不同非金屬材料緊固力矩值研究

劉　亮，黃瑩瑛，陸凱雷

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025)

不同非金屬材料緊固力矩值研究

劉亮，黃瑩瑛，陸凱雷

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025)

摘要：針對被緊固材料為非金屬材料時，螺釘緊固力矩問題進行了詳細的分析與試驗研究。測試了多種電氣設備中常用的非金屬材料受到壓力時的疲勞曲線，并根據(jù)螺釘緊固力矩與預緊力的關系計算得到非金屬材料的最大緊固力矩值，按照一定的安全系數(shù)計算非金屬材料的安全緊固力矩值，這些緊固力矩值可以作為工程應用中的重要參考依據(jù)。

關鍵詞：非金屬材料；壓力疲勞曲線；疲勞破壞；緊固力矩值；安全系數(shù)

緊固件是各類產(chǎn)品中廣泛使用的零件，其安裝質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量；因此需要合理、正確的安裝方法和安裝質(zhì)量控制手段進行控制[1]。緊固件安裝分為三個階段：第一階段“經(jīng)驗法”，即憑人的感覺來估計緊固件的松緊程度，判斷安裝質(zhì)量，此種安裝方法受多種因素影響較大，安裝結(jié)果難以控制；第二階段區(qū)分緊固件的大小和材質(zhì)對緊固力的大小進行要求，制定相應的工藝規(guī)范和力矩指標并在產(chǎn)品上嚴格執(zhí)行，例如波音公司的緊固件安裝工藝規(guī)范BAC5009[2]；第三階段既考慮緊固件的緊固力大小同時考慮被連接材料所能承受力的大小，例如GB 50149-2010 電氣裝置安裝工程母線裝置施工及驗收規(guī)范和西開針對不同材料制定的不同緊固力矩值[3]。

本文針對電氣設備常用的幾種非金屬材料進行了壓縮破壞試驗，得到不同材料的疲勞曲線并計算得到其能所能承受的最大安全緊固力矩值，為生產(chǎn)中遇到的問題提供理論和試驗依據(jù)。

1非金屬材料壓縮試驗

電氣設備應用的場合一般電場強度高，需長時間運行，檢修困難。非金屬材料有著自身本質(zhì)的優(yōu)越性，抗腐蝕能力強，使用壽命有保障；非金屬材料相對金屬材料普遍密度小，部分材料有獨特的自潤滑性能，在電氣方面不會影響電場的分布。非金屬材料的工藝眾多，通過改變配方，加工工藝，制成具有各種特殊性能的工程材料[4]。

1.1　試驗材料選擇

為防止試驗結(jié)果與實際使用情況不符，試驗用材料與生產(chǎn)用材料相同(試驗中出現(xiàn)過外購試驗材料與實際使用材料試驗結(jié)果不同的情況)。

1.2　壓縮試驗及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)GB/T1041-1992制備試樣尺寸為高度30 mm，直徑12 mm的圓柱體；每種材料試樣進行10組壓縮破壞試驗[5-9]。

(a)環(huán)氧材料3240壓力試驗破壞圖像(b)環(huán)氧材料EPGC202壓力試驗破壞圖像(c)環(huán)氧材料UPGM203壓力試驗破壞圖像(d)聚甲醛POM壓力試驗破壞圖像(e)聚氯乙烯PVC壓力試驗破壞圖像(f)尼龍PA66壓力試驗破壞圖像

(g)聚四氟乙烯PTFE壓力試驗破壞圖像圖1　非金屬材料壓力試驗破壞圖像

由圖1中(a)-(f)壓力試驗破壞圖像，計算10組試樣的平均壓力值得到相應的屈服極限值如表1所示[10]。

表1　試驗材料壓力屈服極限平均值

2材料性能及緊固力矩值計算

要準確計算預緊力，必須根據(jù)螺釘?shù)谋砻嫣幚頎顟B(tài)、潤滑條件和支撐面材料選擇相應的擰緊力矩系數(shù)，如表2所示[11-13]。

表2　擰緊力矩系數(shù)K

按照一般的非金屬材料使用情況取一般加工表面無潤滑狀態(tài)K=0.2。

螺釘緊固力矩值與預緊力關系：

T=kFd=0.2Fd，

(1)

式中：T為螺釘?shù)木o固力矩值；F為螺釘?shù)念A緊力；d為螺釘直徑；k為不同接觸面間的擰緊力矩系數(shù)，與摩擦系數(shù)有關。

試樣為直徑12mm，高30mm的圓柱體，根據(jù)材料的屈服極限壓力值計算試樣所受的壓強。

屈服極限下材料試樣受到的壓強：

(2)

式中：P1為試樣受到的壓強；F1為試樣的屈服極限壓力值；S1為試樣的截面面積。

被緊固非金屬材料在實際使用中受到的壓強為螺釘?shù)念A緊力與平墊片截面面積的比值，平墊圈截面積計算參照GB/T97.1-2002平墊圈國標[14]。平墊圈截面尺寸參照表3，A級和C級平墊圈在內(nèi)徑外徑上的差別很小對最終計算結(jié)果影響可以忽略。

