淺析螺栓緊固與扭力值檢驗方法改進

1、 淺析螺栓緊固與扭力值檢驗方法的改進 姓 名： 張立波 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 部 門： 電氣設備分公司品質(zhì)管理部 指導老師： 劉兵 淺析螺栓緊固與扭力值檢驗方法的改進張立波（南車株洲電力機車有限公司 電氣設備分公司,湖南 株洲 412001）摘要：軌道交通設備中運用了大量的螺栓緊固件，重要部位的螺栓都會有確定的扭力值要求，對于如何高質(zhì)量的進行螺栓緊固就顯得很重要，另一方面對于專業(yè)的檢驗人員而言如何快速準確的測量螺栓扭力值是否達到要求也顯得尤為重要了。本文是結(jié)合了分公司螺栓緊固方法使用現(xiàn)狀扭力值檢驗方法現(xiàn)狀和螺栓緊固原理與國家計量要求所做的一次方法改進活動。此次設計改進旨在提高分公司螺栓

2、緊固質(zhì)量，減少因螺栓緊固不到位而造成的質(zhì)量損失，提升分公司螺栓緊固的科學性。主要著眼于現(xiàn)階段分公司定扭工具使用不規(guī)范，螺栓緊固方法存在“一刀切”的現(xiàn)象，螺栓扭力值檢驗方法不科學的問題，通過規(guī)范定扭工具的使用和優(yōu)化螺栓緊固與螺栓扭力值檢驗方法，為提升分公司螺栓緊固的質(zhì)量做一些嘗試，提高企業(yè)在市場環(huán)境的競爭力。關鍵詞：螺栓緊固；劃線法；增扭法；計量溯源性前言 軌道交通設備中大量運用到螺栓緊固件，在電氣設備分公司的屏柜產(chǎn)品獨立電器產(chǎn)品中都有運用到很多螺栓，對于關鍵部分的螺栓連接都會有扭力值要求，如何確保螺栓緊固的質(zhì)量，如何確定工作者是否將螺栓緊固到位？這就要求從螺栓緊固到檢驗的整個過程都是高效有序的

3、。目前分公司采用螺栓緊固方法是力矩法，根據(jù)設計要求的預緊力得到相應的螺栓緊固力矩，然后用定扭扳手進行定扭。而目前分公司檢驗螺栓扭力值的方法是擰緊法：扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩（切忌沖擊），當螺母或螺栓剛開始產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時它的瞬時扭矩值最大（因要克服靜摩擦力），繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扭矩值就會回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這時的扭矩值即為檢查所得的扭矩。但是目前分公司采用的這些方法是否合理呢，如果有不合理的地方，我們應該如何提升呢。本文將重點分析討論如何提升螺栓緊固的質(zhì)量。- 1 - 1 分公司螺栓緊固現(xiàn)狀調(diào)查1.1 電氣設備分公司扭力工具現(xiàn)狀調(diào)查ü 目前電氣分公司車間現(xiàn)有的扭力工具包括1.2Nm；2.

4、0Nm定扭起子，定扭起子主要用于屏柜車間繼電器三相自動開關接觸器等小型電氣元件的定扭。 ü 屏柜車間大線接線都會打扭力值，所以屏柜班組都配有定扭扳手，目前車間現(xiàn)有的定扭扳手包括型號730-10，其量程范圍是20-100Nm，最小精度為2.5Nm；型號為720-30的扭力扳手，其量程范圍是60-300Nm，最小精度為10Nm；量程范圍是4-20Nm的扭力扳手，其精度為0.5Nm；還有量程范圍是8-40Nm的扭力扳手，其精度值為1Nm。 ü 針對電氣屏柜車間繼電器上的小型螺栓，車間配有電動扭力起子，使用電動扭力起子員工工作的效率提高了很多，此定扭起子可以設定固定扭力值。 

5、52; 針對電氣組裝車間受電弓班組，有一個可以測定扭力值的電動設備，此轉(zhuǎn)矩測量設備可以很方便的對定扭工具進行企業(yè)車間級校準，此電子轉(zhuǎn)矩測量儀精度為0.01Nm，量程為400Nm。1.2 車間扭力工具校準現(xiàn)狀調(diào)查計量工具的校準是計量中很重要的一項活動，為此分公司也會定期對各種扭力測量工具進行校準。其實計量的特點可以歸納為準確性，一致性，溯源性以及法制性。本文中重點討論一下分公司計量的溯源性。溯源性是指通過文件規(guī)定的不間斷的校準鏈，使測量結(jié)果與參照對象（通常是測量標準）聯(lián)系起來的特性。在此校準鏈中的每項校準都會引入測量的不確定度。這種特性使所有的同種量值都可以按照這條比較鏈通過校準向測量的源頭追溯

