扭矩系数的重要性

扭矩系数的重要性（教材）一般来说，生产厂对高强度螺栓的生产环节比较重视，但很少有企业关注售后情况，这是阻碍中国紧固件企业向高端发展、走向世界的瓶颈。高强度紧固件的安装使用，直接关系到紧固件的质量与使用寿命的重要环节。而扭矩系数就是钢结构螺栓连接副的重技术参数。一、扭矩系数及影响因数1.扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系：M=K·P·dM－扭矩N·mK－扭矩系数（也称摩擦系数）P－预紧力（也称轴力KN）d－螺纹的公称直径mm安装时，使用单位对扭矩值很重视，这直接影响安装时施工扭矩值。为什么同样的扭矩值，一批产品能达到预期锁紧的效果，而另一批产生锁紧效果不理想？首先我们要了解扭矩、预紧力、扭矩系数三者存在的关系。图一·安装时的扭矩、预紧力与扭矩系数的关系从图一中可以看出，如果螺栓极限强度一定，扭矩一定，扭矩系数越小，则产生的紧固力越大；但是如果扭矩系数越大，则产生的紧固力越小。当扭矩系数小到一定的程度，在一定的扭矩的作用下紧固力超过了螺栓的强度极限，高强度螺栓就会产生断头的现象；反之，扭矩系数过大，则产生的紧固力就会过小，螺栓连接副就达不到锁紧的功能，连接副就会产生松动。因此，要使紧固力在一个标准的范围内，则产品的扭矩系数就要限定在一个规定的范围内，目前国家紧固件标准GB/T1231-2000对钢结构用高强度螺栓连接副作了标准规定，扭矩系数K=0.11~0.15,标准偏差小于等于0.010。钢结构工程施工规范也作了同样的规定。但是，在安装的过程中，有许多人认为扭矩值越大，安装越可靠，包括相当数量的工程技术人员也有类似的认同，实质上他们对扭矩系数的机理还不十分理解。2.标准偏差的函数公式：标准偏差的计算公式如下：其中x为样本值，n为样本数。因此，要求在同一批的高强度紧固件中标准偏差≤0.010，而且偏离度越小，对螺栓连接副安装的安全性越高。有些螺栓连接副，标准偏差0.010，形成离散度增加，会产生个别连接副的受到预紧力达不到标准，或出超的现象，同样会产生个别螺栓松动或螺栓断头的情况，也必须引起重视，因此标准偏差与扭矩系数是安装扭矩确定的二个不可分割的参数。3．预紧力（紧固力）F的确定：从T=K·F·d的公式中可以看出预紧力F的选定直接影响到扭矩系数的确定。一般选定原则是：预紧力取螺栓最小拉力载荷的70%，（最小拉力载荷可以从GB/T3098.1中查取）其安全系数为1.4，如果要增加紧固力，而螺栓的直径无法加大，可以取螺栓屈服载荷的80%，这样安全系数下降为1.25。如果再增加预紧力，那么数值会接近屈服载荷，万一标准偏差出超，会达到甚至超过屈服载荷，个别螺栓就有可能会达到屈服点引起伸长，继而紧固力松弛后产生失效。预紧力取螺栓屈服载荷的50%---70%是比较安全实用的区间。二、扭矩系数的实质扭矩系数属于摩擦系数的范畴，是指在扭转状况下的摩擦系数。通过螺纹间以及支撑面与夹紧面间的摩擦力的大小来决定扭矩系数的大小。摩擦分为有效摩擦和无效摩擦两种，螺栓与螺母之间的摩擦是有效摩擦，通过施加扭矩，有效摩擦会使螺栓螺母逐渐锁紧，对安装起积极的作用，而垫圈与夹紧面间的摩擦是无效摩擦，因此在安装时应尽量减少和避免。影响扭矩系数的因数很多，主要有三个方面：1、螺纹之间配合松紧度是重要影响因数，我们经过多次试验，螺纹间配合松的扭矩系数就小，反之扭矩系数就大（扭矩系数有随螺纹配合松紧度的增大而减小的趋势）。2、不同表面处理对扭矩系数的影响很大，从经常使用的几种表面处理状况来看，不同的表面处理扭矩系数相差很大：（见表一）表一·不同表面处理的扭矩系数表面处理种类扭矩系数及状态达克罗0.18～0.25（干燥不润滑）磷化0.18～0.22（干燥不润滑）发黑0.25～0.30（干燥不润滑）磷皂化0.13～0.18（干燥不润滑）镀锌0.25～0.30（干燥不润滑）3、表面润滑是对扭矩系数影响最主要的指标：同样一种表面处理，做润滑与不做润滑，扭矩系数差别很大，例如，达克罗涂覆镀层，润滑后的扭矩系数一般均可控制在0.11～0.15范围内，而且可以根据产品的要求做不同的封闭润滑将扭矩系数控制在客户要求比较狭小的范围内；但不做润滑的达克罗镀层，我们经过反复的试验，一般扭矩系数在0.18～0.25范围内。因此，表面润滑是对扭矩系数影响最主要的指标三、典型案例分析讨论在港机某基地的GB/TM30X150钢结构大六角螺栓，表面状态为达克罗，在扭矩系数测量中，连续两次发生扭矩系数超差，分析一下原因：1、我公司送往港机某基地的产品是经过我司测试，达到技术要求的（表二），但用户测试时却出现了扭矩系数超标（表三），双方对产品的判断存在争议，我们将有争议的产品送到权威的第三方机构（上海紧固件与焊接研究所）进行试验，，测试各项数据均达标（表四）。经过讨论，我司与用户达成共识――研究所的报告作为该产品的测试依据，产品合格。