導(dǎo)讀

作者：楊涯學(xué)（唐山中材重型機(jī)械有限公司   質(zhì)量部     河北 唐山  064004 ）

來源：河北理化網(wǎng)

摘要：扭矩系數(shù)、摩擦系數(shù)都是緊固件連接副安裝中的兩個(gè)重要參數(shù)，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別，他們是從不同的側(cè)面反映高強(qiáng)度緊固件安裝中的扭矩?cái)?shù)值。扭矩法易于理解，便于操作，在彈性范圍內(nèi)，扭矩值與預(yù)緊力呈線性關(guān)系，確定扭矩系數(shù)后即可以計(jì)算出連接副具體的安裝扭矩;而從摩擦系數(shù)中，可以具體反映出支承面摩擦及螺紋摩擦的數(shù)值及它們互相之間的關(guān)系、扭矩的具體分配數(shù)值。

一、  引言

 　　高強(qiáng)度螺栓連接主要應(yīng)用于航空、航天、道路橋梁工程和鋼結(jié)構(gòu)安裝等工程等重要場合。為了加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，GB/T50205-2001對(duì)高強(qiáng)螺栓連接摩擦面的抗滑移系數(shù)和螺栓連接副的扭矩系數(shù)規(guī)定了嚴(yán)格的驗(yàn)收規(guī)范?，F(xiàn)對(duì)影響螺栓連接件扭矩系數(shù)的各種因素進(jìn)行理論分析，通過試驗(yàn)方法研究其影響規(guī)律；并提出控制產(chǎn)品質(zhì)量的有效方法。研究結(jié)果對(duì)高強(qiáng)度螺栓連接件的制造、檢驗(yàn)及工程質(zhì)量的控制具有實(shí)際意義。
 　　達(dá)克羅(Dacrotized)，又稱鋅鉻膜涂層，具有極高的防腐蝕性，在中國國內(nèi)正處在萌發(fā)階段的清潔生產(chǎn)工藝和一種高新技術(shù)，被譽(yù)為國際表面處理行業(yè)具有劃時(shí)代意義的新工藝。此工藝可以取代鋼鐵電鍍鋅、鎘、鋅基合金、熱浸鍍鋅、熱噴鋅、機(jī)械鍍鋅。達(dá)克羅作為一種新型的表面處理方法，有以下優(yōu)點(diǎn)
 1）超強(qiáng)的耐蝕性能：達(dá)克羅膜層的厚度僅為4-8μm，但其防銹效果卻是傳統(tǒng)電鍍鋅、熱鍍鋅或涂料涂覆法的7-10倍以上。采用達(dá)克羅工藝處理的標(biāo)準(zhǔn)件、管接件經(jīng)耐鹽霧試驗(yàn)1200h以上未出現(xiàn)紅銹。
 2）無氫脆性：達(dá)克羅的處理工藝決定了達(dá)克羅沒有氫脆現(xiàn)象，所以達(dá)克羅非常適合受力件的涂覆。
 3）高耐熱性：達(dá)克羅可以耐高溫腐蝕，耐熱溫度可達(dá)300℃以上。而傳統(tǒng)的鍍鋅工藝，溫度達(dá)到100℃時(shí)就已經(jīng)起皮報(bào)廢了。
 4）結(jié)合力及再涂性能好：達(dá)克羅涂層與金屬基體有良好的結(jié)合力，而且與其他附加涂層有強(qiáng)烈的粘著性，處理后的零件易于噴涂著色，與有機(jī)涂層的結(jié)合力甚至超過了磷化膜。
 5）良好的滲透性：由于靜電屏蔽效應(yīng)，工件的深孔、狹縫，管件的內(nèi)壁等部位難以電鍍上鋅，因此工件的上述部位無法采用電鍍的方法進(jìn)行保護(hù)。達(dá)克羅則可以進(jìn)入工件的這些部位形成達(dá)克羅涂層。
 6）無污染和公害：達(dá)克羅在生產(chǎn)加工及工件涂覆的整個(gè)過程中，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有污染的廢水廢氣，不用三廢治理，降低了處理成本。
 　　但同時(shí)也有其局限性：
 1）達(dá)克羅中含有對(duì)環(huán)境和人體有害的鉻離子，尤其是六價(jià)鉻離子具有致癌作用。
 2）達(dá)克羅的燒結(jié)溫度較高、時(shí)間較長，能耗大。
 3）達(dá)克羅的表面硬度不高、耐磨性不好，而且達(dá)克羅涂層的制品不適合與銅、鎂、鎳和不銹鋼的零部件接觸與連接，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生接觸性腐蝕，影響制品表面質(zhì)量及防腐性能。
 4）達(dá)克羅涂層的表面顏色單一，只有銀白色和銀灰色，不適合發(fā)展個(gè)性化的需要。
 5）達(dá)克羅涂層的導(dǎo)電性能不是太好，因此不宜用于導(dǎo)電連接的零件，如電器的接地螺栓等。
 　　現(xiàn)國內(nèi)外的許多工程越來越多使用達(dá)克羅處理的高強(qiáng)螺栓，增加了防腐性能，同時(shí)提高了起美化程度。
二、理論分析
 　　在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，由于扭矩T（N.m）的作用，使螺紋連接件與被連接件之間產(chǎn)生預(yù)緊力P（KN），若螺紋公稱直徑為d（mm），則扭矩系數(shù)K為

