扭矩緊固法潤(rùn)滑工況對(duì)螺栓預(yù)緊力影響研究

摘要：基于風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓采用扭矩緊固法安裝的實(shí)際情況，控制關(guān)鍵變量設(shè)計(jì)了20種螺栓潤(rùn)滑工況，以42CrMoA材質(zhì)、10.9級(jí)的M30×200螺栓為研究對(duì)象，使用同種潤(rùn)滑劑并通過(guò)扭矩緊固法進(jìn)行預(yù)緊。通過(guò)匯總和對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討不同潤(rùn)滑工況對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響，結(jié)果表明潤(rùn)滑位置、潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑量以及螺栓不同狀態(tài)對(duì)螺栓預(yù)緊力均有不同程度的影響，得出了在使用扭矩緊固法前典型高強(qiáng)度螺栓處理的結(jié)論和建議，可為同類型螺栓安裝及維護(hù)提供參考和思路。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；扭矩緊固法；連接副；潤(rùn)滑；扭矩系數(shù)

中圖分類號(hào)：TH131.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.011

1? ? 研究現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的總裝普遍采用扭矩緊固法來(lái)預(yù)緊多種高強(qiáng)度螺栓，通常每顆螺栓在使用扭矩扳手預(yù)緊前都需要涂抹潤(rùn)滑劑來(lái)降低連接副的摩擦系數(shù)，這樣不僅可以減少螺栓與各結(jié)合面之間的摩擦阻力，降低螺栓咬死發(fā)生率，同時(shí)可以取得較低又穩(wěn)定的扭矩系數(shù)，進(jìn)而使預(yù)緊力更容易、更穩(wěn)定地傳遞到被固定的零件上，以產(chǎn)生更接近設(shè)計(jì)值的螺栓軸向力。

Croccolo等人[1]研究了螺紋表面的涂層以及潤(rùn)滑劑如何改變其摩擦屬性及相互作用，發(fā)現(xiàn)了兩者作用都很重要，而且不同的潤(rùn)滑位置，其效果也會(huì)有所差異。王常川等人[2]探討了不同潤(rùn)滑劑及其組合對(duì)不同連接副的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二硫化鉬潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑油共同使用時(shí)，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)從而顯著提升潤(rùn)滑效果，其中二硫化鉬潤(rùn)滑劑更適用于配合精密、咬死率較高的連接副，如使用鎖緊螺母等場(chǎng)景。綜合預(yù)緊性能和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，潤(rùn)滑油更適合于普通較小規(guī)格的連接副。盡管如此，關(guān)于不同潤(rùn)滑工況對(duì)較大規(guī)格高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的影響，現(xiàn)有的扭矩系數(shù)測(cè)試研究還較為有限，故有必要模擬風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)工況探索潤(rùn)滑劑量和潤(rùn)滑方式對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響，在保證螺栓連接可靠性及裝配效率的前提下找到潤(rùn)滑劑涂抹的合理用量及方式，從而驗(yàn)證一種可靠又高效的潤(rùn)滑工藝。

2? ? 基本原理

扭矩緊固法是一種利用扭矩與預(yù)緊力之間的線性關(guān)系在彈性范圍內(nèi)進(jìn)行緊固控制的方法，它只對(duì)一個(gè)設(shè)定的緊固扭矩進(jìn)行控制來(lái)擰緊螺栓，其擰緊的質(zhì)量受到螺紋件摩擦系數(shù)的影響較大，導(dǎo)致只有大約10%的緊固扭矩真正作用于軸向預(yù)緊力，而其余部分主要用于克服螺紋摩擦和支承面摩擦。預(yù)緊力的離散程度會(huì)隨著擰緊過(guò)程中摩擦等因素的控制程度而變化。通常，扭矩緊固法設(shè)計(jì)的預(yù)緊力不會(huì)超過(guò)螺栓屈服強(qiáng)度的70%，在載荷計(jì)算中，離散度的取值約為23%，這表明螺栓的穩(wěn)定性和利用率均不高。

對(duì)于相同扭矩下施載的螺栓，螺栓的軸力與扭矩系數(shù)呈反比關(guān)系，故對(duì)預(yù)緊力的影響分析可以間接從螺栓扭矩系數(shù)的變化著手。從穩(wěn)定性的角度來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)偏差比扭矩系數(shù)更重要，所以主要對(duì)比扭矩系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)偏差、離散系數(shù)。

扭矩系數(shù)：

K=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：K為扭矩系數(shù)；T為施加的扭矩；P為螺栓的軸向力；D為螺栓的螺紋規(guī)格。

標(biāo)準(zhǔn)偏差：在概率統(tǒng)計(jì)中最常使用作為統(tǒng)計(jì)分布程度上的測(cè)量依據(jù)。一個(gè)較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值較接近平均值。其公式為：

σ=? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為樣本總數(shù)；xi代表每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；為平均值。

離散系數(shù)：離散系數(shù)又稱變異系數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)差率，是能直觀衡量數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。通常，離散系數(shù)越小，說(shuō)明數(shù)據(jù)的離散程度越小。其公式為：

