浅析螺栓扭力值检验方法改进0

1、 浅析螺栓扭力值检验方法的改进 姓 名： 张立波 专 业： 电气工程及其自动化 部 门： 电气设备分公司品质管理部 指导老师： 刘兵 浅谈螺栓扭力值检验方法的改进张立波.株洲.电气设备分公司.南车株洲电力机车有限公司摘要：轨道交通设备中运用了大量的螺栓紧固件，重要部位的螺栓都会有确定的扭力值要求，对于专业的检验人员而言如何快速准确的测量螺栓扭力值是否达到要求就显得尤为重要了。本文介绍了扭矩测量转角测量形变量测量应变力测量四种测量扭力值的方法。通过分析对比四种测量方法的不确定度范围，并且结合公司实际情况推荐一种合理经济的螺栓扭力值测量方法。关键词：螺栓；扭力值测量；不确定度；扭矩分析Abstra

2、ct： Rail transportation equipment in use a lot of bolt fasteners, bolts, there will be an important part of determining the value of the torque required for professional inspectors terms of how fast and accurate measurement of bolt torque value is reached requirement is particularly important.This a

3、rticle describes the torque measurement angle measurementstrain deformation measuringforce measuring torque values of four measurement methods.Through analysis and comparison of four methods of measurement uncertainty range, combined with the actual situation and recommend a bolt torque measurement

4、method is reasonable economy.Keyword：Torque measurement；bolt ；uncertainty；torque analysis前言 轨道交通设备中大量运用到螺栓紧固件，在电气设备分公司的屏柜产品独立电器产品中都有运用到很多螺栓，对于关键部分的螺栓连接都会有扭力值要求，如何确定工作者是否将螺栓紧固到位，这就要求检验人员抽检螺栓的扭力值是否达到要求。目前分公司采用的抽检螺栓扭力值的方法是：定扭扳手测量，先将定扭扳手调到要求的扭力值，然后在已经紧固的螺栓上继续紧固，如果螺栓转动的角度没有超过设计要求的角度，即螺栓上的防松标识还是完整，而且听到定扭扳

5、手“滴答”一声不能继续拧紧时表明扭力值符合要求。这种方法简单快捷，但是此测量方法有一个弊端就是不能识别螺栓过扭的情况，如果螺栓过扭此种测量方法不能识别依然认为合格。因此如何正确有效的测量螺栓扭力值是一个值得研究的问题。结合分公司的实际情况选择一种高效简单实际的测量扭力值的方法。1 螺栓扭矩（紧固转矩）分析1.1 螺栓连接基本原理 螺母和螺栓在整个工业技术领域中是最合适的紧固元件，他们可以经受很高的工作负荷，也可以拆卸下来再加以利用。螺栓连接必须能够抵抗外力的作用，使已装配的零件不会向分离的方向移动，否则就会造成螺栓接头松动或者脱落。我们可以通过一个简单的机械模型来形象的描述螺栓连接：图1螺栓连

6、接受力模型：最小预紧力；：预载荷；：轴向力；：垂直于轴向的作用力：摩擦系数； 其实可以把螺栓连接看成一个张力很强的弹簧，在进行螺栓连接的装配式产生一个力，使被装配组件压紧在一起。由螺栓所产生的将零件压紧在一起的力称为预紧力。如果有一个外力作用在螺栓上，这将造成零部件的弹性变形。在装配时，夹紧力必须足够大，以确保被装配零件绝对不会相对移动；另一方面，在紧固时所施加的夹紧力必须保证螺栓不会发生破坏或者塑性变形。为此，紧固要求的唯一目的就是要保持预紧力在相应的公差范围内。如果在装配时有可能测量到这种预紧力并且控制施力工具，那么就有可能消除紧固过程中的大多数问题。在连接紧固件时，紧固件的几何形状以及两

7、个表面之间产生摩擦的恒定摩擦系数对螺栓装配转矩有很大的影响。允许的预紧力误差摩擦系数误差以及螺栓的直径和强度等级是确定拧紧转矩公差的依据。转矩公差是根据螺栓所需最小夹紧力的分析来设计的，如下图所示：图2允许的预紧力公差和所生成的摩擦系数决定转矩公差值：最小预紧力；：最大预紧力；：最小摩擦系数；：最大摩擦系数；：装配转矩的公差下限；：装配转矩的公差下限对于经受较高载荷的螺栓连接，其设计取决于载荷的大小以及相关零配件的装配方式。如果在装配过程中，紧固件需要被拧若干次，就必须预先进行实验室分析，以便推荐恰当的装配方式。在计算螺栓接头尺寸时，在注意超载时的螺栓实在最脆肉的剖面断裂。通常最脆弱之处是承受

