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螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

  • 分类:行业新闻
  • 作者:王朋1,陈安生2,张会武2,高康1,黄伟东1,陈海波1(1.中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥230027;2.安徽省电力科学研究院,安徽合肥230022)
  • 来源:艾法斯特(转载)
  • 发布时间:2021-07-22
  • 访问量:0

【概要描述】

螺栓扭矩系数影响因素的试验研究

【概要描述】

  • 分类:行业新闻
  • 作者:王朋1,陈安生2,张会武2,高康1,黄伟东1,陈海波1(1.中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥230027;2.安徽省电力科学研究院,安徽合肥230022)
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引言

    在钢结构中,多采用螺栓对部件进行连接。安装时,绝大多数螺栓连接必须拧紧,此时被连接件受到压缩,螺栓受到拉伸,这种在承受工作载荷之前螺栓受到的轴向拉力称为预紧力[1]。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性。在安装过程中,直接控制预紧力比较困难,一般通过控制拧紧力矩来间接地控制预紧力。螺栓连接的质量关系到结构的安全运行和可靠使用,因而确定拧紧力矩与预紧力之间的关系(即扭矩系数),就具有了十分重要的工程实际意义[2]。螺栓扭矩系数的影响因素已经引起人们的广泛关注。一些工程技术和研究人员在理论分析的基础上,从螺栓自身质量和安装检测过程两方面入手,讨论了影响高强度大六角螺栓连接副扭矩系数的因素,并通过试验对比,就各种因素对扭矩系数的影响规律进行了初步研究,进而探讨了施工中如何控制、调整好扭矩系数[3-5]。王继武等[6]通过有限元模拟了各种垫片尺寸对M20摩擦型高强度螺栓抗滑移性能的影响。顾庆鸿等[7]针对高强度螺栓,考虑了温度、皂化液浓度和时间对扭矩系数的影响,并提出了一些降低扭矩系数的工艺措施。Nassar等[8]通过试验研究了镀锌层厚度对螺栓摩擦系数和扭矩系数的影响。Croccolo等[9,10]设计出一种得到螺栓摩擦系数的试验方法,并由摩擦系数和夹持件拉伸状态得到扭矩系数,通过试验和有限元模拟揭示了高强螺栓在拧紧时发生破坏的原因。

    近年来参考国际标准,我国颁布了一大批紧固件标准,使紧固件应用的整体水平有了明显提高。但是颁布的标准只针对大六角头高强度螺栓,对于输电塔中采用的普通螺栓没有明确的规范,且对输电塔中螺栓连接有无垫圈也没有明确要求。现有的输电塔都是通过检测扭矩的大小来间接验证螺栓安装的质量,由于扭矩系数的不确定性,常导致输电塔中螺栓连接副超拧或欠拧,影响了输电塔的安装质量。由此可见,研究输电塔中常用螺栓的扭矩系数具有重要的工程实际意义。

    本文通过对输电塔中常用的6.8级和8.8级两个级别的镀锌螺栓的扭矩系数进行系统测试,研究强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响,确定螺栓的扭矩系数的分布情况,为设计单位提供参考,为施工单位根据螺栓预紧力的大小反推所需施加的扭矩值提供依据。

1 扭矩系数的确定

1.1 扭矩系数测量原理

    根据经典理论,螺栓连接的预紧力矩T 与预紧力F 有以下关系[11]:

式中T 为预紧力矩;T1为螺纹副中的力矩;T2为支承面(螺帽或螺母与角钢的接触面)的力矩;F 为预紧力;d2为螺纹中径;α为牙型角;λ为螺纹升角;μ为螺纹间的摩擦系数;μ1为支承面间摩擦系数;dn

为支承面的平均直径(力矩意义上)。

    引入螺栓公称直径d,式(1)作一定变换,可得:T =KFd

其中:

