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1、 淺析螺栓扭力值檢驗(yàn)方法的改進(jìn) 姓 名: 張立波 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化 部 門: 電氣設(shè)備分公司品質(zhì)管理部 指導(dǎo)老師: 劉兵 淺談螺栓扭力值檢驗(yàn)方法的改進(jìn)張立波.株洲.電氣設(shè)備分公司.南車株洲電力機(jī)車有限公司摘要:軌道交通設(shè)備中運(yùn)用了大量的螺栓緊固件,重要部位的螺栓都會(huì)有確定的扭力值要求,對(duì)于專業(yè)的檢驗(yàn)人員而言如何快速準(zhǔn)確的測(cè)量螺栓扭力值是否達(dá)到要求就顯得尤為重要了。本文介紹了扭矩測(cè)量轉(zhuǎn)角測(cè)量形變量測(cè)量應(yīng)變力測(cè)量四種測(cè)量扭力值的方法。通過(guò)分析對(duì)比四種測(cè)量方法的不確定度范圍,并且結(jié)合公司實(shí)際情況推薦一種合理經(jīng)濟(jì)的螺栓扭力值測(cè)量方法。關(guān)鍵詞:螺栓;扭力值測(cè)量;不確定度;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 軌道交通設(shè)備中大量運(yùn)用到螺栓緊固件,在電氣設(shè)備分公司的屏柜產(chǎn)品獨(dú)立電器產(chǎn)品中都有運(yùn)用到很多螺栓,對(duì)于關(guān)鍵部分的螺栓連接都會(huì)有扭力值要求,如何確定工作者是否將螺栓緊固到位,這就要求檢驗(yàn)人員抽檢螺栓的扭力值是否達(dá)到要求。目前分公司采用的抽檢螺栓扭力值的方法是:定扭扳手測(cè)量,先將定扭扳手調(diào)到要求的扭力值,然后在已經(jīng)緊固的螺栓上繼續(xù)緊固,如果螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的角度沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)要求的角度,即螺栓上的防松標(biāo)識(shí)還是完整,而且聽(tīng)到定扭扳

5、手“滴答”一聲不能繼續(xù)擰緊時(shí)表明扭力值符合要求。這種方法簡(jiǎn)單快捷,但是此測(cè)量方法有一個(gè)弊端就是不能識(shí)別螺栓過(guò)扭的情況,如果螺栓過(guò)扭此種測(cè)量方法不能識(shí)別依然認(rèn)為合格。因此如何正確有效的測(cè)量螺栓扭力值是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。結(jié)合分公司的實(shí)際情況選擇一種高效簡(jiǎn)單實(shí)際的測(cè)量扭力值的方法。1 螺栓扭矩(緊固轉(zhuǎn)矩)分析1.1 螺栓連接基本原理 螺母和螺栓在整個(gè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中是最合適的緊固元件,他們可以經(jīng)受很高的工作負(fù)荷,也可以拆卸下來(lái)再加以利用。螺栓連接必須能夠抵抗外力的作用,使已裝配的零件不會(huì)向分離的方向移動(dòng),否則就會(huì)造成螺栓接頭松動(dòng)或者脫落。我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械模型來(lái)形象的描述螺栓連接:圖1螺栓連

6、接受力模型:最小預(yù)緊力;:預(yù)載荷;:軸向力;:垂直于軸向的作用力:摩擦系數(shù); 其實(shí)可以把螺栓連接看成一個(gè)張力很強(qiáng)的彈簧,在進(jìn)行螺栓連接的裝配式產(chǎn)生一個(gè)力,使被裝配組件壓緊在一起。由螺栓所產(chǎn)生的將零件壓緊在一起的力稱為預(yù)緊力。如果有一個(gè)外力作用在螺栓上,這將造成零部件的彈性變形。在裝配時(shí),夾緊力必須足夠大,以確保被裝配零件絕對(duì)不會(huì)相對(duì)移動(dòng);另一方面,在緊固時(shí)所施加的夾緊力必須保證螺栓不會(huì)發(fā)生破壞或者塑性變形。為此,緊固要求的唯一目的就是要保持預(yù)緊力在相應(yīng)的公差范圍內(nèi)。如果在裝配時(shí)有可能測(cè)量到這種預(yù)緊力并且控制施力工具,那么就有可能消除緊固過(guò)程中的大多數(shù)問(wèn)題。在連接緊固件時(shí),緊固件的幾何形狀以及兩

