基于扭矩控制法的螺栓連接可靠性探索

□楊澤迎　□金　偉　□趙旭東　□王日藝　□徐　力

中車南京浦鎮車輛有限公司　南京　210031

基于扭矩控制法的螺栓連接可靠性探索

□楊澤迎□金偉□趙旭東□王日藝□徐力

中車南京浦鎮車輛有限公司南京210031

扭矩控制法通過扭矩因數來控制預緊力，是目前鐵路行業車輛緊固件安裝時主要采用的一種施工方法。為提高螺栓連接的質量和在運行中的可靠性、安全性，就扭矩控制法中預緊力的確定、扭矩因數問題進行探討，為實際運用提供參考。

目前鐵路行業車輛所用緊固件品種、規格達幾千種，緊固件的安裝一般均采用扭矩控制法，這是最經濟的一種施工方法，但由于對扭矩控制法認識不足，會導致螺栓連接不當，進而產生松、漏、掉等質量事故，嚴重的甚至會導致惡性事故。

扭矩控制法的實質是通過扭矩因數來控制螺栓的預緊力，所以扭矩控制法僅是一種施工方法。為提高列車螺栓連接的質量和在運行中的可靠性、安全性，特就扭矩控制法中預緊力的確定、扭矩系數問題談幾點體會。

1　螺栓預緊力的確定

螺栓預緊力的大小直接影響連接的可靠性、緊密性、疲勞強度、抗剪強度和防松性能等。

1.1確定預緊力的兩大因素

一般總希望有較大的預緊力，可使組合件連接可靠，但在設計預緊力時必須考慮下列因素：

①螺栓的性能等級和被連接體的剛度；

②考慮連接位置的重要性、連接的安全性，應取較符合實情的安全因數。

1.2預緊力的計算

螺栓在擰緊時，除受預緊力Qp作用而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩作用而產生的扭轉剪應力，因此螺栓在擰緊過程中承受拉伸和扭轉的復合應力。

（1）螺栓承受的應力計算。由上述可知，螺栓在擰緊時處于承受拉伸應力和扭轉剪應力的復合應力狀態，因此根據第四強度理論［1］，可求出螺栓預緊狀態下的當量應力σv：

式中：σv為螺栓擰緊時在復合應力下的當量應力；τ為螺栓承受的扭轉剪應力；σ為螺栓承受的拉伸應力。

（2）預緊力的計算。螺栓在擰緊時不屈服，即螺栓在承受復合應力狀態下保證不出現塑性變形的條件是：

式中：Sp為保證應力，一般情況下Sp≈0.9σp0.2，σp0.2為規定非比例延伸0.2%的應力。

代入式（2）得：

由此可得預緊力F：

式中：As為螺栓螺紋的應力截面積。

根據《機械設計手冊》［2］，為了充分發揮螺栓的工作能力和保證預緊的可靠性，通常應使螺栓擰緊后的預緊應力：F=（0.5～0.7）σp0.2As。

2　扭矩控制法

扭矩控制法是旋轉螺栓時利用施加的扭矩T和螺栓的預緊力F之間關系的一種擰緊方法，簡稱扭矩法。

螺栓連接失效的原因既有螺栓件材質、加工質量、熱處理等問題，更有螺栓連接的擰緊控制問題（擰不緊或超擰，導致連接失效）。一般情況下，螺栓緊固件連接的效果取決于最初擰緊的程度，即預緊力。在緊固件和被連接件強度允許的情況下，預緊力越大，連接越安全可靠，疲勞壽命越大。

2.1緊固扭矩和螺栓預緊力的關系

擰緊螺栓時施加的扭矩T和螺栓的預緊力F之間的關系可表示為：

式中：T為裝配時施加的緊固扭矩，N·m；F為螺栓的預緊力，kN；d2為螺紋中徑，mm；μs為螺紋面摩擦因數；α′為螺紋半角；ρ為螺紋面的當量摩擦角，tanρ=為螺紋升角，P為螺距，mm； μw為支承面摩擦因數；Dw為支承面摩擦力矩等效直徑，mmdw為接觸的支承面外徑，mm；dh為接觸的支承面內徑，mm。

