润滑状态及拧紧工艺对螺栓紧固轴力的影响分析

润滑状态及拧紧工艺对螺栓紧固轴力的影响分析

陈志平

中车株洲电力机车有限公司         湖南  株洲 412001        

摘要  针对不同润滑状态及不同拧紧工艺对螺栓紧固轴力进行了分析和验证，根据验证结论，优化组装工艺，提高了螺栓拧紧的质量。

关键词：润滑状态    拧紧工艺       紧固轴力   

1  超声波螺栓紧固轴力测量原理

根据声弹性相关原理，超声横波和纵波沿螺栓轴向传播时，超声传播时间与螺栓轴向应力呈一定线性关系。检测系统精确测量超声横波和纵波沿螺栓轴向传播的时间并代入相关参数，间接计算出螺栓紧固轴力数值大小。如图1所示。

               图1 超声波螺栓轴力测试仪及原理示意图

2  润滑状态对螺栓紧固轴力的影响

螺栓的不同润滑状态，会影响螺栓的螺纹摩擦系数及支承面的摩擦系数，从而影响螺栓的紧固轴力。根据：

式中：F----螺栓紧固轴力

      T----紧固扭矩

μs----螺纹摩擦系数

α----牙型半角

d2----螺纹中径

P-----螺距

dw----支承面等效摩擦直径

μw---支承面摩擦系数

在同等的紧固扭矩状态下，螺栓的润滑介质不同（如乐泰胶243和润滑脂NBU30PTM），其螺纹摩擦系数μs差异较大。一般情况下，涂乐泰胶243的螺纹摩擦系数μs较大，而涂润滑脂NBU30PTM的则较小。

3 安装螺栓紧固轴力测试

3.1 安装螺栓拧紧工艺介绍

先将两个配件组装在一起，再利用4个M30×525的螺栓将配件安装在框架上，如图2所示。设计要求：拧紧力矩1159Nm，涂乐泰胶243。经查相关资料：

μs取0.1、α为30°、d2为27.727、P为3.5、dw为42.75、μw取0.1

则：

==269.065 KN

图2    螺栓安装示意图

3.2 拧紧工艺一

螺栓涂乐泰胶243；第1步：交叉对称预紧；第2步：交叉对称拧紧，拧紧力矩1159Nm。用该种拧紧工艺拧紧的螺栓编号为①、②、③、④。

                   表1   螺栓紧固轴力记录        （单位：KN）

3.3拧紧工艺二：

螺栓分别涂乐泰243或润滑脂NBUPTM30，第1步：交叉对称预紧；第2步：交叉对称拧紧，拧紧力矩500Nm；第3步：交叉对称拧紧，拧紧力矩700Nm；第4步：交叉对称拧紧，拧紧力矩1159Nm；第5步：顺时针拧紧，拧紧力矩1159Nm。用该种拧紧工艺拧紧的螺栓编号为⑤、⑥、⑦、⑧；其中：⑤、⑥涂润滑脂NBUPTM30，⑦、⑧涂乐泰胶243。

             表2   螺栓紧固轴力记录        （单位：KN）

3.4 试验数据分析

3.4.1、紧固轴力大部分比理论计算的小，在测试过程中最大的为306.5KN，最小的为104.7KN。

3.4.2、拧紧工艺相同的情况下，涂润滑脂NBUPTM30获得的紧固轴力比涂乐泰243的大18%左右。拧紧后21小时后测量，⑤、⑥中最小的紧固轴力为221.7KN；而⑦、⑧中最小的紧固轴力为190.1KN。

3.4.3、同样涂乐泰243，采用不同的拧紧工艺，⑦、⑧获得的紧固轴力比①、②、③、④普遍偏大约20%左右。

3.4.4、考虑到紧固轴力均比较小，对螺栓进行了加大扭矩拧紧。对③号涂乐泰胶243的螺栓复扭1500Nm时夹紧力为208.9KN，对③、④号涂乐泰胶的螺栓复扭1800Nm时紧固轴力为248.9KN、252.8KN。对⑤、⑥号涂润滑脂NBUPTM30的螺栓复扭1500Nm时紧固轴力为306.5KN、263.5KN。此时的紧固轴力与设计计算的比较接近。

4、拧紧工艺优化    

4.1、通过对不同螺栓润滑状态及拧紧工艺下紧固轴力的测试，发现：

相同的拧紧工艺，涂润滑脂NBUPTM30获得的紧固轴力比涂乐泰243的大18%左右。根据摩擦系数测试试验，涂润滑脂NBUPTM30获得的螺纹摩擦系数μs、支承面摩擦系数μw约0.1--0.12；涂乐泰243获得的螺纹摩擦系数μs、支承面摩擦系数μw约0.13--0.15，

相同的润滑状态下，采用分步拧紧工艺比不分步拧紧，获得的紧固轴力大20%左右；

4.2、因1159Nm时紧固轴力偏小，更改图纸拧紧要求，改为拧紧力矩1500Nm，涂润滑脂NBUPTM30。

4.3、修订拧紧工艺，该4个螺栓需进行分布拧紧，拧紧后再顺时针拧紧。目前，根据根据设计业联采用分布拧紧工艺，具体为：第1步：交叉对称预紧；第2步：交叉对称拧紧，拧紧力矩700Nm；第3步：交叉对称拧紧，拧紧力矩1200Nm；第4步：交叉对称拧紧，拧紧力矩1500Nm；第5步：顺时针拧紧，拧紧力矩1500Nm。

参考文献

[1]、《机械手册》第2卷《机械零部件设计》，闻邦椿 主编，机械工业出版社出版，2010.1；

[2]、《螺纹紧固件联接工程》 酒井智次 著，柴之龙 译 机械工业出版社出版，2018.1；

陈志平（1981—） 男，高级工程师，本科

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