K 即为工程中常用的扭矩系数,亦即试验要测量的量。式(3)表明,只要螺栓尺寸一定,被连接结构、螺栓尺寸和表面性质相同,且认为在不同载荷下,螺纹、支承面的接触应力分布的比例相同,则扭矩系数为一确定值。在考虑了三维效应和弹塑性变形的影响之后(摩擦系数的变化可忽略),仍可得出扭矩系数不变的结论[2]。这样,对于某种类型螺栓和连接件,只要测得扭矩系数,即可通过测量紧固过程中施加的扭矩,利用式(2)计算出螺栓预紧力。

1.2 试验材料、设备和方法

    本试验中每一对连接副包括一个螺栓和一个螺母,部分还包括一对垫片,它们分属同批制造。为更接近工程实际情况,采用人工加载试验。检测设备采用上海紧固件检测中心设计生产的ZLC-500轴向力测试台(如图1所示),采用扭矩测量仪记录扭矩值。测量原理如图2所示。

图1 ZLC-500轴向力测试台

Fig.1 The axial force testing

machine,ZLC-500

图2 扭矩系数测量原理图

2 扭矩系数影响因素试验

2.1 强度等级对扭矩系数的影响

    选取6.8级和8.8级M16螺栓各8只,6.8级螺栓配套6级螺母,8.8级螺栓配套8级螺母,螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂(即普通黄油)润滑,按照对应级别与规格施加扭矩,记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。两种强度等级下,螺栓的扭矩系数分布分别如图3和图4所示。

图3 6.8级螺栓普通黄油润滑时扭矩系数分布图

图4 8.8级螺栓普通黄油润滑时扭矩系数分布图

 由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计,样本方差计算公式如下所示[12]:

    取螺栓扭矩系数平均值,强度不同对螺栓扭矩系数的影响对比见图5,扭矩系数标准偏差S 对比见图6。

图5 不同强度等级螺栓的扭矩系数对比图

图6 不同强度等级螺栓的扭矩系数标准偏差对比图

    由图3和图4可以看出,6.8级M16螺栓的扭矩系数在0.133~0.199之间变化,8.8级M16螺栓的扭矩系数在0.137~0.175之间变化,强度高的螺栓变化范围较小。由图5和图6可以看出,拧紧轴力与屈服载荷比相同时,6.8级螺栓扭矩系数比8.8级的高,两者相差最大在比值为0.65处,前者比后者高8.9%,且对于扭矩系数离散性,高强度螺栓的结果小于低强度螺栓的。

2.2 垫圈对扭矩系数的影响

    选取6.8级M16螺栓16只,螺栓配套6级螺母,螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂润滑,其中8只加垫圈,8只不加垫圈。按照对应级别与规格施加扭矩,记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。无垫圈时螺栓的扭矩系数分布如图3所示,加垫圈时螺栓的扭矩系数分布如图7所示。由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计,取螺栓扭矩系数平均值,有无垫圈对螺栓扭矩系数的影响对比见图8,扭矩系数标准偏差S对比见图9。

    由图3、图7、图8和图9可以看出,6.8级M16螺栓无垫圈时的扭矩系数在0.133~0.199之间变化,有垫圈时的扭矩系数在0.164~0.204之间变化,拧紧轴力与屈服载荷比相同时,有垫圈的螺栓扭矩系数比无垫圈的要大;在比值为0.35处,两者相差最大,达17.6%。而且有垫圈螺栓的扭矩系数离散性较无垫圈的低。

图7 6.8级螺栓普通黄油润滑加垫圈时扭矩系数分布图

图8 6.8级螺栓有无垫圈的扭矩系数对比图

图9 6.8级螺栓有无垫圈的扭矩系数标准偏差对比图

图10 6.8级螺栓无润滑时扭矩系数分布图

2.3 有无润滑对扭矩系数的影响

    选取6.8级M16螺栓16只,螺栓配套6级螺母,其中8只螺栓螺母配套前均匀涂上锂基脂润滑,8只螺栓螺母均不润滑。按照对应级别与规格施加扭矩,记录螺栓的轴力值和所施加扭矩值。润滑时螺栓的扭矩系数分布如图3所示,不加润滑时螺栓的扭矩系数分布如图10所示。