6、，也就是溯源到同一個測量基準（國家基準或者國際基準），從而使其準確性和一致性得到技術保證。計量是與測量結(jié)果置信度有關的與測量不確定度聯(lián)系在一起的一種規(guī)范化的測量。為了保證測量的科學性和溯源性，測量儀器的校準時必不可少的一項定期的工作。針對分公司扭力值測量工具的校準，存在以下情況：v 車間的所有定扭扳手都會定期拿到公司計量室進行校準。v 針對分公司的測量扭力值的電子儀器，每半年會送到廣州計量院進行校準，這就保證了公司的計量溯源性。v 實際上車間還是存在一些問題的，有些定扭工具沒有及時送到公司計量室進行校準，四月份對組裝車間的扭力扳手進行抽檢，發(fā)現(xiàn)定扭工具出現(xiàn)偏差。很難想象用出現(xiàn)計量偏差的測量工具

7、組裝出來的產(chǎn)品是怎樣的。1.3 分公司螺栓擰緊方法與螺栓扭力值檢驗方法描述目前分公司使用的螺栓擰緊方法是力矩法，力矩法是根據(jù)設計要求的預緊力得到相應的螺栓緊固緊固力矩值，然后使用定扭扳手擰緊。 分公司使用的螺栓扭力值檢驗方法是增擰法，增擰法就是用扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩（切忌沖擊），當螺母或螺栓剛開始產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時它的瞬時扭矩值最大（因要克服靜摩擦力），繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扭矩值就會回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這時的扭矩值即為檢查所得的扭矩。此種方法操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。2 螺栓緊固分析2.1 螺栓連接基本原理 螺母和螺栓在整個工業(yè)技術領域中是最合適的緊固元件，他們可以經(jīng)受很高的工作負荷，也可以拆卸

8、下來再加以利用。螺栓連接必須能夠抵抗外力的作用，使已裝配的零件不會向分離的方向移動，否則就會造成螺栓接頭松動或者脫落。我們可以通過一個簡單的機械模型來形象的描述螺栓連接：圖1螺栓連接受力模型：最小預緊力；：預載荷；：軸向力；：垂直于軸向的作用力：摩擦系數(shù)； 其實可以把螺栓連接看成一個張力很強的彈簧，在進行螺栓連接的裝配式產(chǎn)生一個力，使被裝配組件壓緊在一起。由螺栓所產(chǎn)生的將零件壓緊在一起的力稱為預緊力。2.2 螺栓連接過程中確定預緊力 在每個螺栓接連過程中最重要的目標值是預緊力，因為不可能以足夠高的準確度來測量出或者估算出預緊力?；谶@一原因，目前的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)矩是唯一可記錄的質(zhì)量特征值

9、，為了審查緊固連接件的質(zhì)量，必須對轉(zhuǎn)矩進行系統(tǒng)評估，實際上，轉(zhuǎn)矩與預緊力之間的關系取決于緊固件的幾何形狀和摩擦系數(shù)，但是摩擦力是無法回避的，而且又是一個棘手的問題。由于一直存在這個問題，因此，按照所施加的轉(zhuǎn)矩裝配螺栓時，應該產(chǎn)生多大的預緊力，無法得出正確的結(jié)論。什么因素會影響轉(zhuǎn)矩與預緊力的這種關系的變化呢？首先，緊固件的幾何形狀決定了多大的轉(zhuǎn)矩可以產(chǎn)生一個特定的預緊力。在這方面，螺距是一個決定性的因素。螺栓時一個幾何體，它相當于一種“螺旋上升的平面”，因此，影響整個螺紋連接中力的分布情況。第二個因素是螺栓連接內(nèi)的固有摩擦關系，它影響著螺栓連接中各個力相互依存的關系。這里所指的就是在材料或者墊圈

10、之上轉(zhuǎn)動的支撐面摩擦力以及在材料螺紋孔內(nèi)或者螺母的螺紋孔內(nèi)轉(zhuǎn)動的螺紋摩擦力。 影響螺栓連接的摩擦特性是最重要的參數(shù)，這就意味著操作方法不正確絕對會導致螺栓連接的失效。例如，如下圖所示，擰入一個摩擦系數(shù)u=0.14的干燥的螺栓時，起緊固轉(zhuǎn)矩的分布情況如左圖；如果螺栓做了潤滑處理，摩擦系數(shù)變?yōu)閡=0.08，那么起緊固轉(zhuǎn)矩的分布方面就會發(fā)生變化如右圖。這就意味著現(xiàn)在的預緊力比原來的要高出約40%。圖3 螺栓連接內(nèi)的摩擦關系和力的分配這就說明通過轉(zhuǎn)矩確定螺栓預緊力的方法會有很大誤差，特別是對于大螺栓，通過轉(zhuǎn)矩確定要求的預緊力會受到很多因素的影響，但是目前國內(nèi)工業(yè)領域一般是通過轉(zhuǎn)矩來確定要求的預緊力，只

