表面潤(rùn)滑改性對(duì)熱鍍鋅緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響研究

錢 苗，余虹云，朱志華，陳 玲，李文仙

（浙江華電器材檢測(cè)研究所，杭州 310015）

表面潤(rùn)滑改性對(duì)熱鍍鋅緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響研究

錢 苗，余虹云，朱志華，陳 玲，李文仙

（浙江華電器材檢測(cè)研究所，杭州 310015）

緊固件表面摩擦系數(shù)直接影響緊固件軸力扭矩關(guān)系，而其表面摩擦系數(shù)可以通過潤(rùn)滑來改善。采用水蠟潤(rùn)滑對(duì)熱鍍鋅緊固件軸力扭矩關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了不同濃度水蠟對(duì)緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響，并與未經(jīng)任何潤(rùn)滑處理緊固件的扭矩系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可為輸電鐵塔緊固件預(yù)緊力的取值和提高防松可靠性提供參考。

熱鍍鋅緊固件；軸力；扭矩；潤(rùn)滑

0 引言

扭矩系數(shù)，即螺栓連接副緊固狀態(tài)時(shí)扭矩與軸力的關(guān)系比值，是緊固的必要和關(guān)鍵參數(shù)。與其他金屬緊固件不同，熱鍍鋅緊固件表面采用熱浸鍍鋅工藝，該類緊固件的扭矩系數(shù)在0.19～0.83之間，均值為0.51，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.11。其中，70%左右的扭矩系數(shù)集中在0.4～0.6之間，95%左右的扭矩系數(shù)集中在0.3～0.7之間[1]。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，表面磷化的鋼結(jié)構(gòu)用緊固件的扭矩系數(shù)在0.110～0.150[2]。熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)遠(yuǎn)大于表面磷化處理的緊固件的扭矩系數(shù)。而扭矩系數(shù)越大，同樣緊固扭矩下的緊固軸力值就越小，就容易發(fā)生松脫。

熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)過高與其采用鍍鋅工藝造成表面摩擦系數(shù)過大有關(guān)。而對(duì)于螺紋緊固件，包括大量的防松緊固件，螺紋副表面的潤(rùn)滑非常重要，它能顯著降低表面摩擦系數(shù)，改善連接副的工作性能。潤(rùn)滑具有以下主要作用：第一，防止螺紋旋合時(shí)出現(xiàn)擦傷或卡死，保證得到理想的預(yù)緊力和可重復(fù)使用；第二，穩(wěn)定鎖緊力矩，能使第一次擰入最大力矩趨小，提高防松的可靠性；第三，使緊固系統(tǒng)具有良好的扭-拉關(guān)系[3]。

鑒于潤(rùn)滑的重要作用，以下將嘗試在熱鍍鋅緊固件表面使用潤(rùn)滑劑，探討熱鍍鋅緊固件表面潤(rùn)滑改性的可行性，并研究表面潤(rùn)滑改性后熱鍍鋅緊固件的軸力扭矩關(guān)系，為熱鍍鋅緊固件預(yù)緊力的取值和提高防松可靠性提供參考意義。

1 潤(rùn)滑劑的選取

實(shí)際應(yīng)用中常用的潤(rùn)滑劑有中性潤(rùn)滑油及油膏、二硫化鉬、石墨和極性臘等，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 中性潤(rùn)滑油及油膏

中性潤(rùn)滑油及油膏是最普通的螺紋濕膜潤(rùn)滑劑，在潤(rùn)滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用溫度不能超過120℃，否則油和油膏會(huì)熔化和蒸發(fā)，降低潤(rùn)滑粘度，無法建立潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致基體金屬直接摩擦，失去潤(rùn)滑作用。它也不能用于真空環(huán)境。由于大部分潤(rùn)滑油具有較高的粘度，會(huì)長(zhǎng)期附著在零件表面，形成一定程度的污染。

1.2 二硫化鉬

二硫化鉬是最常用的一種干膜潤(rùn)滑劑，以干的薄膜形態(tài)牢固地粘結(jié)在成品螺母上，安裝螺母時(shí)不必再添加額外的潤(rùn)滑劑。二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑是一種優(yōu)良的螺紋潤(rùn)滑劑，可用于真空環(huán)境。但在溫度接近399℃時(shí)，二硫化鉬會(huì)轉(zhuǎn)化成具有研磨劑作用的三硫化鉬，對(duì)連接是有害的[4]。

1.3 石墨

干石墨粉加油、油膏（如凡士林）或水，使其潤(rùn)濕后便可成為性能良好的螺紋潤(rùn)滑劑，它的最大使用溫度受油或水的沸點(diǎn)所限。干石墨是研磨劑，在液體蒸發(fā)后，干石墨會(huì)對(duì)螺紋造成損害[5]。

