裝配中螺栓緊固力矩的確定方法探討

張強(qiáng)

[摘 ?要]文章分析了螺栓聯(lián)接的受力情況，推導(dǎo)出了螺栓預(yù)緊力和緊固力矩的線性關(guān)系，然后從多方面研究了螺栓聯(lián)接中合適的預(yù)緊力值，從而來確定螺栓的緊固力矩，為螺栓裝配生產(chǎn)提供了一種參考經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]裝配;螺栓;緊固力矩;取定方法

中圖分類號(hào)：U225.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）27-0001-02

螺栓聯(lián)接是機(jī)械設(shè)備安裝中最常見的可拆式連接方式。為了保證在使用中螺栓螺紋聯(lián)接的剛性和防松能力，需要在裝配時(shí)進(jìn)行預(yù)緊，而預(yù)緊力矩該如何確定成為一個(gè)需要研究的問題，過大則會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接失效，過小則又達(dá)不到應(yīng)有的使用要求。因此確定螺栓的緊固力矩成為裝配工作中的一個(gè)重要問題。

1 螺栓聯(lián)接副的受力情況分析

螺栓聯(lián)接一般情況下都是成組應(yīng)用的，需要根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接件的載荷來設(shè)計(jì)其傳力方式、數(shù)目和布置?？傮w來說，螺栓聯(lián)接受力情況有：（1）純軸向力，螺栓只受軸向受力;（2）橫向力，螺栓徑向受力;（3）旋轉(zhuǎn)力矩，如輪法蘭聯(lián)接;（4）翻轉(zhuǎn)力矩，也叫傾覆力矩。

其中（1）、（4）螺栓聯(lián)接副受拉力，（2）、（3）螺栓聯(lián)接副可以受拉力，也可受剪切力。在裝配應(yīng)用中，螺栓聯(lián)接受拉力居多， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選用的螺栓也為受拉螺栓（GB3098.1～3098.3-82 緊固件機(jī)械性能）。故本文以螺栓聯(lián)接副受拉力為研究對象，討論時(shí)其緊固力矩的確定問題。

2 螺栓聯(lián)接副防松措施中的緊固力矩分析

螺栓聯(lián)接在工程應(yīng)用中，常用的防松方法有三種：摩擦防松、機(jī)械防松和永久防松。其中機(jī)械防松和摩擦防松稱為可拆卸防松，在安裝應(yīng)用中，需要施加緊固力矩;而永久防松稱為不可拆卸防松，無法重復(fù)使用，因此在機(jī)械設(shè)備裝配工作中較少使用。

（1）常見摩擦防松方法有：利用彈簧墊片、自鎖螺母及雙螺母等。彈簧墊片防松方式中，緊固力矩增加了彈簧墊片的壓緊力矩，但由于壓緊力矩?cái)?shù)值不大，常在計(jì)算中將其忽略。自鎖螺母防松方式中緊固力矩與普通螺栓相同。雙螺母（對頂螺母）防松方法中，要考慮前后兩個(gè)螺母的緊固力矩問題。

（2）常見的機(jī)械防松方法：利用開口銷、止動(dòng)墊片及串鋼絲繩等。機(jī)械方法多采用開口銷等機(jī)械結(jié)構(gòu)，阻止螺栓退回。這種方法的緊固力矩與普通方法一致。

（3）永久防松方法有：沖邊法防松、粘合防松等。這種方法一般用于永久聯(lián)接，不可拆卸，但其緊固力矩與普通方法一致。

對于螺栓聯(lián)接副的緊固力矩而言，機(jī)械防松方法和永久防松方法均為單螺母緊固，其緊固力矩與一般受拉力螺栓聯(lián)接無異。而在摩擦放松方法中，彈簧墊片放松在緊固時(shí)在單螺母緊固的基礎(chǔ)上增加了彈簧墊片的壓緊力矩，雙螺母方法緊固時(shí)，需要注意前后螺母的緊固力矩存在差異，需要分別對待。

3 軸向力與緊固力矩的關(guān)系分析計(jì)算

緊固力矩是由扳手的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來施加的，該扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)力矩T主要克服了螺紋副的螺紋阻力矩T1，以及螺母與被連接件支承面間的端面摩擦力矩 T2，即可得到如下公式：

（1）

式中：T—緊固力矩; F0—預(yù)緊力，N;ω—螺紋升角;

