許錦泉，覃建昌

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

螺栓連接是裝載機(jī)最常見(jiàn)的緊固方式，而產(chǎn)品關(guān)鍵、重要部位的螺栓連接主要還是采用扭矩法擰緊，如驅(qū)動(dòng)橋和車(chē)架體的螺栓連接，不僅要滿足機(jī)身的支撐，還要確保連接面具有足夠的摩擦力，以便在反復(fù)沖擊下不發(fā)生移動(dòng)，但該工藝下螺栓利用率不高、軸向預(yù)緊力散差大，導(dǎo)致螺栓連接松脫、斷裂類(lèi)外反饋頻繁發(fā)生，并且對(duì)于螺栓裝配過(guò)緊或松動(dòng)未能采取改進(jìn)措施，螺栓緊固效果未得到改善。

扭矩-轉(zhuǎn)角法是在轉(zhuǎn)角法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高精度的螺栓擰緊方法，即以一個(gè)確定的扭矩值作為起點(diǎn)，將螺母（螺栓）轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，使螺栓預(yù)緊力控制在屈服點(diǎn)附近。大量試驗(yàn)和多年的實(shí)踐表明，適當(dāng)超過(guò)屈服點(diǎn)不會(huì)引起螺栓的延遲斷裂，可以最大限度地發(fā)揮螺栓的潛力，是目前應(yīng)用越來(lái)越廣的一種強(qiáng)力螺栓擰緊工藝[1]。

通過(guò)測(cè)試研究確定了合理的扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配工藝，形成扭矩-轉(zhuǎn)角法制定標(biāo)準(zhǔn)，以便指導(dǎo)其他螺栓裝配工藝的轉(zhuǎn)換與緊固能力的提升。

1 擰緊時(shí)扭矩與夾緊力的關(guān)系

夾緊力是螺紋連接產(chǎn)生效果的一個(gè)重要參數(shù)，在螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要通過(guò)分析受力情況來(lái)設(shè)計(jì)夾緊力的大小[2]。通過(guò)設(shè)備將螺栓擰至屈服，伴隨著角度的變化將產(chǎn)生擰緊扭矩和軸力，通過(guò)數(shù)據(jù)理論可得出軸力-角度、扭矩-角度均兩條曲線，如圖1所示。

圖1 扭矩、軸力、角度曲線

2 扭矩-轉(zhuǎn)角法的開(kāi)發(fā)原理

在彈性變形范圍內(nèi)，緊固扭矩、緊固轉(zhuǎn)角、伸長(zhǎng)量及緊固軸力理論上呈線性關(guān)系，本次開(kāi)發(fā)規(guī)定了緊固軸力的獲得方法為超聲波測(cè)量法，利用超聲波測(cè)量軸力前需要對(duì)螺栓進(jìn)行標(biāo)定，即建立聲時(shí)差和軸力之間的關(guān)系。

標(biāo)定方式有扭矩標(biāo)定和拉伸標(biāo)定，扭矩標(biāo)定通常在摩擦系數(shù)測(cè)試儀或扭矩系數(shù)測(cè)試儀上進(jìn)行，拉伸標(biāo)定通常在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，標(biāo)定過(guò)程必須保證螺栓擰緊至屈服，標(biāo)定后對(duì)所有標(biāo)定文件進(jìn)行擬合，得出擬合曲線，如圖2所示。

圖2 擬合標(biāo)定文件

3 扭矩-轉(zhuǎn)角法的開(kāi)發(fā)流程

3.1 確定目標(biāo)軸力

3.1.1 計(jì)算確定目標(biāo)軸力

螺栓裝配中，在擰緊扭矩T及摩擦的作用下將產(chǎn)生螺栓軸力和裝配夾緊力，以及可能受到的橫向力，如圖3所示。

圖3 螺紋連接受力示意圖

連接結(jié)構(gòu)所需最小軸力主要依托VDI2230高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)，并根據(jù)螺栓連接所受到的外載荷來(lái)計(jì)算的，主要包括以下幾種狀態(tài)：

（1）傳遞橫向載荷FQ和繞螺栓軸線扭矩MY的摩擦所需要的軸力FKQ，計(jì)算公式如下，式中：qF為涉及螺栓可能滑動(dòng)/剪切的內(nèi)部分界面?zhèn)鬟f力（FQ）的數(shù)量，μT為分界面摩擦系數(shù)，qM為涉及可能滑動(dòng)/剪切的內(nèi)部分界面?zhèn)鬟f扭矩（MY）的數(shù)量，ra為MY作用時(shí)，夾緊部件的摩擦半徑，F(xiàn)y為屈服軸力。

（2）對(duì)于介質(zhì)密封時(shí)，所需的軸力FKP，計(jì)算公式如下，

式中：AD為密封面積，Pi為密封的內(nèi)部壓力。

（3）防止螺栓松脫所需的軸力FKA，計(jì)算公式如下，

式中：FKab為松開(kāi)極限時(shí)夾緊載荷，F(xiàn)A為軸線載荷，AD為密封面積，a為軸向載荷FA的替代作用線與橫向虛擬對(duì)稱(chēng)變形體軸線的距離，μ為摩擦系數(shù)，Ssym為螺栓軸線與橫向?qū)ΨQ(chēng)變形體軸線的距離，MB為作用于螺栓連接點(diǎn)的工作力矩，IBT為分界面區(qū)域轉(zhuǎn)矩。

