高強(qiáng)度大螺栓預(yù)緊力檢測探析范文

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《工程機(jī)械雜志》2016年第11期

摘要：

工程機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)只提供M39以下螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩，為補(bǔ)充M42及以上高強(qiáng)度螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩的確定方法，設(shè)計臺架試驗，通過測量M24螺栓在連續(xù)裝配轉(zhuǎn)矩下的應(yīng)變，計算螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K，基于K值與螺栓大小無關(guān)，設(shè)計M42及以上螺栓裝配轉(zhuǎn)矩，從而提供一種簡單的高強(qiáng)度大螺栓轉(zhuǎn)矩設(shè)計方法，并設(shè)計在二硫化鉬潤滑條件下M42~M64共5種規(guī)格大螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩。

關(guān)鍵詞：

高強(qiáng)度螺栓；預(yù)緊力；轉(zhuǎn)矩系數(shù)；屈服強(qiáng)度

某超大噸位液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承、配重、H架等零部件的連接需使用M42及以上高強(qiáng)度螺栓，例如，回轉(zhuǎn)支承與上下車連接采用M48（10.9級）螺栓，H架與縱梁連接采用M60（10.9級）螺栓，這些螺栓均適用于轉(zhuǎn)矩法裝配。目前，行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只提供M39及以下螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩，M42及以上螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩還需安裝單位根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)、螺栓性能等裝配工況自行設(shè)計。目前國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)螺栓裝配普遍采用厭氧螺紋膠作為緊固介質(zhì)，經(jīng)試驗驗證，涂抹螺紋膠時螺紋副摩擦系數(shù)離散度較大，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，且螺紋膠固化后螺栓拆卸困難，不便于維修；同時，螺紋副間由于摩擦力較大極易咬死。本文設(shè)計試驗采用二硫化鉬潤滑劑（膏狀，鋰基潤滑脂）代替螺紋膠，涂抹后在螺紋副間形成強(qiáng)韌、耐熱、耐重壓的二硫化鉬潤滑保護(hù)膜[1]，能夠顯著降低螺栓裝配摩擦系數(shù)離散度，提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性，同時，在相同預(yù)緊力下的摩擦力僅為使用螺紋膠的1/3~1/2，能夠避免螺紋副咬死，也便于拆卸維修。一般情況下，可委托專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)在試驗室，使用轉(zhuǎn)矩系數(shù)專業(yè)檢測設(shè)備測定螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)，但不便于模擬螺栓在產(chǎn)品上裝配的狀態(tài)，與實際裝配螺紋副的轉(zhuǎn)矩系數(shù)有一定偏差。本文通過設(shè)計專用工裝，模擬螺栓在產(chǎn)品上裝配的旋合長度、螺紋副材質(zhì)等，測量某一型號螺栓在逐級加載裝配轉(zhuǎn)矩下的應(yīng)變，計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K，然后根據(jù)K值和螺栓屈服強(qiáng)度設(shè)計各型號螺栓所需裝配轉(zhuǎn)矩。

1轉(zhuǎn)矩系數(shù)K的計算公式

螺栓彈性區(qū)內(nèi)緊固轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力的關(guān)系[2]：T=FKd（1）F=σ×As（2）σ=Eε（3）As=0.7854（d-0.9382P）2（4）式中：σ為材料屈服強(qiáng)度，N•mm-2；As為螺栓應(yīng)力截面積[3]，mm2；T為安裝轉(zhuǎn)矩，N•m；F為預(yù)緊力，N；K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑，mm；E為螺栓彈性模量；ε為螺栓彈性應(yīng)變；P為螺距，mm。根據(jù)式（1）~（3）得出轉(zhuǎn)矩系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系：K=T0.7854Eεd（d-0.9382P）2（5）高強(qiáng)度螺栓材料一般為35CrMo、42CrMo等鉬鉻合金鋼，彈性模量約為E=211000N•mm-2。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊[2]，K值也可以通過式（6）計算。K=d22d•tan（λ+ρv）+dm2d•f1（6）式中：d2為螺紋中徑；λ為螺紋升角；ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角；dm為螺母支承面平均直徑；f1為螺母支承面摩擦因數(shù)，且不論螺栓直徑d大小，可近似取值d2/d=0.92，dm/d=1.3。GB/T16823.2—1997《螺紋緊固件緊固通則》中說明，轉(zhuǎn)矩系數(shù)與螺紋摩擦系數(shù)、支承面摩擦系數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，適用于不同大小的螺栓直徑，故通過一種直徑大小的標(biāo)準(zhǔn)螺栓計算的K值可用于同標(biāo)準(zhǔn)的其他直徑大小螺栓，本文通過式（5）計算K值。

