螺栓潤滑對高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)影響的試驗研究

摘要：高強(qiáng)度螺栓在采用扭矩法緊固時，由于扭矩系數(shù)的離散，產(chǎn)生夾緊力大小不同。在有較高夾緊力要求的場合下，扭矩系數(shù)對螺栓聯(lián)接性能有較大的影響。通過對比試驗，在相同試驗情況下，對螺栓進(jìn)行不同程度的潤滑，測得不同情況下扭矩系數(shù)，探究螺栓潤滑對螺栓扭矩系數(shù)的影響。結(jié)果表明：在對螺栓頭部與連接件的接觸面及螺紋部分均進(jìn)行潤滑的情況下，螺栓的扭矩系數(shù)更小、更穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；扭矩系數(shù)；螺栓潤滑

高強(qiáng)度螺栓指強(qiáng)度等級在8.8級及以上的螺栓。由于其較高的性能表現(xiàn)，常被用于高精度、高載荷或一些特殊的連接中[1]。

目前行業(yè)內(nèi)的螺栓緊固常見的方法是扭矩法、轉(zhuǎn)角法、扭矩斜率法及拉伸法[2]。最常采用的安裝緊固方法是扭矩法，即將螺栓緊固至對應(yīng)緊固力矩從而達(dá)到要求的緊固效果。扭矩法的主要優(yōu)點是操作簡單，易于工藝實現(xiàn)。在工藝設(shè)計時，確定連接件所需的夾緊力，通過測量扭矩系數(shù)，便可計算出對安裝時對螺栓應(yīng)施加的緊固力矩。

在實際操作中，螺栓扭矩系數(shù)通常是一個統(tǒng)計量，通過實際測量及統(tǒng)計方法計算的一個值，每個螺栓的扭矩系數(shù)在計算值上下的范圍內(nèi)浮動。在螺栓表面涂抹相應(yīng)的潤滑脂潤滑油可降低扭矩系數(shù)，相同扭矩下產(chǎn)生的夾緊力變大。同時，潤滑可以提升扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性[3]。本文在不同潤滑狀態(tài)況下對螺栓扭矩系數(shù)進(jìn)行測量，確定不同潤滑狀態(tài)對扭矩系數(shù)的影響，為螺栓聯(lián)接工藝在設(shè)計時提供參考。

理論分析

扭矩系數(shù)K是根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算出來的，國標(biāo)GB/T 16823.3－2010計算公式為

K=T/fd （1）

式中 T——螺栓緊固力矩，單位為N·m；

F——夾緊力，單位為kN；

d——螺紋公稱直徑，單位為mm。

通過式（1）可以得出，由于d為螺栓公稱直徑，K決定了緊固力矩T轉(zhuǎn)化成夾緊力F的比例，在相同的緊固力矩下，K值不同產(chǎn)生的夾緊力F會有不同。同時，對于K的計算，只需測量緊固力矩T及夾緊力F。

根據(jù)緊固件行業(yè)內(nèi)共識，影響扭矩系數(shù)的重要因素為摩擦，其中主要包括螺紋副的摩擦及螺栓頭與支撐面的摩擦。螺紋摩擦與支撐面摩擦消耗占緊固扭矩的大部分。相關(guān)結(jié)論表明[4]：螺栓頭部/螺母在支撐面的摩擦消耗約占緊固力矩的45%～50%，螺紋摩擦消耗約占35%～40%，通過螺紋轉(zhuǎn)化為夾緊力的僅占10%～20%。

影響摩擦系數(shù)的因素很多，摩擦系數(shù)的波動則很可能導(dǎo)致相同條件下兩個螺栓的夾緊力不同。若在相關(guān)摩擦面涂抹潤滑脂，則會降低摩擦系數(shù)并使得摩擦系數(shù)更加穩(wěn)定，從而降低扭矩系數(shù)，改善扭矩系數(shù)離散性。

試驗研究

為了進(jìn)一步探究潤滑對扭矩系數(shù)的具體影響，根據(jù)上述螺栓摩擦的理論分析，對螺栓頭部與支撐面接觸部分及螺栓螺紋潤滑可以改善扭矩系數(shù)的離散性。