CV=×100%? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

3? ? 試驗(yàn)對(duì)比

3.1? ? 檢測(cè)方案

測(cè)試設(shè)備為在校準(zhǔn)有效期內(nèi)的微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，其扭矩最大量程為2 000 N·m，試驗(yàn)機(jī)精度等級(jí)為0.5級(jí)，荷載精度±1%。依據(jù)GB/T 1231—2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]，螺栓扭矩系數(shù)檢測(cè)步驟設(shè)計(jì)如下：

1）螺栓扭矩系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)在恒定室溫下進(jìn)行；

2）清除螺紋表面不潔物，用通規(guī)、止規(guī)檢測(cè)螺栓、螺母，確保連接副滿足精度要求；

3）按照既定潤(rùn)滑方案對(duì)連接副進(jìn)行處理；

4）為防止墊圈產(chǎn)生跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在墊圈下部增加砂紙；

5）測(cè)試時(shí)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)勻速加載至1 400 N·m；

6）對(duì)每組的各個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)取均值匯總后進(jìn)行對(duì)比分析。

備注：考慮到在風(fēng)電機(jī)組安裝和運(yùn)維階段螺栓需要分多次預(yù)緊、重復(fù)安拆，為了更準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，需對(duì)連接副進(jìn)行多次安拆，并確保每次施載后冷卻至室溫再進(jìn)行下一次施載。

3.2? ? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

扭矩系數(shù)以8套連接副的算數(shù)平均值為測(cè)試結(jié)果，根據(jù)公式（2）（3）計(jì)算出相應(yīng)數(shù)據(jù)，歸納整理后得到表1。

其中序1潤(rùn)滑工況的“正常涂抹”方式為螺栓螺紋、墊片（與螺母接觸面）、螺母（與墊片接觸面）全部均勻覆蓋（圖1）；序8潤(rùn)滑工況的“厚涂抹”為螺栓螺紋涂抹到堆積或流淌（圖2）；序9潤(rùn)滑工況的“不均勻涂抹”為螺栓螺紋隨機(jī)漏涂（圖3）；序11潤(rùn)滑工況的螺紋“條狀涂抹”為在螺栓螺紋上均布涂抹四條潤(rùn)滑劑（圖4）。序17潤(rùn)滑工況中的晾干時(shí)長(zhǎng)為1 h，自然風(fēng)干。

3.3? ? 差異對(duì)比分析

從表1可知，螺栓、墊片和螺母均正常均勻涂抹潤(rùn)滑劑的螺栓扭矩系數(shù)平均值為0.157 8，離散系數(shù)為3.929 0%，將作為后續(xù)結(jié)果對(duì)比的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)螺栓沒(méi)有潤(rùn)滑劑時(shí)，扭矩系數(shù)平均值達(dá)到最大值0.277 7，離散系數(shù)為5.437 5%，無(wú)潤(rùn)滑與全潤(rùn)滑的扭矩系數(shù)差異較大，約為全潤(rùn)滑的1.7倍，且離散系數(shù)較大。半潤(rùn)滑（序3）的螺栓扭矩系數(shù)較正常涂抹有輕微上升，約1.5%，但其在標(biāo)準(zhǔn)偏差和離散系數(shù)上有15%的下降；螺栓經(jīng)多次重復(fù)使用（排除溫升影響），扭矩系數(shù)會(huì)逐漸減小，在重復(fù)使用3～4次后，扭矩系數(shù)逐步下降至某一數(shù)值保持穩(wěn)定。

分別對(duì)連接副潤(rùn)滑的位置、厚薄和在復(fù)雜工況下正常潤(rùn)滑等方面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)論如下：

1）針對(duì)螺栓螺紋不同潤(rùn)滑位置、潤(rùn)滑方式對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的影響，對(duì)比螺紋不均勻涂抹（序9）、螺紋僅旋合位置涂抹（序10）、正常涂抹（序1）以及螺紋條狀涂抹（序11）測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：這四種潤(rùn)滑工況扭矩系數(shù)、離散系數(shù)數(shù)值逐步下降，其中條狀涂抹測(cè)試數(shù)據(jù)最優(yōu)，如圖5所示；螺紋僅旋合位置涂抹或不均勻涂抹會(huì)導(dǎo)致螺栓的扭矩系數(shù)、離散系數(shù)增大。螺紋不均勻涂抹（序9）、螺紋僅旋合位置涂抹（序10）的標(biāo)準(zhǔn)偏差在國(guó)家規(guī)定值0.01附近，且離散系數(shù)處于較高值。

2）針對(duì)潤(rùn)滑劑量對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的影響，對(duì)比序5～序8四種潤(rùn)滑工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：薄涂抹的螺栓扭矩系數(shù)有變小趨勢(shì)，但離散系數(shù)會(huì)變大；厚涂抹的離散系數(shù)雖然會(huì)變小，但扭矩系數(shù)會(huì)上升。以上數(shù)值變化均在正常范圍內(nèi)。

