液壓扳手油壓與上緊力的分析探討

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 420223)

液壓扳手是一種高效的螺栓上緊專業(yè)工具，它與液壓拉伸器是同時(shí)期發(fā)展起來的，其具有工作效率高、上力均勻、完全可以控制螺栓上緊力的大小等優(yōu)點(diǎn)。在石油、化工、電廠等工業(yè)裝置的安裝中，液壓扳手上緊高壓螺栓越來越多地被使用。特別是對(duì)M64以下高壓螺栓的上緊，使用液壓扳手更能顯示出其優(yōu)越性。大于M64的高壓螺栓上緊，則更多地使用液壓拉伸器。

本文進(jìn)行了液壓扳手油壓與螺栓上緊力的分析探討，并提供了兩者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)提供了方便。

1 液壓扳手上緊油壓的問題

不論是液壓拉伸器，還是液壓扳手，它們對(duì)螺栓的上緊力都是通過其系統(tǒng)的油壓表反映出來的。對(duì)于液壓拉伸器而言，因其油缸產(chǎn)生的拉力是沿上緊螺栓軸線的方向，故螺栓在軸線方向獲得的上緊力可由油壓和油缸面積直接相乘而得出。若已知所需的上緊力，則可以直接求得油壓值，該值作為控制上緊操作的油壓指示控制值。而對(duì)于液壓扳手而言，則情況有所不同，到目前為止，還沒有人給出相應(yīng)公式來反映液壓扳手上緊力與液壓扳手油壓的關(guān)系。液壓扳手制造廠商僅提供出螺栓規(guī)格及對(duì)應(yīng)的液壓扳手上緊油壓值，以解決使用的問題，但這顯然是不夠的，因?yàn)樯暇o力與密封的形式有很大的關(guān)系，不單單是由螺栓規(guī)格尺寸這一單一因素所決定。因此，有必要對(duì)液壓扳手上緊螺栓的問題進(jìn)行詳細(xì)地分析，推出相應(yīng)的計(jì)算方法。

市場(chǎng)上的液壓扳手，型號(hào)規(guī)格繁多，但應(yīng)用時(shí)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)與螺栓上緊力精確控制之間，也還存在不夠方便的問題，這個(gè)問題就是油壓與上緊力的換算。表1是某廠的液壓扳手技術(shù)數(shù)據(jù)，但是表中沒有提供對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)或換算公式。該廠大功率液壓扭矩扳手是通過液壓缸的推力，經(jīng)過曲柄系統(tǒng)形成力矩，帶動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，并以此扭矩傳送到螺栓聯(lián)接上，按要求預(yù)緊螺栓。它是由扳手、套筒、高壓油泵、換向閥及其帶快速接頭的高、低壓膠管組成。

表1 某廠的液壓扳手技術(shù)數(shù)據(jù)

注：液壓扭矩扳手均配置超高壓電動(dòng)油泵、高壓油管、套筒等全套。

2 液壓扳手上緊過程中受力分析

選擇螺栓、螺母、墊片和被連接件作為研究對(duì)象，繪出受力圖，進(jìn)行分析。螺栓聯(lián)接示意見圖1。

圖1 螺栓聯(lián)接示意

螺母A在旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母將沿著螺栓B上的螺紋面運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生周向位移和沿螺栓軸向的位移。可以將其簡(jiǎn)化成滑塊在斜面上受力的情況，螺母即為滑塊，螺紋中經(jīng)處展開即為斜面，墊片和被聯(lián)接件可以作為一體(視為C)，其對(duì)螺母產(chǎn)生的摩擦力和軸向力作用在A上。系統(tǒng)的受力見圖2，螺母受力圖(不含力矩)見圖3，螺母所受力矩見圖4，力平衡矢量見圖5。

圖2 系統(tǒng)的受力

圖3 螺母受力圖

圖4 螺母所受力矩

圖5 力平衡矢量

由圖5可得：

Ft-F端-F′tg(λ+β′)=0

(1)

由圖4可得：

T-T1-T2=0

(2)

聯(lián)立(1)、(2)求解，即推動(dòng)螺母的力與螺母端面摩擦力及螺紋面摩擦力平衡，同時(shí)考慮力矩平衡情況。

在擰緊螺母時(shí)，液壓扳手力矩T，需要克服F′在螺紋斜面間的摩擦力矩T1和F端在螺母底面與被聯(lián)接件支承面(此處為墊片)之間的摩擦力矩T2。在此過程中，沿螺栓軸向?qū)a(chǎn)生上緊力F′，而螺紋部分將受到摩擦力矩T1=F′tg(λ+β′)d2/2作用(d2為螺紋的中徑)，螺母與被連接件支承面(此處為墊片)之間的摩擦力矩T2=1/3×fs×F′(D13-d03)/(D12-d02)。液壓扳手力矩T大于或等于摩擦力矩T1與T2之和時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)擰緊螺母的目的，故?。?/p>

T1+T2=F′tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

F′(D13-d03)/(D12-d02)

=F′×[tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

(D13-d03)/(D12-d02)]

令：KT= tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×(D1-d0)

