高强度大螺栓预紧力检测探析范文

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《工程机械杂志》2016年第11期

摘要：

工程机械行业标准只提供M39以下螺栓的装配转矩，为补充M42及以上高强度螺栓的装配转矩的确定方法，设计台架试验，通过测量M24螺栓在连续装配转矩下的应变，计算螺栓转矩系数K，基于K值与螺栓大小无关，设计M42及以上螺栓装配转矩，从而提供一种简单的高强度大螺栓转矩设计方法，并设计在二硫化钼润滑条件下M42~M64共5种规格大螺栓的装配转矩。

关键词：

高强度螺栓；预紧力；转矩系数；屈服强度

某超大吨位液压挖掘机回转支承、配重、H架等零部件的连接需使用M42及以上高强度螺栓，例如，回转支承与上下车连接采用M48（10.9级）螺栓，H架与纵梁连接采用M60（10.9级）螺栓，这些螺栓均适用于转矩法装配。目前，行业现行标准只提供M39及以下螺栓的装配转矩，M42及以上螺栓的装配转矩还需安装单位根据产品材质、螺栓性能等装配工况自行设计。目前国内工程机械行业螺栓装配普遍采用厌氧螺纹胶作为紧固介质，经试验验证，涂抹螺纹胶时螺纹副摩擦系数离散度较大，装配质量不稳定，且螺纹胶固化后螺栓拆卸困难，不便于维修；同时，螺纹副间由于摩擦力较大极易咬死。本文设计试验采用二硫化钼润滑剂（膏状，锂基润滑脂）代替螺纹胶，涂抹后在螺纹副间形成强韧、耐热、耐重压的二硫化钼润滑保护膜[1]，能够显著降低螺栓装配摩擦系数离散度，提高装配质量稳定性，同时，在相同预紧力下的摩擦力仅为使用螺纹胶的1/3~1/2，能够避免螺纹副咬死，也便于拆卸维修。一般情况下，可委托专业检测机构在试验室，使用转矩系数专业检测设备测定螺栓转矩系数，但不便于模拟螺栓在产品上装配的状态，与实际装配螺纹副的转矩系数有一定偏差。本文通过设计专用工装，模拟螺栓在产品上装配的旋合长度、螺纹副材质等，测量某一型号螺栓在逐级加载装配转矩下的应变，计算转矩系数K，然后根据K值和螺栓屈服强度设计各型号螺栓所需装配转矩。

1转矩系数K的计算公式

螺栓弹性区内紧固转矩与预紧力的关系[2]：T=FKd（1）F=σ×As（2）σ=Eε（3）As=0.7854（d-0.9382P）2（4）式中：σ为材料屈服强度，N•mm-2；As为螺栓应力截面积[3]，mm2；T为安装转矩，N•m；F为预紧力，N；K为转矩系数；d为螺栓公称直径，mm；E为螺栓弹性模量；ε为螺栓弹性应变；P为螺距，mm。根据式（1）~（3）得出转矩系数与应变的关系：K=T0.7854Eεd（d-0.9382P）2（5）高强度螺栓材料一般为35CrMo、42CrMo等钼铬合金钢，弹性模量约为E=211000N•mm-2。根据机械设计手册[2]，K值也可以通过式（6）计算。K=d22d•tan（λ+ρv）+dm2d•f1（6）式中：d2为螺纹中径；λ为螺纹升角；ρv为螺纹当量摩擦角；dm为螺母支承面平均直径；f1为螺母支承面摩擦因数，且不论螺栓直径d大小，可近似取值d2/d=0.92，dm/d=1.3。GB/T16823.2—1997《螺纹紧固件紧固通则》中说明，转矩系数与螺纹摩擦系数、支承面摩擦系数有对应关系，适用于不同大小的螺栓直径，故通过一种直径大小的标准螺栓计算的K值可用于同标准的其他直径大小螺栓，本文通过式（5）计算K值。

