摩擦系数与扭矩系数的关系

1、经典好文？扭矩系数和摩擦系数有何关系？ 一文读懂高强度紧固件安 装 ！扭矩系数、摩擦系数都是紧固件连接副安装中的两个重要参数，两者既有联系又有区别，他们是从不同的侧面反映高强度紧固件安装中的 扭矩数值。扭矩法易于理解，便于操作，在弹性范围内，扭矩值与预 紧力呈线性关系，确定扭矩系数后即可以计算出连接副具体的安装扭 矩；而从摩擦系数中，可以具体反映出支承面摩擦及螺纹摩擦的数值 及它们互相之间的关系、扭矩的具体分配数值。紧固件通过扭矩法安装，直观、简便、易于操作；通过摩擦系数来确 定安装扭矩，数值精确，安装的可靠性比较强。一、扭矩系数、摩擦系数之间的关系及计算公式：1 .螺栓副的扭矩系数：扭矩法易

2、于理解，在弹性范围内，扭矩值与预紧力一般呈线性关系，扭矩值随着预紧力的增加而加大；因此扭矩法，可以在测量扭矩系数 后，具体的数值可以根据螺栓的规格，查找 GB相应的标准，可以得 出具体的扭矩数值，操作简便。具体参见下面的公式：T=K?F?DT-扭矩（）K-扭矩系数F-预紧力（也称轴力KN）D-螺纹的公称直径（mg扭矩系数是紧固件连接副安装时，必须要了解掌握的一个重要技术参 数，目前安装扭矩、扭矩系数已经受到广大使用者的广泛理解、 接受， 并且在安装时普遍受关注。扭矩及扭矩系数是既有联系又有区别的两 个参数。当扭矩数值选定后，扭矩系数越小，产生的紧固力越大；扭矩系数越 大，产生的紧固力越小。当扭

3、矩系数小到一定的程度，在一定的扭矩 的作用下紧固力超过了螺栓的强度极限，高强度螺栓就会产生伸长甚 至断头的现象；反之，扭矩系数过大，产生的紧固力就会过小，整个 螺栓连接副就达不到锁紧的功能，连接副就有可能产生松动情况。因此，要使紧固力在一个标准的范围内，产品的扭矩系数就要限定在 一个规定的范围内。目前国家紧固件标准 GB/T 1231-2000对钢结构用高强度螺栓连接副的标准作了规定，扭矩系数 K=,标准偏差使用单位一般比较重 视扭矩系数，认为扭矩系数确定后，马上可以确定安装扭矩，进而可 以实施紧固件连接副的安装；但是对标准偏差则容易忽视。如果标准 偏差），在安装时，就会产生个别螺栓的预紧力偏

4、离比的现象：标准 偏差值偏大或者偏小，都会造成个别紧固件连接副过拧或者拧不紧的 现象，对安装可靠性存在隐患。如果扭矩系数偏大，标准偏差在的范围内，连接副离散度非常小， 每一副紧固件的受力比较均匀；扭矩系数偏大，会在安装时增加一些 扭矩数值，但是不会产生过拧或者松动的现象，安装的可靠性、安全 性增加。因此，从某种角度来讲，标准偏差比扭矩系数更加重要。2 .螺栓副的摩擦系数:在螺栓安装时，摩擦总系数，包含螺纹扭转摩擦与端面摩擦现象，可 以通过摩擦系数试验机来进行各项摩擦系数的测定，因此，可以将安装扭矩分为三个部分：螺母与垫圈平面之间的支承面摩擦 (也称为端 面摩擦)，占安装扭矩的50溢右；螺栓螺纹