8、多种载荷的螺纹剖面或腰行杆部。最重要的是，螺栓接头的持久强度是由连接部位的应力集中地大小而决定。在拧紧螺栓时，起连接作用的预紧力是因为将紧固件拧入螺孔而产生。在这一过程中，除了预紧力外，在螺杆上也产生了力矩。在研究螺栓连接时，必须注意到最大负荷不仅来自于最大拉伸力，也来自于预紧力和转矩，这两个因素在实际的装配过程中都会同时出现。1.2 螺栓连接过程中确定预紧力 在装配螺纹副连接时，计算机控制的测量和监控电子系统与现代化的传感器结合可提供转矩和转角方面的信息。在每个螺栓接连过程中最重要的目标值是预紧力，因为不可能以足够高的准确度来测量出或者估算出预紧力。基于这一原因，目前的大规模工业生产中，转矩

9、是唯一可记录的质量特征值，为了审查紧固连接件的质量，必须对转矩进行系统评估，实际上，转矩与预紧力之间的关系取决于紧固件的几何形状和摩擦系数，但是摩擦力是无法回避的，而且又是一个棘手的问题。由于一直存在这个问题，因此，按照所施加的转矩装配螺栓时，应该产生多大的预紧力，无法得出正确的结论。目前，电子控制的动力工具系统可以达到5%的转矩公差，可以保证装配紧固的有效。例如，有一个符合DIN931的8.8级M10螺栓，其恒定的摩擦系数=0.10，用40Nm的转矩，也就是公差范围为38-42Nm的转矩来拧紧该螺栓，那么就会产生公差范围为26-28.8kN的夹紧力。在螺栓紧固技术领域，预紧力能够达到这样的离

10、散范围可以说是一项显著地成果，因此，该技术是很受欢迎的。在紧固过程中，可采用ISO 16047作为参照标准来确定转矩与预紧力之间的关系。但是当涉及到要评估螺栓紧固过程中所反映出现的各种情况时，确定预紧力任然是一个复杂的过程。尽管如此，我们还是应该投入尽力去研究，以便用简便的方法在生产过程中预测螺栓连接内的摩擦情况。在生产中所有的装配方法都是为了获得理想预紧力的间接方法，用转矩控制拧紧方法是最常用的方法，这种方法可以使用很平常的基本装配工具。如果所施加的转矩是在预定的公差范围内，那么就可以认为所产生的预紧力是在设计的范围内。但是，大多大程度上，装配工作人员才认为这两个变量，即转矩和预紧力彼此成一

11、定的比例关系呢？什么因素会影响这种关系的变化呢？首先，紧固件的集合形状决定了多大的转矩可以产生一个特定的预紧力。在这方面，螺距是一个决定性的因素。螺栓时一个几何体，它相当于一种“螺旋上升的平面”，因此，影响整个螺纹连接中力的分布情况。第二个因素是螺栓连接内的固有摩擦关系，它影响着螺栓连接中各个力相互依存的关系。这里所指的就是在材料或者垫圈之上转动的支撑面摩擦力以及在材料螺纹孔内或者螺母的螺纹孔内转动的螺纹摩擦力。根据摩擦关系，所施加的转矩的50%需要克服螺栓头下的摩擦阻力，这就意味着，为了保证紧固作业的高质量，一定要认真观察螺栓头下的支撑零件的情况。影响摩擦特性变化的因素包括：1) 支撑零件的

12、接触面的粗糙度。2) 螺栓接头材料的硬度。3) 紧固件和被装配的零件的表面处理。4) 螺栓的润滑情况。5) 动力工具的转速。6) 螺栓接头的温度。7) 螺栓接头处的表面压力。8) 材料的匹配。以上所列因素虽然绝非详尽，但是包括了影响螺栓连接的摩擦特性的最重要的参数，这就意味着操作方法不正确绝对会导致螺栓连接的失效。转配人员手上或者工具上掉下来的一滴油就可以显著地改变紧固件的摩擦特性。例如，如下图所示，拧入一个摩擦系数u=0.14的干燥的螺栓时，起紧固转矩的分布情况如左图；如果螺栓做了润滑处理，摩擦系数变为u=0.08，那么在理的分布方面就会发生变化如右图。这就意味着现在的预紧力比原来的要高出约

13、40%。图3 螺栓连接内的摩擦关系和力的分配这就说明通过转矩确定螺栓预紧力的方法会有很大误差，特别是对于大螺栓，通过转矩确定要求的预紧力会受到很多因素的影响。1.3 拧紧力矩的计算 对于螺栓连接，其拧紧力矩T用于克服螺栓螺纹处的螺纹阻力矩及螺母与被连接支撑面间的断面摩擦力矩。式中：d为螺纹公称直径；为预紧力;为螺纹中径；为螺纹升角；为螺纹当量摩擦角；，其中为螺纹当量摩擦因素，为螺母与被连接件支撑面间的摩擦因素；K为拧紧力矩系数。由此可见：即使是同一批次规格相同的螺栓，也有可能搬运碰撞或者由于库房人员管理不当导致生锈等原因造成摩擦系数发生变化，从而使K值发生变化，从而导致预紧力发生变化。对于轴向

