淺析螺栓緊固與扭力值檢驗方法改進

淺析螺栓緊固與扭力值檢驗方法的改進姓名：張立波專業(yè)：電氣工程及其自動化部門：電氣設(shè)備分公司品質(zhì)管理部指導(dǎo)老師：劉兵-2-計量溯源性。實際上車間還是存在一些問題的，有些定扭工具沒有及時送到公司計量室進行校準，四月份對組裝車間的扭力扳手進行抽檢，發(fā)現(xiàn)定扭工具出現(xiàn)偏差。很難想象用出現(xiàn)計量偏差的測量工具組裝出來的產(chǎn)品是怎樣的。1.3分公司螺栓擰緊方法與螺栓扭力值檢驗方法描述目前分公司使用的螺栓擰緊方法是力矩法，力矩法是根據(jù)設(shè)計要求的預(yù)緊力得到相應(yīng)的螺栓緊固緊固力矩值，然后使用定扭扳手擰緊。分公司使用的螺栓扭力值檢驗方法是增擰法，增擰法就是用扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩（切忌沖擊），當螺母或螺栓剛開始產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時它的瞬時扭矩值最大（因要克服靜摩擦力），繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扭矩值就會回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這時的扭矩值即為檢查所得的扭矩。此種方法操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。2螺栓緊固分析2.1螺栓連接基本原理螺母和螺栓在整個工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中是最合適的緊固元件，他們可以經(jīng)受很高的工作負荷，也可以拆卸下來再加以利用。螺栓連接必須能夠抵抗外力的作用，使已裝配的零件不會向分離的方向移動，否則就會造成螺栓接頭松動或者脫落。我們可以通過一個簡單的機械模型來形象的描述螺栓連接：圖1螺栓連接受力模型：最小預(yù)緊力；：預(yù)載荷；：軸向力；：垂直于軸向的作用力：摩擦系數(shù)；；其實可以把螺栓連接看成一個張力很強的彈簧，在進行螺栓連接的裝配式產(chǎn)生一個力，使被裝配組件壓緊在一起。由螺栓所產(chǎn)生的將零件壓緊在一起的力稱為預(yù)緊力。2.2螺栓連接過程中確定預(yù)緊力在每個螺栓接連過程中最重要的目標值是預(yù)緊力，因為不可能以足夠高的準確度來測量出或者估算出預(yù)緊力?；谶@一原因，目前的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)矩是唯一可記錄的質(zhì)量特征值，為了審查緊固連接件的質(zhì)量，必須對轉(zhuǎn)矩進行系統(tǒng)評估，實際上，轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系取決于緊固件的幾何形狀和摩擦系數(shù)，但是摩擦力是無法回避的，而且又是一個棘手的問題。由于一直存在這個問題，因此，按照所施加的轉(zhuǎn)矩裝配螺栓時，應(yīng)該產(chǎn)生多大的預(yù)緊力，無法得出正確的結(jié)論。什么因素會影響轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力的這種關(guān)系的變化呢？首先，緊固件的幾何形狀決定了多大的轉(zhuǎn)矩可以產(chǎn)生一個特定的預(yù)緊力。在這方面，螺距是一個決定性的因素。螺栓時一個幾何體，它相當于一種“螺旋上升的平面”，因此，影響整個螺紋連接中力的分布情況。第二個因素是螺栓連接內(nèi)的固有摩擦關(guān)系，它影響著螺栓連接中各個力相互依存的關(guān)系。這里所指的就是在材料或者墊圈之上轉(zhuǎn)動的支撐面摩擦力以及在材料螺紋孔內(nèi)或者螺母的螺紋孔內(nèi)轉(zhuǎn)動的螺紋摩擦力。影響螺栓連接的摩擦特性是最重要的參數(shù)，這就意味著操作方法不正確絕對會導(dǎo)致螺栓連接的失效。例如，如下圖所示，擰入一個摩擦系數(shù)u=0.14的干燥的螺栓時，起緊固轉(zhuǎn)矩的分布情況如左圖；如果螺栓做了潤滑處理，摩擦系數(shù)變?yōu)閡=0.08，那么起緊固轉(zhuǎn)矩的分布方面就會發(fā)生變化如右圖。這就意味著現(xiàn)在的預(yù)緊力比原來的要高出約40%。圖3螺栓連接內(nèi)的摩擦關(guān)系和力的分配這就說明通過轉(zhuǎn)矩確定螺栓預(yù)緊力的方法會有很大誤差，特別是對于大螺栓，通過轉(zhuǎn)矩確定要求的預(yù)緊力會受到很多因素的影響，但是目前國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域一般是通過轉(zhuǎn)矩來確定要求的預(yù)緊力，只要誤差范圍保持在可接受的范圍就可以。