7、個(gè)表面之間產(chǎn)生摩擦的恒定摩擦系數(shù)對(duì)螺栓裝配轉(zhuǎn)矩有很大的影響。允許的預(yù)緊力誤差摩擦系數(shù)誤差以及螺栓的直徑和強(qiáng)度等級(jí)是確定擰緊轉(zhuǎn)矩公差的依據(jù)。轉(zhuǎn)矩公差是根據(jù)螺栓所需最小夾緊力的分析來(lái)設(shè)計(jì)的,如下圖所示:圖2允許的預(yù)緊力公差和所生成的摩擦系數(shù)決定轉(zhuǎn)矩公差值:最小預(yù)緊力;:最大預(yù)緊力;:最小摩擦系數(shù);:最大摩擦系數(shù);:裝配轉(zhuǎn)矩的公差下限;:裝配轉(zhuǎn)矩的公差下限對(duì)于經(jīng)受較高載荷的螺栓連接,其設(shè)計(jì)取決于載荷的大小以及相關(guān)零配件的裝配方式。如果在裝配過(guò)程中,緊固件需要被擰若干次,就必須預(yù)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析,以便推薦恰當(dāng)?shù)难b配方式。在計(jì)算螺栓接頭尺寸時(shí),在注意超載時(shí)的螺栓實(shí)在最脆肉的剖面斷裂。通常最脆弱之處是承受

8、多種載荷的螺紋剖面或腰行桿部。最重要的是,螺栓接頭的持久強(qiáng)度是由連接部位的應(yīng)力集中地大小而決定。在擰緊螺栓時(shí),起連接作用的預(yù)緊力是因?yàn)閷⒕o固件擰入螺孔而產(chǎn)生。在這一過(guò)程中,除了預(yù)緊力外,在螺桿上也產(chǎn)生了力矩。在研究螺栓連接時(shí),必須注意到最大負(fù)荷不僅來(lái)自于最大拉伸力,也來(lái)自于預(yù)緊力和轉(zhuǎn)矩,這兩個(gè)因素在實(shí)際的裝配過(guò)程中都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。1.2 螺栓連接過(guò)程中確定預(yù)緊力 在裝配螺紋副連接時(shí),計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量和監(jiān)控電子系統(tǒng)與現(xiàn)代化的傳感器結(jié)合可提供轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角方面的信息。在每個(gè)螺栓接連過(guò)程中最重要的目標(biāo)值是預(yù)緊力,因?yàn)椴豢赡芤宰銐蚋叩臏?zhǔn)確度來(lái)測(cè)量出或者估算出預(yù)緊力。基于這一原因,目前的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中,轉(zhuǎn)矩

9、是唯一可記錄的質(zhì)量特征值,為了審查緊固連接件的質(zhì)量,必須對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估,實(shí)際上,轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系取決于緊固件的幾何形狀和摩擦系數(shù),但是摩擦力是無(wú)法回避的,而且又是一個(gè)棘手的問(wèn)題。由于一直存在這個(gè)問(wèn)題,因此,按照所施加的轉(zhuǎn)矩裝配螺栓時(shí),應(yīng)該產(chǎn)生多大的預(yù)緊力,無(wú)法得出正確的結(jié)論。目前,電子控制的動(dòng)力工具系統(tǒng)可以達(dá)到5%的轉(zhuǎn)矩公差,可以保證裝配緊固的有效。例如,有一個(gè)符合DIN931的8.8級(jí)M10螺栓,其恒定的摩擦系數(shù)=0.10,用40Nm的轉(zhuǎn)矩,也就是公差范圍為38-42Nm的轉(zhuǎn)矩來(lái)擰緊該螺栓,那么就會(huì)產(chǎn)生公差范圍為26-28.8kN的夾緊力。在螺栓緊固技術(shù)領(lǐng)域,預(yù)緊力能夠達(dá)到這樣的離

