２０１１年第２５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０机械与电子０ 科技信息 力矩法控制螺栓预紧力的准确度分析 郭卫凡黄文建 （重庆工程职业技术学院 中国 重庆４０００３７） 【摘要】本文分析了使用力矩法控制螺栓预紧力时螺母系数的变４ｔ￣－５主要影响参数间的关系 【关键词】螺栓；预紧力；力矩；力矩分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｂｏｌｔ Ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ ｗｉｔｈ Ｍｏｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ＧＵ０ Ｗｅｉ—．ｆａｎ ＨＵＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊＪａｎ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，４０００３７，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｂｏｌｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ Ｍｏｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆａｃｔ０ｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｃｒｅｗ—ｎｕｔ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｓｃｒｅｗ；Ｐｒｅ—ｔｉｇｈｔ ｆｏｒｃｅ；Ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｒｃｅ；Ｍｏｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ Ｏ引言 普通螺栓联接在装配时都必须拧紧，产生预紧力作用。螺栓预紧 可算得不同规格螺栓的螺母系数如下： 力的存在，除了使零件之间产生紧密联接之外，还会大幅度 降低在动载荷作用下螺杆应力的变化幅度．提高螺栓联接的 ｄ ６ Ｉ ８ １ｏ １２ １ １４ Ｉ １６ ｌ ２０ ２４｝３ 疲劳强度。如果预紧力过小，外载荷可能超过螺栓联接的预 Ｋ ０．１５３ ０．１５１ ０．１５｝０．１５ Ｊ ０ １５｝０．１４７ Ｊ ０．】４７ ０ １４７ Ｊ ０ １ 紧力，这会使螺栓联接体的刚度大幅下降．同时也使应力变 化幅度增大而迅速降低螺栓联接的疲劳强度。 另外，在振动与冲击作用下，螺栓可能逐渐失去其设定的预紧力， 取无润滑条件下的平均摩擦系数为Ｉｘ＝ ０．１５５对公制粗螺 产生螺栓振动松动。增大预紧力，能有效地减低振动与冲击力对螺栓 纹可算得不同公称直径螺栓的螺母系数如下： 联接的松动作用，提高螺栓联接的强度与可靠性。但若预紧 ｒ—＿＿——广—— — 一广一 一 Ⅱ＿ ，，件下，金属接触表面上的摩擦系数分别在０．１—０．２５之间。 取润滑条件下的平均摩擦系数为 ＝ ０．１０５，对公制粗螺纹 力过大，则可能超过螺栓的静力强度，起到相反的效果 因 ＿＿＿ ＿＿ 。Ｌ ｔ４ Ｊ．． ｌ＿＿２Ｏ ２４．３０ ３６ ２ 些＇Ｉ堡竺 罪 旺明里妥于段。 【 ＿ｌ＿ ＿＿ Ｌｌ 』 Ｌ ：螺栓预紧力可以通过多种方法进行控制 其中力矩法控 制是最简单易行，最常用的螺栓预紧力控制方法。但力矩法控制螺栓 如果螺纹为润滑条件，螺母或螺栓头为无润滑条件．取对应的平 预紧力的准确度较差，发散性很大。本文就对影响力矩法控制预紧力 均摩擦系数为 ＝Ｏ．１０５， ＝Ｏ．１５５，对公制粗螺纹，可算得不同公称 准确度的几个熏要参数进行分析讨论。 直径螺栓的螺母系数如下 々控制，是提高提高螺栓联接疲劳强度与可 Ｋ ｆ ０．２０４ ｌ０＿２０３ ｆ ０ ２ｏ３ ｌ０．２ｏ２ ｏ＿２（】２ ０．２０： １０．