3）針對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)潤(rùn)滑工況，對(duì)比序12～序20九種潤(rùn)滑工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，在螺栓螺紋表面有油污、灰塵、水、銹跡時(shí)扭緊，螺栓的扭矩系數(shù)和離散系數(shù)均較正常涂抹時(shí)變大。其中，螺栓螺紋表面有水和銹跡對(duì)螺栓的離散度影響顯著；軸承潤(rùn)滑脂和油污對(duì)螺栓的影響較小；螺栓螺紋表面有灰塵時(shí)，螺栓扭矩系數(shù)和離散系數(shù)雖然在正常范圍內(nèi)，但屬于正常高值。

4? ? 結(jié)論與啟示

因擰緊工具價(jià)格便宜，操作方便快捷，螺栓的緊固一直以來(lái)普遍采用扭矩緊固法，但是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在緊固潤(rùn)滑方面的工藝要求和規(guī)定不夠詳細(xì)，實(shí)際作業(yè)時(shí)，容易出現(xiàn)涂抹樣式不一的情況，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓扭矩系數(shù)不同，可能存在相同預(yù)緊扭矩下，螺栓實(shí)際軸力分散性較大、連接不穩(wěn)定、不可靠等風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)M30高強(qiáng)度螺栓在多種潤(rùn)滑工況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化對(duì)比，得到不同潤(rùn)滑工況下螺栓扭矩系數(shù)及其離散變化的規(guī)律和結(jié)論：

1）螺栓無(wú)潤(rùn)滑或打濕時(shí)涂抹潤(rùn)滑劑，對(duì)扭矩系數(shù)影響非常顯著；螺栓打濕后即使短時(shí)晾干、生銹后除銹對(duì)扭矩系數(shù)的離散系數(shù)仍然影響顯著。因此，對(duì)于采用扭矩法安裝的螺栓，應(yīng)做好螺栓的防潮、防水和防銹。

2）僅螺栓螺紋均勻涂抹潤(rùn)滑劑（半潤(rùn)滑）的各項(xiàng)數(shù)據(jù)大幅優(yōu)于無(wú)潤(rùn)滑，接近正常潤(rùn)滑，雖扭矩系數(shù)比正常潤(rùn)滑略微增大，但是在穩(wěn)定性方面有提升。

3）螺紋不均勻涂抹、僅旋合位置涂抹、螺紋有灰塵時(shí)涂抹潤(rùn)滑劑對(duì)螺栓扭矩系數(shù)的離散系數(shù)影響較大。

4）螺紋條狀涂抹的各方面數(shù)據(jù)較好，但條狀涂抹在實(shí)際作業(yè)時(shí)難以按規(guī)定保證涂抹條數(shù)及長(zhǎng)度，易造成不均勻涂抹或僅旋合位置涂抹，導(dǎo)致扭矩系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)偏差均較正常值偏大，故較大規(guī)格螺栓潤(rùn)滑時(shí)不推薦使用條狀涂抹。

5）螺栓有油污、軸承潤(rùn)滑脂或螺栓輕度碰傷修復(fù)后正常潤(rùn)滑，對(duì)螺栓扭矩系數(shù)影響微弱，可不進(jìn)行干預(yù)。

6）連接副潤(rùn)滑劑涂抹的厚薄差異對(duì)螺栓扭矩系數(shù)影響很小，但不均勻涂抹會(huì)使螺栓扭矩系數(shù)的離散系數(shù)增大。

因此，對(duì)于分散度要求嚴(yán)格的場(chǎng)景，為兼顧螺栓的緊固質(zhì)量和涂抹標(biāo)準(zhǔn)化，推薦采用全潤(rùn)滑的方式“正常涂抹”，即用干凈的硬毛油漆刷將潤(rùn)滑劑薄而均勻地涂覆在干凈連接副表面規(guī)定位置，用量以覆蓋螺栓表面為宜，既不能少到露出螺栓金屬表面，也不能多到在螺栓金屬表面堆積、流淌。對(duì)于普通螺栓的安裝場(chǎng)景，可兼顧裝配工藝和安裝效率需求，考慮選擇半潤(rùn)滑（僅螺栓螺紋部分潤(rùn)滑）或條狀涂抹的潤(rùn)滑工藝。

[參考文獻(xiàn)]

[1] CROCCOLO D，DE AGOSTINIS M，F(xiàn)INI S，et al.Tribolog-

ical properties of bolts depending on different screw coatings and lubrications：An experimental study[J].Tribology International，2017，107：199-205.

[2] 王常川，杜利清，金文偉，等.螺紋潤(rùn)滑對(duì)螺紋副扭矩系數(shù)的影響及擰緊工藝探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（8）：50-52.

[3] 鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件：GB/T 1231—2006[S].

收稿日期：2024-02-04

作者簡(jiǎn)介：賀茁煒（1995—），男，四川樂(lè)山人，助理工程師，研究方向：風(fēng)電機(jī)組工藝設(shè)計(jì)。