—螺紋當(dāng)量摩擦角;d2——螺紋中徑，mm;

μ—螺母與被連接件的支承面間的摩擦因數(shù);

Dw—與支承平面連接的螺母或者墊圈的直徑;d0—螺紋外徑;

d—螺紋公稱直徑，mm;

K—緊固力矩系數(shù)，;

因此，在螺栓大小相同時(shí)，螺栓的軸向預(yù)緊力正比于緊固力矩的大小，其比例系數(shù)就是緊固力矩系數(shù)K。

系數(shù)K 的取值計(jì)算是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。一般來說，對于普通粗牙M12～M64螺紋，其緊固力矩系數(shù) K 一般在 0.1～0.3范圍內(nèi)變動(dòng)，表1為參考值[1]。

可以這么認(rèn)為，當(dāng)螺栓、螺母、墊圈、被連接件等零件的型號(hào)選定后，在確定的工作環(huán)境、工作狀態(tài)下，緊固力矩系數(shù)是固定的。也就是說，在這種情況下，所需預(yù)緊力的大小直接決定了應(yīng)施加的緊固力矩的大小。

根據(jù)公式（1）可知，緊固緊力矩與螺栓預(yù)緊力是呈線性關(guān)系，因此早操作中確定并控制了緊固力矩的大小，就可以通過實(shí)驗(yàn)或理論的方法計(jì)算出預(yù)緊力值。由于系數(shù)K值、受摩擦系數(shù)和幾何參數(shù)的的不確定性影響，在一定的緊固力矩下，預(yù)緊力數(shù)值的變化區(qū)間比較大，因此通過緊固力矩來控制螺栓預(yù)緊力的精度并不是很高，其誤差約為±25%左右，最大甚至可達(dá)±40%左右。

這樣就產(chǎn)生了一個(gè)矛盾：一方面，可以根據(jù)應(yīng)用工況和要求來設(shè)計(jì)出所需要預(yù)緊力的具體數(shù)值，但另一方面，卻無法在現(xiàn)實(shí)中很精確的施加所要求預(yù)緊力，達(dá)到其設(shè)計(jì)值，只能通過施加一定緊固力矩，來確定其大小。不過關(guān)于這個(gè)矛盾的討論不是本文的重點(diǎn)，主要是為了闡述這種現(xiàn)實(shí)情況的存在。同時(shí)，在本文第 4 節(jié)中的討論只考慮了緊固力矩和預(yù)緊力的純線性關(guān)系而忽略了這種誤差。

4 ?螺栓預(yù)緊力（緊固力矩）的確定方法

通常情況下由 N個(gè)螺栓螺母副聯(lián)接的法蘭聯(lián)接體，給予一定的緊固力 F 的同時(shí)，聯(lián)接體內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)壓力 Fx，對于這種用于有一定內(nèi)壓力的流體的聯(lián)接體，設(shè)計(jì)螺栓的緊固力矩時(shí)，須考慮以下四點(diǎn)：

（1）確保螺栓的強(qiáng)度，即不允許發(fā)生因緊固力矩過大導(dǎo)致螺栓的屈服破壞而喪失聯(lián)接體的機(jī)能。

（2）確保螺紋的強(qiáng)度，不能因?yàn)檫^大的緊固力矩而導(dǎo)致螺紋發(fā)生脫扣現(xiàn)象。

（3）確保法蘭盤的強(qiáng)度，不能因過大的緊固力矩導(dǎo)致法蘭發(fā)生破壞。

（4）確保墊片、墊圈的性能，既保證不因緊固力矩過小導(dǎo)致聯(lián)接不到位，也不因緊固力矩過大造成螺栓損壞。

4.1 考慮螺栓的強(qiáng)度

一般規(guī)定緊固后的螺紋聯(lián)接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服點(diǎn)σs的 80%。對于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預(yù)緊力限值如下：

碳素鋼螺栓 ? ?F0=（0.6～0.7）σSAS

合金鋼螺栓 ? ?F0=（0.5～0.6）σSAS

式中：σs—螺栓材料的屈服點(diǎn)，Mpa;As—螺栓公稱應(yīng)力截面積，mm2;

對于重要的螺栓聯(lián)接，必須要有控制和測量預(yù)緊力的方法，常用的方法有：

（1）力矩法：當(dāng)使用力矩扳手正規(guī)測定緊固力矩時(shí)，一般取預(yù)緊系數(shù) Q=1.4[1]，則力矩扳手所需指示值應(yīng)為：