    由选取的8组螺栓扭矩系数试验结果对整批螺栓扭矩系数进行无偏估计,取螺栓扭矩系数平均值,有无润滑对螺栓扭矩系数的影响对比见图11,扭矩系数标准偏差S 对比见图12。由图3、图10、图11和图12可以看出,6.8级M16螺栓有润滑时的扭矩系数在0.133~0.199之间变化,无润滑时的扭矩系数在0.344~0.487之间变化,无润滑时当预紧力超过屈服载荷的70%,螺栓镀锌层破坏明显,有咬死现象。当拧紧轴力与屈服载荷比相同时,无润滑螺栓的扭矩系数比有润滑的要明显偏大,在比值为0.7处,两者相差最大,前者是后者的2.55倍,而且有润滑螺栓的扭矩系数离散性显著降低。

图11 有无润滑螺栓的扭矩系数对比图

图12 有无润滑螺栓的扭矩系数标准偏差对比图

3 结果分析和讨论

    用扭矩法拧紧螺栓紧固结构,是施工中普遍采用的方法。螺栓成批购置和使用,扭矩系数是一个统计量,具有离散性。扭矩系数的离散会导致预紧力的离散,造成预紧力不足或过紧,影响输电塔的安全运行。因此,除了测量扭矩系数外,还必须了解和控制扭矩系数的离散程度。高强度螺栓镀锌层光滑,摩擦系数小,所以高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小;螺母和垫圈属于同种镀锌金属,它们组成的摩擦副黏着效应较强,摩擦力大,所以有垫圈的螺栓比无垫圈的螺栓扭矩系数大[13];螺杆上加入润滑剂,使螺纹中的摩擦系数降低,减小螺杆与螺母之间的摩擦力,所以有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小。由此可见:一方面,在输电塔中施加预紧力时,为了保证施加预紧力的一致性,施工中应采用润滑且加垫圈的螺栓,以避免造成预紧力不足或过紧;另一方面,有垫圈时,螺栓的扭矩系数变大,这样就增加了所施加的扭矩,对施工是不利的,特别是在输电塔顶端的装配施工,可能会增加预紧力施加的困难。因此,在输电塔施工中,可以采用底部螺栓连接有垫圈,这样可以提高预紧力的一致性,避免造成预紧力不足或者过紧;而在顶端则可以采用没有垫圈的螺栓连接,这样可以降低施工安装难度。当然,在条件允许的情况下,以高强度螺栓代替普通螺栓,扭矩系数减小意味着所需施加扭矩减小,便于施工;且扭矩系数的离散性减小,对整塔的可靠性提高是有利的。

    除了本文研究的三方面因素,影响螺栓扭矩系数的因素还有温度、镀锌层厚度和螺栓质量等。随着温度的降低,扭矩系数值升高,并且基本呈线性关系,扭矩系数值随温度变化而变化,但其标准偏差变化不大[7]。随着镀锌层厚度的增加,螺栓扭矩系数呈减小趋势[8]。而只有螺栓质量的一致性较好的情况下,预紧力才能得到较好的控制,最终工程质量才能得到较好的保证。因此,影响螺栓扭矩系数的因素比较多,也比较复杂,导致扭矩系数的离散性较大。鉴于此,对于一些重要工程,为了保证螺栓连接的可靠性,应采用同一批次生产的螺栓和垫片,严格控制工艺过程,并通过实验测得螺栓的扭矩系数。

4 结论

    本文通过对输电塔中常用螺栓的扭矩系数试验,分析强度不同、有无垫圈和有无润滑对扭矩系数的影响,得出以下结论:

(1)高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数低,离散性也小,可以更好地控制所施加的预紧力。

(2)有垫圈螺栓比无垫圈螺栓的扭矩系数大,但离散程度降低,故施工中所施加的扭矩较大,但预紧力的一致性会比较好。

(3)无润滑螺栓比有润滑螺栓的扭矩系数大很多,离散性也大,不易控制施加的预紧力,一般不宜采用。

(4)在输电塔施工中,可以采用底部加垫圈的螺栓连接,这样可以增加预紧力的一致性,避免造成预紧力不足或者过紧;而在顶端则可以采用不加垫圈的螺栓连接,这样可以降低施工安装难度。

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