  ............................................................................（1）
  

 K值反映螺栓連接副的扭矩與軸力的關(guān)系。如果螺栓強(qiáng)度一定，扭矩一定，扭矩系數(shù)越小，則產(chǎn)生的預(yù)緊力越大；但是如果扭矩系數(shù)越大，則產(chǎn)生的預(yù)緊力越小。當(dāng)扭矩系數(shù)小到一定的程度，在一定的扭矩作用下預(yù)緊力超過了螺栓的強(qiáng)度極限，高強(qiáng)度螺栓就會(huì)產(chǎn)生斷頭的現(xiàn)象；反之，扭矩系數(shù)過大，則產(chǎn)生的預(yù)緊力就會(huì)過小，螺栓連接副就達(dá)不到鎖緊的功能，連接副就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。要使預(yù)緊力在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，則產(chǎn)品的扭矩系數(shù)就要限定在一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)，目前鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范中規(guī)定扭矩系數(shù)K=0.110-0.150，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0.010。
 　　扭矩系數(shù)屬于摩擦系數(shù)的范疇，是指在扭轉(zhuǎn)狀況下的摩擦系數(shù)。通過螺紋間以及支撐面與加緊面的摩擦力的大小來決定扭矩系數(shù)的大小。摩擦分有效摩擦和無效摩擦兩種。螺栓與螺母之間的摩擦是有效摩擦，通過施加扭矩，有效摩擦?xí)孤菟菽钢饾u鎖緊，對(duì)安裝起積極的作用，而墊圈與夾緊面的摩擦是無效摩擦，因此在安裝時(shí)應(yīng)盡量減少和避免。
 三、影響扭矩系數(shù)的因素有很多，主要是三個(gè)方面：
 1.螺紋之間配合松緊度是重要影響因素，我們進(jìn)過反復(fù)試驗(yàn)，螺紋間配合松的扭矩系數(shù)就小，反之扭矩系數(shù)就大（扭矩系數(shù)有隨螺紋配合松緊度的增大而減小的趨勢）。
 　　根據(jù)文獻(xiàn)【2】【3】中的力學(xué)分析可知,螺栓連接副的扭矩為:

            .....................................................(2) 
 　　式中,d2為螺紋中徑，d0為螺栓孔直徑（或墊片內(nèi)徑），D0為螺母支撐面的外徑；λ為螺紋升角，φv為螺旋副的當(dāng)量摩擦角，f為摩擦面的摩擦系數(shù)，β為牙型半角。
 　　由（1）（2）、量時(shí)可推知

