工程檢測論文高強度大螺栓預緊力檢測

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2016-12-20 17:01

本文摘要：大型工程機械價值量大、維修難度高，工程檢測論文螺栓裝配質量顯得尤為重要，采用本文設計的螺栓應變測量試驗，能夠簡單、快速的計算不同部位大螺栓裝配轉矩系數，從而設計相應的裝配轉矩，保證大螺栓裝配質量。《無損檢測》(月刊)創刊于1979年，是中國機

　　大型工程機械價值量大、維修難度高，工程檢測論文螺栓裝配質量顯得尤為重要，采用本文設計的螺栓應變測量試驗，能夠簡單、快速的計算不同部位大螺栓裝配轉矩系數，從而設計相應的裝配轉矩，保證大螺栓裝配質量。《無損檢測》(月刊)創刊于1979年，是中國機械工程學會與上海材料研究所主辦、中國科協主管的應用類技術刊物，全國無損檢測學會會刊，學會對外交流指定用刊。《無損檢測》被列為全國中文核心期刊(2004年版)，首批中國科技論文統計源期刊，中國科技核心期刊，中國科學引文數據庫來源期刊，EiPageOne和РЖ收錄期刊，中國學術期刊(光盤版)和中國期刊網收錄期刊，被俄羅斯《文摘雜志·焊接》、中科院科學技術文摘《中國光學與應用光學文摘》和《機械制造文摘·焊接分冊》收錄，被列為《計量測試文摘》的核心期刊。

　　工程機械行業標準只提供M39以下螺栓的裝配轉矩，為補充M42及以上高強度螺栓的裝配轉矩的確定方法，設計臺架試驗，通過測量M24螺栓在連續裝配轉矩下的應變，計算螺栓轉矩系數K，基于K值與螺栓大小無關，設計M42及以上螺栓裝配轉矩，從而提供一種簡單的高強度大螺栓轉矩設計方法，并設計在二硫化鉬潤滑條件下M42~M64共5種規格大螺栓的裝配轉矩。

　　關鍵詞：

　　高強度螺栓;預緊力;轉矩系數;屈服強度

　　某超大噸位液壓挖掘機回轉支承、配重、H架等零部件的連接需使用M42及以上高強度螺栓，例如，回轉支承與上下車連接采用M48(10.9級)螺栓，H架與縱梁連接采用M60(10.9級)螺栓，這些螺栓均適用于轉矩法裝配。目前，行業現行標準只提供M39及以下螺栓的裝配轉矩，M42及以上螺栓的裝配轉矩還需安裝單位根據產品材質、螺栓性能等裝配工況自行設計。目前國內工程機械行業螺栓裝配普遍采用厭氧螺紋膠作為緊固介質，經試驗驗證，涂抹螺紋膠時螺紋副摩擦系數離散度較大，裝配質量不穩定，且螺紋膠固化后螺栓拆卸困難，不便于維修;同時，螺紋副間由于摩擦力較大極易咬死。本文設計試驗采用二硫化鉬潤滑劑(膏狀，鋰基潤滑脂)代替螺紋膠，涂抹后在螺紋副間形成強韌、耐熱、耐重壓的二硫化鉬潤滑保護膜[1]，能夠顯著降低螺栓裝配摩擦系數離散度，提高裝配質量穩定性，同時，在相同預緊力下的摩擦力僅為使用螺紋膠的1/3~1/2，能夠避免螺紋副咬死，也便于拆卸維修。一般情況下，可委托專業檢測機構在試驗室，使用轉矩系數專業檢測設備測定螺栓轉矩系數，但不便于模擬螺栓在產品上裝配的狀態，與實際裝配螺紋副的轉矩系數有一定偏差。本文通過設計專用工裝，模擬螺栓在產品上裝配的旋合長度、螺紋副材質等，測量某一型號螺栓在逐級加載裝配轉矩下的應變，計算轉矩系數K，然后根據K值和螺栓屈服強度設計各型號螺栓所需裝配轉矩。

　　1轉矩系數K的計算公式

　　螺栓彈性區內緊固轉矩與預緊力的關系[2]：T=FKd(1)F=σ×As(2)σ=Eε(3)As=0.7854(d-0.9382P)2(4)式中：σ為材料屈服強度，N•mm-2;As為螺栓應力截面積[3]，mm2;T為安裝轉矩，N•m;F為預緊力，N;K為轉矩系數;d為螺栓公稱直徑，mm;E為螺栓彈性模量;ε為螺栓彈性應變;P為螺距，mm。根據式(1)~(3)得出轉矩系數與應變的關系：K=T0.7854Eεd(d-0.9382P)2(5)高強度螺栓材料一般為35CrMo、42CrMo等鉬鉻合金鋼，彈性模量約為E=211000N•mm-2。根據機械設計手冊[2]，K值也可以通過式(6)計算。K=d22d•tan(λ+ρv)+dm2d•f1(6)式中：d2為螺紋中徑;λ為螺紋升角;ρv為螺紋當量摩擦角;dm為螺母支承面平均直徑;f1為螺母支承面摩擦因數，且不論螺栓直徑d大小，可近似取值d2/d=0.92，dm/d=1.3。GB/T16823.2—1997《螺紋緊固件緊固通則》中說明，轉矩系數與螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數有對應關系，適用于不同大小的螺栓直徑，故通過一種直徑大小的標準螺栓計算的K值可用于同標準的其他直徑大小螺栓，本文通過式(5)計算K值。

