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螺纹紧固件扭矩系数的实测比较与分析

来源:未知   发布时间:2020-03-30 08:47   已有 次浏览


 

作者:郭新明(太原重工股份有限公司)

出处:《机械工业标准化与质量》2013年4月刊

 

摘要:采用扭矩系数法拧紧高强度螺栓时.扭矩系数平均值和扭矩系数标准偏差对紧固效果的影响很大。除理论计算外,扭矩系数亦可实测获得。本文在实验的基础上分析实测扭矩系数,讨论不同实验条件与相应扭矩系数之间的关系,比较各种旋合材料的扭矩系数之差异,评析扭矩系数和标准偏差对连接可靠性的影响,浅议高强度紧固件的再次使用问题。

 

    扭矩系数法拧紧螺纹紧固件是最常用的高强度紧固件的拧紧方法之一.这种方法是用一个扭矩值对拧紧施工进行控制,适用于各种规格,且操作简单、使用方便、应用范围广。这种情况下。扭矩系数是量化拧紧力矩的重要数值指标,其可信度和离散性决定着紧固效果. 有些设计手册列有螺纹紧固件预紧力矩,这些值一般是用理论分析的方法,根据事先确定的常用摩擦因数和拟达到的应力水平计算出的值, 在技术文件未规定扭矩系数时可参照选用. 但用一个确定的摩擦因数计算出的扭矩值往往与实际情况存在差距.当需要精确控制螺栓夹紧力的时候难以满足要求.这时应采用测试的方法来确定所用批次紧固件的扭矩系数。本文讨论的扭矩系数是在实验室条件下测定的数值,旨在分析不同的旋拧条件对扭矩系数和标准偏差的影响作用及影响程度。 试件为:六角头螺栓,螺纹规格M20,粗牙普通螺纹,机械性能等级10.9级, 以及相应的螺母和垫圈, 每套紧固件在试验中只使用一次, 采用性能优良运行可靠的ZN一1型轴力扭矩试验机,其可调的变足巨机构能适应不同规格的试件,稳定的旋拧转速由双闭环调速系统控制。集机、电、传感为一体的设计能即时反映拧紧力矩与夹紧力在弹性区域的线性特性,以及微机采集和处理检测数据,存储或即时输出测试结果.

1 二次拧紧时扭矩系数的变化

    本项试验采用GB/T-1228-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》、GB/T 1229-2006《钢结构用高强度大六角螺母》及GB/1-1230_-2006《钢结构用高强度垫圈》。共八套试件,重复测试两次。先将这八套紧固件依次在试验机上测试, 紧接着仍用这些试件在相同条件下进行第二次测试,试验测得的数值见表1。

  对比两次测得的扭矩系数平均值及标准偏差。第一次测得的扭矩系数平均值为0.124。扭矩系数标准偏差为0.003:第二次测得的扭矩系数平均值为0.134,扭矩系数标准偏差为0.007。可见第二次测试时。扭矩系数变大了。绝对值大了0.01。相对增加约8% 。这可能与经过第一次拧紧后相关接触面的摩擦因素发生了改变有关如要获得与第一次相当的夹紧力.第二次拧紧时可考虑采用稍大的施拧力矩f本实例是第一次的1.08倍)。从扭矩系数的标准偏差看,第二次拧紧时。较第一次的有所增大。说明第二次拧紧时紧固件轴力的离散性变大了,螺栓轴力的一致性稍差了些。但仍在允许范围内,如GB/T 1231—2006《钢结构用高强度大六角螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》的规定为≤0.010, 是满足要求的。两次测量的结果有差别, 但差别不大。实际应用中,在一般使用场合, 二次拧紧时可参考原扭矩系数或采用略大些的扭矩系数, 紧固效果不会有太大的差别:对于要求严格的重要场合、关键部位,二次使用时应按测定规程重新测定扭矩系数。同时考量标准偏差.将测得的扭矩系数用于二次拧紧.

2 不同材料螺母对扭矩系数的影响

    本项试验检测不同材料对扭矩系数的影响不同。三种材料为Q345C、42CrMo和45钢,与GB/T-5782-2000《六角头螺栓》规定的螺栓相旋合。分别检测这三种情况下的扭矩系数和标准偏差,测试结果见表2。

 由测试结果可知,材料Q345C、42CrMo、45分别为低合金高强度结构钢、合金结构钢和优质碳素结构钢。这三种材料的扭矩系数平均值依次变大,但变动量不大,结果很相近。即使差别最大的Q345C和45钢螺母.其扭矩系数平均值相差0.005.相对值也仅为3.3%. 工程实践中这种微小差别的影响很小,一般可忽略。可见,这三种材料的扭矩系数基本处于同一水平。不同钢材的螺母对扭矩系数的影响不大. 从标准偏差来看,42CrMo的标准偏差最小。这种材料的螺母其扭矩系数的稳定性稍好:而45钢材料的螺母标准偏差最大, 达42CrMo的两倍多, 其扭矩系数的稳定性排在前两种材料之后。Q345C的标准偏差居中, 略大于42CrMo又小于45钢, 扭矩系数的稳定性介于42CrMo和45钢之间。这三种材料中,用42CrMo的螺母其拧紧性能比较好些。

3 使用35钢硬垫圈时的扭矩系数

    本项试验采用内六角圆柱头螺钉(GB/T70.1—2008《内六角圆柱头螺钉》),螺钉头下垫35钢的(热处理硬度197—229HBW)硬垫圈,分别拧入42CrMo、45钢的螺母.测定扭矩系数和标准偏差.比较两者之间的差异。测量结果见表3.