5、与螺母螺纹间的摩擦， 称为螺纹摩擦，占安装扭矩的40溢右；真正转化为紧固轴力的称为 预紧力，只占安装扭矩的10溢右；由此可见，在紧固件连接副安装 时，大部分的安装扭矩都在前两个摩擦中损耗。(GB/紧固件 扭矩夹紧力试验)。上海的几家高强度紧固件公司做了大量的摩擦系数相关实验，与理论叙述的概念一致，大部分的安装扭矩都在前两个摩擦中损耗， 但是实 际数值略有不同；三部分的扭矩数值的分配为：螺纹间的摩擦损耗安 装扭矩30%-40%支承面之间摩擦损耗安装扭矩 40%- 50%真正转 化为夹紧力的扭矩一般在 10%- 20溢右；而且粗牙螺纹与细牙螺纹 也存在一定差别。下面的图表一是一家外资检测公司经过一

6、系列摩擦 系数的实验得到的实验数据，可以反映了螺纹摩擦扭矩、支承面摩擦 扭矩与夹紧力间的相互关系。从上面的图表中可以看出：(1)摩擦系数对夹紧力影响很大，摩擦系数越小，对夹紧力数值的 贡献越大；反之，摩擦系数越大，对夹紧力数值的贡献越小。(2)在正常提供合格的摩擦系数要求范围内， 预紧力占总扭矩的10% 是理论阐述分析的数值，不是实际的安装扭矩的预紧力分配的数值；如果高强度紧固件表面状况改善，摩擦系数系数会下降，夹紧力的数 值也会相应地提高，能够有效地增加预紧力扭矩的数值，安装连接的 紧固度也可以增加。(3)在一般正常的情况下，端面摩擦大于螺纹摩擦。3.摩擦系数的计算公式：(1)总摩擦系数与支

7、承面摩擦系数、螺纹摩擦系数有数学公式关系，可以进行具体的计算：摩擦系数的计算公式：螺纹摩擦系数：支承面摩擦系数：总摩擦系数仅用于比较各种不同摩擦条件下的螺栓连接副摩擦系数 的状况，总摩擦系数的简化公式是由假定螺纹摩擦系数与支承面摩擦 系数相同为前提条件所确定的。国家标准GB/ -1997螺纹紧固件拧紧试验方法，国际标准ISO16047-2 0 0 5紧固扭矩一 轴向预紧力试验有些区别；G B/ T16 8 23.3 国家标准与日本标准JIS1083-1990螺纹紧固件通则等效，ISO16047-2005叙述更加深入详细，标准里面的字母代表各不相同；(2)扭矩系数与支承面摩擦系数、螺纹摩擦系数的

8、关系不能用确切 的数学公式来表示，但是他们之间的关系可以采用表格的形式来反映， 表明了一定的对应关系(见下面表二)：在表中阴影区域是我们在安装中经常碰到和研究的区域。 这个区域范 围一般的紧固件产品表面润滑后是可以达到的。 在一般状况下，制造 厂家与使用单位对安装扭矩及几个系数的测量均可以达到这个区域 范围，其他区域是在各种表面状况、在安装过程中，润滑不到位所呈 现的几个系数相互间的关系。扭矩系数偏大，在安装时施加扭矩要大幅度地增加。扭矩过大，超过 屈服点，会造成超拧，拉长，甚至断裂的情况；当安装扭矩确定后， 如果扭矩系数偏大，分配到紧固轴力数值会偏小。钢结构安装时规定 的扭矩系数为，目前一般

9、制造厂在润滑状态下均能控制在这个区域， 关键是如何控制好离散度，使标准偏差在以下，偏差数值越小，说明 紧固件的一致性越好，对安装可靠性、安全性也越有保障。（3）安装扭矩与支承面摩擦系数、螺纹摩擦系数的计算：通过摩擦试验机，可以测量出的摩擦系数的数值，这样能够了解紧固 件在部件安装时每个摩擦系数的状况及各系数之间的关系； 同时通过 下列公式，计算出摩擦系数对安装扭矩的影响， 扩大了安装扭矩的计 算途径，打破了许多公司认为只有通过扭矩系数 K才能计算安装扭矩 的观念，详见表三：在克服螺纹摩擦、连接副拧紧的过程中，除了要克服螺纹之间的摩擦 阻力外，还要克服螺纹升角（B）带来的上升阻力。螺纹开角粗牙与

