高強度螺栓連接副的扭矩系數(shù)及其測試方法探討

1、高強度螺栓連接副的扭矩系數(shù)及其測試 方法探討來源：緊固件協(xié)會 發(fā)布日期：2007-10-16本文對螺栓連接副的扭矩系數(shù)K值及其影響因素、測試方法作了探討，采用“最 小二乘法”對扭矩扳子各個校驗點的數(shù)據(jù)進行線性回歸，從中導出理論直線與擬合 直線的誤差修正方程式，用該方程式對扭矩進行誤差修正，從而提高測量扭矩系 數(shù)K值的準確性。引言汽車、橋梁、超高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)的螺栓擰緊是一項極其重要的技術，只有適當 的緊固軸力才能保證螺栓可靠服役。目前在安裝工藝上一般通過控制扭矩或轉(zhuǎn)角來 間接實現(xiàn)軸力控制，而螺栓軸力與扭矩之間的對應關系嚴重地受到摩擦條件的影 響。摩擦一方面是螺紋自鎖防松的必要條件，另一方面摩擦

2、消耗大量扭矩（能量） 從而影響螺栓軸力，因此，在研究螺栓連接副擰緊問題時，必須對扭矩系數(shù)、扭 矩、軸力、摩擦性能及它們之間的相互關系進行探討。螺栓連接副擰緊過程中的摩擦、緊固軸力扭、扭矩系數(shù)及扭矩消耗螺栓的擰緊過程是一個克服摩擦的過程，在這個過程中存在螺紋副的摩擦及端面 摩擦。通常情況下，裝配扭矩的約90%都由于螺紋副摩擦及端面摩擦消耗掉了， 其中螺紋副摩擦約占40%，端面摩擦約占50%，約有10%轉(zhuǎn)化為緊固軸力。扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸力之間的系數(shù)，它不僅 取決于摩擦面的摩擦系數(shù)，還取決于螺紋連接副的幾何狀況。對特定的理想的螺紋 連接副而言，當摩擦系數(shù)確定后，扭矩系數(shù)

3、也就確定了，但實際的螺紋連接不可 避免地存在制造誤差，有時甚至存在螺紋有碰傷、銹蝕等缺陷，此時，即使一批螺 栓連接副的摩天樓擦系數(shù)保持恒定，其扭矩系數(shù)也將不可避免地存在一定的散差。 而并非與摩擦相對應的某一常數(shù)。在極端情況下，當發(fā)生干涉時，盡管擰緊扭矩足 夠大，螺栓軸力可能很小。通常情況下，根據(jù)螺紋連接方式、表面摩擦條件以及 螺紋制造質(zhì)量的不同，K值在0.100-0.450范圍內(nèi)變化。摩擦系數(shù)僅僅反映特定的接觸面之間的摩擦情況，扭矩系數(shù)則是反映螺紋副摩擦 性能的綜合系數(shù)，必須通過實驗實測，不可簡單地根據(jù)摩擦系數(shù)進行推算。扭矩系數(shù)K值的測試3.1測試儀器和測試原理只有同時測得緊固軸力和緊固扭矩才

4、能間接獲得扭矩系數(shù)K值。緊固軸力的測 試是通過與螺栓連接副串聯(lián)的測力傳感器，將螺栓連接副的緊固軸力變成電壓信號 送到二次儀表，再由二次儀表將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱χ敌盘?，并在二次儀表的數(shù)字 顯示器上顯示出來。傳感器利用電阻應變原理構(gòu)成，被測力通過連接螺栓直接作用在粘貼有電阻應變 計的應變筒上。應變筒受拉時，軸向拉伸使電阻應變計阻值增加。應變筒受壓時， 軸向壓縮使電阻應變計阻值減小。因而橋路失去平衡，在橋路加有激勵電壓的情 況下，對角輸出端給出一個不平衡的輸出電壓，該電壓正比于作用在傳感器應變筒 上的拉力（或拉力），因此可以將該電壓信號輸給二次儀表。橋路采用八片電阻應變計，并構(gòu)成全橋型式。R1 R2

5、R3 R4 R5 R6 R7 R8橋路測量用電阻應變計Rd初始不平衡補償電阻Rt溫度零點補償電阻3扭矩扳子校驗螺栓連接副的緊固軸力是在施扭過程中產(chǎn)生的，扭矩的誤差將造成緊固軸力的偏 差，從而影響扭矩系數(shù)K值的準確性。為了比較精確地測定螺栓連接副的扭矩系 數(shù)K值，有必要先對扭矩扳子進行校準，表一是扭矩扳子在扭矩校驗所得到的一 組試驗的數(shù)據(jù)：重程.福校準值-.重程.福校準值-.(Nm)實際謾教0：00010%2524.123節(jié)20%-,5048.84S.2如1.血卯.59T.3150147.5147. S.-80%-,200.i舛2197.0ioq%250246.1246.6-平均值- (Nm)差