２０ ｏ ０．１９９（）＿１９８ ｏ １９８ ０ Ｉ９８ １分析计算 ｄ ６ ｉ ８；１０ １２ ｌ４ １６ Ｉ ２０ ２４ ３０ ３６ ４２ ４８ 螺栓的拧紧力矩与预紧力的关系可用以下公式计算 （２）： ： Ｋ ０．１７８ ０．１７７【０．１７６ ０１７５ ０１７５ ０．１７３ ０．１７３ ０．１７３ ０１７２ ０１７１ ０ ｌ７１ ０ Ｉ７０ ２ ・ｆ—ＬＩ、 ｘ ｔａ ｎ（ｋ ｓｅｃ（ｏ￣）＋ ２、・ １ 。 － ・ （２一１） … 其中，Ｔ为螺栓拧紧力矩，Ｆ。为预紧力．ｄ 为螺纹的节园 似等于螺纹的平均直径， 为螺纹的升角， 为螺纹牙型斜角．Ｌ为螺 纹啮合段的工作高度，ｄ 为螺母或螺栓头接触面的平均工作直径． 为螺纹接触面上的平均摩擦系数，“ 螺母或螺栓头接触面上的平均摩 擦系数 通常条件Ｆ可取ｄ ＝（１＋１．５）ｄ／２＝１．２５ ｄ，其中ｄ是螺栓的公称直 径． 直径．近 以上 竺 皇堡兰 墨 墨里 查 由于螺纹的升角可由下式计算 ｔｇｋ＝Ｌ／ ｄｍ】 则式ｆ２—１）可简化成 Ｔ～【・＿－［鲁．２ ｄ Ｌ（、 ・＿ｔ－ａＩｎ＊（ ａ ｒ）ａ＋ｎｘＩ…＾． ｓ．・ｅ ｓｃｅ（ｅａ（Ｇ）￣ Ｊ）＋０．６２５ｔｚ ｄＪ ｉ （２－２） 摩擦系数为两个常数时计算得到的螺母系数与螺栓公称直径 对一个给定规格的螺栓，如果摩擦系数为常数，式（２—２）￣／９Ｎ紧 图１的关系 力与拧紧力矩成正比。 式（２—２）可以被近似表达为 分别取螺栓公称直径为ＭＩＯ与Ｍ２０的公制粗螺纹．当摩擦系数 Ｔ＝Ｋ Ｆｉｄ （２－３） 变化时．可算得对应的螺母系数变化如下 其中Ｋ为螺栓联结的扭转系数．或螺母系数 如果 Ｋ为已知，螺栓预紧力可通过式（２—３１得出。计算表明， Ｏ．０７ Ｏ．Ｏ８ Ｏ．ｏ９ Ｏ．１０ ０．１１ ０．１３ Ｏ．１５ ０．１８ ０．２Ｏ Ｏ ２２ ０．２５ ０．３０ 螺栓公称直径不同，对螺母系数变化影响很小。螺母系数 主要与摩擦系数有关 Ｋ Ｏ （ＩＯ） １０４ ０，】】６ ０，１２７ Ｏ．１３９ ０．１５ ０．１７４ ０．１９７ ０２３１ ０．２５５ ０．２７８ ０．３１３ ０ ３７ｌ下面我们来验证以上螺母系数的近似程度及受相关 Ｉ参数应的影响 一般在有充分润滑作用条件下，金属接触 Ｋ Ｏ２０） １Ｏ１ Ｏ．１ｊ３ Ｏ．１２４ Ｏ．１３６ ０．１４７ Ｏ．１７１ Ｏ．１９４ ０．２２９ ０．２５２ ０．２７６ ０．３ｌＪ ０ ３６９ 表面上的摩擦系数分别在０．０８—０．１２之间 而在无润滑条 （．．７６ 科技信息 ０机械与电子０ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第２５期 １５，而螺栓头旋转面无润滑条 以上结果表明．螺母系数与摩擦系数基本上呈线性关系，而螺栓 润滑条件下的平均螺母系数Ｋ值约为Ｏ．公称直径改变对螺母系数影响很小。图２给出了螺栓对应螺母系数随 件下平均螺母系数Ｋ值远超过Ｏ．２０。这是因为在循环加载作用下，由 于接触凸点局部冷焊作用会使摩擦系数变得很大，从而也使螺母系数 摩擦系数变化的关系曲线： Ｋ变得很大。 图３给出了不同润滑条件下加载循环次数对螺母系数变化的影 响＿３Ｊ０ 类似的计算结果表明．公称直径．螺纹的粗细对螺母系数Ｋ的影 响很小．而摩擦系数的变化．对螺母系数Ｋ的影响则很大。摩擦系数的 正常变化范围可能导致螺母系数产生＋３Ｏ％的变化。 在实际应用中．螺栓联接接触面处在非润滑条件下。取Ｋ＝０．２， 螺栓联接接触面处在润滑条件下．取Ｋ＝０．１５，则螺栓平均预紧力可 通过拧紧力矩算出 在润滑条件下．如果通过螺栓头来拧紧．则也应润滑螺栓头的接 触面 采用润滑条件下用力矩法来控制预紧力．给螺纹接触面施加润 滑剂而忘记给螺栓头接触面施加润滑剂．会使实际的螺栓平均预紧力 低于计算出的预紧力。这可能是许多实际操作中一个经常犯的错误。 而如果螺母面是拧紧旋转面．由于靠近有润滑作用的螺纹面．则可不 用施加润滑剂 由于摩擦系数 的发散性很大，相同的拧紧力矩可能得出相当不 同的螺栓预紧力 特别是当预紧力较大时．在干摩擦面上还可能在接 触面凹凸点上产生局部冷焊作用．使摩擦系数变得更大．