工程機械螺栓預緊力控制方法

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1螺栓預緊的作用

絕大多數(shù)螺栓連接件在裝配時都必須擰緊，以使其在承受工作載荷之前,預先受到拉力作用，這個預加作用力稱為預緊力。預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性,防止受載后被連接件出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移，最終保證緊固件可靠地連接在一起。大量研究及實驗表明，螺栓連接預緊力的大小將對螺栓總載荷、連接臨界載荷、抵抗橫向載荷能力和接合面密封能力等產(chǎn)生重要影響。緊固件可靠地連接在一起的關(guān)鍵，是將螺栓連接的軸向預緊力控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。若預緊力不適當，不僅會造成被連接件滑移、分離或松脫，還會導致螺栓損壞。

2螺栓擰緊軸向預緊力選擇

螺栓軸向預緊力下限由連接結(jié)構(gòu)的功能決定，該值要保證被緊固件在工作過程中始終可靠地貼合。螺栓軸向預緊力上限由螺栓（或螺母）和被緊固件的強度及受力狀態(tài)決定，該值要保證螺栓及被緊固件在預緊和工作過程中不發(fā)生拉長、剪斷、疲勞斷裂、脫扣等現(xiàn)象。大量的研究表明，較大的初始預緊力可以有效提高螺栓連接防松性能，因此螺栓預緊力應在保證螺紋不被破壞前提下盡量取高值。

3螺栓擰緊方法

3.1扭矩法

扭矩擰緊法是最常用的螺栓擰緊方法，即通過扭矩扳手顯示的扭矩值來控制被連接件的軸向力。控制扭矩主要通過定扭工具實現(xiàn)，其中包括手動定扭扳手、氣動定扭扳手、脈沖扳手、液壓扳手、充電式定扭扳手、電動擰緊機等。扭矩擰緊法優(yōu)點是操作簡單易行、成本低。缺點受扭矩系數(shù)影響較大，為保證精度，不僅需要控制擰緊工具精度，還需要控制扭矩系數(shù)離散度。

3.2扭矩-轉(zhuǎn)角法

扭矩-轉(zhuǎn)角法是在擰緊達到規(guī)定的“貼合扭矩”后，再轉(zhuǎn)動螺紋件至規(guī)定的角度。在螺栓擰緊初始階段，預緊力與旋轉(zhuǎn)角度不成線性關(guān)系。該階段選擇“貼合扭矩”控制方式，一般扭矩值選擇最終扭矩的20%～30%。OA階段為“空轉(zhuǎn)”階段；AB階段為“貼緊”過程，此階段螺栓緊固件及被緊固件預緊力很小，但旋轉(zhuǎn)角增長迅速；BC階段為“線性”段，此階段預緊力與旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系；C點之后螺栓進入屈服階段。按照預緊力大小，扭矩-轉(zhuǎn)角法分為彈性區(qū)擰緊與塑性區(qū)擰緊2種，前者發(fā)生在螺栓彈性范圍內(nèi)，后者發(fā)生在螺栓被擰緊到屈服點之后。彈性區(qū)擰緊時摩擦阻力變化僅影響測量轉(zhuǎn)角起始點，若起始點選擇恰當，則對最終獲得的壓緊力影響不大。塑性區(qū)擰緊發(fā)生在塑性變形區(qū)，其壓緊力大小只取決于螺栓材料的屈服極限。塑性區(qū)擰緊法對螺栓及被緊固件質(zhì)量要求較高，為此目前工程機械行業(yè)多采用彈性區(qū)擰緊法，主要工具包括智能電動擰緊機、全自動液壓扳手等。扭矩-轉(zhuǎn)角法的優(yōu)點：受扭矩系數(shù)影響較小，控制精度相對扭矩法要高；擰至塑性區(qū)不受扭矩系數(shù)影響，能充分利用螺栓的承載能力。扭矩-轉(zhuǎn)角法的缺點：控制成本相對扭矩法要高，不適用于小轉(zhuǎn)角的短螺栓；預緊力較大（尤其擰到塑性區(qū)）,不適合塑性差的螺栓和螺栓反復使用的場合。

3.3預伸長法

螺栓預伸長法也稱質(zhì)量保證法，就是在擰緊過程中或擰緊結(jié)束后，測量螺栓的伸長長度，利用預緊力與螺栓長度變化量之間關(guān)系控制螺栓的軸向預緊力。螺栓預伸長法與轉(zhuǎn)角法類似，可根據(jù)預緊力大小分為彈性區(qū)與塑性區(qū)擰緊法2種。螺栓預伸長法控制精度非常高,它常被用作重要部位螺栓預緊力控制。螺栓預伸長法的常用工具是液壓拉緊器，其使用方法如下：使用液壓拉緊器給螺栓施加拉力，使之伸長，達到規(guī)定伸長量或預緊力后，輕輕旋緊螺母即可。螺栓預伸長法的優(yōu)點：適合長螺栓緊固，控制精度非常高，可緊固至材料塑性區(qū)，能充分利用螺栓的承載能力。螺栓預伸長法的缺點：工具對零部件結(jié)構(gòu)要求比較高，控制成本高。

4螺栓擰緊度檢測方法

根據(jù)工程機械螺紋連接重要程度不同，螺栓擰緊度常用檢測方法主要有3種：事后法、扭矩過程檢測法以及過程監(jiān)控法。

4.1事后法

事后法即采用扭矩法控制后再進行扭矩檢驗。具體方法如下：采用精度較高的機械式指示扭力扳手或電子式扭力扳手，通過松或緊的方式測試扭矩，將測試值乘系數(shù)計算出裝配扭矩。事后檢測扭矩與擰緊扭矩誤差較大，因此該方法一般應用于非關(guān)鍵部位螺栓扭矩檢測。

4.2扭矩過程檢測法

扭矩過程檢測法即采用扭矩法控制時使用傳感器同步反饋扭矩。一般采用有扭矩傳感器的扳手及其他工具，直接或間接檢測擰緊過程扭矩。相對事后法的優(yōu)點是能同步反饋擰緊扭矩信息，精度更高。缺點是無法反饋因螺紋質(zhì)量等原因造成的軸向預緊力異常。

4.3過程監(jiān)控法

過程監(jiān)控法即通過不同控制法配合、互補應用，達到控制及監(jiān)控螺栓扭矩目的。過程監(jiān)控法包括扭矩控制/角度監(jiān)控、角度控制/扭矩監(jiān)控、屈服點控制/扭矩或角度監(jiān)控等。工程機械中，應用比較多的是扭矩控制/角度監(jiān)視、角度控制/扭矩監(jiān)控，一般通過智能電動擰緊機實現(xiàn)擰緊。過程監(jiān)控法不僅可以監(jiān)控擰緊目標是否實現(xiàn)，同時可以提前檢查出螺紋是否合格,擰緊工具的能力和精度，緊固件與連接件的連接狀況，連接件的潤滑狀況是否正常等。過程監(jiān)控法可有效避免擰緊異常的發(fā)生，因此關(guān)鍵部位螺栓宜采用該種方法擰緊。

作者：郭連娣 趙興虎 李柏松 地址：徐州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)高新路39號徐州徐工礦