14、荷载比较小的螺栓来说紧固扭矩变化不大，但是对于本身轴向荷载很大的螺栓来说就会造成很大的紧固扭矩的变化，可能会出现对于同样规格的螺栓，用同样大小的力矩拧紧而造成拧力不足或者超拧现象。K 的取值较为复杂，很难得到其正确值。对于普通粗牙 M1 2 M6 4螺纹 ，其拧紧力矩系数 K一般在 0.1-0.3的范围内变动，表1为参考值：表1 拧紧力矩系数K摩擦表面状态K有润滑无润滑精加工表面0.100.12一般加工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.200.24镀锌0.180.22干燥粗加工表面-0.26-030这样就产生了一个矛盾：我们可以根据设计工况和 要求来确定所需要的预紧力的大小，

15、但却 无法在现实中很精确的施加我们所要求的预紧力的大小，所能控制的只是所施加的拧紧力矩的大 小。不过这个矛盾的讨论不是本文的重点，主要是为了阐述这种现实情况的存在。螺栓预紧力( 拧紧力矩) 的确定方法图 l 所示为压力容器的法兰螺栓联接同时受预紧力和轴向工作载荷的典型实例。通常情况下 由N个螺栓螺母副联接的法兰联接体，给予一定的紧固力F的同时，联接体内产生内力F x ，对 于这种用于有一定压力的流体的联接体，设计螺栓的拧紧力矩时，须考虑以四点 ：( 1 )确保螺栓的强度，即不允许发生因拧紧力矩过大导致螺栓的屈服破坏而丧失联接体的机能( 2 )确保螺纹的强度，不能因为过大的拧紧力矩而导致螺纹发生

16、脱扣现象。( 3 )确保法兰盘的强度，不能因过大的拧紧力矩导致法兰发生破坏 。( 4 )确保垫片、垫圈的性能，既保证不因拧紧力矩过小导致渗漏 ，也不因拧紧力矩过大导致垫片压死，从而在产生内压力后渗漏。 合适的拧紧力矩对螺栓联接来说是非常重要的。确定拧紧力矩的第一步就是一计算出一个合适的预紧力F，经过以上的分析，可以确定F的合适的范闹是F I Mi n ( F 2 ，F 3 ，F 4 ，F 5 ) 。其中，F 1 一垫片保证密封的最小压紧力；F 2 一使垫片或者垫圈破坏的压紧力； F 3 一 使螺纹破坏 的压紧力：F 4 一螺栓的许用最大预紧力 ： F 5 一 使法兰或者其他压紧面破坏的拉力 。

17、2 螺栓扭力值检验方法分析2.1 螺栓扭力值紧固原理力矩法、转角法螺纹紧固件拧紧过程对比图4 拧紧过程的不同阶段图5 扭矩转角法图6 扭矩法从上图分析，由于受k值变化的影响，相同的拧紧力矩会得到不同的预紧力，最终轴向预紧力分散(图6)。扭矩转角法拧紧能有效控制螺栓预紧力(轴向力)，避免用扭矩法拧紧时出现的螺栓拉长或拉断现象(图5)。转角法比力矩法更能很好去控制螺栓轴向预紧力的一致性。也就是说，只要合理选择控制参数，转角法比力矩法可靠性更高。2.2螺栓扭力值检验方法浅析目前常用的螺栓扭力值检验方法一般有三种：1 拧紧法（增拧法）：扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微

18、小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。此种方法操作简单，但必须熟练有经验。2 标记法（划线法）：检验前先在被检螺栓或螺母头部与被连接体上划一道线，确认相互的原始位置。然后将螺栓或螺母松开些，在用扭矩扳手将螺栓或螺母拧紧到原始位置（划线处要线对准），这时的最大扭矩值再乘以0.91.1所得的值即为检查所得的扭矩。技术水平不高，操作较繁琐，不适宜有防松功能的紧固件。3 松开法：用扭矩扳手慢慢地向被检螺栓或螺母施加扭矩，使其松开，读取开始转动时的瞬时扭矩值，并根据试验和经验乘以一个系数：1.11.2即为检验扭矩值。操作

19、简单，但必须熟练有经验。方法拧紧法有一些缺点：1、存在二次紧固的可能；2、对螺栓何时开始启动很难确定，存在主观因素；3、螺栓启动的时候，实际扭矩值应该是大约安装时候的扭矩值，所以测试值一般偏大。方法标记法更加精确，所测量的是动态扭矩，而设计人员从设计角度给出的扭矩即为动态扭矩。方法松开法适合于扭力值比较小的场所。P.S 残余扭矩值是再继续拧紧螺栓/螺母时旋紧一个小角度测得的最小扭矩值。起动扭矩不能作为残余扭矩。 动态扭矩：当紧固件再被固定的过程中测量得到的最大峰值。扭力扳手和动力工具都可以施加动态扭矩，动态扭矩不能在紧固件被紧固完之后测量。动态扭矩加载时进行在线测量得到的扭矩值。 静态扭矩：在一个紧固件被固定好之后，将其在拧紧方向上继续旋转的瞬时所需要的扭矩。加载后对扭矩进行测量。 检测扭矩：与静态扭矩相同. 动态与静态两种扭矩的监控与使用何种工具无任何关系，但是在确认扭矩时却非常有用。动态扭矩和静态扭矩的测量结果可能并不相同。静态扭矩会随着时间的推移而衰减，被紧固件为非金属时尤为明显；而且