力矩法、轉(zhuǎn)角法上緊螺栓力矩可靠性分析
________________________________________作者 ：黃 偉，陳家權(quán) 更新時(shí)間：2008-2-13
（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ，廣西 南寧 530004）
摘要： 采用螺栓聯(lián)接零件，螺栓的預(yù)緊力是衡量螺栓聯(lián)接可靠性的重要指標(biāo)，為了使螺栓達(dá)到所要求的預(yù)緊力，目前普遍采用力矩法和轉(zhuǎn)角法這兩種上緊螺栓的方法。利用超聲波測(cè)長(zhǎng)儀，可以測(cè)量出螺栓擰緊前后的微小變化量，通過(guò)計(jì)算可得到螺栓的軸向預(yù)緊力。實(shí)驗(yàn)表明，力矩法擰緊螺栓，軸向預(yù)緊力較分散，不好控制，而轉(zhuǎn)角法擰緊螺栓，軸向預(yù)緊力較集中，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)角法能夠很好控制螺栓的預(yù)緊力，可靠性要優(yōu)于力矩法。
關(guān)鍵詞： 預(yù)緊力 ; 可靠性 ; 力矩法 ; 轉(zhuǎn)角法
引言
在國(guó)內(nèi)的一些發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)中，對(duì)于一些高強(qiáng)度螺栓，如主軸螺栓、連桿螺栓、缸蓋螺栓等，都是采用力矩法來(lái)上緊的。即使用擰緊工具如定力扳手、電動(dòng)擰緊機(jī)等，將螺栓上緊到某一設(shè)定力矩即可。這種上緊螺栓的方法，已長(zhǎng)期得到廣泛使用。在某些企業(yè)，上緊螺栓力矩工藝更加復(fù)雜，先是用ATLAS扳手將螺栓上到某一力矩值，再用人工復(fù)緊到工藝要求設(shè)定值。這種方法可靠性如何呢？人工復(fù)緊是否存在重復(fù)工作？。在國(guó)外的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，已普遍采用轉(zhuǎn)角法上緊螺栓力矩。即用自動(dòng)擰緊機(jī)將螺栓擰到某一力矩值后，再轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高，控制精度高，一至性很好，消除人為因素影響。
一：螺紋連接基本原理
1、螺栓擰緊過(guò)程中的摩擦與扭矩消耗
圖 1
螺栓擰緊過(guò)程中的摩擦與扭矩消耗如上圖所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式有：
式中： 為螺紋副摩擦系數(shù)； 為端面摩擦系數(shù)；
為螺栓有效直徑，粗牙螺紋， 0.906d ，細(xì)牙螺紋， 0.928d；
為端面摩擦圓有效直徑，
分別為摩擦圓的外徑及內(nèi)徑；
d為螺紋公稱直徑；
為螺紋升角，粗牙螺紋 2°50′，細(xì)牙螺紋 2°10′
為垂直截面內(nèi)的螺紋牙形半角，約為29°58′
經(jīng)計(jì)算可得下表1：
硬連接 軟連接
摩擦系數(shù) 0.08 0.14
螺栓伸長(zhǎng)(夾緊) 20% 12%
螺紋摩擦 35% 39%
端面摩擦 45% 49%
圓餅圖：
圖2
由表1可知，在上緊力矩的過(guò)程中，只有10-20%左右的擰緊力矩轉(zhuǎn)化為螺栓的軸向力。而軸向力（預(yù)緊力）是評(píng)價(jià)螺紋連接可靠性的重要性指標(biāo)。螺栓松動(dòng)的重要原因，是預(yù)緊力不足，防止螺栓松動(dòng)的有效措施，就是確保預(yù)緊力、提高預(yù)緊力。
2、摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)的關(guān)系
摩擦系數(shù)是摩擦力與正壓力的比值。螺紋聯(lián)接摩擦可分為螺副摩擦系數(shù)μs，端面摩擦系數(shù)μw。扭矩系數(shù)k是反映螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與軸向夾緊力之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由T=kd?F給出(式中：T－擰緊力矩；d－螺栓直徑；F－軸向夾緊力或螺栓預(yù)緊力；。K值越小，螺紋摩擦和端面摩擦所占扭矩消耗比越小。
通過(guò)實(shí)際測(cè)試同一規(guī)格同一批次的國(guó)產(chǎn)螺栓，其k值變化非常大。故在保證同一規(guī)格同一批次螺栓軸向預(yù)緊力相同的情況下，由于受到k值變化的影響，測(cè)得的擰緊力矩變化非常大。相反，在保證擰緊力矩相同的情況下，測(cè)量得的軸向力比較分散。
3、力矩法、轉(zhuǎn)角法螺紋緊固件擰緊過(guò)程對(duì)比
a、擰緊過(guò)程的不同階段
圖3
b、扭矩法
圖 4
c、扭矩轉(zhuǎn)角法
圖 5
從上圖來(lái)分析，由于受k值變化的影響，相同的擰緊力矩會(huì)得到不同的預(yù)緊力，最終軸向預(yù)緊力分散（圖4）。扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊能有效控制螺栓預(yù)緊力(軸向力)，避免用扭矩法擰緊時(shí)出現(xiàn)的螺栓拉長(zhǎng)或拉斷現(xiàn)象（圖5）。轉(zhuǎn)角法比力矩法更能很好去控制螺栓軸向預(yù)緊力的一至性。也就是說(shuō)，只要合理選擇控制參數(shù)，轉(zhuǎn)角法比力矩法可靠性更高。
二、試驗(yàn)驗(yàn)證：
選取桿長(zhǎng)為121的連桿螺栓作試驗(yàn)，將螺栓兩端打磨光滑，用超聲波測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量螺栓擰緊力矩后的申長(zhǎng)量。
1、力矩法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機(jī)將螺栓擰緊到220N.m，再用人工復(fù)緊到230N.m，測(cè)量連桿螺栓伸長(zhǎng)量及軸向力如表3。
表 3
螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN)