則，

T=KTF′

(3)

其中，D1=1.7d；d0為被聯(lián)接件螺孔直徑；λ為螺紋升角，λ=2°30′；β′為螺紋斜面間的當(dāng)量摩擦角，β′=tg-10.15；fs為螺母與支撐面(有墊片時(shí)為墊片或無墊片時(shí)為被連接件)之間的摩擦系數(shù)，鋼制螺母與鋼制墊片(或無墊片的鋼制被聯(lián)接件)之間無潤(rùn)滑摩擦，取fs=0.15 ，有潤(rùn)滑fs=0.05～0.1；d為螺栓直徑；d2為螺栓螺紋中徑，d2=0.9d；M為螺紋圈數(shù)；P為螺距。

3 上緊油壓通式推導(dǎo)

對(duì)于液壓扳手而言，輸出的力矩等于油缸推力PA(P為油壓，A為油缸面積)乘以力臂L(L為油缸軸線距上緊螺栓中心距)，即T=PAL。對(duì)于一個(gè)油缸上緊一個(gè)螺栓的情況，則代入(3)式，有：

PAL=KTF′

故：

P=KTF′/AL

(4)

公式(4)即為液壓扳手上緊力與油壓間的關(guān)系式。

一個(gè)油缸，同時(shí)上緊N個(gè)螺栓，則P=NKTF′/AL，此為通式。

4 通式的運(yùn)用

通式中上緊力F′應(yīng)根據(jù)不同的密封面結(jié)構(gòu)來計(jì)算。對(duì)于雙錐密封和平墊密封的情況，HG/T 21573—95高壓螺栓和螺栓液壓上緊裝置中已經(jīng)給出了其上緊力F′的計(jì)算。而對(duì)于液壓扳手所使用的主要場(chǎng)合，如透鏡墊密封的螺栓上緊，其上緊力沒有理論公式。H1～31—1967高壓管、管件及緊固件通用設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)歸納出的經(jīng)驗(yàn)公式可以作為上緊力的計(jì)算依據(jù)。該公式僅針對(duì)32MPa和22MPa壓力等級(jí)系列。其給出總的上緊力，如下：

32MPa 壓力系列，F(xiàn)總′=5.85DK2；

22MPa 壓力系列，F(xiàn)總′=5.14DK2。

每個(gè)螺栓上緊力F′=F總′/n，其中n為法蘭螺栓數(shù)量；

對(duì)于透鏡墊密封時(shí)，液壓扳手上緊油壓為：

32MPa 壓力系列，P=5.85KTNDK2/(ALn)

(5a)

22MPa 壓力系列，P=5.14KTNDK2/(ALn)

(5b)

公式(5a)和(5b)中的KT值在0.1～0.3之間?？赏ㄟ^公式進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算獲得油壓P，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取KT的值，以簡(jiǎn)化計(jì)算得到油壓P。當(dāng)然，在出現(xiàn)密封泄漏時(shí)，根據(jù)KT的范圍可以很方便地調(diào)整上緊油壓，以達(dá)到再次密封的目的。

對(duì)于上緊過程，液壓扳手的油壓控制值可以按照公式(5a)或(5b)計(jì)算的油壓取值；而對(duì)于拆卸螺栓時(shí)，液壓扳手的油壓要比公式(5a)或(5b)計(jì)算的油壓值略高一些時(shí)才能卸下螺栓。

考慮到實(shí)際操作中各種因素的影響，為穩(wěn)妥地上緊，可將計(jì)算油壓值P放大10%～20%；即增加一個(gè)可靠系數(shù)1.1～1.2，實(shí)際油壓P實(shí)=1.1～1.2P。

5 應(yīng)用

針對(duì)透鏡墊密封的情況，將第1章中廠家數(shù)據(jù)表進(jìn)行完善，我們可以取KT值為0.3，可靠系數(shù)為1.2。螺栓的上緊載荷如下：

(1)32MPa 壓力系列，F(xiàn)總′=5.85DK2，則：

P=5.85KTNDK2/(ALn)=0.3×1.2×N×5.82DK2/(ALn)=0.36NF總′/(ALn)

(2)22MPa 壓力系列，F(xiàn)總′=5.14DK2，則：

P=5.14KTNDK2/(ALn)

=0.3×1.2×N×5.14DK2/(ALn)

=0.36NF總′/(ALn)

即：在(1)與(2)的情況下，公式均為：P=0.36NF總′/(ALn)，將相關(guān)公式加入到應(yīng)用表中，完善使用說明見表2。

表2 螺栓的上緊載荷

注：廠家可以提供AL，簡(jiǎn)化上式。

6 結(jié)語

本文分析了液壓扳手上緊螺栓過程中的受力情況，推出了液壓扳手的螺栓上緊油壓計(jì)算通式，即P=KTNF′/AL，該公式適合于雙錐、平墊、八角墊及透鏡墊密封的情況。考慮到液壓扳手更多的是用于透鏡墊密封的螺栓上緊，故進(jìn)一步給出了透鏡墊密封時(shí)，液壓扳手上緊油壓的計(jì)算公式5(a)和5(b)。