      .....................................................（3）
 　　式（3）反應(yīng)扭矩系數(shù)與螺栓連接副的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺紋要素及結(jié)合表面的質(zhì)量關(guān)系。在推導(dǎo)過程中，將內(nèi)外螺紋間的摩擦系數(shù)和螺母與支撐（或墊片）結(jié)合面的摩擦系數(shù)使胃相等，忽視了螺栓頭與支撐面間的摩擦問題，沒有考慮螺紋的配合精度及摩擦系數(shù)的變化規(guī)律等問題。另外，該表達(dá)式過于復(fù)雜，且有些影響參數(shù)不便于實(shí)際檢測，因此在工程測試中不實(shí)用，一般只適宜在近似估算中實(shí)用。
 2. 不同表面處理對(duì)扭矩系數(shù)的影響很大，從經(jīng)常實(shí)用的幾種表面處理狀況來看，不同的表面處理扭矩系數(shù)相差很大：見下表

 3.表面潤滑是對(duì)扭矩系數(shù)影響最主要的指標(biāo)：
 　　同一種表面處理，做潤滑與不做潤滑，扭矩系數(shù)差別很大，例如，達(dá)克羅涂覆鍍層，潤滑后的扭矩系數(shù)一般均可控制在0.11-0.15范圍內(nèi)，而且可以根產(chǎn)品的要求做不同的封閉潤滑將扭矩系數(shù)控制在客戶要求比較狹小的范圍內(nèi)；但不做潤滑的達(dá)克羅鍍層，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，一般扭矩系數(shù)在0.15-0.20范圍內(nèi)。
 　　加潤滑劑前的試驗(yàn)結(jié)果，以M16*55為例

　　加潤滑劑后的試驗(yàn)結(jié)果：

 　　經(jīng)過近千余套達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入潤滑劑后能有效降低其扭矩系數(shù)。在安裝過程中也可以在螺栓與墊片的接觸面上涂少許潤滑油。
 4.試驗(yàn)方法的影響
       試驗(yàn)時(shí)扭矩扳手應(yīng)均勻加力，這樣反映出來的數(shù)據(jù)比較正確，當(dāng)逐次增加扭矩，每次一個(gè)檔位時(shí)，在抵抗靜摩擦?xí)r以消耗殆盡，這樣反映出來的數(shù)值是0或略微上調(diào)，數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。造成偏差的原因是靜摩擦與動(dòng)摩擦的區(qū)別。鋼鐵靜摩擦系數(shù)（潤滑條件下）為0.1-0.12，而動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05-0.1（這樣指平行移動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)施力時(shí)摩擦系數(shù)變化更大）。
 5. 扭矩系數(shù)測定時(shí)必須注意的幾個(gè)問題：
 a,批號(hào)：每批高強(qiáng)螺栓連接副的生產(chǎn)批號(hào)、材料批號(hào)、表面處理批號(hào)要一致，三個(gè)批號(hào)一致時(shí)扭矩系數(shù)離散度才小。
  b,設(shè)備及調(diào)試
 1）軸力機(jī)、扭矩扳手等測試設(shè)備要求選用精度高的產(chǎn)品。
 2）扭矩扳手測試前必須經(jīng)過校驗(yàn)。
 3）軸力機(jī)要在檢定有效期之內(nèi)。
  c , 測試方法：在測試時(shí)加載必須連續(xù)、均勻的增加，這是很重要的一條。同時(shí)在測試中墊圈不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
  d, 扭矩系數(shù)及扭矩推薦值，這是生產(chǎn)單位的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅作參考。而正式安裝時(shí)的環(huán)境、氣候、日期等條件變化，推薦值會(huì)有所變化，實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)以實(shí)際測定為準(zhǔn)。
 　　四、總結(jié)
 　　現(xiàn)在國內(nèi)的高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)檢驗(yàn)都是參照GB/T1231-2006檢驗(yàn)的，但對(duì)于經(jīng)過表面處理的高強(qiáng)螺栓暫時(shí)還未有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。這是我們做緊固件檢測的一大缺失。
 　　另外關(guān)于達(dá)克羅處理工藝國內(nèi)尚不成熟，還需同行進(jìn)行鉆研，不能保證扭矩偏差在0.010之內(nèi)。
 　　達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛，還需我們一直努力。