螺栓，作為風(fēng)機主要的連接方式之一，應用在輪轂、齒輪箱、葉片連接、塔筒連接等風(fēng)機的諸多關(guān)鍵部位，螺栓的安全關(guān)系到整個(gè)風(fēng)機的安全可靠運行。在風(fēng)機中使用高強度螺栓，就是為了獲得較高的預緊力，但螺栓質(zhì)量、裝配方法、擰緊工具、操作者都會(huì )影響到Z終螺紋的連接質(zhì)量，從而影響螺栓的預緊效果，這里探討一下螺栓上緊時(shí)需要重視的兩個(gè)重要系數，扭矩系數和摩擦系數。
一、扭矩系數k 螺栓上緊扭矩t與軸向力f有如下的關(guān)系： t=k•d•f 其中d為螺栓公稱(chēng)直徑，k稱(chēng)作扭矩系數。 扭矩系數k，是一個(gè)由實(shí)驗確定的常數。它的值取決于螺紋副的幾何形狀以及螺紋副的摩擦情況。從公式中可以看出，扭矩系數k決定了在上緊扭矩的轉化中軸向力所占的比例，因此這個(gè)系數對螺栓緊固的研究非常重要。 我們來(lái)看看扭矩系數k，首先，緊固件的幾何形狀決定了多大的上緊扭矩可以產(chǎn)生一個(gè)特定的預緊力，這里，螺距是一個(gè)決定性因素。螺栓是一個(gè)幾何體，它相當于一種“螺旋上升的平面”，因此影響了整個(gè)螺紋連接中力的分布情況（《實(shí)現螺栓可靠裝配的10個(gè)步驟》，）。因為這個(gè)幾何形狀取決于螺栓生產(chǎn)廠(chǎng)家，這里我們不做分析。 第二個(gè)影響因素是摩擦情況，只要能讓摩擦發(fā)生變化的因素都能對扭矩系數產(chǎn)生影響，例如螺栓表面是否有潤滑劑，如果選擇了潤滑劑，潤滑劑的種類(lèi)和具體應用工藝的變化也都會(huì )對k系數產(chǎn)生影響。 隨著(zhù)螺紋表面摩擦條件的不同，轉化的預緊力也不相同。螺栓潤滑條件越好，同一預緊扭矩下轉化的預緊力就越大，即扭矩系數k越小。我們在上緊過(guò)程中需要的是穩定適中的預緊力，即需要一個(gè)穩定的扭矩系數k來(lái)保證同一法蘭面預緊力的均一性。在上緊扭矩t相同的條件下，k值過(guò)大，則轉化的預緊力太小，達不到設計的預緊要求；k值過(guò)小，則會(huì )放大誤差，由于整個(gè)操作、監測等的系統性誤差，如扭矩扳手就有±4%的誤差，易導致軸力過(guò)載，螺紋連接副失效；k值不穩定，則轉化的預緊力不一致，容易形成應力集中。使用潤滑劑能夠使螺栓扭矩系數的穩定性和一致性大大提高，有效避免這些風(fēng)險，因此風(fēng)電行業(yè)內針對有較高扭矩要求的螺栓廣泛采用抗咬合潤滑劑。 在具體施工中，不同的涂抹方式會(huì )對Z終的潤滑效果產(chǎn)生很大影響，反映到Z終結果即是扭矩系數k的變化。目前風(fēng)電行業(yè)對于高強度螺栓涂抹抗咬合劑有兩種比較普遍的方案： a方案，只涂抹螺紋的嚙合部位，即螺栓的螺紋嚙合部位，圖1中a所指。此種方案扭矩系數在0.11-0.15之間，視不同的潤滑劑和不同的螺栓種類(lèi)而定。 b方案，不僅涂抹螺栓的嚙合部位，還要涂抹支承面，即螺栓頭部下端面與墊圈的接觸部位(針對在螺栓頭部施加扭矩的工藝，如是針對螺母施加扭矩，則涂抹的是螺母與墊片接觸的端面)，見(jiàn)圖1中b所指。此種方案扭矩系數在0.08-0.13之間。