　　2試驗設計

　　設計臺架試驗[4]模擬螺栓在液壓挖掘機上的裝配，在螺栓桿部粘貼應變片，測量螺栓不同轉矩對應的應變和預緊力，計算轉矩系數K。首先選擇與挖掘機上螺紋孔材質相同的鋼板，加工相同旋合長度的螺紋孔，制作試驗工裝。由于需要人工加載轉矩，為降低難度，選擇常用的M24螺栓(也可選擇其它型號小螺栓)進行試驗測定轉矩系數K，加載轉矩前，螺紋及螺栓頭與墊圈配合端面(螺栓與墊圈表面均有達克羅涂層)涂抹二硫化鉬潤滑劑，然后旋合螺栓至頭部與墊圈基本貼合，在螺栓光桿處、距離螺栓頭下40mm處截面沿圓周方向均勻貼4個應變片(螺栓光桿每隔90°已打磨成平面)[5]，如圖1所示。每個應變片通過2根線束與應變測量裝置連接，試驗裝置如圖2所示，其中應變測量裝置精度為±0.5με，精度較高，設備誤差很小，但是受人工加載誤差、工裝制作誤差、應變片粘貼質量等因素影響，測量誤差為±10%~±20%。應用2塊壓板將試驗工裝固定在水平工作臺上，使用大量程手動定扭扳手(轉矩可調，精度±3%)對試驗螺栓逐級加載裝配轉矩，起始轉矩200N•m，加載步距100N•m，加載轉速約4r/min。選取4顆M24螺栓進行試驗，每2顆螺栓裝配在1個試驗工裝上(共制作2個試驗工裝)，且螺栓和工裝螺紋孔均為連續一次性逐級加載，不允許拆卸后再次加載，故每顆螺栓的測試結果互不影響，均可計算轉矩系數K。無線動態應變測量裝置(參數見表1)把螺栓應變值傳送至計算機，記錄螺栓擰緊過程中的應變，當應變接近3200時，停止加載。根據式(3)，此時螺栓應力σ0=Eε0=3200×211000=675.2MPa，約達到其屈服強度940MPa(參見GB/T3098.1—2000表3螺栓、螺釘和螺柱的機械和物理性能)的70%，仍在彈性區間內，根據式(2)可知，當螺紋公稱應力截面積一定時，預緊力與應變成正比，則在彈性區間內，式(5)都是適用的。螺栓軸力(即預緊力)—應變關系如圖3所示。實時觀測4顆螺栓加載轉矩時的應變，并記錄，結果如表2所示，根據表2數據，得出如圖4所示螺栓應變(對應預緊力)—轉矩圖。從圖4可以看出，預緊力與轉矩成線性關系，K值比較穩定，測量精度較高。將上述數據代入式(5)，計算出轉矩系數K值如表3所示。利用Minitab軟件做K的95%置信區間概率圖，得到K=0.124，標準偏差s=0.002，p=0.795>0.05，說明本次試驗螺栓裝配過程質量穩定，K值精度較高。試驗測得的K值適用于螺紋孔材料為Q345B/Q235，螺栓材料為35CrMo等合金鋼，螺栓表面處理為達克羅，且螺紋副涂抹二硫化鉬的工程機械產品裝配，使用此K值設計轉矩時應保證螺紋孔清潔。

　　3螺栓轉矩的計算

　　一般來說，國內工程機械連接螺栓預緊力為該螺栓材料屈服強度的50%~70%，根據VDI2230—2003，螺栓預緊力應為該螺栓材料屈服強度的90%，綜合考慮到國內外標準及螺栓質量、螺紋孔質量等因素，螺栓預緊力應為該螺栓材料屈服強度的70%，即：F=0.7×As×σs(7)式中：σs為螺栓材料的屈服強度。根據式(1)和式(7)，且K=0.124，可得：T=K×0.7×As×σs×d=0.064d(d-0.9382P)2(8)將M42及以上螺栓公稱直徑d和螺距P(d與P的單位均轉化為m)代入式(8)，計算得工程機械用于一般連接的M42(10.9)及以上螺栓推薦轉矩，如表4所示。某超大噸位液壓挖掘機應用本文設計的轉矩和二硫化鉬潤滑劑進行裝配，該機工作一年并未出現大螺栓松動故障。