工程檢測論文高強度大螺栓預(yù)緊力檢測

　　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(zhì)量顯得尤為重要，采用本文設(shè)計的螺栓應(yīng)變測量試驗，能夠簡單、快速的計算不同部位大螺栓裝配轉(zhuǎn)矩系數(shù)，從而設(shè)計相應(yīng)的裝配轉(zhuǎn)矩，保證大螺栓裝配質(zhì)量。《無損檢測》(月刊)創(chuàng)刊于1979年，是中國機械工程學(xué)會與上海材料研究所主辦、中國科協(xié)主管的應(yīng)用類技術(shù)刊物，全國無損檢測學(xué)會會刊，學(xué)會對外交流指定用刊�！稛o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(tǒng)計源期刊，中國科技核心期刊，中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫來源期刊，EiPageOne和РЖ收錄期刊，中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)和中國期刊網(wǎng)收錄期刊，被俄羅斯《文摘雜志·焊接》、中科院科學(xué)技術(shù)文摘《中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)只提供M39以下螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩，為補充M42及以上高強度螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩的確定方法，設(shè)計臺架試驗，通過測量M24螺栓在連續(xù)裝配轉(zhuǎn)矩下的應(yīng)變，計算螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)K，基于K值與螺栓大小無關(guān)，設(shè)計M42及以上螺栓裝配轉(zhuǎn)矩，從而提供一種簡單的高強度大螺栓轉(zhuǎn)矩設(shè)計方法，并設(shè)計在二硫化鉬潤滑條件下M42~M64共5種規(guī)格大螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩。

　　關(guān)鍵詞：

　　高強度螺栓;預(yù)緊力;轉(zhuǎn)矩系數(shù);屈服強度

　　某超大噸位液壓挖掘機回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩法裝配。目前，行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)只提供M39及以下螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩，M42及以上螺栓的裝配轉(zhuǎn)矩還需安裝單位根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)、螺栓性能等裝配工況自行設(shè)計。目前國內(nèi)工程機械行業(yè)螺栓裝配普遍采用厭氧螺紋膠作為緊固介質(zhì)，經(jīng)試驗驗證，涂抹螺紋膠時螺紋副摩擦系數(shù)離散度較大，裝配質(zhì)量不穩(wěn)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(shè)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(shù)離散度，提高裝配質(zhì)量穩(wěn)定性，同時，在相同預(yù)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(yè)檢測機構(gòu)在試驗室，使用轉(zhuǎn)矩系數(shù)專業(yè)檢測設(shè)備測定螺栓轉(zhuǎn)矩系數(shù)，但不便于模擬螺栓在產(chǎn)品上裝配的狀態(tài)，與實際裝配螺紋副的轉(zhuǎn)矩系數(shù)有一定偏差。本文通過設(shè)計專用工裝，模擬螺栓在產(chǎn)品上裝配的旋合長度、螺紋副材質(zhì)等，測量某一型號螺栓在逐級加載裝配轉(zhuǎn)矩下的應(yīng)變，計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K，然后根據(jù)K值和螺栓屈服強度設(shè)計各型號螺栓所需裝配轉(zhuǎn)矩。

　　1轉(zhuǎn)矩系數(shù)K的計算公式

　　螺栓彈性區(qū)內(nèi)緊固轉(zhuǎn)矩與預(yù)緊力的關(guān)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(yīng)力截面積[3]，mm2;T為安裝轉(zhuǎn)矩，N•m;F為預(yù)緊力，N;K為轉(zhuǎn)矩系數(shù);d為螺栓公稱直徑，mm;E為螺栓彈性模量;ε為螺栓彈性應(yīng)變;P為螺距，mm。根據(jù)式(1)~(3)得出轉(zhuǎn)矩系數(shù)與應(yīng)變的關(guān)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(jù)機械設(shè)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(dāng)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(shù)，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(zhuǎn)矩系數(shù)與螺紋摩擦系數(shù)、支承面摩擦系數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，適用于不同大小的螺栓直徑，故通過一種直徑大小的標(biāo)準(zhǔn)螺栓計算的K值可用于同標(biāo)準(zhǔn)的其他直徑大小螺栓，本文通過式(5)計算K值。

　　2試驗設(shè)計

　　設(shè)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(yīng)變片，測量螺栓不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的應(yīng)變和預(yù)緊力，計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K。首先選擇與挖掘機上螺紋孔材質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩系數(shù)K，加載轉(zhuǎn)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(dá)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(yīng)變片(螺栓光桿每隔90°已打磨成平面)[5]，如圖1所示。每個應(yīng)變片通過2根線束與應(yīng)變測量裝置連接，試驗裝置如圖2所示，其中應(yīng)變測量裝置精度為±0.5με，精度較高，設(shè)備誤差很小，但是受人工加載誤差、工裝制作誤差、應(yīng)變片粘貼質(zhì)量等因素影響，測量誤差為±10%~±20%。應(yīng)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(zhuǎn)矩可調(diào)，精度±3%)對試驗螺栓逐級加載裝配轉(zhuǎn)矩，起始轉(zhuǎn)矩200N•m，加載步距100N•m，加載轉(zhuǎn)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(xù)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(jié)果互不影響，均可計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)K。無線動態(tài)應(yīng)變測量裝置(參數(shù)見表1)把螺栓應(yīng)變值傳送至計算機，記錄螺栓擰緊過程中的應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變接近3200時，停止加載。根據(jù)式(3)，此時螺栓應(yīng)力σ0=Eε0=3200×211000=675.2MPa，約達(dá)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(qū)間內(nèi)，根據(jù)式(2)可知，當(dāng)螺紋公稱應(yīng)力截面積一定時，預(yù)緊力與應(yīng)變成正比，則在彈性區(qū)間內(nèi)，式(5)都是適用的。螺栓軸力(即預(yù)緊力)—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。實時觀測4顆螺栓加載轉(zhuǎn)矩時的應(yīng)變，并記錄，結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，得出如圖4所示螺栓應(yīng)變(對應(yīng)預(yù)緊力)—轉(zhuǎn)矩圖。從圖4可以看出，預(yù)緊力與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系，K值比較穩(wěn)定，測量精度較高。將上述數(shù)據(jù)代入式(5)，計算出轉(zhuǎn)矩系數(shù)K值如表3所示。利用Minitab軟件做K的95%置信區(qū)間概率圖，得到K=0.124，標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.002，p=0.795>0.05，說明本次試驗螺栓裝配過程質(zhì)量穩(wěn)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(dá)克羅，且螺紋副涂抹二硫化鉬的工程機械產(chǎn)品裝配，使用此K值設(shè)計轉(zhuǎn)矩時應(yīng)保證螺紋孔清潔。

　　3螺栓轉(zhuǎn)矩的計算

　　一般來說，國內(nèi)工程機械連接螺栓預(yù)緊力為該螺栓材料屈服強度的50%~70%，根據(jù)VDI2230—2003，螺栓預(yù)緊力應(yīng)為該螺栓材料屈服強度的90%，綜合考慮到國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及螺栓質(zhì)量、螺紋孔質(zhì)量等因素，螺栓預(yù)緊力應(yīng)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(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，如表4所示。某超大噸位液壓挖掘機應(yīng)用本文設(shè)計的轉(zhuǎn)矩和二硫化鉬潤滑劑進行裝配，該機工作一年并未出現(xiàn)大螺栓松動故障。

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