表3　平墊圈截面尺寸

墊圈截面面積：

(3)

平墊圈下非金屬材料受到的壓強

(4)

式中：S為墊圈截面面積；d1為公稱內(nèi)徑；d2為公稱外徑；P2為非金屬材料受到的壓強；F2為平墊圈受到的螺釘預緊壓力。

根據(jù)式(1)~式(4)中P2=P1、P2=F及表1中材料壓力屈服極限平均值，計算得到下表4非金屬材料所能承受的最大緊固力矩值。

表4　非金屬材料最大緊固力矩值(N·m)

表4中的最大緊固力矩值以安全系數(shù)為1.2考慮后并取整得到表5中的安全緊固力矩值。參照表5中加粗材料及其數(shù)據(jù)(3240、EPGC202、UPGM203)已經(jīng)超過相應公稱直徑螺釘所能承受的最大緊固力矩值，這三種材料可按照相應公稱直徑螺釘規(guī)定的力矩值進行緊固，其他四種材料(POM、PVC、PTFE、PA66)作為被緊固材料時需要對螺釘?shù)木o固力矩進行要求避免被緊固非金屬材料的損壞。

表5　非金屬材料安全緊固力矩值(N·m)

3安全力矩值的驗證

為確定以上計算得到的安全力矩值在實際應用中是否會對材料造成損壞，對非金屬結(jié)構(gòu)件進行了安全力矩值的驗證試驗[15]。

由表5可發(fā)現(xiàn)環(huán)氧類材料計算的安全力矩值都比較高，首先驗證EPGC202，UPGM203、3240三種材料。

如圖2所示使用此三種材料作為結(jié)構(gòu)件時按照相應直徑緊固件緊固力矩值進行緊固，三種材料的結(jié)構(gòu)件表面都沒有出現(xiàn)由于力矩過大造成的材料壓縮疲勞破壞。

圖2　EPGC202、UPGM203、3240三種環(huán)氧材料力矩值驗證

使用表5所示的其他材料作為結(jié)構(gòu)件時應根據(jù)對應的材料選擇相應力矩值，如圖3中四種材料的結(jié)構(gòu)件表面都沒有出現(xiàn)由于力矩過大造成的材料疲勞破壞。從以7種非金屬材料的安全力矩值驗證試驗來看計算得到安全力矩值的安全系數(shù)較高，不會出現(xiàn)材料的壓縮疲勞破壞情況[16]。

圖3　POM、PVC、PA66、PTFE四種非金屬材料力矩值驗證

以上驗證試驗都沒有出現(xiàn)當力矩值過大時材料出現(xiàn)壓縮疲勞破壞的情況，為驗證力矩值過大時是否會造成材料的破壞進行了如圖4所示的驗證試驗。

圖4　PTFE(聚四氟乙烯)緊固力矩過大與安全力矩比較

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)圖中由于緊固力矩值超過了計算的安全緊固力矩值，聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)件表面出現(xiàn)了壓縮性的破壞；右側(cè)圖按照計算的安全力矩值進行驗證則沒有出現(xiàn)破壞。由圖4可以觀察到緊固力矩過大時對材料本身造成的影響，因此在生產(chǎn)中應注意相應材料的緊固力矩值的大小。

4結(jié)論

通過試驗測試非金屬材料的抗壓縮性能、理論計算非金屬材料的最大緊固力矩值和安全緊固力矩值、試驗驗證安全緊固力矩值的方式完成了7種非金屬材料的安全緊固力矩值試驗。圖4的試驗對比發(fā)現(xiàn)緊固力矩值超過安全緊固力矩值時對材料造成的破壞情況，因此在生產(chǎn)中需要規(guī)定非金屬材料的安全緊固力矩值。

本文主要提供一種計算和驗證非金屬材料安全緊固力矩值的方法，同時提供部分非金屬材料的安全緊固力矩值，對實際生產(chǎn)具有一定的指導和借鑒意義。

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Study of Different Non-metallic Materials Fastening Torque Value

LIU Liang，HUANG Ying-ying，LU Kai-lei

(NR Electric Power Electronics Co.，Ltd.，Changzhou Jiansu 213025)

Abstract：Analysis and research of screws fastening torque value，when fastened material is non-metallic，is focused on.Draw pressed fatigue curves of some non-metallic frequently used in electrical equipment，then max fastening torque value is calculated bases on relationship of screw fastening torque value and preload，，safety fastening torque value is calculated with a safety factor，the fastening torque value can be referenced in engineering applications.

Key words：Non-metallic materials；Pressure fatigue curves；Fatigue damage；Fastening torque value；Safety factor

中圖分類號：TM206

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0091-05

作者簡介：劉亮(1987-)，男，黑龍江省哈爾濱市人，常州博瑞電力自動化設備有限公司設計工程師，碩士，主要研究方向：電力一次設備工藝性研究.

收稿日期：2015-09-12