6、值.(Nm).000023.723.0 1.20.4S48.448.5 1.50.60-97.0.97.32.71.0g,147.6147.5 2.40.9619.51殖丘3.41.36 245： 7246.13.91.56誤差曲線如圖一所示:3.3扭矩扳子的誤差修正從誤差曲線中可以看到，直接用扭矩扳子來測量扭矩，會帶來一定的誤差。應當 用適當?shù)姆椒▽εぞ匕庾拥恼`差作適當修正。表征扭矩的一般靜態(tài)特征的多項代數(shù)方程為：y=a0+a1X1 + a2X22 +anXnn由于扭矩扳子的受力臂設計在彈性范圍內(nèi)，所以靜態(tài)特性是一個線性方程，即：y=a0+a1X1用最小二乘法可以求得線性方程的系數(shù)a0和a1

7、即：將表一中測得數(shù)據(jù)代入公式(1)(2)(3)(4)(5)求得：a0=-0.63737 a1=246.27 r=0.99998因此，該擬合直線方程為：y=-0.63737+246.57x該直線方程與理論上的標準直線方程的偏差如下圖所示：圖中理論上的的標準直線與擬合直線之間的縱座標差值即為扭矩扳子的誤差修正 值。用數(shù)字方法可以給出扭矩扳子的誤差修正方程式?，F(xiàn)在已知標準直線方程過原點，所以，設該標準直線方程為： TOC o 1-5 h z y標=鼠（1）又因為該標準直線的滿量程處的扭矩讀數(shù)為250Nm，所以，將滿星程處所對應 的縱座標值和橫座標值代入方程（1），就可以求出該標準直線方程的系數(shù)K=5

8、20， 即標準直線方程式為：y標=250 x（2）上面己經(jīng)用最小二乘法求出扭矩扳子的擬合直線方程為：y 擬=-0.63737+246.57x（3）從標準直線與擬合直線的關系可知： TOC o 1-5 h z y標斗標+ (4)其中，Ay為誤差修正值，由(4)式得y =y 標-y 擬(5)將方程式(2)和(3)代入得：y =3.430 x-63737(6)方程式(6)就是扭矩扳子的誤差修正方程。3.4K值及標準差anl的計算對同批螺栓連接副在同等表面狀態(tài)下測定緊固件軸力Ff和緊固件扭T,然后求K值及標準偏差？ a-dil算公式為:K 式4 一一扭卸菸費.無量購7摞地Nmd嫁役的媒故靚箱.mm.F

9、廠-項椎睛同物為,岫根據(jù)設計軸力和測定的值可以計算出安裝扭矩,從而控制安裝的緊固軸力。4 .討論4.1螺栓連接副扭矩系數(shù)K值對緊固軸力的影響扭矩控制擰緊條件下，扭矩系數(shù)對軸力的影響如下圖所示當緊固扭矩給定時，螺栓的緊固軸力直接受到扭矩系數(shù)K值的影響。K值范圍 越寬，即K值的標準偏差越大，則螺栓的緊固軸力越分散。因此必須嚴格控制扭 矩系數(shù)K值。4.2螺栓連接副表面狀況對K值的影響影響K值支承面以及螺紋副旋合面的狀況，包括覆蓋層種類、潤滑劑、加工粗糙 度、表面處理方法，以及支承面尺寸等因素。試驗結(jié)果表明：螺栓連接副不同的表 面處理方法對K值及其標準偏差的影響較大。表面發(fā)藍處理的螺栓連副扭矩系數(shù) 在0.2200.150之間，表面經(jīng)燔皂化下處理的螺栓連接副扭矩系數(shù)在0.1100.150之 間，且變異系數(shù)（50.o1O以下是在瑞典Atlas試驗機上試驗得到的一組曲線：圖三(M10X25)圖三(M10X25)從M10X25表面經(jīng)磷皂化處理）和M10X30 （表面經(jīng)發(fā)藍處理）的試驗曲線中可 見：在同等大小的扭矩作用下M10X25連接副的緊固軸力遠遠大于M10X30連接副 的緊固軸力。從兩者的扭矩系數(shù)K值的比較中（前者K=0.149，后者K=0.291）不 難發(fā)現(xiàn)，M10X25螺栓表面的磷皂化處量使K值降底，從而提高了螺栓連接副的緊 固軸力。5.結(jié)論扭矩扳