螺栓，作為在機(jī)械裝備服役的機(jī)組中的連接方式之一，使用量最大。為了獲得較高的預(yù)緊力，使高強(qiáng)度螺栓與機(jī)件之間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，使螺栓連接在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，合適的預(yù)緊力是增強(qiáng)連接可靠性和減少螺栓疲勞失效的重要前提。

1、問題的提出

近年來，大量高強(qiáng)度螺栓早期失效事故時有發(fā)生。如服役中機(jī)組的漿葉螺栓斷裂原因分析之一，就是沒有按照安裝工藝要求執(zhí)行，安裝時部分螺栓沒有涂抹潤滑劑，導(dǎo)致螺栓力矩不均勻。涂抹潤滑劑的螺栓擰緊力矩時摩擦力小，所以較緊，而沒有涂抹MoS2潤滑劑的螺栓擰緊力矩后仍然較松。經(jīng)過試驗(yàn)測試，同樣是擰緊到750N•m的力矩，涂抹MoS2潤滑劑與未涂抹的螺栓預(yù)緊力相差三分之一。因此，漿葉螺栓所受預(yù)緊力不一樣，機(jī)組運(yùn)行后，在循環(huán)動態(tài)載荷作用下，導(dǎo)致較緊的螺栓首先斷裂，其他螺栓逐步斷裂，最終漿葉脫落，漿葉報廢。

再如，機(jī)架螺栓斷裂。當(dāng)機(jī)架發(fā)生失穩(wěn)后，外力超過螺栓斷裂極限，現(xiàn)場安裝時，連接法蘭變形強(qiáng)制安裝等，導(dǎo)致局部螺栓應(yīng)力集中，形成多個裂紋源，運(yùn)行一定年限后斷裂。從斷口看，斷裂處存在較大幅度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2、預(yù)緊力的確定

過大的過小的預(yù)緊力都將增大螺栓疲勞破壞的概率。預(yù)緊力達(dá)不到規(guī)定要求，定會使被連接件之間受載荷后出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對位移，造成連接件的松動，可能導(dǎo)致被連接件錯位、歪斜，螺栓可能被剪斷；預(yù)緊力過大，螺栓將發(fā)生塑性變形而失效，甚至有可能被擰斷或螺紋被剪斷而脫出。

螺栓的預(yù)緊力應(yīng)由設(shè)計單位提供，一般取材料屈服極限的70%～82%，即
Fo=(70%～80%)*Rp0.2*As……………①
設(shè)計緊固扭矩，
Te=K*Fo*d …………………………②
施工扭矩，
T=Te*(1+10%)………………………③

式中：
K-高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)平均值；
T-施工扭矩，單位為牛米N•m；
Fo-螺栓施工預(yù)拉力，單位為千牛 KN；
Rp0.2-螺栓材料的屈服極限（N/mm2）；
As-螺栓的公稱應(yīng)力截面積（mm2）；
d-高強(qiáng)度螺栓螺桿直徑，單位為毫米（mm）。

表1為所示為扭矩系數(shù)為0.1的某工程高強(qiáng)度螺栓施工扭矩值min列表（僅供參考）。

表1 螺栓施工扭矩值min表(K=0.1)

序號	規(guī)格	材料牌號	設(shè)計預(yù)緊力（Km）	公稱應(yīng)力截面積（mm2）	設(shè)計緊固扭矩（N·m）	施工扭矩（N·m）
1	M30x240	42CrMo	369	561	1107	1200
2	M36x280	42CrMo4	510	817	1840	2050
3	M42x280	42CrMo4	710	1120	2982	3280
4	M45x320	B7	862	1310	3880	4250
5	M48x260	B7	967	1470	4642	5100
6	M56x300	B7	1336	2030	7482	8250

現(xiàn)場施工安裝時，同一廠家，同批次原材料、同批次生產(chǎn)的螺栓、扭矩系數(shù)必須一致。其中，尤其重要的扭矩系數(shù)試驗(yàn)須明確試驗(yàn)所用的MoS2潤滑劑型號、涂抹部位及用量，且應(yīng)確保施工現(xiàn)場操作方便可行。