1.4 水蠟

水蠟為高分子聚合物的水性分散液（主要成分為四氟乙烯），將水蠟與水按一定比例稀釋后，披覆在緊固件上，經(jīng)過烘干固化處理程序后，會(huì)在緊固件表面形成一層附著性強(qiáng)、干而不黏手的透明潤(rùn)滑薄膜。水蠟的潤(rùn)滑功能很好，能促進(jìn)緊固件的攻牙速度，有效降低旋合螺紋的摩擦系數(shù)，顯著降低并穩(wěn)定全金屬鎖緊螺母的第一次擰入最大力矩以及提高多次裝拆后的擰出最小力矩，它對(duì)穩(wěn)定緊固系統(tǒng)的扭-拉關(guān)系也有良好的效果。與黑色的二硫化鉬不同，這類潤(rùn)滑劑的干膜層是透明的，不影響緊固件強(qiáng)度區(qū)分標(biāo)志以及因安全等使用要求所必需的螺母著色。

2 試驗(yàn)條件的確定

以下采用日本進(jìn)口艾美MAKE FT-606緊固件專用薄膜潤(rùn)滑劑作為試驗(yàn)緊固件潤(rùn)滑劑。采用水蠟對(duì)緊固件試樣進(jìn)行表面處理的主要步驟如下：

（1）采用超聲清洗的方法對(duì)緊固件進(jìn)行清洗。

（2）將水蠟和純凈水按 1∶10 或 1∶5 的體積比例配比成溶液。

（3）將清洗后的緊固件試樣浸泡在配置好的水蠟溶液中1 h。

（4）取出緊固件試樣自然晾干后，置于烘箱中，60℃高溫干燥1 h備用。

圖1為熱鍍鋅緊固件試樣表面潤(rùn)滑處理過程。處理完畢的試樣，緊固件表面比較光潔且干燥，沒有粘手的油脂留在上面。

圖1 緊固件試樣表面潤(rùn)滑處理過程

分別在2種條件下進(jìn)行潤(rùn)滑表面改性緊固件扭矩系數(shù)測(cè)試，具體試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 潤(rùn)滑表面改性緊固件扭矩系數(shù)測(cè)試條件

3 試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

試驗(yàn)選用了自主研制的WNJ-1000型軸力-扭矩綜合智能試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)工作原理參照標(biāo)準(zhǔn)GB 16823.3-1997《螺紋緊固件擰緊試驗(yàn)方法》。

試驗(yàn)系統(tǒng)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電機(jī)、減速機(jī)、扭矩傳感器、負(fù)荷感器、反力框架及機(jī)柜，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖2 WNJ-3000型主機(jī)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)緊固件軸力-扭矩聯(lián)合測(cè)試系統(tǒng)相比，WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖3）不僅在裝配精度和控制器上做了改進(jìn)，且結(jié)合大規(guī)格、高等級(jí)緊固件的特點(diǎn)，在夾具設(shè)計(jì)、軸力傳感器位置方面做了優(yōu)化。優(yōu)化后系統(tǒng)操作更加簡(jiǎn)單方便，提高了試驗(yàn)可靠性和工作效率。

圖3 WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能試驗(yàn)系統(tǒng)

WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能系統(tǒng)的基本性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)系統(tǒng)的基本性能參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 異常值剔除

此次試驗(yàn)最終得到2種潤(rùn)滑改性后熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)值，共計(jì)160組，考慮其中可能存在因儀器設(shè)備和人為操作引入的不可靠性，因此在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析前，首先需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選，排除粗大誤差的引入，判定和剔除異常數(shù)據(jù)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

對(duì)異常測(cè)試數(shù)據(jù)的判定主要采用了格拉布斯準(zhǔn)則檢驗(yàn)，其判別思路為：若某個(gè)測(cè)量值殘差vi與標(biāo)準(zhǔn)差s的比值Gi大于格拉布斯表給出的臨界值G（a，n），則判斷此值有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。

對(duì)于服從正態(tài)分布的試驗(yàn)數(shù)據(jù) x1，x2，x3，…，xn-1，xn是否存在異常值，處理步驟如下：

（2）計(jì)算各個(gè)觀測(cè)值的殘差vi=xi-x。

（4）絕對(duì)值最大的殘差Vimax，其對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值即為可疑值。