10、 细牙产生的阻力是不同的，粗牙的升角（3=2度50分，细牙的升角（3=2度10分，粗牙螺纹的上升阻力相对比细牙螺纹要大，因此螺纹之 间的摩擦系数，又称为螺纹副摩擦系数，它包括螺纹之间的摩擦力和 克服螺纹开角阻力二个方面的因素，见表三。二、表面状况对扭矩系数、摩擦系数的影响：1、产品表面状况对扭矩系数、摩擦系数的影响: 表面状况对扭矩系数K的数值影响很大，它直接关系到安装扭矩及紧 固轴力数值。高强度紧固件连接副不同的表面状况，对扭矩系数、摩 擦系数产生很大的影响。在一般情况下，产品表面粗糙、加工痕迹明 显对高强度紧固件连接副扭矩系数、摩擦系数数值会增加，进行润滑 后，扭矩系数、摩擦系数可大幅度地

11、下降，这对紧固件安装的可靠性、 扭矩系数与摩擦系数一致性影响很大。润滑后扭矩系数、摩擦系数下降幅度一般在 20%-50溢右，有些比 较好的润滑方式，扭矩系数K可以下降80%®至100%Z上，我们对高 强度紧固件连接副各种表面状态进行了一系列的试验， 得出各种表面 状况对扭矩系数K的影响状况，具体见表四。2、润滑对扭矩系数的影响：润滑剂能有效地降低摩擦系数、扭矩系数，其积极作用显而易见，但是不同类型的润滑剂产生的作用区别很大：(1)不同润滑剂对扭矩系数的影响：我们公司M30的螺栓连接副，经过Delta-Mks表面处理，盐雾试验达 到720小时，表面处理后，我们测得扭矩系数在范围内。但是

12、，用润滑剂后，扭矩系数直线下降；而且不同类型的润滑剂，扭 矩系数下降的幅度不同。我们采用两种不同的润滑剂进行螺纹表面润 滑：一种是Molykote 1000的油脂性润滑剂；另外一种润滑剂是上海 达克罗公司25%勺白色油性润滑剂，分别用了五套连接副做试验，情 况见表五。Molykote 1000是二硫化铝油脂型的润滑剂，润滑效果好，能有效降 低扭矩系数，而25柏色润滑剂是油型润滑剂，虽然也能降低扭矩系 数，但效果不及二硫化铝油脂型的润滑剂。由此可见，润滑剂型号的 不同对扭矩系数的影响很大。(2)相同润滑种类，不同工艺对扭矩系数的影响：以表面磷化为例，同样的表面磷化处理，不同参数对扭矩系数影响大，

13、 表面磷化处理能在产品表面产生细小致密的微孔，由于微孔直径细小 均匀，有吸附及存储液体的作用，能有效防止粘连、咬合的作用；而 且，由于磷化表面层均匀性、一致性良好，它对扭矩系数的均匀性也 同样起到良好的作用，因此是汽车行业常用的表面处理方式。但同样的磷化处理，除了牌号不同外，不同的工艺方法对扭矩系数也 会带来一定的影响。磷化表面层对汽车紧固件扭矩系数的影响，经过反复的试验与论证，可以得到以下结论：1)在未经任何封闭的条件下，磷化温度高，其摩擦系数低。2)磷化工艺及磷化种类对封闭后的摩擦系数影响不大，影响摩擦系 数的关键因素是封闭剂。3)磷化封闭后，烘干温度高，其摩擦系数略有提高，尤其是螺纹部分