代入相關參數得：

因μstanβ的值很小，設μstanβ=0，得：

由式（6）可知，擰緊時施加的緊固扭矩可分為三項。

式中：TS為擰緊螺栓時克服螺紋面摩擦消耗的扭矩，是擰緊時由螺母螺紋的斜面作用在螺栓螺紋上所扭轉產生的扭矩分量。

式中：T′為擰緊螺栓時螺栓伸長消耗的扭矩。

式中：Tw為擰緊螺栓時克服支承面摩擦消耗的扭矩，是擰緊時由螺母端面與墊圈或被連接件之間摩擦所產生的反作用扭矩。

若將配套緊固件有關尺寸代入式（8）～（10），并設定摩擦因數和預緊力，即可求出每個分量，見表1。

表1　各分量扭矩值及所占比例

由上表可見，螺栓擰緊時扭矩消耗分配情況如圖1所示：①克服支承面摩擦消耗的扭矩約占緊固總扭矩的50%；②克服螺紋面摩擦消耗的扭矩約占緊固總扭矩的40%；③螺栓伸長（轉化為預緊力）所消耗的扭矩僅占緊固總扭矩的10%左右。

圖1　扭矩比例示意圖

2.2扭矩因數

上述分析計算可知：緊固時的總扭矩中只有約10%為有效扭矩，使螺栓產生預緊力；其余90%的扭矩被以克服摩擦力的形式所消耗。了解緊固時扭矩分配的情況有助于確定最佳緊固扭矩，此處引入扭矩因數這個概念。

由式（5）得：

式中：K為扭矩因數；d為螺紋公稱直徑，mm。

由式（9）可知，扭矩因數是螺紋形狀、螺紋間摩擦因數和支承面摩擦因數的函數。

由此可知，扭矩因數K綜合了螺栓在擰緊過程中與緊固扭矩和預緊力相關的所有因素。

2.3扭矩因數與預緊力的關系

由式（10）可得T=KFd，可見預緊力F與緊固扭矩T在彈性范圍內呈線性關系，見表2。

表2　預緊力與緊固扭矩關系

T為恒定值，螺栓的實際扭矩因數變化時，引起預緊力有大幅度變化，如圖2所示。

圖2　扭矩因數與預緊力的關系

同規格螺栓有相同扭矩因數K，則施加的緊固扭矩T與預緊力F成正比，如圖3所示。由此可見K是μs和μw的函數，由于螺栓、加工精度、形狀誤差、是否有表面潤滑、保管不當、搬運碰撞等影響而造成K的變化范圍很大，很可能對同批緊固件而言，用相同扭矩會造成擰不足或超擰現象。

圖3　緊固扭矩與預緊力的關系

雖然采用扭矩控制法是高強度螺栓擰緊施工時最簡便、最經濟的方法，但擰緊的可靠性全憑扭矩因數K是否基本一致。

2.4扭矩因數的應用

（1）扭矩因數的意義。螺栓緊固件擰緊的目的是達到理想的預緊力，即設計預緊力，而施加扭矩僅是一種施工方法，所以采用扭矩控制法時，必須按實際情況確定K值，也就是原則上必須對供貨商提供的產品按同批次、同規格進行試驗，求出扭矩因數K的平均值和標準偏差，并計算出施工緊固扭矩，這樣才能使同批緊固件獲得較為理想的預緊力。

（2）扭矩因數測試規則。扭矩因數的測試是在軸力機或測力環上進行的，每套（指一個螺栓、一個螺母、一個墊圈）只能測試一次，不得重復進行。因為測試后，螺栓、螺母、墊圈接觸部分的表面狀態均已改變，所以重復試驗所得出的數據已沒有意義。