（6）該可疑值作為異常值被剔除后，剩下的（n-1）個(gè)數(shù)據(jù)需要重新按照（1）—（5）的步驟進(jìn)行異常值剔除，直至數(shù)據(jù)中沒有異常值為止。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表3為2種潤(rùn)滑條件下緊固件扭矩系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行異常值剔除。根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則，發(fā)現(xiàn)表3中數(shù)據(jù)0.274和0.332均為異常值，將其剔除；再對(duì)剩余數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值分析，發(fā)現(xiàn)水臘體積∶水體積=1∶10的數(shù)組中0.329同樣為異常值，再加以剔除，之后未發(fā)現(xiàn)無異常值。

圖4是經(jīng)過2種不同潤(rùn)滑改性熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)分布圖和未經(jīng)任何表面處理的緊固件扭矩系數(shù)均值圖，結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知：

（1）表面潤(rùn)滑改性緊固件的扭矩系數(shù)明顯低于未經(jīng)任何表面處理緊固件的扭矩系數(shù)。

（2）水蠟體積與水體積按1∶5方式進(jìn)行潤(rùn)滑改性的緊固件扭矩系數(shù)略低于1∶10方式潤(rùn)滑改性的緊固件扭矩系數(shù)。

表3 潤(rùn)滑后緊固件扭矩系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 表面潤(rùn)滑改性和未經(jīng)潤(rùn)滑處理熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)熱鍍鋅緊固件的表面潤(rùn)滑改性，研究了不同濃度潤(rùn)滑條件對(duì)緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響，并與未經(jīng)任何潤(rùn)滑處理緊固件的扭矩系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

（1）熱鍍鋅緊固件可以采用石蠟兌水方式進(jìn)行表面潤(rùn)滑改性，不影響其外觀及使用。

（2）經(jīng)表面潤(rùn)滑改性后的熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)明顯降低，約為未經(jīng)潤(rùn)滑處理熱鍍鋅緊固件的1/3。

（3）石蠟兌水濃度越高，其降低熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)、改善軸力扭矩關(guān)系效果越明顯。

因此，建議在條件允許情況下，在熱鍍鋅緊固件螺紋上添加潤(rùn)滑劑。

[1]錢苗，余虹云，王梁，等.輸電線路用熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的測(cè)定和分析[J].浙江電力，2013，32（6）∶17-19.

[2]GB/T 1231-2002鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

[3]李維榮，朱家誠(chéng).螺紋緊固件防松技術(shù)探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003（2）∶15-17.

[4]鄭友華，李冀生，王平，等.二硫化鉬基潤(rùn)滑涂層在潤(rùn)滑油中的作用機(jī)理及實(shí)際應(yīng)用[J].潤(rùn)滑和密封，2005（2）∶127-132.

[5]陳銳，李平，陸玉俊.固體潤(rùn)滑材料——石墨的應(yīng)用[J].炭素，2000（4）∶23-25.

[6]余虹云，錢苗，高義波，等.輸電桿塔緊固件抗振防松試驗(yàn)規(guī)程中振幅和頻率取值的探討[J].浙江電力，2016，35（11）∶67-71.

[7]GB/T 3098.1-2010螺栓機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010．

[8]GB/T 16823.3-1997螺紋螺栓擰緊試驗(yàn)方法[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997．

[9]朱潔，鮑新生.淺析緊固扭矩質(zhì)量的控制[J].工程機(jī)械文摘，2014（2）∶76-78.

[10]陳亭志.螺紋緊固件擰緊扭矩的確定方法研究[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（1）∶102-105.

[11]江華生，吳金才.螺栓扭矩系數(shù)影響因素的研究及應(yīng)用[J].輕工機(jī)械，2012，30（5）∶93-95.

[12]吳國(guó)志.螺栓緊固應(yīng)力與緊固扭矩計(jì)算[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012（1）∶39-41.

[13]郭新明.螺紋緊固件扭矩系數(shù)的實(shí)測(cè)比較與分析[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2013（4）∶27-29.

Research on Impact of Surface Lubrication Modification on Relationship between Axial Force and Torque of Hot Galvanized Fastener

QIAN Miao， YU Hongyun， ZHU Zhihua， CHEN Ling， LI Wenxian

（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

Surface friction coefficient of fastener displays direct influence on its relationship between axial force and torque，and its coefficient could be improved by lubrication.Wax lubrication was used for experimental study of the relationship between axial force and torque of the hot galvanized fastener.The influence of different concentrations of wax on the relationship between axial force and torque of the galvanized fasteners was also discussed，and torque coefficient of the fastener without any lubrication is compared to provide guidelines to the pre-tightening valuing and anti-loose reliability of fasteners used in transmission tower.

hot galvanized fasteners； axial force； torque； lubrication

10.19585/j.zjdl.201709010

1007-1881（2017）09-0048-04

TH117.2

B

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（521104150001）

2017-07-14

錢 苗（1983），女，工程師，從事輸電鐵塔緊固件特性研究工作。

（本文編輯：方明霞）