14、 的摩擦系数提高较多。封闭处理时，应该充分考虑紧固件摩擦系数的 要求范围，摩擦系数甚至可以通过封闭剂种类及黏度来较为准确地调 控摩擦系数。(3)同一种润滑剂，不同涂装部位对安装扭矩的影响：如今润滑越来越被人们重视。不仅润滑剂的种类不同、润滑工艺的不 同会给安装扭矩产生不同的影响，就是同一种润滑剂，由于涂装部位 不同，扭矩系数也会带来很大的变化。润滑方位越是全面，扭矩系数 会越小。我们公司对M36大六角螺栓，用同样Mol ykote1000的润滑剂，由于 涂装部位不同，产生的K系数值也不同：一组是在螺栓与螺母上涂润滑剂，8套螺栓连接副的扭矩系数平均值， 标准偏差，具体见表六。另一组，除了在螺栓与

15、螺母螺纹上涂了润滑剂， 还在垫圈的平面上也 涂了润滑剂，由于润滑状况良好，扭矩系数明显下降。经过测试，扭 矩系数平均值在，标准偏差在，具体见表七。在表七中出现一套螺栓 连接副的扭矩系数为的情况，经我们测试后，在试样的检查中发现螺 栓的螺纹轻度碰伤，如果这一数值正常，那么扭矩系数在以下。从上面两组数据可以看出在垫圈的平面上涂了润滑剂后， 由于润滑状 况良好，扭矩系数明显下降，下降的幅度为 15%fc右。这也符合扭矩 系数分配关系，平面摩擦系数占扭矩系数 50溢右。因此，在垫圈的 平面上加润滑剂，对扭矩系数的下降非常有效，可降低安装时的扭矩， 起到事半功倍的效果。上海某高强度紧固件有限公司，经过多

16、次试验及测量，在垫圈平面加 Molykote后，扭矩系数直线下降。一般螺纹涂润滑剂扭矩系数在 之间，而增涂垫圈面后扭矩系数在之间，下降 25%fc右，个别批次 的扭矩系数最低可达到，因而全面润滑对扭矩系数下降作用很大，值 得安装使用单位深思，这一数值也符合扭矩系数的分配规律。（4）螺母的润滑状态比螺栓更重要：经过多次实验，我们可得出实践结果：螺母均匀地润滑对扭矩系数的 下降起很大的作用，比螺栓的润滑更为重要。例如，对M20*100的大六角螺栓连接副的扭矩系数几次测定数值状况：在M20*100的大六角螺栓连接副的扭矩系数测定中， 我们在垫圈平面螺栓螺纹处均匀地涂上 Molykote1000的二硫

17、化铝润滑脂，螺母内圈 比较难涂，只能象征性地蜻蜓点水抹了一些，结果测出扭矩系数偏大， 为，具体见表八。用户接到报告后，认为扭矩系数偏大，不符合他们企业的标准一一扭 矩系数w 0. 13。（湖南湘电客户）为了达到客户规范的要求，我们又重新拿了八组螺栓连接副，对螺栓、螺母、垫片、重新认真涂抹，尤其是螺母内螺纹做到每牙都均匀地抹上Molykote1000润滑脂，紧固件研究所测定，扭矩系数大幅度 下降，达到，符合客户企业标准，具体见表九。根据上面两组数据，我们对比分析出：同一批产品，同一种润滑剂， 后面一组产品与前面不同的是在螺母螺纹孔全面涂装，扭矩系数明显下降，降幅比较大。说明螺母润滑对扭矩系数下降

18、起了很大作用。我 们经过多次反复实验，证实了螺母的润滑比螺栓的润滑更为重要。三、摩擦系数对螺栓副安装产生的影响：实例说明一一福建某风场螺栓安装跟转实例分析：在福建莆田沿海某风场，在风机紧固件连接副安装时，有四个紧固件制造公司进行供货：两家公司安装情况正常；但是另外两家公司（其中一家是稳碉公司)的紧固件连接副，在安装时，出现20325%生 右的螺母在旋合时发生跟转一一即螺母在扳拧时，六角螺母与在六角 螺栓头部同一方向旋转，形成打滑、拧不紧的现象，如图一 B,给现 场施工带来不便，影响正常安装。跟转产生原因与制造和安装两个方面都有密切的关联。1、跟转产生的原因：(1)摩擦力的分配关系：国家标准GB

