螺栓預緊力的驗證方法

葉銳，智慶杰，崔巍，韓順坤，衛帥兵，張景惟

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

螺栓連接以其結構簡單、連接可靠、拆卸方便等優點在采油機械設備設計制造中得到廣泛應用，特別是螺紋連接在承受工作載荷之前，預先施加稱之為預緊力的作用力，便可使螺紋連接的可靠性及緊密性得到有效保證[1]。此預緊力的適當施加有著關鍵性作用，若預緊力達不到規定要求就會使被連接件之間在受載后出現縫隙和發生相對滑動，造成零部件的松動，甚至使整機無法正常工作；若預緊力過大就會引起人為的零部件損壞，螺栓可能被擰斷，連接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙型被剪斷而脫扣。被國際廣泛認可的API 采油機械技術標準中也有明確的要求：“當設計規定預載時，螺栓預緊應視為要求確認的過程”。而目前國內外長期以來應用廣泛的控制預緊力方法是采用力矩扳手，其制造費用相對較低，缺點是預緊力與轉矩值的換算過程受連接面表面質量、螺紋精度等難以預計的參數影響，轉矩值誤差較大，一般在±25%左右。研制的預緊力-轉矩值驗證裝置可對在轉矩扳手施加一定轉矩值的過程中，對螺栓進行預緊力的測量，經過對現場試驗的數據進行記錄、對比，此裝置對轉矩扳手施加的轉矩值可進行進一步驗證。

1 技術分析

所謂預緊力就是在安裝螺栓時預先作用在螺栓上的一個力（壓強），作用是使螺栓在其彈性范圍內變形，把連接件結合在一起[2]。常規使用的轉矩扳手利用T=F·K·d（式中：F為預緊力；T為轉矩值；K為擰緊力矩系數；d為螺紋公稱直徑）得出所須預緊力對應的轉矩值，式中的K值主要取決于螺紋當量摩擦因數及螺母與被連接件的摩擦因數，關聯因素較多，難以測量，且隨著加工方式的變化，可變性較大，一般誤差在±25%。而預緊力-轉矩值驗證裝置利用油液對壓力的敏感性，采用上下結構液缸準確地將螺栓的變形反映到油壓顯示裝置。預緊力的最終計算僅依據“F=PA（式中：F為預緊力；P為油壓；A為油缸面積）”便可得出。從計算過程來看，過程誤差主要由油缸內腔面積加工誤差及油壓顯示裝置誤差產生。因油缸蓋、油缸座最終須形成密封的內腔，在設計要求中比較嚴格，密封處最大間隙僅為0.05 mm，最高精度為Ra0.8 μm，油缸內腔面積加工誤差可忽略不計。預緊力-轉矩值驗證裝置實際誤差僅與油壓顯示裝置誤差有關，而油壓顯示裝置誤差是一個可知、可控的誤差。量程范圍是0～30 MPa，精度等級為2.5的普通壓力表允許誤差僅為2.5%。

1.1 結構設計

該測量裝置主要由油缸蓋、油缸座、扶正銷軸、油壓測量裝置、手搖泵等零部件組成，結構如圖1所示。密封8、9采用尼龍擋板與O形圈雙重密封的方式，在油缸蓋、油缸座內部形成可伸縮的密封腔體。6件定位銷釘保證油缸蓋的上下移動、4件扶正銷軸的導向作用，可使螺栓在受預緊力拉伸的過程中，沿其軸向自由伸長。主要部件上扶正板1、下支撐板5、油缸蓋3、油缸座7采用通用設計，可保證常規M42以下螺栓的驗證。試驗中，只需更換待測螺栓的直接接觸件（上墊塊12與下墊塊6），不需整體拆卸、拆解裝置，便可實現對不同螺栓轉矩值的驗證；同時該結構主要部件之間無需連接，只需疊加即可，拆卸、組裝方便。