11、要誤差范圍保持在可接受的范圍就可以。2.3 擰緊力矩的計算 對于螺栓連接，其擰緊力矩T用于克服螺栓螺紋處的螺紋阻力矩及螺母與被連接支撐面間的斷面摩擦力矩。式中：d為螺紋公稱直徑；為預緊力;為螺紋中徑；為螺紋升角；為螺紋當量摩擦角；，其中為螺紋當量摩擦因素，為螺母與被連接件支撐面間的摩擦因素；K為擰緊力矩系數(shù)。3 螺栓緊固與扭力值檢驗方法改進如果想要提高螺栓緊固的質(zhì)量，我們必須知道影響螺栓緊固質(zhì)量的有哪些因素，我們通過因果圖來說明一下影響螺栓緊固的因素有哪些？操作者擰緊工具操作校準員工素質(zhì)檢驗方法精神身體狀況螺栓緊固質(zhì)量材料硬度形狀粗糙度定位動作方法的科學性螺栓的材質(zhì)緊固方法從上面的因果圖可以看

12、出影響螺栓緊固質(zhì)量的因素有四大方面，分別是人機料法四個方面，要想提高螺栓緊固質(zhì)量我們可以分別從四大方面入手：3.1 從提升“人”（操作者）的角度出發(fā) 提高員工的操作素養(yǎng)，可以進行相應的理論培訓，強化操作者對螺栓緊固的本質(zhì)認識，并且可以定期開展關于螺栓緊固的技能大賽，激發(fā)員工對螺栓緊固質(zhì)量提升的認識。3.2 從提升“法”（緊固方法）的角度考慮 可以從緊固方法的提升上思考很多，目前國內(nèi)采用的大多是力矩法擰緊螺栓緊固件，此方法有很好的實用性，但是目前國外還有另外一種緊固螺栓的方法轉(zhuǎn)角法螺栓緊固。我們以組一班受電弓為例，下面對比一下兩種方法的優(yōu)劣。力矩法、轉(zhuǎn)角法螺紋緊固件擰緊過程對比圖5 扭矩轉(zhuǎn)角法圖

13、6 扭矩法從上圖分析，由于受k值變化的影響，相同的擰緊力矩會得到不同的預緊力，最終軸向預緊力分散(圖6)。扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊能有效控制螺栓預緊力(軸向力)，避免用扭矩法擰緊時出現(xiàn)的螺栓拉長或拉斷現(xiàn)象(圖5)。在組裝車間分別用兩種緊固方法緊固螺栓，下表是分別用轉(zhuǎn)角法和扭矩法緊固螺栓得到的數(shù)據(jù)：序號產(chǎn)品序號“八防”工序規(guī)定扭力值用轉(zhuǎn)角法緊固實際扭力值用轉(zhuǎn)矩法緊固實際扭力值建議扭力范圍1高壓接地開關閘刀安裝在左右支架上M10×30螺栓32Nm31.12（-2.75%）30.32（+5.25%）±4%2受電弓弓頭鉸接處M8螺栓20Nm20.69（+3.45%）19.38（-3.1%）&

14、#177;4%下臂桿與底架/下臂桿與上框架鉸接處M20螺栓250Nm248.13（-0.75%）247.14(-1.1%）±4%平衡桿與上框架/平衡桿與下臂桿鉸接處M10螺栓40Nm41.45（+3.6%）42.24（+5.6%）±4%拉桿鉸接處M16螺栓120Nm121.37（+1.14%）122.21（+1.84%）±4%3高壓隔離開關閘刀與閘刀支架連接M10×30螺栓21Nm21.36（+1.7%）19.63（+6.5%）±4%扭力值平均相對誤差2.23%3.89%從上表的數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)角法比力矩法更能很好去控制螺栓軸向預緊力的一致性。

15、也就是說，只要合理選擇控制參數(shù)，轉(zhuǎn)角法比力矩法可靠性更高。3.3 從提升“機”（緊固工具和檢驗方法）的角度著手要想提升緊固質(zhì)量還可以從緊固工具和檢驗方法這方面著力，在緊固工具這一塊最主要的是提高定扭扳手的可靠性，定期校準。對于有很高精度要求的方面分公司可以購買精度更高的定扭工具。在螺栓扭力值檢驗方法這一方面可作為的更多一些，根據(jù)目前分公司采用的螺栓扭力值檢驗方法，我們發(fā)現(xiàn)了一些缺點，目前分公司采用的檢驗扭力值的方法是擰緊法（增擰法）：扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩（切忌沖擊），當螺母或螺栓剛開始產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時它的瞬時扭矩值最大（因要克服靜摩擦力），繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扭矩值就會回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這時的