从而使螺栓 预紧力的分布发散更大 图３螺母系数随加载循环次数的变化关系 图３所示的结果表明．只有润滑螺纹时．用螺母拧紧时螺栓联接 预紧力随加载次数变化变化很小。但用螺栓头拧紧时螺栓联接预紧力 随加载次数变化则很大 这是因为用螺母拧紧时．螺纹上的润滑油会 影响螺母接触面．而用螺栓头拧紧时．螺纹上的润滑油不会影响螺栓 头接触面．压力变大后接触面局部冷焊的作用会极大的增加接触面上 的平均摩擦系数。因此．在润滑条件下拧紧的螺栓联接。每次拆卸都要 重新加上润滑剂．用螺栓头拧紧时，还要润滑螺栓头接触面。 ３小结 螺栓预紧力可以通过拧紧力矩Ｔ＝Ｋ ｄ控制。在非润滑条件下． Ｋ：Ｏ．２．润滑条件下．Ｋ：０．１５。力矩法是最简单易行的螺栓联接预紧力 控制方法，但准确度较差，误差可达＋３Ｏ％。在许多影响螺母系数Ｋ的 参数中．摩擦系数是主要的变数 润滑作用可以改善预紧力分布．在润 力矩法来控制预紧力的特点是方法简单，操作容易。但这种方法 滑充分的条件下预紧力分布会更均匀。在循环加载作用下，由于接触 的准确度较差．特别是在无摩擦条件下．由于接触凸点局部冷焊可能 点上的局部冷焊作用．无摩擦条件下的螺母系数变化要增大很多．所 使螺母系数Ｋ变得很大。因此，如果采用力矩法来控制螺栓联接预紧 以每次拆卸后重新拧紧前润滑螺纹能显著减少预紧力的变化 如果通 力时．最好使用润滑条件下的力矩法来控制。 过螺栓头拧紧，则螺纹与螺栓头接触面都需要润滑。ｌ ２反复加载作用下螺母系数Ｋ的变化 【参考文献】 当螺栓联接被反复拆卸．反复加载作用会使摩擦系数产生很大改 ［１］濮良贵，主编．机械设计．西北工业大学机械原理及机械零件教研室编．高等教 变。在无润滑作用下由于接触凸点局部冷焊可能使摩擦系数变得很 育出版社．１９８９． 大。拆卸后重新润滑是控制螺栓预紧力分布，提高螺栓联接可靠性的 ［２］Ｊｏｓｅｐｈ Ｅｄｗａｒｄ Ｓｈｉｇｌｅｙ，Ｃｈａｒｌｅｓ Ｒ．Ｍｉｓｃｈｋｅ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ， ｈ ｅｄ，１９８９，ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌ１． 重要手段。以下的一组试验结果给出了不同润滑条件下反复加载作用 ５ｔ时测定的螺栓联接的螺母系数Ｋ值的变化范围： 表面润滑条件 只润滑螺纹 只润滑螺纹 润滑螺纹与螺栓头 ［３］Ｄｅｎｅｅｎ Ｍ．Ｔａｙｌｏｒ，Ｒａｙｍｏｎｄ Ｆ．Ｍｏ￣ｒｉｓｏｎＴｅｓｔ．Ｆａｙｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｎｕｔ Ｆａｃｔｏｒｓ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３８ｔｈ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， 拧紧方法 试件数 加载循 最大Ｋ值 最小Ｋ值 环数 螺母 螺栓头 螺栓头 １Ｏ １０ ５ １Ｏ １０ １０ ０．Ｏ８ ０．２３ ０．１Ｏ Ｏ．１８ ０．４９ ０．２１ Ｌａｎｇｌｅｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｍａｙ １７－１９，２００６． 作者简介：郭卫凡（１９５７～），男，河北景县人，１９８２年毕业于中国矿业学院 机械系，现任重庆工程职业技术学院机电系副教授，主要从事金属材料及工艺 的教学与研究工作。 以上结果表明，最大与最小螺母系数Ｋ值变化范围超过一倍。但 ［责任编辑：王爽］ （上接第４５页）参考了有关计算机死机故障现象及解决方法的大 量资料，结合工作实际，总结了以上软、硬件两方面常见的死机原因及 【参考文献】 解决的方法．这样，我们在使用计算机过程中如遇到上述的死机性故 ［１］杨威微型计算机死机性故障分析． 微机死机的常见故障及解决方法． 障时就不会感到措手无策了。但是．计算机软硬件两方面的死机故障 ［２］李关明．还有很多，我们还需不断的加强自己在计算机方面的知识更新．使自 己能与时代同步。ｌ ［责任编辑：王静］ ７７