（《高強度螺栓扭矩系數的影響因素》，《緊固件》２０１０年４月第２１期ｐ１３５，上海衡翼精密儀器有限公司） 關(guān)于高強度螺栓的上緊扭矩消耗，上圖已經(jīng)直觀(guān)的表達出來(lái)了，對于方案a，相當于減小了圖中a部位的摩擦，可是我們注意到，b部位的摩擦占了近50%，如果此部位不施加任何潤滑措施，則Z后轉化的夾緊力大小受b部位的影響較大，反映為螺栓的扭矩系數波動(dòng)較大，標準偏差容易超差。反之，如果在b部位也和a部位一樣，涂抹了抗咬合潤滑劑，則Z終的扭矩系數波動(dòng)較小，標準偏差會(huì )很小，風(fēng)電系統運行會(huì )更可靠。 兩年前，國內風(fēng)電企業(yè)還多采用a方案，在做了大量的實(shí)驗對比后，去年以來(lái)，幾家國內風(fēng)電企業(yè)紛紛改革了螺栓潤滑工藝方案，采取了b方案，主要是考慮到消除影響扭矩系數不穩定的因素，使扭矩系數的一致性好，Z終獲得均一的夾緊力。 但是，方案b由于涂抹了端面，所得的扭矩系數在0.08-0.13之間，即螺紋副的摩擦減小，這會(huì )不會(huì )造成螺栓容易松動(dòng)？我們再來(lái)看看另一個(gè)系數——摩擦系數μ。 二、摩擦系數μ 通過(guò)扭矩系數k，我們直觀(guān)的看到了螺栓上緊扭矩與Z終夾緊力之間的關(guān)系，因此扭矩系數k對螺栓現場(chǎng)施工上緊的扭矩大小至關(guān)重要，而且在換算扭矩與夾緊力方面比較容易操作。但要想系統研究螺栓整個(gè)上緊過(guò)程中的力矩轉化與消耗，僅用扭矩系數k則略顯簡(jiǎn)單，因為扭矩系數k是多個(gè)變量的綜合反映。要想明確幾何形狀及摩擦等各單變量的影響程度，則需要引入另一關(guān)鍵系數，摩擦系數μ。 很早以前，美國懷特帕特森基地就確定了一系列的影響螺栓扭矩—預緊力關(guān)系的因素。我們下邊列出這些影響因素： - 螺栓的材質(zhì)
- 螺栓的成型工藝
- 螺紋形狀
- 螺栓的同心性
- 螺紋連接副、墊圈的硬度
- 墊圈的類(lèi)型、種類(lèi)
- 部件的表面粗糙度
- 內螺紋邊緣的毛刺
- 螺栓鍍層的厚度、種類(lèi)和一致性
- 螺栓的潤滑
- 螺栓的上緊工具
- 螺栓的上緊速度
- 扭矩扳手和螺栓的配合度
- 螺栓的使用次數
- 環(huán)境溫度等
可以看出，這些因素中的絕大部分，都和摩擦有一些?？梢哉f(shuō)，摩擦對高強度螺栓的預緊力有著(zhù)巨大的影響，如果摩擦過(guò)大、過(guò)小或者不穩定，則高強度螺栓達不到設計的預緊效果。如圖１所示，我們對高強度螺栓施加的扭矩，有80%多都消耗在了克服摩擦力上。 那么摩擦系數會(huì )對上緊扭矩中預緊力的分配有多大的影響呢？下面我們看一個(gè)檢測結果。 摩 擦 系 數 | 0.14 | 0.15 | 消耗在克服支承面摩擦的力矩比例 | 49％ | 51.5％ | 消耗在克服螺紋摩擦的力矩比例 | 39％ | 41％ | 產(chǎn)生螺栓預緊力的力矩比例 | 12％ | 7.5％ |