2.3擰緊力矩的計算對于螺栓連接，其擰緊力矩T用于克服螺栓螺紋處的螺紋阻力矩及螺母與被連接支撐面間的斷面摩擦力矩。式中：d為螺紋公稱直徑；為預(yù)緊力;為螺紋中徑；為螺紋升角；為螺紋當量摩擦角；，其中為螺紋當量摩擦因素，為螺母與被連接件支撐面間的摩擦因素；K為擰緊力矩系數(shù)。3螺栓緊固與扭力值檢驗方法改進如果想要提高螺栓緊固的質(zhì)量，我們必須知道影響螺栓緊固質(zhì)量的有哪些因素，我們通過因果圖來說明一下影響螺栓緊固的因素有哪些？操作者擰緊工具操作者擰緊工具操作校準員工素質(zhì)操作校準員工素質(zhì)檢驗方法精神身體狀況檢驗方法精神身體狀況螺栓緊固質(zhì)量螺栓緊固質(zhì)量材料硬度形狀粗糙度定位動作材料硬度形狀粗糙度定位動作方法的科學(xué)性螺栓的材質(zhì)緊固方法方法的科學(xué)性螺栓的材質(zhì)緊固方法從上面的因果圖可以看出影響螺栓緊固質(zhì)量的因素有四大方面，分別是人﹑機﹑料﹑法四個方面，要想提高螺栓緊固質(zhì)量我們可以分別從四大方面入手：3.1從提升“人”（操作者）的角度出發(fā)提高員工的操作素養(yǎng)，可以進行相應(yīng)的理論培訓(xùn)，強化操作者對螺栓緊固的本質(zhì)認識，并且可以定期開展關(guān)于螺栓緊固的技能大賽，激發(fā)員工對螺栓緊固質(zhì)量提升的認識。3.2從提升“法”（緊固方法）的角度考慮可以從緊固方法的提升上思考很多，目前國內(nèi)采用的大多是力矩法擰緊螺栓緊固件，此方法有很好的實用性，但是目前國外還有另外一種緊固螺栓的方法——轉(zhuǎn)角法螺栓緊固。我們以組一班受電弓為例，下面對比一下兩種方法的優(yōu)劣。力矩法、轉(zhuǎn)角法螺紋緊固件擰緊過程對比圖5扭矩轉(zhuǎn)角法圖6扭矩法從上圖分析，由于受k值變化的影響，相同的擰緊力矩會得到不同的預(yù)緊力，最終軸向預(yù)緊力分散(圖6)。扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊能有效控制螺栓預(yù)緊力(軸向力)，避免用扭矩法擰緊時出現(xiàn)的螺栓拉長或拉斷現(xiàn)象(圖5)。在組裝車間分別用兩種緊固方法緊固螺栓，下表是分別用轉(zhuǎn)角法和扭矩法緊固螺栓得到的數(shù)據(jù)：序號產(chǎn)品序號“八防”工序規(guī)定扭力值用轉(zhuǎn)角法緊固實際扭力值用轉(zhuǎn)矩法緊固實際扭力值建議扭力范圍1高壓接地開關(guān)閘刀安裝在左右支架上M10×30螺栓32Nm31.12（-2.75%）30.32（+5.25%）±4%2受電弓弓頭鉸接處M8螺栓20Nm20.69（+3.45%）19.38（-3.1%）±4%下臂桿與底架/下臂桿與上框架鉸接處M20螺栓250Nm248.13（-0.75%）247.14(-1.1%）±4%平衡桿與上框架/平衡桿與下臂桿鉸接處M10螺栓40Nm41.45（+3.6%）42.24（+5.6%）±4%拉桿鉸接處M16螺栓120Nm121.37（+1.14%）122.21（+1.84%）±4%3高壓隔離開關(guān)閘刀與閘刀支架連接M10×30螺栓21Nm21.36（+1.7%）19.63（+6.5%）±4%扭力值平均相對誤差2.23%3.89%從上表的數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)角法比力矩法更能很好去控制螺栓軸向預(yù)緊力的一致性。也就是說，只要合理選擇控制參數(shù)，轉(zhuǎn)角法比力矩法可靠性更高。3.3從提升“機”（緊固工具和檢驗方法）的角度著手要想提升緊固質(zhì)量還可以從緊固工具和檢驗方法這方面著力，在緊固工具這一塊最主要的是提高定扭扳手的可靠性，定期校準。對于有很高精度要求的方面分公司可以購買精度更高的定扭工具。在螺栓扭力值檢驗方法這一方面可作為的更多一些，根據(jù)目前分公司采用的螺栓扭力值檢驗方法，我們發(fā)現(xiàn)了一些缺點，目前分公司采用的檢驗扭力值的方法是擰緊法（增擰法）：扭力扳手平穩(wěn)用力逐漸增加力矩（切忌沖擊），當螺母或螺栓剛開始產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動時它的瞬時扭矩值最大（因要克服靜摩擦力），繼續(xù)轉(zhuǎn)動，扭矩值就會回落到短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，這時的扭矩值即為檢查所得的扭矩。此種方法操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。此種方法有一些弊端1、存在二次緊固的可能；2、對螺栓何時開始啟動很難確定，存在主觀因素；3、螺栓啟動的時候，實際扭矩值應(yīng)該是大約安裝時候的扭矩值，所以測試值一般偏大。