19、/T一一1997螺纹紧固件拧紧试验方法明确叙述：安 装扭矩分为三个部分：螺栓与螺母间的扭转摩擦，螺纹间产生的摩擦 力矩要占总安装扭矩40溢右；螺母与垫圈平面之间的平面摩擦，螺 母与垫圈平面之间力矩要占总安装扭矩 50%fc右。在安装时，大部分 安装扭矩都在前两个摩擦中损耗，直接转化为预紧力的只占紧固扭矩 的10%fc右。如果螺纹间产生的扭转摩擦力增加，数值超过了螺栓与 垫圈平面之间的支承面摩擦力，那么，螺栓就会产生与螺母一起转动 的现象一一习惯上称为跟转。(2)产生跟转的原因：跟转一般产生在螺纹间隙公差控制在比较小、 润滑不到位的情况。如 果螺纹公差控制比较严格，螺栓连接副在使用中安全，不容易

20、产生滑 丝、脱扣现象。如果放大螺母中径，配合比较松，螺纹间隙增加，螺 纹间的摩擦力自然会减少，安装时比较省力，也会消除跟转的现象； 但是，在使用中会增加脱扣的风险，重视紧固件螺纹配合质量的高强 度紧固件制造公司，公差控制比较严格，如果碰上表面处理厚度略微 增大，螺纹间的间隙减少了，很容易造成安装出现跟转的现象。经过 分析，产生跟转的情况有四种可能性：螺栓副螺纹配合比较紧密，配合间隙比较小；螺栓副螺纹制造比较粗糙，在旋合时摩擦阻力大；垫圈平面光滑，形成摩擦阻力小，这样螺纹之间摩擦力相应地增加； 安装时润滑不到位。在以上四个方面，会出现四项中几项兼有的状况，其中，螺纹制造公 差及安装时润滑不到位，

21、是产生跟转的主要原因。而且润滑重要性往 往不被人们所重视，不仅润滑剂的种类不同、润滑工艺的不同，会给 安装扭矩产生不同的影响；即使是同一种润滑剂，由于涂装部位不同， 扭矩系数也会带来很大的变化；润滑方位越是全面，扭矩系数会越小。(3)如果排除螺纹制造公差的问题，消除跟转的最积极有效的途径 是增加润滑，合理地调配润滑，减少螺纹间的摩擦力。螺纹间润滑增加后，螺纹摩擦力减少了，扭转摩擦下降了，螺母与垫 圈平面之间的平面摩擦相应地按比例增加， 当平面摩擦 扭转摩擦， 跟转情况有效地消除了。(4)垫圈平面光滑，形成摩擦阻力小，也容易造成螺栓跟转拧不紧的现象。山东一家公司采用垫片喷丸打毛的方法， 增加端面

22、摩擦，收到了一定 的效果，在安装时，螺栓的跟转比例，从起初旋合时 20-25%F降到 58%(垫片喷丸打毛后)，但是还是存在个别紧固件跟转的现象，没 有彻底地解决安装时的螺栓的跟转问题。2、原因分析: 经过现场安装情况的仔细查看分析，发现福建莆田沿海风场跟转的现 象是由于润滑不到位所造成的。现场安装实行计件制，安装工程队为 了安装进度和经济效益，涂润滑油脂比较粗糙。由于在螺栓、垫片外 表面涂润滑油脂，比较容易涂抹，但是螺母内孔比较难以涂抹，只是 象征性地涂抹一下，润滑状态没有达到要求，使得螺纹之间的摩擦大 幅度地增加，当螺纹间的摩擦超过了支承面间的摩擦，就会导致跟转, 即拧不紧的现象。找出来原因后，我自己用刷子对六角螺栓、六角螺母垫、垫片按照技 术规范