而工藝開(kāi)發(fā)所需的最小軸力FKerf必須滿足以下關(guān)系，

連接結(jié)構(gòu)螺栓許用最大裝配軸力FMzul計(jì)算公式如下，

式中：A0為螺栓適當(dāng)最小橫截面積，為擰緊螺栓時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，Rp0.2m為按照898-1的螺栓0.2%規(guī)定應(yīng)力，d2為螺紋中徑，d0為螺栓最小橫截面直徑，P為螺距，μG為螺紋摩擦系數(shù)。

其中螺紋處摩擦系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，普通螺紋連接通常按（0.12～0.14）來(lái)計(jì)算。螺紋處摩擦系數(shù)根據(jù)扭矩系數(shù)測(cè)試結(jié)果需要進(jìn)行二次修訂，總的來(lái)說(shuō)目標(biāo)軸力FG必須滿足以下條件，

3.1.2 測(cè)試確定目標(biāo)軸力

若扭矩-轉(zhuǎn)角法開(kāi)發(fā)以原扭矩為依據(jù)，則目標(biāo)軸力為原扭矩法裝配軸力，需要完全按照原扭矩法工藝實(shí)施裝配且實(shí)施多樣本測(cè)試，測(cè)試完成后對(duì)軸力實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析，以此得出目標(biāo)軸力。

3.2 確定邊界

為了確定螺栓組件的邊界參數(shù)，需要進(jìn)行極限扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，極限扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)通常在摩擦系數(shù)測(cè)試儀或者扭矩系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行；測(cè)試從螺栓貼合擰緊至螺栓扭矩下降20%～50%結(jié)束，記錄整個(gè)過(guò)程的擰緊曲線，根據(jù)曲線確定緊固特性參數(shù)。重點(diǎn)分析屈服緊固扭矩、極限緊固扭矩、屈服緊固轉(zhuǎn)角、極限緊固轉(zhuǎn)角等邊界參數(shù)，同時(shí)對(duì)以上參數(shù)實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析。

3.3 扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝摸索

（1）確定初始扭矩，初始扭矩通常根據(jù)計(jì)算數(shù)值按10的倍數(shù)取整。

（2）確定轉(zhuǎn)角，測(cè)量螺栓的緊固扭矩、緊固軸力、緊固轉(zhuǎn)角等參數(shù)；完成后對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，作出緊固軸力與緊固轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系圖，并通過(guò)線性相關(guān)公式計(jì)算出在目標(biāo)預(yù)緊力下的緊固轉(zhuǎn)角。

（3）確定初步工藝，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定扭矩-轉(zhuǎn)角法初步工藝。

3.4 扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝驗(yàn)證

本工藝驗(yàn)證針對(duì)緊固工藝環(huán)節(jié)，驗(yàn)證的對(duì)象為裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋與車(chē)架體連接的M27螺栓。

（1）初步驗(yàn)證，按照3.3中確定的初步工藝實(shí)施，F(xiàn)C統(tǒng)計(jì)分析，判斷1.2FG≥Ave.FC≥FG，且min.FC≥FG，若滿足要求則可判定初步工藝合理；若不滿足要求則需要適當(dāng)調(diào)整貼合扭矩或緊固轉(zhuǎn)角，反復(fù)進(jìn)行以上的初步驗(yàn)證，直至滿足要求。初步摸索工藝見(jiàn)表1。

表1 扭矩-轉(zhuǎn)角法摸索工藝

通過(guò)超聲波測(cè)量得到初步驗(yàn)證的預(yù)緊力，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)預(yù)緊力

取表2中8顆螺栓預(yù)緊力的均值在預(yù)緊力趨勢(shì)曲線（y=0.5704x+24.042，y為預(yù)緊力，x為轉(zhuǎn)角）作散點(diǎn)圖如圖4，可知R2=0.9907，因此可以繼續(xù)按照此曲線進(jìn)行扭矩-轉(zhuǎn)角法開(kāi)發(fā)。

圖4 預(yù)緊力趨勢(shì)曲線

（2）最終驗(yàn)證，按照3.4中的合理工藝?yán)^續(xù)實(shí)施更大樣本量的驗(yàn)證，總驗(yàn)證樣本量必須≥16，即按照初步驗(yàn)證或調(diào)整工藝對(duì)螺栓進(jìn)行裝配，測(cè)量最終軸力FC，并且對(duì)軸力FC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)前表1。保證擰緊系數(shù)（離散度）≤1.4，即確定最終驗(yàn)證的工藝合理；按照轉(zhuǎn)角法工藝開(kāi)發(fā)原則，結(jié)合預(yù)緊力趨勢(shì)曲線確定驗(yàn)證工藝，通過(guò)超聲波測(cè)量得到最終驗(yàn)證的預(yù)緊力數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，可知離散度=1.37≤1.41，說(shuō)明工藝合理。

表3 驗(yàn)證預(yù)緊力

（3）根據(jù)工藝驗(yàn)證確定最終的擰緊工藝為：（貼合扭矩Thz，緊固轉(zhuǎn)角θz）。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)擰緊扭矩與夾緊力的關(guān)系、扭矩-轉(zhuǎn)角法開(kāi)發(fā)原理以及扭矩-轉(zhuǎn)角法開(kāi)發(fā)過(guò)程等3個(gè)方面進(jìn)行論述，介紹了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的實(shí)施步驟及各個(gè)參數(shù)的確定方法，并最終確定得出扭矩-轉(zhuǎn)角法擰緊工藝，為螺栓裝配扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)。隨著扭矩-轉(zhuǎn)角法工藝開(kāi)發(fā)手段的逐漸完善以及客戶對(duì)軸向預(yù)緊力控制要求更精準(zhǔn)，螺栓裝配技術(shù)中扭矩-轉(zhuǎn)角法的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。