1 0.162 86.82 13 0.168 89.86 25 0.174 93.21
2 0.18 96.74 14 0.166 88.9 26 0.149 79.72
3 0.187 100.03 15 0.176 94.13 27 0.174 93.21
4 0.167 89.76 16 0.172 92.05 28 0.173 92.95
5 0.177 95.14 17 0.154 82.77 29 0.178 95.36
6 0.161 86.24 18 0.17 91.08 30 0.183 97.85
7 0.174 93.01 19 0.158 84.69 31 0.172 92.11
8 0.161 86.45 20 0.192 102.75 32 0.163 87.41
9 0.191 102.32 21 0.163 87.42 33 0.178 95.51
10 0.165 88.54 22 0.173 92.75 34 0.163 87.62
11 0.169 90.62 23 0.188 100.99 35 0.167 89.77
12 0.169 90.79 24 0.184 98.61 36 0.159 85.29
軸向力分布為：
軸向力范圍 79~85 85．01~90 90．01~95 95．01~100 100．01~105
個(gè)數(shù) 3 12 11 6 4
極小值 79．72 極大值102．75 極差 23．03
平均值 91．75 標(biāo)準(zhǔn)差：S1=1.86
直方圖：
圖 6
2、轉(zhuǎn)角法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機(jī)按轉(zhuǎn)角法60 N.m＋50°工藝擰緊，不復(fù)緊，測(cè)量連桿螺栓伸長(zhǎng)量及軸向力如表4。
表4
螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號(hào) 伸長(zhǎng)量(mm) 軸向力(KN)
1 0.157 84.03 16 0.152 81.51 31 0.165 88.67
2 0.162 86.95 17 0.15 80.6 32 0.157 84.18
3 0.167 89.57 18 0.15 80.35 33 0.158 84.61
4 0.149 79.64 19 0.153 81.79 34 0.139 84.3
5 0.177 95.01 20 0.165 88.45 35 0.15 80.5
6 0.15 80.39 21 0.132 70.83 36 0.154 82.79
7 0.152 81.73 22 0.156 83.6 37 0.154 82.38
8 0.16 85.79 23 0.147 78.68 38 0.151 81.04
9 0.16 86.01 24 0.159 85.04 39 0.154 82.71
10 0.159 85.06 25 0.157 84.04 40 0.147 78.71
11 0.147 78.92 26 0.137 73.3 41 0.139 74.54
12 0.164 87.85 27 0.145 77.54 42 0.148 79.46
13 0.146 78.23 28 0.161 86.07 43 0.137 83.68
14 0.151 81.11 29 0.152 81.28 44 0.146 78.23
15 0.142 75.99 30 0.146 78.34 45 ------- -------
軸向力分布為：
軸向力范圍 70~75 75．01~80 80．01~85 85．01~90 90．01~96
個(gè)數(shù) 3 10 21 11 1
極小值 70．8……
2 極大值95．01 極差 24．19
平均值 80．29 標(biāo)準(zhǔn)差：S2＝0.85
直方圖
圖7
從上兩個(gè)直方圖來(lái)看，采用轉(zhuǎn)角法得到的螺栓軸向力比較集中，而力矩法則比較分散。從標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)看，轉(zhuǎn)角法測(cè)得的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差S2要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于力矩法S1。
三 結(jié)論：
從以上試驗(yàn)可知，采用轉(zhuǎn)角法上緊螺栓力矩，比采用力矩法更能很好地控制螺栓的軸向力的一至性。若軸向力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)至螺栓斷裂失效，軸向力過(guò)小，容易導(dǎo)致螺栓松脫。也就是說(shuō)，采用轉(zhuǎn)角法上緊螺栓力矩可靠性高于力矩法。
后續(xù)：
扭矩法－我們用了幾十年，在我們的腦子里根深蒂固，轉(zhuǎn)角法在中國(guó)還是處于萌芽階段。當(dāng)我們改用轉(zhuǎn)角法時(shí)，絕大多數(shù)人會(huì)用扭矩法的思想去衡量轉(zhuǎn)角法，如有的人對(duì)轉(zhuǎn)角擰緊效果不放心，則要求在用轉(zhuǎn)角法擰緊并使用一段時(shí)間后進(jìn)行防漏和防松復(fù)檢——用定力矩扳手設(shè)定一較低的力矩值，如用轉(zhuǎn)角法擰緊后力矩值在280～460N.m，則設(shè)定200N.m，如發(fā)現(xiàn)力矩小于200N.m，則說(shuō)明該螺栓聯(lián)接已松動(dòng)失效，須查明原因后重新按轉(zhuǎn)角法擰緊(這完全可以理解，而且有一定必要)；但有的人直接搬用扭矩法的監(jiān)測(cè)方法，按經(jīng)驗(yàn)定一范圍(260～300N.m)，復(fù)檢時(shí)凡小于260 N.m一律復(fù)緊到260～300 N.m，凡大于300N.m一律拆松復(fù)緊到260～300 N.m——用這樣的方法活生生的把轉(zhuǎn)角法改變?yōu)榕ぞ胤ā?
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