10、散范圍可以說(shuō)是一項(xiàng)顯著地成果,因此,該技術(shù)是很受歡迎的。在緊固過(guò)程中,可采用ISO 16047作為參照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系。但是當(dāng)涉及到要評(píng)估螺栓緊固過(guò)程中所反映出現(xiàn)的各種情況時(shí),確定預(yù)緊力任然是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。盡管如此,我們還是應(yīng)該投入盡力去研究,以便用簡(jiǎn)便的方法在生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)測(cè)螺栓連接內(nèi)的摩擦情況。在生產(chǎn)中所有的裝配方法都是為了獲得理想預(yù)緊力的間接方法,用轉(zhuǎn)矩控制擰緊方法是最常用的方法,這種方法可以使用很平常的基本裝配工具。如果所施加的轉(zhuǎn)矩是在預(yù)定的公差范圍內(nèi),那么就可以認(rèn)為所產(chǎn)生的預(yù)緊力是在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。但是,大多大程度上,裝配工作人員才認(rèn)為這兩個(gè)變量,即轉(zhuǎn)矩和預(yù)緊力彼此成一

11、定的比例關(guān)系呢?什么因素會(huì)影響這種關(guān)系的變化呢?首先,緊固件的集合形狀決定了多大的轉(zhuǎn)矩可以產(chǎn)生一個(gè)特定的預(yù)緊力。在這方面,螺距是一個(gè)決定性的因素。螺栓時(shí)一個(gè)幾何體,它相當(dāng)于一種“螺旋上升的平面”,因此,影響整個(gè)螺紋連接中力的分布情況。第二個(gè)因素是螺栓連接內(nèi)的固有摩擦關(guān)系,它影響著螺栓連接中各個(gè)力相互依存的關(guān)系。這里所指的就是在材料或者墊圈之上轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐面摩擦力以及在材料螺紋孔內(nèi)或者螺母的螺紋孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的螺紋摩擦力。根據(jù)摩擦關(guān)系,所施加的轉(zhuǎn)矩的50%需要克服螺栓頭下的摩擦阻力,這就意味著,為了保證緊固作業(yè)的高質(zhì)量,一定要認(rèn)真觀察螺栓頭下的支撐零件的情況。影響摩擦特性變化的因素包括:1) 支撐零件的

12、接觸面的粗糙度。2) 螺栓接頭材料的硬度。3) 緊固件和被裝配的零件的表面處理。4) 螺栓的潤(rùn)滑情況。5) 動(dòng)力工具的轉(zhuǎn)速。6) 螺栓接頭的溫度。7) 螺栓接頭處的表面壓力。8) 材料的匹配。以上所列因素雖然絕非詳盡,但是包括了影響螺栓連接的摩擦特性的最重要的參數(shù),這就意味著操作方法不正確絕對(duì)會(huì)導(dǎo)致螺栓連接的失效。轉(zhuǎn)配人員手上或者工具上掉下來(lái)的一滴油就可以顯著地改變緊固件的摩擦特性。例如,如下圖所示,擰入一個(gè)摩擦系數(shù)u=0.14的干燥的螺栓時(shí),起緊固轉(zhuǎn)矩的分布情況如左圖;如果螺栓做了潤(rùn)滑處理,摩擦系數(shù)變?yōu)閡=0.08,那么在理的分布方面就會(huì)發(fā)生變化如右圖。這就意味著現(xiàn)在的預(yù)緊力比原來(lái)的要高出約

