通过拧紧力矩算出。 在润滑条件下，如果通过螺栓头来拧紧，则也应润滑螺栓头的接触面。采用润滑条件下用力矩法来控制预紧力，给螺纹接触面施加润滑剂而忘记给螺栓头接触面施加润滑剂，会使实际的螺栓平均预紧力低于计算出的预紧力。这可能是许多实际操作中一个经常犯的错误。而如果螺母面是拧紧旋转面，由于靠近有润滑作用的螺纹面，则可不用施加润滑剂。 由于摩擦系数 m 的发散性很大，相同的拧紧力矩可能得出相当不同的螺栓预紧力。特别是当预紧力较大时，在干摩擦面上还可能在接触面凹凸点上产生局部冷焊作用，使摩擦系数变得更大，从而使螺栓预紧力的分布发散更大。 力矩法来控制预紧力的特点是方法简单，操作容易。但这种方法的准确度较差，特别是在无摩擦条件下，由于接触凸点局部冷焊可能使螺母系数K变得很大。因此，如果采用力矩法来控制螺栓联接预紧力时，最好使用润滑条件下的力矩法来控制。3. 反复加载作用下螺母系数K的变化 当螺栓联接被反复拆卸，反复加载作用会使摩擦系数产生很大改变。在无润滑作用下由于接触凸点局部冷焊可能使摩擦系数变得很大。拆卸后重新润滑是控制螺栓预紧力分布，提高螺栓联接可靠性的重要手段。以下的一组试验结果给出了不同润滑条件下反复加载作用时测定的螺栓联接的螺母系数K值的变化范围 ：表面润滑条件拧紧方法试件数加载循环数最大K值最小K值只润滑螺纹螺母10100.080.18只润滑螺纹螺栓头10100.230.49润滑螺纹与螺栓头螺栓头5100.100.21 以上结果表明，最大与最小螺母系数K值变化范围超过一倍。但润滑条件下的平均螺母系数K值约为0.15，而螺栓头旋转面无润滑条件下平均螺母系数K值远超过0.20。这是因为在循环加载作用下，由于接触凸点局部冷焊作用会使摩擦系数变得很大，从而也使螺母系数K变得很大。 图3 给出了不同润滑条件下加载循环次数对螺母系数变化的影响（3）。图3： 螺母系数随加载循环次数的变化关系。 图3 所示的结果表明，只有润滑螺纹时，用螺母拧紧时螺栓联接预紧力随加载次数变化变化很小。但用螺栓头拧紧时螺栓联接预紧力随加载次数变化则很大。这是因为用螺母拧紧时，螺纹上的润滑油会影响螺母接触面，而用螺栓头拧紧时，螺纹上的润滑油不会影响螺栓头接触面，压力变大后接触面局部冷焊的作用会极大的增加接触面上的平均摩擦系数。因此，在润滑条件下拧紧的螺栓联接，每次拆卸都要重新加上润滑剂，用螺栓头拧紧时，还要润滑螺栓头接触面。4. 小结 螺栓预紧力可以通过拧紧力矩T= K Fi d控制。在非润滑条件下，K = 0.2，润滑条件下，K = 0.15。 力矩法是最简单易行的螺栓联接预紧力控制方法，但准确度较差，误差可达+30%。在许多影响螺母系数K的参数中，摩擦系数是主要的变数。润滑作用可以改善预紧力分布，在润滑充分的条件下预紧力分布会更均匀。在循环加载作用下，由于接触点上的局部冷焊作用，无摩擦条件下的螺母系数变化要增大很多，所以每次拆卸后重新拧紧前润滑螺纹能显著减少预紧力的变化。如果通过螺栓头拧紧，则螺纹与螺栓头接触面都需要润滑。 参考文献(1) 西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，濮良贵主编，“机械设计”，1989，高等教育出版社。(2) Joseph Edward Shigley, Charles R. Mischke,“Mechanical Engineering Design”, 5th ed, 1989, McGraw-Hill.(3) Deneen M. Taylor, Raymond F. MorrisonTest, “Faying Surface Lubrication Effects on Nut Factors