在本次試驗中確定三種潤滑狀態(tài)：不潤滑，即螺栓不進(jìn)行潤滑，直接與螺紋孔連接；螺紋潤滑，即只對螺栓的螺紋進(jìn)行潤滑，一般稱半潤滑；螺紋加支撐面潤滑，即螺栓頭部與支撐面接觸部分及螺栓螺紋都進(jìn)行潤滑，一般稱全潤滑，如圖1所示。在這三種潤滑狀態(tài)下測量螺栓的扭矩系數(shù)，探究潤滑方式對扭矩系數(shù)的具體影響。

1.試驗設(shè)備及結(jié)構(gòu)

螺栓夾緊力的測量采用壓力傳感器，其圓柱中間留有通孔，方便螺栓從其中穿過，將夾緊力均勻施加在壓力傳感器上。壓力傳感器量程為200kN，精度為0.2kN。緊固力矩使用扭矩扳手控制，精度±3%。本文選擇M12－10.9級螺栓進(jìn)行測試，潤滑脂為某品牌螺栓專用潤滑脂。試驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.試驗方法

查詢國標(biāo)GB/T3098.1－2000，M12－10.9級螺栓保證載荷為70kN。本文根據(jù)實際應(yīng)用情況，選定扭矩系數(shù)的測定時夾緊力的范圍為螺栓保證載荷的50%～80%，即載荷范圍為35～56kN。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，不潤滑狀態(tài)下選擇在80N·m、90N·m的緊固力矩下，半潤滑和全潤滑選擇70N·m、80N·m的緊固力矩下，測得夾緊力F來計算扭矩系數(shù)（見圖3～圖5）。

3.試驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)測得數(shù)據(jù)，計算螺栓在兩個緊固力矩下的平均扭矩系數(shù)，得出扭矩系數(shù)（見表1和圖6）。

選擇標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)偏差對扭矩系數(shù)測量值進(jìn)行比較，見表2。

由表2可知，對標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較：不潤滑最大，半潤滑次之，全潤滑最小。這表明在全潤滑的情況下，扭矩系數(shù)的測量值更加集中。在測得相應(yīng)的扭矩系數(shù)后，實際操作達(dá)到的夾緊力會接近計算設(shè)計的夾緊力，也會使各個螺栓之間的夾緊力更接近，夾緊力分布更均勻。

結(jié)語

1）螺栓潤滑可以改善扭矩系數(shù)的離散性，在相同的緊固力矩下，各螺栓產(chǎn)生的夾緊力更集中，在多螺栓聯(lián)接的情況下，夾緊力會更均勻。

2）螺栓潤滑會降低扭矩系數(shù)，在相同的緊固力矩下，螺栓產(chǎn)生的夾緊力更大。在采用不同潤滑時，應(yīng)提前測量相關(guān)扭矩系數(shù)，再設(shè)計緊固力矩，以獲得準(zhǔn)確的夾緊力，達(dá)到預(yù)期的緊固效果。

綜上所述，螺栓潤滑有助于提升螺栓聯(lián)接的效果，有助于獲得更加準(zhǔn)確的夾緊力。使用扭矩法緊固螺栓，為避免產(chǎn)生的夾緊力過大或過小，對扭矩系數(shù)進(jìn)行測量是必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬曉飛.風(fēng)電機(jī)組用高強(qiáng)度螺栓連接質(zhì)量管理[J].河南科技，2023，42（9）：44-48.

[2] 楊光，張遼遠(yuǎn)，張百慧，等.高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)影響因素的實驗研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2019，38（6）：59-63.

[3] 楊光，張遼遠(yuǎn)，張百慧，等.潤滑對高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)的影響[C].中國航天第三專業(yè)信息網(wǎng)第四十屆技術(shù)交流會暨第四屆空天動力聯(lián)合會議論文集——S06材料、工藝與制造相關(guān)技術(shù)，2019.

[4] 趙海川，王晶.關(guān)于風(fēng)電螺栓扭矩系數(shù)與摩擦系數(shù)的探討[J].風(fēng)能，2010（9）：54-56.