（2）

（2） 螺母轉(zhuǎn)角法：在螺母被擰到與被連接件貼緊后，再旋轉(zhuǎn)一定的角度獲得所需的預(yù)緊力。

（3） 螺栓預(yù)伸長法：通過加熱將螺栓預(yù)伸長到所要求的變形量，再擰緊螺母，冷卻后螺栓縮短即聯(lián)接預(yù)緊。這種方法螺栓不受緊固力矩作用，螺栓強(qiáng)度得到了一定提高，但需要預(yù)變形裝置。

這種單純考慮螺栓強(qiáng)度的緊固力矩計(jì)算方法是具有一定的局限性的，但是在不存在密封要求，并且被聯(lián)接件強(qiáng)度足夠高的工況下，是可以作為實(shí)際緊固力矩來使用的，特別的在地腳螺栓的緊固處理上應(yīng)用較為普遍，同時(shí)也是合適的。

4.2 考慮螺紋的強(qiáng)度

恰當(dāng)?shù)木o固力矩需要保證螺紋得以旋緊而不致使螺紋或螺母有所損害。這就要求旋緊扭矩必然介于旋入扭矩及極限扭矩之間，有很多因素會(huì)影響到旋轉(zhuǎn)扭矩及極限扭矩，比較重要的因素有螺紋的型式、 尺寸、螺母成份及硬度、厚度等等。

但是，標(biāo)準(zhǔn)的螺栓與螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸是根據(jù)等強(qiáng)度原則及使用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)定的。采用標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，這些部分并不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，但是當(dāng)非標(biāo)準(zhǔn)件之間的配合使用，或者進(jìn)行了材料的改變后，還是需要進(jìn)一步計(jì)算螺紋的強(qiáng)度以確定極限緊固力矩，這種螺紋強(qiáng)度的計(jì)算方法可參考相關(guān)手冊查到。

4.3 考慮被聯(lián)接件的強(qiáng)度。在用螺栓聯(lián)接法蘭件或其他連接件時(shí)，被聯(lián)接件的強(qiáng)度也是需要考慮的一個(gè)重要因素。

當(dāng)然，這個(gè)預(yù)緊力是螺栓所需要的最小預(yù)緊力，由此計(jì)算出來的緊固力矩也是最小緊固力矩，在合適的大小范圍內(nèi)，緊固力矩應(yīng)取較大的值，因此，根據(jù)最基本的密封要求，得到了螺栓的最小緊固力矩。

4.5 緊固力矩的確定

合適的緊固力矩對螺栓聯(lián)接來說是非常重要的。確定緊固力矩的第一步就是一計(jì)算出一個(gè)合適的預(yù)緊力 F，經(jīng)過以上的分析，可以確定 F 的合適的范圍是 F1～Min（F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5）。其中，F(xiàn)1—墊片保證密封的最小壓緊力;F2—使墊片或者墊圈破壞的壓緊力;F3—使螺紋破壞的壓緊力;F4—螺栓的許用最大預(yù)緊力;F5—使壓緊面破壞的拉力。

考慮采用標(biāo)準(zhǔn)緊固件，且忽視被連接件失效這種極端情況下，可以認(rèn)為螺栓聯(lián)接中，預(yù)緊力的大小應(yīng)該在 F1～Min（F2，F(xiàn)4）。一般來說，緊固力矩應(yīng)該在合適范圍內(nèi)取大值，因?yàn)槁菟ǖ妮S向力越大，它的抗松動(dòng)性能和抗疲勞性能就越好，同時(shí)也能更高地利用螺栓的效能，因此最合適的預(yù)緊力應(yīng)為Min（F2，F(xiàn)4）。也就是說，在預(yù)緊力的計(jì)算過程中，主要考慮墊片最大所能成承受的壓緊力，同時(shí)計(jì)算螺栓的最大許用壓緊力，兩者取小值。

5 ?結(jié)束語

目前在很多文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，在緊固力矩的計(jì)算時(shí)，常常只是考慮其中一種或者兩種情況，沒有從計(jì)算最小和最大的緊固力矩出發(fā)，全面的考慮多種不同工況下，分析總結(jié)螺栓緊固力矩的計(jì)算方法。本文通過討論得到了一種較為全面的螺栓緊固力矩的理論計(jì)算方法，對裝配工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

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