13、40%。圖3 螺栓連接內(nèi)的摩擦關(guān)系和力的分配這就說(shuō)明通過(guò)轉(zhuǎn)矩確定螺栓預(yù)緊力的方法會(huì)有很大誤差,特別是對(duì)于大螺栓,通過(guò)轉(zhuǎn)矩確定要求的預(yù)緊力會(huì)受到很多因素的影響。1.3 擰緊力矩的計(jì)算 對(duì)于螺栓連接,其擰緊力矩T用于克服螺栓螺紋處的螺紋阻力矩及螺母與被連接支撐面間的斷面摩擦力矩。式中:d為螺紋公稱直徑;為預(yù)緊力;為螺紋中徑;為螺紋升角;為螺紋當(dāng)量摩擦角;,其中為螺紋當(dāng)量摩擦因素,為螺母與被連接件支撐面間的摩擦因素;K為擰緊力矩系數(shù)。由此可見(jiàn):即使是同一批次規(guī)格相同的螺栓,也有可能搬運(yùn)碰撞或者由于庫(kù)房人員管理不當(dāng)導(dǎo)致生銹等原因造成摩擦系數(shù)發(fā)生變化,從而使K值發(fā)生變化,從而導(dǎo)致預(yù)緊力發(fā)生變化。對(duì)于軸向

14、荷載比較小的螺栓來(lái)說(shuō)緊固扭矩變化不大,但是對(duì)于本身軸向荷載很大的螺栓來(lái)說(shuō)就會(huì)造成很大的緊固扭矩的變化,可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)于同樣規(guī)格的螺栓,用同樣大小的力矩?cái)Q緊而造成擰力不足或者超擰現(xiàn)象。K 的取值較為復(fù)雜,很難得到其正確值。對(duì)于普通粗牙 M1 2 M6 4螺紋 ,其擰緊力矩系數(shù) K一般在 0.1-0.3的范圍內(nèi)變動(dòng),表1為參考值:表1 擰緊力矩系數(shù)K摩擦表面狀態(tài)K有潤(rùn)滑無(wú)潤(rùn)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鍍鋅0.180.22干燥粗加工表面-0.26-030這樣就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾:我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)工況和 要求來(lái)確定所需要的預(yù)緊力的大小,

15、但卻 無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中很精確的施加我們所要求的預(yù)緊力的大小,所能控制的只是所施加的擰緊力矩的大 小。不過(guò)這個(gè)矛盾的討論不是本文的重點(diǎn),主要是為了闡述這種現(xiàn)實(shí)情況的存在。螺栓預(yù)緊力( 擰緊力矩) 的確定方法圖 l 所示為壓力容器的法蘭螺栓聯(lián)接同時(shí)受預(yù)緊力和軸向工作載荷的典型實(shí)例。通常情況下 由N個(gè)螺栓螺母副聯(lián)接的法蘭聯(lián)接體,給予一定的緊固力F的同時(shí),聯(lián)接體內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力F x ,對(duì) 于這種用于有一定壓力的流體的聯(lián)接體,設(shè)計(jì)螺栓的擰緊力矩時(shí),須考慮以四點(diǎn) :( 1 )確保螺栓的強(qiáng)度,即不允許發(fā)生因擰緊力矩過(guò)大導(dǎo)致螺栓的屈服破壞而喪失聯(lián)接體的機(jī)能( 2 )確保螺紋的強(qiáng)度,不能因?yàn)檫^(guò)大的擰緊力矩而導(dǎo)致螺紋發(fā)生

16、脫扣現(xiàn)象。( 3 )確保法蘭盤的強(qiáng)度,不能因過(guò)大的擰緊力矩導(dǎo)致法蘭發(fā)生破壞 。( 4 )確保墊片、墊圈的性能,既保證不因擰緊力矩過(guò)小導(dǎo)致滲漏 ,也不因擰緊力矩過(guò)大導(dǎo)致墊片壓死,從而在產(chǎn)生內(nèi)壓力后滲漏。 合適的擰緊力矩對(duì)螺栓聯(lián)接來(lái)說(shuō)是非常重要的。確定擰緊力矩的第一步就是一計(jì)算出一個(gè)合適的預(yù)緊力F,經(jīng)過(guò)以上的分析,可以確定F的合適的范鬧是F I Mi n ( F 2 ,F(xiàn) 3 ,F(xiàn) 4 ,F(xiàn) 5 ) 。其中,F(xiàn) 1 一墊片保證密封的最小壓緊力;F 2 一使墊片或者墊圈破壞的壓緊力; F 3 一 使螺紋破壞 的壓緊力:F 4 一螺栓的許用最大預(yù)緊力 : F 5 一 使法蘭或者其他壓緊面破壞的拉力 。