2试验设计

设计台架试验[4]模拟螺栓在液压挖掘机上的装配，在螺栓杆部粘贴应变片，测量螺栓不同转矩对应的应变和预紧力，计算转矩系数K。首先选择与挖掘机上螺纹孔材质相同的钢板，加工相同旋合长度的螺纹孔，制作试验工装。由于需要人工加载转矩，为降低难度，选择常用的M24螺栓（也可选择其它型号小螺栓）进行试验测定转矩系数K，加载转矩前，螺纹及螺栓头与垫圈配合端面（螺栓与垫圈表面均有达克罗涂层）涂抹二硫化钼润滑剂，然后旋合螺栓至头部与垫圈基本贴合，在螺栓光杆处、距离螺栓头下40mm处截面沿圆周方向均匀贴4个应变片（螺栓光杆每隔90°已打磨成平面）[5]，如图1所示。每个应变片通过2根线束与应变测量装置连接，试验装置如图2所示，其中应变测量装置精度为±0.5με，精度较高，设备误差很小，但是受人工加载误差、工装制作误差、应变片粘贴质量等因素影响，测量误差为±10%~±20%。应用2块压板将试验工装固定在水平工作台上，使用大量程手动定扭扳手（转矩可调，精度±3%）对试验螺栓逐级加载装配转矩，起始转矩200N•m，加载步距100N•m，加载转速约4r/min。选取4颗M24螺栓进行试验，每2颗螺栓装配在1个试验工装上（共制作2个试验工装），且螺栓和工装螺纹孔均为连续一次性逐级加载，不允许拆卸后再次加载，故每颗螺栓的测试结果互不影响，均可计算转矩系数K。无线动态应变测量装置（参数见表1）把螺栓应变值传送至计算机，记录螺栓拧紧过程中的应变，当应变接近3200时，停止加载。根据式（3），此时螺栓应力σ0=Eε0=3200×211000=675.2MPa，约达到其屈服强度940MPa（参见GB/T3098.1—2000表3螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能）的70%，仍在弹性区间内，根据式（2）可知，当螺纹公称应力截面积一定时，预紧力与应变成正比，则在弹性区间内，式（5）都是适用的。螺栓轴力（即预紧力）—应变关系如图3所示。实时观测4颗螺栓加载转矩时的应变，并记录，结果如表2所示，根据表2数据，得出如图4所示螺栓应变（对应预紧力）—转矩图。从图4可以看出，预紧力与转矩成线性关系，K值比较稳定，测量精度较高。将上述数据代入式（5），计算出转矩系数K值如表3所示。利用Minitab软件做K的95%置信区间概率图，得到K=0.124，标准偏差s=0.002，p=0.795＞0.05，说明本次试验螺栓装配过程质量稳定，K值精度较高。试验测得的K值适用于螺纹孔材料为Q345B/Q235，螺栓材料为35CrMo等合金钢，螺栓表面处理为达克罗，且螺纹副涂抹二硫化钼的工程机械产品装配，使用此K值设计转矩时应保证螺纹孔清洁。

3螺栓转矩的计算

一般来说，国内工程机械连接螺栓预紧力为该螺栓材料屈服强度的50%~70%，根据VDI2230—2003，螺栓预紧力应为该螺栓材料屈服强度的90%，综合考虑到国内外标准及螺栓质量、螺纹孔质量等因素，螺栓预紧力应为该螺栓材料屈服强度的70%，即：F=0.7×As×σs（7）式中：σs为螺栓材料的屈服强度。根据式（1）和式（7），且K=0.124，可得：T=K×0.7×As×σs×d=0.064d（d-0.9382P）2（8）将M42及以上螺栓公称直径d和螺距P（d与P的单位均转化为m）代入式（8），计算得工程机械用于一般连接的M42（10.9）及以上螺栓推荐转矩，如表4所示。某超大吨位液压挖掘机应用本文设计的转矩和二硫化钼润滑剂进行装配，该机工作一年并未出现大螺栓松动故障。

4总结

大型工程机械价值量大、维修难度高，螺栓装配质量显得尤为重要，采用本文设计的螺栓应变测量试验，能够简单、快速的计算不同部位大螺栓装配转矩系数，从而设计相应的装配转矩，保证大螺栓装配质量。

参考文献：

[1]赵海川，黄海江.风电行业高强螺栓的润滑问题分析[J].风能，2010（4）：64-65.

[2]闻邦椿，陈良玉，巩云鹏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010：16-17.

[3]GB/T16823.1—1997螺纹紧固件应力截面积与承载面积[S].

[4]GB/T16823.3—1997螺纹紧固件拧紧实验方法[S].

[5]杨文凯，谢清程，戚珩.应变电测法测量叶根螺栓扭矩系数[J].船舶工程，2014（S1）：96.

[6]GB/T16823.2—1997螺纹紧固件紧固通则[S].

作者:张朝阳 李志永 贾亚周 姚锡涛 单位:徐州徐工挖掘机械有限公司