從檢測數據可以看出，在相同的上緊扭矩情況下，當摩擦系數變化０．０１時(shí)，預緊力的變化幅度高達３７．５％，多么驚人的數據。從圖１的上緊力矩轉換分配情況，我們也同樣可以發(fā)現，所施加上緊力矩的50%被支承面的摩擦消耗了，其余40%被螺紋的摩擦消耗了，只有10%轉化成了預緊力，如果支承面間的摩擦力因為一點(diǎn)小小的粗糙度影響，增加了10%，則支承面的力矩消耗由50%增加到55%，這增加的5%不會(huì )影響螺紋之間的摩擦，只會(huì )將預緊力由占總預緊力矩的10%減小到5%，這就意味著(zhù)，這根“問(wèn)題螺栓”Z終的預緊力只有普通螺栓的一半，也就是說(shuō)，摩擦力10%的增加就會(huì )引起預緊力50%的變化，因此我們必須充分重視螺紋副摩擦系數的研究。 其實(shí)在國內的設計標準中就已經(jīng)將上緊力矩、軸力與摩擦系數在一起了。就有該項公式： 式中：ｍ—上緊扭矩 ?。?sub>０—軸向力 ?。?/span>—螺紋外徑 ?。?sub>２—螺紋平均直徑 d—六角螺栓外接圓直徑 α—螺紋升角，ｔａｎα＝ｓ／πｄ２，ｓ為螺距 β—螺紋摩擦角，ｔａｎβ＝ｆ，ｆ為螺紋間摩擦系數 μ—支撐面的摩擦系數 從以上公式可以看出，影響上緊力矩與軸向力比值的關(guān)鍵因素就在螺距和摩擦系數，這和我們前面對影響扭矩系數ｋ的因素分析*一樣。摩擦系數μ能更深入、更系統的研究涂層和潤滑劑等對螺栓預緊力的影響，在國外特別是歐洲，在高強度螺栓檢測和上緊中，特別重視摩擦系數μ的控制，這一點(diǎn)從歐洲過(guò)來(lái)的風(fēng)電技術(shù)圖紙中就可以看出，往往是規定摩擦系數而不是扭矩系數。 因為目前針對螺紋副摩擦系數的檢測設備主要是歐洲尤其是德國的，檢測報告也就以歐洲習慣的符號表示，所以這里有必要將歐洲的上緊力矩、預緊力與摩擦系數的公式解釋一下： 式中：t—上緊扭矩 f—預緊力 p—螺距 d0—支承面外徑 d2—螺紋中徑 dh—螺栓通過(guò)的墊圈或支承零件的孔徑 μb—支撐面的摩擦系數 μth—螺紋摩擦系數 其中： 式中：tｔｈ—螺紋扭矩 tｂ—支撐面的摩擦扭矩 dｂ—支撐面摩擦的有效直徑 這里有兩個(gè)摩擦系數，一個(gè)是支撐面摩擦系數，一個(gè)是螺紋摩擦系數，它們分別對扭矩轉換有什么影響呢？我們看一組數據。 扭矩系數 | 螺紋摩擦系數 | 支撐面摩擦系數 | k/μ | k/μ均值 | 0.14 | 0.1 | 0.1 | 1.40 | 1.39 | 0.153 | 0.1 | 0.12 | 1.39 | 0.173 | 0.1 | 0.15 | 1.38 | 0.206 | 0.1 | 0.2 | 1.37 | 0.151 | 0.12 | 0.1 | 1.37 | 1.36 | 0.164 | 0.12 | 0.12 | 1.37 | 0.184 | 0.12 | 0.15 | 1.36 | 0.216 | 0.12 | 0.2 | 1.35 | 0.167 | 0.15 | 0.1 | 1.34 | 1.33 | 0.18 | 0.15 | 0.12 | 1.33 | 0.199 | 0.15 | 0.15 | 1.33 | 0.232 | 0.15 | 0.2 | 1.33 | 0.193 | 0.2 | 0.1 | 1.29 | 1.29 | 0.206 | 0.2 | 0.12 | 1.29 | 0.226 | 0.2 | 0.15 | 1.29 | 0.258 | 0.2 | 0.2 | 1.29 |