16、扭矩值即為檢查所得的扭矩。此種方法操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。此種方法有一些弊端1、存在二次緊固的可能；2、對螺栓何時開始啟動很難確定，存在主觀因素；3、螺栓啟動的時候，實際扭矩值應該是大約安裝時候的扭矩值，所以測試值一般偏大。 因此建議針對分公司內(nèi)組一班螺栓扭力值較大緊固件使用劃線法檢驗扭力值是否到位，標記法（劃線法）：檢驗前先在被檢螺栓或螺母頭部與被連接體上劃一道線，確認相互的原始位置。然后將螺栓或螺母松開些，在用扭矩扳手將螺栓或螺母擰緊到原始位置（劃線處要線對準），這時的最大扭矩值再乘以0.91.1所得的值即為檢查所得的扭矩。技術水平不高，操作較繁瑣，不適宜有防松功能的緊固件。此種方法穩(wěn)

17、定性更高標記法更加精確，所測量的是動態(tài)扭矩，而設計人員從設計角度給出的扭矩即為動態(tài)扭矩。下面針對屏柜車間螺栓扭力值分別用兩種不同的檢驗方法，對比兩種檢驗方法的生產(chǎn)方質(zhì)量風險，進一步評價兩種檢驗方法的優(yōu)劣，下表是得到的數(shù)據(jù)：序號屏柜規(guī)定扭力值實際扭力值劃線法檢驗結(jié)果擰緊法檢驗結(jié)果1HXD1B、HXD1C蓄電池柜蓄電池接線螺栓15Nm16.12（+6.6%）不合格合格2HXD1B、HXD1C蓄電池柜端子排M12組裝螺栓15Nm16.12（6.6%）不合格合格3HXD1B輔助濾波柜185平方電纜接線接觸器M10螺栓接線33Nm32.02（-3.3%）合格合格4HXD1B輔助濾波柜185平方電纜接線接

18、線端子排M10螺栓接線18Nm20.06（+11%）不合格合格從上表的數(shù)據(jù)可以看出當扭力值大于規(guī)定值的時候劃線法可以很準確的識別出來，但是用擰緊法缺不能識別過扭的情況，這個相當于增大的使用方風險。針對分公司屏柜車間繼電器等小型緊固螺栓使用松開法檢驗扭力值，松開法：用扭矩扳手慢慢地向被檢螺栓或螺母施加扭矩，使其松開，讀取開始轉(zhuǎn)動時的瞬時扭矩值，并根據(jù)試驗和經(jīng)驗乘以一個系數(shù)：1.11.2即為檢驗扭矩值。操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。P.S 殘余扭矩值是再繼續(xù)擰緊螺栓/螺母時旋緊一個小角度測得的最小扭矩值。起動扭矩不能作為殘余扭矩。 動態(tài)扭矩：當緊固件再被固定的過程中測量得到的最大峰值。扭力扳手和動力

19、工具都可以施加動態(tài)扭矩，動態(tài)扭矩不能在緊固件被緊固完之后測量。動態(tài)扭矩加載時進行在線測量得到的扭矩值。 靜態(tài)扭矩：在一個緊固件被固定好之后，將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬時所需要的扭矩。加載后對扭矩進行測量。3.4 從提升“料”（螺栓材質(zhì)和表面粗糙度）的角度考慮 還可以從螺栓材質(zhì)和庫房對螺栓保管這方面著手提升螺栓緊固的質(zhì)量，從設計考慮螺栓預緊力時就應該考慮到螺栓的材質(zhì)對擰緊力矩的影響，再者螺栓的表面光滑度也能對預緊力的分布產(chǎn)生很大的影響，筆者已經(jīng)在第二部分做了詳細的分析，用同樣大的力矩擰緊同樣型號材質(zhì)的螺栓，表面涂了潤滑油的螺栓與干燥的螺栓產(chǎn)生的預緊力是不一樣的，甚至會產(chǎn)生40%的預緊力差別。所以說庫房管理員和現(xiàn)場操作員工要注意對螺栓的正確保管，在轉(zhuǎn)運螺栓的過程中也要注意不要撞擊螺栓的表面。3.5 小結(jié)只要從“人”，“機”，“料”，“法”四個方面全面提升，并且可以真正的執(zhí)行一些建議，我相信分公司的螺栓緊固質(zhì)量會有提高的。目前分公司屏柜車間與組裝