2試驗設(shè)計

設(shè)計臺架試驗[4]模擬螺栓在液壓挖掘機(jī)上的裝配，在螺栓桿部粘貼應(yīng)變片，測量螺栓不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的應(yīng)變和預(yù)緊力，計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K。首先選擇與挖掘機(jī)上螺紋孔材質(zhì)相同的鋼板，加工相同旋合長度的螺紋孔，制作試驗工裝。由于需要人工加載轉(zhuǎn)矩，為降低難度，選擇常用的M24螺栓（也可選擇其它型號小螺栓）進(jìn)行試驗測定轉(zhuǎn)矩系數(shù)K，加載轉(zhuǎn)矩前，螺紋及螺栓頭與墊圈配合端面（螺栓與墊圈表面均有達(dá)克羅涂層）涂抹二硫化鉬潤滑劑，然后旋合螺栓至頭部與墊圈基本貼合，在螺栓光桿處、距離螺栓頭下40mm處截面沿圓周方向均勻貼4個應(yīng)變片（螺栓光桿每隔90°已打磨成平面）[5]，如圖1所示。每個應(yīng)變片通過2根線束與應(yīng)變測量裝置連接，試驗裝置如圖2所示，其中應(yīng)變測量裝置精度為±0.5με，精度較高，設(shè)備誤差很小，但是受人工加載誤差、工裝制作誤差、應(yīng)變片粘貼質(zhì)量等因素影響，測量誤差為±10%~±20%。應(yīng)用2塊壓板將試驗工裝固定在水平工作臺上，使用大量程手動定扭扳手（轉(zhuǎn)矩可調(diào)，精度±3%）對試驗螺栓逐級加載裝配轉(zhuǎn)矩，起始轉(zhuǎn)矩200N•m，加載步距100N•m，加載轉(zhuǎn)速約4r/min。選取4顆M24螺栓進(jìn)行試驗，每2顆螺栓裝配在1個試驗工裝上（共制作2個試驗工裝），且螺栓和工裝螺紋孔均為連續(xù)一次性逐級加載，不允許拆卸后再次加載，故每顆螺栓的測試結(jié)果互不影響，均可計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K。無線動態(tài)應(yīng)變測量裝置（參數(shù)見表1）把螺栓應(yīng)變值傳送至計算機(jī)，記錄螺栓擰緊過程中的應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變接近3200時，停止加載。根據(jù)式（3），此時螺栓應(yīng)力σ0=Eε0=3200×211000=675.2MPa，約達(dá)到其屈服強(qiáng)度940MPa（參見GB/T3098.1—2000表3螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械和物理性能）的70%，仍在彈性區(qū)間內(nèi)，根據(jù)式（2）可知，當(dāng)螺紋公稱應(yīng)力截面積一定時，預(yù)緊力與應(yīng)變成正比，則在彈性區(qū)間內(nèi)，式（5）都是適用的。螺栓軸力（即預(yù)緊力）—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。實時觀測4顆螺栓加載轉(zhuǎn)矩時的應(yīng)變，并記錄，結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，得出如圖4所示螺栓應(yīng)變（對應(yīng)預(yù)緊力）—轉(zhuǎn)矩圖。從圖4可以看出，預(yù)緊力與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系，K值比較穩(wěn)定，測量精度較高。將上述數(shù)據(jù)代入式（5），計算出轉(zhuǎn)矩系數(shù)K值如表3所示。利用Minitab軟件做K的95%置信區(qū)間概率圖，得到K=0.124，標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.002，p=0.795＞0.05，說明本次試驗螺栓裝配過程質(zhì)量穩(wěn)定，K值精度較高。試驗測得的K值適用于螺紋孔材料為Q345B/Q235，螺栓材料為35CrMo等合金鋼，螺栓表面處理為達(dá)克羅，且螺紋副涂抹二硫化鉬的工程機(jī)械產(chǎn)品裝配，使用此K值設(shè)計轉(zhuǎn)矩時應(yīng)保證螺紋孔清潔。

3螺栓轉(zhuǎn)矩的計算

一般來說，國內(nèi)工程機(jī)械連接螺栓預(yù)緊力為該螺栓材料屈服強(qiáng)度的50%~70%，根據(jù)VDI2230—2003，螺栓預(yù)緊力應(yīng)為該螺栓材料屈服強(qiáng)度的90%，綜合考慮到國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及螺栓質(zhì)量、螺紋孔質(zhì)量等因素，螺栓預(yù)緊力應(yīng)為該螺栓材料屈服強(qiáng)度的70%，即：F=0.7×As×σs（7）式中：σs為螺栓材料的屈服強(qiáng)度。根據(jù)式（1）和式（7），且K=0.124，可得：T=K×0.7×As×σs×d=0.064d（d-0.9382P）2（8）將M42及以上螺栓公稱直徑d和螺距P（d與P的單位均轉(zhuǎn)化為m）代入式（8），計算得工程機(jī)械用于一般連接的M42（10.9）及以上螺栓推薦轉(zhuǎn)矩，如表4所示。某超大噸位液壓挖掘機(jī)應(yīng)用本文設(shè)計的轉(zhuǎn)矩和二硫化鉬潤滑劑進(jìn)行裝配，該機(jī)工作一年并未出現(xiàn)大螺栓松動故障。

4總結(jié)

大型工程機(jī)械價值量大、維修難度高，螺栓裝配質(zhì)量顯得尤為重要，采用本文設(shè)計的螺栓應(yīng)變測量試驗，能夠簡單、快速的計算不同部位大螺栓裝配轉(zhuǎn)矩系數(shù)，從而設(shè)計相應(yīng)的裝配轉(zhuǎn)矩，保證大螺栓裝配質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙海川，黃海江.風(fēng)電行業(yè)高強(qiáng)螺栓的潤滑問題分析[J].風(fēng)能，2010（4）：64-65.

[2]聞邦椿，陳良玉，鞏云鵬.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：16-17.

[3]GB/T16823.1—1997螺紋緊固件應(yīng)力截面積與承載面積[S].

[4]GB/T16823.3—1997螺紋緊固件擰緊實驗方法[S].

[5]楊文凱，謝清程，戚珩.應(yīng)變電測法測量葉根螺栓扭矩系數(shù)[J].船舶工程，2014（S1）：96.

[6]GB/T16823.2—1997螺紋緊固件緊固通則[S].

作者:張朝陽 李志永 賈亞周 姚錫濤 單位:徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司