測試的工件應為同批件，即相同性能等級、相同材料、相同爐號、相同螺紋規格、相同加工工藝、相同熱處理工藝、相同表面處理工藝，測得的扭矩因數僅對該批緊固件適用。

測試組裝時抽檢數8套，安裝墊圈有倒角的一側朝向螺栓頭支承面或螺母支承面。測試過程中墊圈不得發生轉動，否則試驗無效。

（3）扭矩因數的計算方法。

第一步：按公式K=T/（Fd）計算出每套連接副的扭矩因數K。

第二步：計算扭矩因數平均值：

第三步：計算扭矩因數標準偏差σn-1：

式中：σn-1為扭矩因數標準偏差。

3　緊固扭矩的檢測方法

對緊固扭矩進行檢測是組裝后可靠性檢查中極為重要的—道工序。檢測的目的是避免螺栓連接件在緊固過程和緊固后發生超擰、漏擰和擰不足現象，確保每個螺栓緊固后能正常、安全工作。

對緊固扭矩的檢測工序可分為兩大類，即在擰緊過程中的控制法和擰緊后的檢測，可分別稱為過程法和事后法。

（1）過程法。主要用在安裝有測試扭矩傳感器的各種裝配設備上，能直接讀出數據，并可測出瞬時值并畫出扭矩—預緊力關系圖譜。

（2）事后法。可分為四種。

①擰緊法，也稱增擰法。適用于重要件緊固后的栓驗。檢驗方法為：用扭矩扳手平穩用力逐漸增大力矩（切忌沖擊），當螺栓剛開始產生微小轉動時瞬時扭矩最大（因要克服靜摩擦力）：繼續轉動，扭矩值會回落到短暫的穩定狀態，這時的扭矩值即為檢查所得的扭矩。該方法的特點是操作簡單，但必須熟練有經驗，否則易引起超擰。

②標記法，也稱復位法、劃線法、轉角法。檢驗方法為：檢驗前先在被檢螺栓頭部與被聯接體上劃一道線，確認相互的原始位置；然后將螺栓松開些，再用扭矩扳手擰緊到原始位置，劃線處要對準，這時的最大扭矩值再乘以0.9～1.1，所得值即為檢查所得的扭矩。該方法的特點是技術水平不高，操作較繁鎖，不適于有防松功能的緊固件。

③直覺法，擰緊后憑直覺判斷。檢驗方法為：對有彈性墊圈類通過觀察是否壓平來判斷；對無彈性墊圈類或有彈性墊圈但觀察困難的，可采用扭矩扳手進行擰緊，憑直覺來判斷擰緊程度；若到扭矩值，扳手不轉動或微小轉動，判為己擰緊；若轉動超過半圈則判為沒有擰緊、不合格。該方法的特點是適于一般緊固檢查。

④松開法，也稱擰松法。檢驗方法為：用扭矩扳手慢慢地向被檢螺栓施加扭矩，使其松開，讀取開始轉動時的瞬時扭矩值，并根據試驗經驗乘以一個因數（1.1～1.2），即為檢驗扭矩值。

根據實踐經驗，上述四種檢測方法以松開法與擰緊法檢查精度高，但必須由熟練有經驗的檢驗員操作，常用的標記法雖精度較低，但對操作人員要求不高，所以實際普遍使用此方法進行檢驗。

4　結束語

緊固件雖然是車輛系統中的一個微小結構，但卻從鐵路誕生之日起就始終占據了不可缺少的位置。緊固件的好壞，直接影響了車輛最終運行的穩定性和安全性，尤其對于轉向架而言，任何一個緊固件的失效，都可能引起安全事故。為提高列車螺栓連接的質量和在運行中的可靠性、安全性，車輛制造企業和使用企業應對預緊力和扭矩因數的確定，以及緊固扭矩的檢測等。

［1］許本安，李秀治.材料力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1988.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.5版.北京：化學工業出版社，2008.

Torque control method uses torque factor to control the preliminary tension，it is a main job practice adopted currently by railway industry when fixing the vehicle fasteners.To improve bolting quality and its reliability&safety in operation，tried to explore some issues about the torque control method that involves the determination of preliminary tension and a study on torque factor，in an attempt to provide

for practical application.

扭矩控制法；預緊力；扭矩因數

Torque ControlMethod；Preliminary Tension；Torque Factor

TH131.3

A

1672-0555（2016）02-026-04

2016年1月

楊澤迎（1985—），男，本科，工程師，主要從事軌道車輛轉向架設計