⑴潤滑劑的選擇

由設(shè)計單位確定，通常情況潤滑劑采用MoS2,操作者按規(guī)定領(lǐng)取潤滑劑和涂抹工具。潤滑劑的選用與涂抹必須與扭矩系數(shù)試驗(yàn)所確定條件一致。如需更換潤滑劑，必須提交相應(yīng)申請，并重新進(jìn)行扭矩系數(shù)的測定。

⑵螺栓擰緊方法選擇

螺栓擰緊方法目前應(yīng)用較多的有扭矩法、旋轉(zhuǎn)角度法及液壓拉伸預(yù)緊法。

①扭矩擰緊法是將扭矩間接轉(zhuǎn)換為拉伸力以實(shí)現(xiàn)對螺栓的預(yù)緊，在實(shí)施過程中具有簡單、直觀的特點(diǎn)，但是扭矩系數(shù)K與螺栓表面及法蘭的粗糙度、潤滑狀況、擰緊速度、使用工具和環(huán)境溫度等因素都有關(guān)，通常在0.1～0.2之間變化。扭矩系數(shù)的變化將導(dǎo)致預(yù)緊力發(fā)生較大的變化。

②旋轉(zhuǎn)角度法是通過測量螺母或螺栓在緊固過程中旋轉(zhuǎn)的角度來間接實(shí)施螺栓的預(yù)緊。此種方法從理論上講只要準(zhǔn)確控制螺栓回轉(zhuǎn)角度，便可準(zhǔn)確控制預(yù)緊力。但是，由于接觸變形螺母與法蘭支承面完全接觸的開始位置難確定，加之被連接件的剛度計算較為復(fù)雜、螺栓出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形、幾何尺寸誤差等因素，使得此種方法控制預(yù)緊力會出現(xiàn)誤差。

③液壓拉伸預(yù)緊法是通過測量螺栓的伸長量或者通過設(shè)定液壓泵的壓力來間接實(shí)施螺栓的預(yù)緊，此種方法可以提高預(yù)緊力的控制精度。液壓拉伸器給螺栓施加預(yù)緊力時沒有摩擦力，故該方法適用于任何尺寸的螺栓，而且可以給一組螺栓通時施加預(yù)緊力，均勻壓緊法蘭和墊圈，不致出現(xiàn)傾斜、翹曲；而影響預(yù)緊力的精確控制。但是由于螺栓旋合螺紋、墊圈、連接法蘭面在撤去拉伸器后首次承受載荷而發(fā)生變形，從而使螺栓剩余預(yù)緊力小于施加目標(biāo)預(yù)緊力。

以上三種方法各有利弊。目前大多依然采用扭矩擰緊法。

⑶連接副的擰緊工藝

①螺栓初擰：按對稱原則將螺栓分成若干工作單元，用電動扳手初擰螺栓，初擰扭矩不大于施工力矩的62%。

②螺栓終擰：按對稱原則將螺栓分成若干工作單元，用液壓力矩扳手按施工力矩的100%扭矩值擰緊螺母，要求最少2人同時操作。擰緊順序?qū)ΨQ、同方向、操作者要同時完成螺母的擰緊。

4、結(jié)束語

螺栓預(yù)緊力的控制是一個系統(tǒng)工程。需要從設(shè)計、生產(chǎn)到安裝施工乃至后期維護(hù)整個過程當(dāng)種嚴(yán)格把關(guān)，才能使預(yù)緊力達(dá)到預(yù)期要求、控制在理想狀態(tài)。

注：以上生產(chǎn)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)小結(jié)，拋磚引玉，相互參考借鑒，有不妥之處請同仁提出批評指正，以利于我國緊固件行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，乃至實(shí)現(xiàn)緊固件可持續(xù)發(fā)展。

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