因此建議針對分公司內(nèi)組一班螺栓扭力值較大緊固件使用劃線法檢驗扭力值是否到位，標記法（劃線法）：檢驗前先在被檢螺栓或螺母頭部與被連接體上劃一道線，確認相互的原始位置。然后將螺栓或螺母松開些，在用扭矩扳手將螺栓或螺母擰緊到原始位置（劃線處要線對準），這時的最大扭矩值再乘以0.9～1.1所得的值即為檢查所得的扭矩。技術(shù)水平不高，操作較繁瑣，不適宜有防松功能的緊固件。此種方法穩(wěn)定性更高標記法更加精確，所測量的是動態(tài)扭矩，而設(shè)計人員從設(shè)計角度給出的扭矩即為動態(tài)扭矩。下面針對屏柜車間螺栓扭力值分別用兩種不同的檢驗方法，對比兩種檢驗方法的生產(chǎn)方質(zhì)量風(fēng)險，進一步評價兩種檢驗方法的優(yōu)劣，下表是得到的數(shù)據(jù)：序號屏柜規(guī)定扭力值實際扭力值劃線法檢驗結(jié)果擰緊法檢驗結(jié)果1HXD1B、HXD1C蓄電池柜蓄電池接線螺栓15Nm16.12（+6.6%）不合格合格2HXD1B、HXD1C蓄電池柜端子排M12組裝螺栓15Nm16.12（6.6%）不合格合格3HXD1B輔助濾波柜185平方電纜接線接觸器M10螺栓接線33Nm32.02（-3.3%）合格合格4HXD1B輔助濾波柜185平方電纜接線接線端子排M10螺栓接線18Nm20.06（+11%）不合格合格從上表的數(shù)據(jù)可以看出當扭力值大于規(guī)定值的時候劃線法可以很準確的識別出來，但是用擰緊法缺不能識別過扭的情況，這個相當于增大的使用方風(fēng)險。針對分公司屏柜車間繼電器等小型緊固螺栓使用松開法檢驗扭力值，松開法：用扭矩扳手慢慢地向被檢螺栓或螺母施加扭矩，使其松開，讀取開始轉(zhuǎn)動時的瞬時扭矩值，并根據(jù)試驗和經(jīng)驗乘以一個系數(shù)：1.1～1.2即為檢驗扭矩值。操作簡單，但必須熟練有經(jīng)驗。P.S殘余扭矩值是再繼續(xù)擰緊螺栓/螺母時旋緊一個小角度測得的最小扭矩值。起動扭矩不能作為殘余扭矩。動態(tài)扭矩：當緊固件再被固定的過程中測量得到的最大峰值。扭力扳手和動力工具都可以施加動態(tài)扭矩，動態(tài)扭矩不能在緊固件被緊固完之后測量。動態(tài)扭矩加載時進行在線測量得到的扭矩值。靜態(tài)扭矩：在一個緊固件被固定好之后，將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬時所需要的扭矩。加載后對扭矩進行測量。3.4從提升“料”（螺栓材質(zhì)和表面粗糙度）的角度考慮還可以從螺栓材質(zhì)和庫房對螺栓保管這方面著手提升螺栓緊固的質(zhì)量，從設(shè)計考慮螺栓預(yù)緊力時就應(yīng)該考慮到螺栓的材質(zhì)對擰緊力矩的影響，再者螺栓的表面光滑度也能對預(yù)緊力的分布產(chǎn)生很大的影響，筆者已經(jīng)在第二部分做了詳細的分析，用同樣大的力矩擰緊同樣型號材質(zhì)的螺栓，表面涂了潤滑油的螺栓與干燥的螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力是不一樣的，甚至?xí)a(chǎn)生40%的預(yù)緊力差別。所以說庫房管理員和現(xiàn)場操作員工要注意對螺栓的正確保管，在轉(zhuǎn)運螺栓的過程中也要注意不要撞擊螺栓的表面。3.5小結(jié)只要從“人”，“機”，“料”，“法”四個方面全面提升，并且可以真正的執(zhí)行一些建議，我相信分公司的螺栓緊固質(zhì)量會有提高的。目前分公司屏柜車間與組裝車間都有一些因為螺栓緊固不到位而產(chǎn)生的機破，組裝車間真空高隔受電弓都有大量的緊固連接件，對于螺栓緊固的要求更高，如果真能在螺栓緊固這方面有大的質(zhì)量提升，會對分公司的機破故障率會有一些降低。4感謝終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都在同事和師傅們的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導(dǎo)老師—劉兵主管，她對我進行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在車間和工具室收集數(shù)據(jù)和信息的過程中，工具室的師傅也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過我的各位同事表示最衷心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻，如果沒有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫作。感謝我的同事和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論