表二·我司的测试结果件数预紧力/KN扭矩/Nm扭矩系数平均扭矩系数（标准0.11～0.15）1399.614930.1470.1402337.613190.130334715030.144表三·港机某基地的测试结果件数预紧力/KN扭矩/Nm扭矩系数平均扭矩系数（标准0.11～0.15）138719000.1630.172235420000.188337018500.166在双方存在比较明显的差异的情况下我们找上海紧固件与焊接研究所对同一批产品进行扭矩系数的测量，数据与我们测量的比较接近，具体测量情况如下：表四·上海紧固件与焊接研究所的测试结果件数预紧力/KN扭矩/Nm扭矩系数平均扭矩系数（标准0.11～0.15）标准偏差（标准要求≤0.01）138215000.1310.1320.0091236415000.137337016200.146436815000.136539215000.128638115000.131742814600.114838215000.1312、产生偏差的原因分析：⑴、轴力仪：港机某基地的轴力仪已经超过检定的有效期，可能会影响测试数据。⑵、扭矩扳手：基地的机械式的扭矩扳手，精确度不高。⑶、试验方法是双方最大的差异：(a)加载方法：江阴基地在测试时，轴力数值接近标准时，是每40N.M一档，逐次增加扭矩。在进行实验时应均匀加载，反映出来的数据比较正确。逐次增加扭矩，每次40N.M，在抗抵静磨檫时已消耗殆尽。这样反映出来的数值是0或略微上跳，数据严重失真。造成偏差的原因是静磨擦与动摩擦的区别。钢铁的静磨擦系数（润滑条件下）为0.1～0.12，而动磨擦系数为0.05～0.1（这是指平行移动，在旋转施力时摩擦系数变化更大）。当40N.M的扭矩增加时，大部分都是在克服静摩擦力。因此，在扭力机上显示数值很小，有时甚至为0。这样轴力相应减小，引起扭矩系数增加，甚至超差。这是本次测试摩擦系数超差的原因所在。我们到紧固件研究所参观学习，研究所的测量方法与我们基本相同，测量值也很接近，这更能说明江阴基地加载方法不正确，导致数值偏离。（b）校检：为了证实上述论点，我们采用了两种方法校验。ⅰ、基地测试，底特校验。基地测试的扭矩系数K值比底特测试的平均要高0.016。ⅱ底特测试，基地校验。测试结果非常接近，K系数值相差不到0.002。原因分析：在基地校验时，扭矩的增加是平稳的，与底特测试方法基本一致。而基地在测试时，扭矩是逐次以40Nm的扭矩增加的。每次增加都是一个克服静磨檫力的过程，象脉冲一个接一个，反映的数据严重失真，引起了偏差。3、探讨结论电子液晶显示扭力扳手精度高，测试数据正确。港机某基地在测试时，尤其是要到达扭矩指标时，逐级增加扭矩，每次增加扭矩，预紧力却没有增加，而是略微跳动一下，扭矩克服了摩擦力做功产生大量的热，使螺栓尖部在大量的热的情况下产生退火，降低了硬度，当摩擦力产生的热量达到一定的情况下，齿间强度低的螺栓螺纹被“啃”下一块（见图二中的b），而图六中的a是底特测试，某基地校验的正常测试时的情况。a正常b不正常图二·被“啃”下螺栓螺纹照片经过维式硬度测试，证明理论推断是正确的（表五）表五·硬度测试数据编号硬度（HV）表面―――→芯部a353353355358377358b342344346355379362四、扭矩系数测定必须注意的几个问题：1、批号：每批高强度紧固件的生产批号、材料批号、表面处理批号要一致，三个批号一致则后，扭矩系数离散度小。2、设备及调试：⑴轴力机、扭矩扳手等测试设备要求选用精度高的产品。⑵扭矩扳手在测试前必须经过校验。⑶轴力机要在检定有效期之内。3、测试方法：在测试时加载必须连续、均匀地增加，这是很重要的一条。同时在测试中垫圈不能产生跟转现象。4、扭矩系数及扭矩推荐值：这是生产单位的试验数据，仅作参考。而正式安装时环境、气候、日期等条件变化，推荐值会有所变化，应以实际使用时测定为准。5、使用保管时注意几个问题：⑴每次安装时必须进行扭矩系数的测定。数值在标准规定的范围内才能进行安装，安装后剩余的产品，要按包装要求重新归拢安放好。⑵注意产品的保存期、仓库保管与周围环境。例如，达克罗润滑剂能溶于水，受潮或淋雨后润滑剂减少，影响数值的正确性。⑶高强度螺栓连接副表面润滑很重要，其中螺母的润滑尤为重要。⑷有些单位在安装过程中甚至完毕后进行扭矩系数的测定，这样不但数值不准确，还有返工的可能。而且在安装中由于天气条件的变化，如刮风、下雨、扬尘等因数，测出的数据不正确，也必须注意！我公司经过长期的观察与对客户服务的过程中，注意到一般大桥、大型厂房施工比较规范，单位很重视，有监理监视全过程。而使用量小的或小型施工安装单位，就容易忽视扭矩系数的测定工作，但如果不注意扭矩系数可能同样会酿成大祸。以上是我们公司在长期的服务中积累的经验，供大家共享，不周全的地方请业内同行指正。（本文刊登在金蜘蛛《紧固件》第十一期，2007年第四季度，有更改）