擰緊工藝對螺栓預(yù)緊力影響的實(shí)驗(yàn)研究

聶曉東,胡 軍,李旋旋,霍軍周,郭金池

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 材料設(shè)備管理處,烏魯木齊 830000; 2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

螺紋連接應(yīng)用廣泛[1],雖看著比較簡單,但工作流程卻極其復(fù)雜,相關(guān)的理論知識較少.當(dāng)前,螺栓連接過程中采用力矩法實(shí)現(xiàn)的較多,主要是根據(jù)控制扭矩來保證軸向的預(yù)緊力大小[2].但是考慮到聯(lián)接過程有連接件材質(zhì)、擰緊速度、連續(xù)摩擦等要素的存在,導(dǎo)致力矩值偏差很大,基本處于±35%區(qū)間內(nèi)[3].雖可達(dá)預(yù)緊的需求,但其扭矩往往較大,易出現(xiàn)螺栓斷裂的情況.此外,對于螺栓數(shù)較多的場所,密閉相當(dāng)關(guān)鍵,既應(yīng)保障力矩值的大小,還應(yīng)盡可能使其分布均勻.由于扭矩法受到大量的外界因素影響,即便螺栓是相同的工藝,不同種類,其預(yù)緊力值的差值都較大,無法滿足條件[4].由于均勻的螺栓預(yù)緊力對裝配具有重大意義,本文提出了一種星形擰緊工藝使螺栓預(yù)緊力更為均勻.

1 擰緊方式和預(yù)定螺栓預(yù)緊力值

1.1 星形擰緊

星形擰緊工藝主要分為兩步:① 在前3輪預(yù)緊過程中,通過增加對角線螺栓的預(yù)緊力值,逐步達(dá)到目標(biāo)值的100%;② 以最少兩輪的擰緊工序使預(yù)緊力值趨于穩(wěn)定.擰緊工序如圖1所示.圖2中實(shí)線部分為螺栓編號,虛線部分為標(biāo)記順序(按照從小到大的順序進(jìn)行預(yù)緊).

圖1 星形擰緊工藝Fig.1 Star tightening process

第1階段擰緊至預(yù)定力矩值的20%～30%,本文取值是預(yù)定倫力矩值的25%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第2階段擰緊至預(yù)定力矩值的50%～70%,本文取值是預(yù)定倫力矩值的60%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第3階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第4階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,依據(jù)順時(shí)針次序操作,螺栓預(yù)緊次序是1—2—3—4—5—6;

第5階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,依據(jù)順時(shí)針次序操作,螺栓預(yù)緊次序是1—2—3—4—5—6.

1.2 分塊擰緊

這種工藝源于ASME,特點(diǎn)是簡單、可靠,因其工作強(qiáng)度低、高裝配效率得到了廣泛運(yùn)用.該擰緊方式先通過擰緊3根螺栓,然后按序進(jìn)行擰緊,這里暫稱其為分塊擰緊工藝.擰緊次序如圖2所示(按照從小到大的順序進(jìn)行擰緊).

圖2 分塊擰緊工藝Fig.2 Block tightening process

第1階段擰緊至預(yù)定力矩值的20%～30%,本文取值是預(yù)定倫力矩值的25%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第2階段擰緊至預(yù)定力矩值的50%～70%,本文取值是預(yù)定倫力矩值的60%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第3階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第4階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,依據(jù)順時(shí)針次序操作,預(yù)緊次序是1—2—3—4—5—6;

第5階段擰緊至預(yù)定力矩值的100%,依據(jù)順時(shí)針次序操作,預(yù)緊次序是1—2—3—4—5—6.

1.3 各輪螺栓預(yù)緊力期待值

通過星形擰緊、分塊擰緊這兩種方法分別進(jìn)行加載,從相關(guān)數(shù)據(jù)表知道本實(shí)驗(yàn)選取的M10螺栓安裝的力矩值是72 N·m,各輪所需的預(yù)緊力矩值如表1所示.

表1 法蘭螺栓各階段預(yù)緊力矩Tab.1 Pre-tightening torque of flangebolt in each stage

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)樣件

結(jié)合吉林引水工程現(xiàn)場施工的TBM原型,本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^相似理論進(jìn)行縮小重建,模型材質(zhì)是Q345,螺栓的尺寸是M10螺栓(10.9級).模型結(jié)構(gòu)如圖3所示,其實(shí)際物體如圖4所示.

圖3 法蘭全裝配模型Fig.3 Flange full assembly model

圖4 法蘭全裝配實(shí)物Fig.4 Flange full assembly entity

2.2 預(yù)緊力測量裝置

XITE扭力扳手為本次實(shí)驗(yàn)中螺栓擰緊的工具,它的精確度可以達(dá)到1%,主要通過MTO傳感器(CMK1-10T)對樣件加載進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和精確把控.具體的檢測實(shí)物如圖5所示.

圖5 檢測系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of detection system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在所有螺栓進(jìn)行加載之前,首先對采集系統(tǒng)進(jìn)行了清零,利用XITE預(yù)置式扭力扳手對所有螺栓按上文講到的方法進(jìn)行各階段的加載.在螺栓預(yù)緊實(shí)驗(yàn)過程中,各階段各螺栓的加載情況均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),最終得到了加載過程中單個(gè)螺栓給其他螺栓預(yù)緊帶來的影響.具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下.