17、2 螺栓扭力值檢驗(yàn)方法分析2.1 螺栓扭力值緊固原理力矩法、轉(zhuǎn)角法螺紋緊固件擰緊過(guò)程對(duì)比圖4 擰緊過(guò)程的不同階段圖5 扭矩轉(zhuǎn)角法圖6 扭矩法從上圖分析,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6)。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)緊力的一致性。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。2.2螺栓扭力值檢驗(yàn)方法淺析目前常用的螺栓扭力值檢驗(yàn)方法一般有三種:1 擰緊法(增擰法):扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩(切忌沖擊),當(dāng)螺母或螺栓剛開(kāi)始產(chǎn)生微

18、小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它的瞬時(shí)扭矩值最大(因要克服靜摩擦力),繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),扭矩值就會(huì)回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)的扭矩值即為檢查所得的扭矩。此種方法操作簡(jiǎn)單,但必須熟練有經(jīng)驗(yàn)。2 標(biāo)記法(劃線法):檢驗(yàn)前先在被檢螺栓或螺母頭部與被連接體上劃一道線,確認(rèn)相互的原始位置。然后將螺栓或螺母松開(kāi)些,在用扭矩扳手將螺栓或螺母擰緊到原始位置(劃線處要線對(duì)準(zhǔn)),這時(shí)的最大扭矩值再乘以0.91.1所得的值即為檢查所得的扭矩。技術(shù)水平不高,操作較繁瑣,不適宜有防松功能的緊固件。3 松開(kāi)法:用扭矩扳手慢慢地向被檢螺栓或螺母施加扭矩,使其松開(kāi),讀取開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)扭矩值,并根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)乘以一個(gè)系數(shù):1.11.2即為檢驗(yàn)扭矩值。操作

19、簡(jiǎn)單,但必須熟練有經(jīng)驗(yàn)。方法擰緊法有一些缺點(diǎn):1、存在二次緊固的可能;2、對(duì)螺栓何時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)很難確定,存在主觀因素;3、螺栓啟動(dòng)的時(shí)候,實(shí)際扭矩值應(yīng)該是大約安裝時(shí)候的扭矩值,所以測(cè)試值一般偏大。方法標(biāo)記法更加精確,所測(cè)量的是動(dòng)態(tài)扭矩,而設(shè)計(jì)人員從設(shè)計(jì)角度給出的扭矩即為動(dòng)態(tài)扭矩。方法松開(kāi)法適合于扭力值比較小的場(chǎng)所。P.S 殘余扭矩值是再繼續(xù)擰緊螺栓/螺母時(shí)旋緊一個(gè)小角度測(cè)得的最小扭矩值。起動(dòng)扭矩不能作為殘余扭矩。 動(dòng)態(tài)扭矩:當(dāng)緊固件再被固定的過(guò)程中測(cè)量得到的最大峰值。扭力扳手和動(dòng)力工具都可以施加動(dòng)態(tài)扭矩,動(dòng)態(tài)扭矩不能在緊固件被緊固完之后測(cè)量。動(dòng)態(tài)扭矩加載時(shí)進(jìn)行在線測(cè)量得到的扭矩值。 靜態(tài)扭矩:在一個(gè)緊固件被固定好之后,將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)所需要的扭矩。加載后對(duì)扭矩進(jìn)行測(cè)量。 檢測(cè)扭矩:與靜態(tài)扭矩相同

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