圖1 轉矩值-預緊力驗證裝置結構圖

1.2 工作原理

驗證裝置使用時，利用手搖泵等壓力裝置將油液打入油缸蓋、油缸座之間，油缸座的壓力傳遞使驗證螺栓頭部受到向下的壓力，油缸蓋的上移來推動驗證螺母，使螺母受到向上的推力，此種螺栓的受力狀況，完全符合螺栓僅受預緊力時的拉伸狀態，圖2（a）所示是螺母剛好擰到和被連接件接觸，但尚未擰緊；圖2（b）所示是螺母已擰緊，但尚未承受工作載荷，螺栓此時僅受預緊力的拉伸作用，伸長量為λ。此時油壓通過“ P=F/A（式中：P為油壓；F為預緊力；A為油缸面積）”的對應關系，上緊至驗證螺栓要求的預緊力的80%，保證油缸腔內有充足的油液，同時未上緊到預定的轉矩值。最終利用轉矩扳手上緊螺母至預定的轉矩值，油缸蓋向下移動，缸內油壓增大，直接反映至油壓檢測裝置，通過P=F/A計算出預緊 力，與F=T/（Kd）（式中：F為預緊力；T為轉矩值；K為擰緊力矩系數；d為螺紋公稱直徑）計算出的預緊力進行對比，實現對轉矩扳手預緊力的驗證。

圖2 螺栓擰緊過程中的受力情況

1.3 主要設計參數

1.3.1 銷子的設計尺寸確定

1）4根銷子在工裝使用中，主要承受來自螺栓最終采用力矩扳手上緊時的旋轉力矩，銷子主要承受剪切力，且因4根銷子均勻分布，每根的剪切力相同。銷子材質選用35CrMoA，以被測螺栓最大轉矩值3161 N·m為準進行計算：

2）銷子定位下底板與上頂板，在工作中承受彎矩，計算如下：

結合銷子的受剪、抗彎能力，選取d=40 mm。同時考慮便于拆卸，銷孔與銷子選取C12/h11的間隙配合。

1.3.2 上、下墊塊的設計尺寸確定

按照《一般螺栓螺母連接的設計及裝配要求》[3]中“8.8級以上的高強度螺栓連接，應當按預緊力校核被連接件結合面的擠壓應力，許用應力=0.8×被連接件的屈服強度”。螺栓預緊力-轉矩值驗證工裝中，上、下墊塊可視為被連接件，對其分別進行初步設計后的校核：

1）上墊塊尺寸校核。墊塊材質選用35CrMoA，其屈服強度σs=520 MPa；擠壓作用平面是邊長為69 mm的內空方形面A，預緊力為F0；選取M36×3螺栓預緊力556 040 N進行校核。

1.3.3 定位螺釘的校核

M10螺栓在工作中主要受到一定的剪切力，F=T/（6r）=4621 N；τ=F/A=4621÷（π×5×5）=58.9 MPa。

M10螺栓采用45鋼，調質處理（217～255 HBW），σs=515 MPa，則［τ］=0.58×［σ］=0.58×σs/n=99.6 MPa，安全系數n=3。可得τ≤［τ］，M10滿足工裝試驗要求。

2 現場試驗

針對表1所列廣泛使用的M24、M30×3、M306×3三種規格螺栓進行試驗。將實驗裝置固定于2級鑄鐵檢驗平臺上，測量裝置暫選用量程范圍是0～30 MPa，精度等級為0.25級的雙刻度油壓表。試驗依驟如下：首先手動帶緊驗證螺栓所配螺母，使螺母剛好擰到和被連接件相接觸；其次利用鋼制手動液壓泵打壓至螺母要求轉矩值的80%；最后利用新購的、出廠檢驗精度在±10%以內的諾霸定轉矩扳手上緊致該驗證螺栓要求的轉矩值。在此過程中，觀察油壓測量裝置讀數，得到試驗數據如表2所示。

表1 試驗螺栓各項參數

表2 試驗數據記錄表

說明：油缸實測面積=π（99.98×99.98-40×40）=26363.44 mm2。

3 結論

1）利用新出廠、檢驗合格的轉矩扳手作為被檢對象，通過實驗得出數據，計算分析得到的誤差，3種規格螺栓的預緊力誤差分別為2.0%、2.7%、2.9%，均在10%以內，在轉矩扳手的后續使用過程中，可不定期地利用此預緊力-轉矩值驗證裝置對轉矩扳手進行校驗。

2）依據前述公式T=F·K·d，該驗證裝置在設計中，被試螺栓、螺栓接觸件（上、下墊塊）的相關精度盡量選取與實際常用產品相同精度，根據試驗結果對比，可對擰緊力矩系數K值的選取有一定的參考價值。