从扭矩系数平均值来看, 材料42CrMo的螺母比材料45钢的螺母稍小一些. 数值差0.004,相对差2.4% ;同样, 标准偏差也是42CrMo的比45钢的稍小些, 差值0.002。相对差18% 。测量结果比上一试验(不同材料制做的螺母对扭矩系数的影响1相同材料的数值稍大些,但在测试结果的走向上。这两种材料呈现明显的一致性, 说明用35钢硬垫圈时42CrMo螺母的拧紧性能同样比45钢的好一些。

    本项测试测得的扭矩系数平均值和标准偏差均偏大, 可能与所用35钢硬垫圈的表面精度有关。垫圈表面不太光滑,摩擦因数变大。导致扭矩系数平均值升高, 同时也使标准偏差增大。但就测试结果来说, 因测试条件相同, 还是能客观反映材料的实际状况。

4 使用MoS2对扭矩系数的影响

    这里所说的使用MoS2, 是指使用含有MoS2的润滑油脂. 这种油脂呈现不粘结的胶体状态.可增加油脂的润滑性和极压性. MoS2润滑脂对钢铁的附着力强, 覆盖在材料表面, 除了提供良好的润滑性能外。还能保护材料表面, 防止胶合卡咬, 提高装配的顺畅性。因此是否使用MoS2润滑脂会产生不同的紧固效果 分别测定这两种情况下的的扭矩系数和标准偏差.测量结果见表4.

涂覆MoS2润滑脂的部位:螺纹处及螺母与垫圈面接触处。有摩擦接触处均应涂覆。涂覆方式为,在滑动摩擦面上均匀涂抹。既没有遗漏点。也不出现堆积;涂覆用量是:以覆盖摩擦面为宜,摩擦面呈现润滑状态即可, 避免过量使用。

    由测试结果可见.不涂MoS2润滑脂的扭矩系数平均值为0.1745, 大于涂了MoS2润滑脂的扭矩系数平均值0.1555. 涂了MoS2润滑脂后,扭矩系数平均值降低了,为(0.1745—0.1555)/0.1555 12% , 同时扭矩系数的标准偏差大幅度减小。由0.0115降到了0.0013。涂了MoS2润滑脂的仅为不涂的0.0013/0.01 1511% 可见MoS2润滑脂提供了良好的润滑性能,减小了扭矩系数值, 并使螺栓轴力的波动减小。这得益于Mo92良好的使用性能, 其内部生成的众多微观滑移面替代了金属之间的摩擦, 稳定的物理性能在滑动过程中表现出均匀一致的摩擦特性, 使用MoS2润滑脂可降低安装拧紧力矩, 减小扭矩系数的波动。在很大程度上保证紧固轴力的一致性。获得良好的连接紧固效果。MoS2润滑脂性能稳定.能长时间保持润滑状态, 还有保护金属材料免受腐蚀的功效。在安装精度要求比较高及工作环境较差的场合适宜采用涂覆MoS2润滑脂的施工工艺.

5 高强度螺栓的二次使用探讨

    高强度紧固件能否二次使用, 目前还没有统一规定。各企业的做法也不相同。一般方法是,高强度紧固件不建议二次使用, 特别是重要场合、关键部件,高强度螺栓只使用一次。对于一般场合、普通部件.高强度螺栓可否二次使用呢?答案是肯定的,但是有条件的:高强度螺栓在满足一定条件后可以二次使用, 也就是说, 第一次使用后的高强度螺栓仍是合格产品.在第二次使用前仍具备相应的使用性能。为此二次使用前,应对高强度紧固件进行性能确认,符合要求的可投入二次使用。确认内容可概括为:

(1)外观

    紧固件无明显的磕碰、挤压痕迹.无明显的锈蚀;螺纹牙型表面光整无损伤:螺栓杆部平直无变形,各段直径均匀规整符合标准。无缩颈现象,无裂纹等缺陷;螺栓六角头部完好。对边宽度符合标准;螺栓头下圆角符合尺寸要求,过渡光滑。

(2)螺纹

螺纹的螺距误差和半角误差符合标准。

(3)磁粉探伤

    对成批的紧固件.可抽样进行磁粉探伤检查,不得有裂纹。若发现有裂纹时,扩大检查数量,不得有裂纹;若扩大检查仍发现有裂纹时,则全数检查。数量较少的紧固件可做全数磁粉探伤检查,不得有裂纹。

    扭矩系数当紧固件经第一次使用后,扭矩系数的构成要素已经发生变化.扭矩系数也随之改变,原扭矩系数已不能准确反映拧紧力矩与夹紧力之间的关系。尽管如此, 扭矩系数的二次适用性最好还是视使用场合而定。

    由以上检验结果可知.二次使用时扭矩系数会有变化,但变化不大。对于一般情况的二次使用,拧紧时可参考其原扭矩系数:对重要场合的二次使用,应重新测定扭矩系数,以测出的符合要求的扭矩系数用于二次拧紧。

6 结束语

    高强度紧固件的扭矩系数和标准偏差是紧固件施拧中的重要工艺参数,与紧固件的精度、表面质量、成品的一致性以及润滑状态有关。准确可靠的扭矩系数和稳定的标准偏差是施工质量的保证。二次拧紧时扭矩系数与第一次的扭矩系数相比有变化。但变化很小。螺栓与不同牌号钢材的螺母旋合其扭矩系数大小很接近。使用MoS2润滑脂能得到较为稳定的扭矩系数和较小的标准偏差。因此高强度螺栓的二次使用可视具体情况区别对待。

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