高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)及其測(cè)試方法探討

1、高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)及其測(cè)試 方法探討來(lái)源：緊固件協(xié)會(huì) 發(fā)布日期：2007-10-16本文對(duì)螺栓連接副的扭矩系數(shù)K值及其影響因素、測(cè)試方法作了探討，采用“最 小二乘法”對(duì)扭矩扳子各個(gè)校驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，從中導(dǎo)出理論直線與擬合 直線的誤差修正方程式，用該方程式對(duì)扭矩進(jìn)行誤差修正，從而提高測(cè)量扭矩系 數(shù)K值的準(zhǔn)確性。引言汽車(chē)、橋梁、超高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)的螺栓擰緊是一項(xiàng)極其重要的技術(shù)，只有適當(dāng) 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(guò)控制扭矩或轉(zhuǎn)角來(lái) 間接實(shí)現(xiàn)軸力控制，而螺栓軸力與扭矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系嚴(yán)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(wèn)題時(shí)，必須對(duì)扭矩系數(shù)、扭 矩、軸力、摩擦性能及它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行探討。螺栓連接副擰緊過(guò)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(guò)程是一個(gè)克服摩擦的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)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(guò)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(duì)特定的理想的螺紋 連接副而言，當(dāng)摩擦系數(shù)確定后，扭矩系數(shù)

3、也就確定了，但實(shí)際的螺紋連接不可 避免地存在制造誤差，有時(shí)甚至存在螺紋有碰傷、銹蝕等缺陷，此時(shí)，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(duì)應(yīng)的某一常數(shù)。在極端情況下，當(dāng)發(fā)生干涉時(shí)，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(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，不可簡(jiǎn)單地根據(jù)摩擦系數(shù)進(jìn)行推算。扭矩系數(shù)K值的測(cè)試3.1測(cè)試儀器和測(cè)試原理只有同時(shí)測(cè)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(cè) 試是通過(guò)與螺栓連接副串聯(lián)的測(cè)力傳感器，將螺栓連接副的緊固軸力變成電壓信號(hào) 送到二次儀表，再由二次儀表將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱χ敌盘?hào)，并在二次儀表的數(shù)字 顯示器上顯示出來(lái)。傳感器利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成，被測(cè)力通過(guò)連接螺栓直接作用在粘貼有電阻應(yīng)變 計(jì)的應(yīng)變筒上。應(yīng)變筒受拉時(shí)，軸向拉伸使電阻應(yīng)變計(jì)阻值增加。應(yīng)變筒受壓時(shí)， 軸向壓縮使電阻應(yīng)變計(jì)阻值減小。因而橋路失去平衡，在橋路加有激勵(lì)電壓的情 況下，對(duì)角輸出端給出一個(gè)不平衡的輸出電壓，該電壓正比于作用在傳感器應(yīng)變筒 上的拉力（或拉力），因此可以將該電壓信號(hào)輸給二次儀表。橋路采用八片電阻應(yīng)變計(jì)，并構(gòu)成全橋型式。R1 R2

5、R3 R4 R5 R6 R7 R8橋路測(cè)量用電阻應(yīng)變計(jì)Rd初始不平衡補(bǔ)償電阻Rt溫度零點(diǎn)補(bǔ)償電阻3扭矩扳子校驗(yàn)螺栓連接副的緊固軸力是在施扭過(guò)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(zhǔn)確性。為了比較精確地測(cè)定螺栓連接副的扭矩系 數(shù)K值，有必要先對(duì)扭矩扳子進(jìn)行校準(zhǔn)，表一是扭矩扳子在扭矩校驗(yàn)所得到的一 組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)：重程.福校準(zhǔn)值-.重程.福校準(zhǔn)值-.(Nm)實(shí)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(lái)測(cè)量扭矩，會(huì)帶來(lái)一定的誤差。應(yīng)當(dāng) 用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)扭矩扳子的誤差作適當(dāng)修正。表征扭矩的一般靜態(tài)特征的多項(xiàng)代數(shù)方程為：y=a0+a1X1 + a2X22 +anXnn由于扭矩扳子的受力臂設(shè)計(jì)在彈性范圍內(nèi)，所以靜態(tài)特性是一個(gè)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)直線方程的偏差如下圖所示：圖中理論上的的標(biāo)準(zhǔn)直線與擬合直線之間的縱座標(biāo)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。現(xiàn)在已知標(biāo)準(zhǔn)直線方程過(guò)原點(diǎn)，所以，設(shè)該標(biāo)準(zhǔn)直線方程為： TOC o 1-5 h z y標(biāo)=鼠（1）又因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)直線的滿(mǎn)量程處的扭矩讀數(shù)為250Nm，所以，將滿(mǎn)星程處所對(duì)應(yīng) 的縱座標(biāo)值和橫座標(biāo)值代入方程（1），就可以求出該標(biāo)準(zhǔn)直線方程的系數(shù)K=5

8、20， 即標(biāo)準(zhǔn)直線方程式為：y標(biāo)=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(biāo)準(zhǔn)直線與擬合直線的關(guān)系可知： TOC o 1-5 h z y標(biāo)斗標(biāo)+ (4)其中，Ay為誤差修正值，由(4)式得y =y 標(biāo)-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(biāo)準(zhǔn)差anl的計(jì)算對(duì)同批螺栓連接副在同等表面狀態(tài)下測(cè)定緊固件軸力Ff和緊固件扭T,然后求K值及標(biāo)準(zhǔn)偏差？ a-dil算公式為:K 式4 一一扭卸菸費(fèi).無(wú)量購(gòu)7摞地Nmd嫁役的媒故靚箱.mm.F

9、廠-項(xiàng)椎睛同物為,岫根據(jù)設(shè)計(jì)軸力和測(cè)定的值可以計(jì)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(duì)緊固軸力的影響扭矩控制擰緊條件下，扭矩系數(shù)對(duì)軸力的影響如下圖所示當(dāng)緊固扭矩給定時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)偏差越大，則螺栓的緊固軸力越分散。因此必須嚴(yán)格控制扭 矩系數(shù)K值。4.2螺栓連接副表面狀況對(duì)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(lèi)、潤(rùn)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(yàn)結(jié)果表明：螺栓連接副不同的表 面處理方法對(duì)K值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響較大。表面發(fā)藍(lán)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(yàn)機(jī)上試驗(yàn)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(lán)處理）的試驗(yàn)曲線中可 見(jiàn)：在同等大小的扭矩作用下M10X25連接副的緊固軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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