數據來(lái)源：《摩擦系數與扭矩系數關(guān)系的探討及預緊力控制的應用分析》，國家標準件產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心，張青春，２０１０年５月上海螺紋緊固件擰緊技術(shù)及測試研討會(huì ) 從檢測數據中我們可以看出，當螺紋摩擦系數一定時(shí)，ｋ／μ隨支撐面摩擦系數變化小，而當支撐面摩擦系數一定時(shí)，ｋ／μ隨螺紋摩擦系數變化大。也就是說(shuō)，在兩個(gè)摩擦系數中，要考慮ｋ值穩定，讓軸力符合設計范圍并均勻一致，我們要對螺紋摩擦系數更加關(guān)注，即在實(shí)際裝配操作工藝過(guò)程中對螺紋摩擦更加重視。在螺母上緊的實(shí)際過(guò)程中，前期在螺母未擰到接觸面時(shí)的松配合情況下，螺母的螺紋朝著(zhù)螺栓頭的一面與螺栓接觸，而在后期預緊扭矩上升的過(guò)程中，螺母的螺紋是背對螺栓頭的一面與螺栓接觸，為了保證在后期有充足的潤滑劑填充在螺紋副接觸面之間，從工藝上保證螺紋摩擦系數的一致性，從而保證扭矩系數的一致性，進(jìn)而保證預緊力均勻一致，這里建議在螺栓上涂抹潤滑劑時(shí)采用刮涂的工藝，讓牙扣中充滿(mǎn)潤滑劑。 同時(shí)，研究發(fā)現，在螺栓松動(dòng)時(shí)，往往先是螺栓和螺母的螺紋嚙合部位發(fā)生松動(dòng)，之后才是支承面的滑動(dòng)。 也就是說(shuō)，在相同表面狀態(tài)的條件下，螺紋摩擦是弱點(diǎn)，（這從上緊力矩的分配中也可以看出），要考慮防松，我們也要對螺紋摩擦系數多關(guān)注一些，與檢測數據的表格分析一致。是不是這樣說(shuō)支撐面摩擦就不重要了呢？不是，因為畢竟其摩擦占力矩分配的５０％，前述分析是相對而言的。 摩擦系數增大，則上緊力矩轉換成預緊力的比例減小，要得到相同的預緊力，上緊扭矩必然需要增大，而過(guò)大的上緊扭矩會(huì )導致工具易損、操作危險等。摩擦系數減小，則上緊力矩轉換成預緊力的比例增加，在相同的上緊力矩下，會(huì )引起預緊力的倍增，如摩擦系數過(guò)小，則預緊力與上緊力矩的關(guān)聯(lián)敏感性過(guò)強，會(huì )放大上緊扭矩誤差，易引起過(guò)載；同時(shí)摩擦系數過(guò)小，在相同的預緊力條件下，上緊力矩就會(huì )很小，這樣松動(dòng)力矩必然也很小，螺栓易松動(dòng)，風(fēng)機可靠性大大降低。 那么摩擦系數在一個(gè)什么樣的范圍內才合適呢？目前筆者沒(méi)有找到可以計算的公式，只有一個(gè)經(jīng)驗值供大家參考，在德國，推薦的摩擦系數范圍是０．０７—０．１２。這里要注意的是，三個(gè)摩擦系數都應在這個(gè)范圍內，即螺紋摩擦系數、支撐面摩擦系數以及總摩擦系數都必須在０．０７—０．１２之間。摩擦系數大于０．１２，則上緊力矩會(huì )過(guò)大，小于０．０７則可能會(huì )導致易松，在這個(gè)范圍內，被認為是合適、可靠的。 綜上所述，我們在考慮風(fēng)電螺栓緊固問(wèn)題時(shí)，不能僅僅盯著(zhù)扭矩系數k，還要關(guān)注摩擦系數μ，這才能讓我們的風(fēng)機更安全更可靠。 |
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