3.1 星形擰緊工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

星形擰緊方式下,各階段螺栓的對應(yīng)預(yù)緊力矩值如表2所示.

依照表2數(shù)據(jù),螺栓經(jīng)過5個(gè)階段的預(yù)緊之后,預(yù)緊力矩值均在預(yù)定值的95%以上,擰緊的效果良好.對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后,螺栓相應(yīng)階段的預(yù)緊力矩值變化情況如圖6所示.

從圖6可知:各階段預(yù)緊之后,星形預(yù)緊方式對應(yīng)的編號5#,3#,1#預(yù)緊值都較6#,4#,2#的預(yù)緊值大,可能預(yù)緊次序?yàn)?—3—5—2—4—6,在預(yù)緊螺栓6#,4#,2#時(shí)引起了螺栓5#,3#,1#的預(yù)緊力矩值減小,進(jìn)而出現(xiàn)預(yù)緊早的力矩值較預(yù)緊晚的力矩值小.在前4階段的預(yù)緊過程中,各個(gè)螺栓之間的預(yù)緊力矩值差別較大,但在第5階段預(yù)緊之后,所有螺栓的力矩值趨向均勻,大體上均實(shí)現(xiàn)了預(yù)定值95%之上的要求,所以這種擰緊方法完美地實(shí)現(xiàn)了螺栓的預(yù)緊標(biāo)準(zhǔn).但考慮到這種擰緊方式每次都需對每個(gè)螺栓進(jìn)行加載,5個(gè)階段都要加載,導(dǎo)致加載多達(dá)30步,給工作人員帶來了極大的工作量,因此,僅適合于那些對預(yù)緊強(qiáng)度要求極高的場所.

表2 星形擰緊方式下螺栓的力矩值Tab.2 Torque value of bolts in star tightening mode

圖6 星形擰緊方式下螺栓各階段力矩值的變化Fig.6 Variation of torque value of bolts differentstages under star tightening mode

3.2 分塊擰緊工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在分塊預(yù)緊方式下,各階段加載流程中的力矩值如表3所示.

由表3可知:5個(gè)階段擰緊之后,所有螺栓的力矩值均在預(yù)定值的90%～95%.與星形擰緊工藝相比,分塊擰緊工藝的預(yù)緊力矩值雖略有減小,但是預(yù)緊效果也是達(dá)到了要求.對結(jié)果進(jìn)行分析后,所有螺栓的預(yù)緊力矩值隨各個(gè)階段施載的變動如圖7所示.

由圖7可知:在分塊預(yù)緊方式中,前3階段擰緊過程,如果僅擰緊螺栓1#,3#,5#,那么相臨近之螺栓2#,4#,6#的力矩值同樣會發(fā)生微小的變化.在第4階段預(yù)緊力施加過程時(shí),螺栓6#,4#,2#雖都為72 N·m,變動很大,但因在第1、第2、第3階段中,其他3個(gè)螺栓的預(yù)緊,對整體而言所有螺栓的力矩值相對均勻,但是螺栓力矩值退變階段卻非常顯著,只是預(yù)定力矩值的87%.5個(gè)階段擰緊之后,所有螺栓的力矩值趨向均勻,均為預(yù)定力矩值的90%,但都處于預(yù)定力矩值的95%之下,大體滿足了裝配過程中的預(yù)緊需求.因?yàn)樵谠摂Q緊方式下,第1、第2、第3階段不必對螺栓6#,4#,2#進(jìn)行擰緊,所以它的擰緊數(shù)不多,僅有21下,是星形預(yù)緊方式70%,使工作人員的工作強(qiáng)度大大減小.因此,分塊預(yù)緊方式對于預(yù)緊強(qiáng)度期待不高的場所很合適.

表3 分塊擰緊方式下力矩值Tab.3 Torque value under block tightening mode

圖7 分塊擰緊方式下力矩值的變化Fig.7 Change of torque value under block tightening mode

4 結(jié)論

本文以法蘭為研究對象,按照分塊預(yù)緊、星形預(yù)緊的方式分別做了螺栓預(yù)緊實(shí)驗(yàn),根據(jù)法蘭裝配過程中螺栓力矩值的變動情況,將這兩種擰緊方式的優(yōu)缺點(diǎn)做了對比,指出了兩種方法各自適用的工作場合.從結(jié)果可得:星形預(yù)緊方式中所有螺栓的力矩值均為預(yù)定值的95%之上,預(yù)緊效果很好,主要應(yīng)用場所為那些對預(yù)緊需求很高的場所;而對于分塊擰緊方式,所有螺栓的預(yù)緊力矩值為預(yù)定值的90%～95%,其擰緊結(jié)果雖沒有星形擰緊方式高,但分塊預(yù)緊的優(yōu)點(diǎn)主要是操作步數(shù)少,僅是星形預(yù)緊方式的70%,對于那些對預(yù)緊力期望不強(qiáng)烈的場所,可大大減小工作人員的工作強(qiáng)度.