螺栓拧紧力矩与轴向力关系

招力名名飞名月名匆之角名勺名飞名匆“内名飞‘飞子匆名勺‘勺若毛‘勺招多毛名飞名飞‘月名飞之月‘名匆名匆‘翎名勺若吸多书螺栓拧紧力矩一轴向力关系研究林水福佘公藩三一所西北工业大学护薯鬓提要本文简要介绍了螺栓拧紧力矩一轴向力关系研究的试验结果,并在试验墓拙土针对几个主要影响因素进行了分析讨论。螺栓是飞机结构机械连接中使用较普遍的紧固件之一,多用于受力部位及重要接头处,故螺接部位往往是飞机结构中的薄弱环节。在提高螺接部位结构疲劳寿命方面,除对被连接结构进行抗疲劳强化处理外,在螺栓和结构允许的条件下,对螺接接头施加稳定而较高的预紧力也是一种非常有效的方法。螺栓的效用通常取决于它最初被拧紧的程度。西方主要航空公司对于螺栓拧紧力矩值都有严格的标准,如波音公司的标准规定的与螺栓拧紧力矩值相对应的螺栓轴向载荷为螺栓材料拉伸屈服载荷的一。而我国不少航空工厂至今仍沿用苏联年代的标准,与螺栓拧紧力矩相对应的螺栓轴向载荷约为螺栓材料拉伸屈服载荷的。为提高螺接结构的疲劳强度及可靠性,提高定力精度,对螺栓拧紧力矩一轴向力关系及其影响因素进行研究是十分必要的。影响螺栓拧紧力矩一轴向力关系的因素很多,作者针对其中几个主要影响因素作了较为系统而细致的试验研究螺栓尺寸、材料及表面处理状态润滑条件支承面条件。现将有关情况简要介绍如下。一、拧紧力矩一轴向力关系由机械原理可得螺栓拧紧力矩一轴向力关系理论表达式为几”一,,,叨‘耐下哥丁二丁一,苏广州广气井下一一丁——言一一一丁下丁丈尸气儿“一沪“乙气郊口一乙’少……〕”式中一螺栓轴向力一螺纹中径久一螺纹升角,入一毗,为螺距了一螺母与被连接件支承面间的摩擦系数一螺旋副的当量摩擦角,为螺旋副的当量摩擦系数,二尸邓,日为螺纹半角,三角型螺纹日二,为螺旋副间的的摩擦系数一螺母承力面外半径俨一螺母承力面内半径。因式中’项很小,且一般情况下‘,则式可化简为厂几“一,,、。一二下六兀了一一一万芍州卜二子二寸,万叮兮兮二厂、抓一犷户‘吓乙‘占、、夕、、,一了、了、……式可简化成、十……,一答一手奖井共票十共气厂乙吓火耳甲一一夕‘占一厂组逐宜二兰丝从一尹己夕久户、州片—乙········……、、式中一拧紧螺母时接头的当量摩擦系数一螺栓公称直径无一螺栓拧紧力矩系数,由式得到的值表达式为厂“一,,,、‘气万丁石了一一一万芍十万一十不尸二“、气一尹一少乙汀乙尸·······,··…通常情况下,、,“,勺,即在施加的全部拧紧力矩中,约的拧紧力矩用于产生螺栓轴向力,约的拧紧力矩用于克服螺旋副间摩擦力矩,约的拧紧力矩用于克服螺母与支承面间的摩擦力矩。二、测量系统要得到正确的分析结果,精确测定螺栓拧紧力矩及轴向力值是实验的技术关键。本文采用的测量系统框图如图所示。该测量系统能显示从零载荷到破坏载荷的拧紧力矩一轴向力关系的动态曲线。螺栓拧紧力矩然一电电阻应变式式式一测测力扳手手手型一函函悬臂梁式数记录仪仪电电源稳压器器器市电电图测量系统框图该系统中的拉力传感器及测力扳手在首次标定前,都进行过两百余次单向预加载载荷为额定载荷的,并用间接比较法进行标定,标定结果如下拉力传感器用二等标准测力仪一标定线性误差士··精度士一··重复性误差士稳定性误差士一测力扳手用精度为士一的标准测扭仪标定线性误差士一精度士重复性误差士一稳定性误差士,··三、试验结果、分析及结论试验说明本文采用力矩法控制螺栓轴向力,考虑到研究结果的实用性,在对试件进行正交试验的同时,还增加了部分典型的、具有实用价值的试验。试验件均为航空专用标准件如普通六角螺母、平垫圈。正交试验主要考虑表面处理状态发兰、镀锌及镀锡、润滑条件干摩擦、。油、油膏及二硫化铝锉基润滑脂、支承面条件铝垫圈、钢垫圈及合金钢垫圈变化后对螺栓拧紧力矩一轴向力关系的影响。螺母材料、表面处理状态与相配螺栓相同发动机螺栓、螺母除外垫圈与螺母接触表面的润滑条件与螺纹表面润滑条件相同保证实验中各摩擦面充分润滑及润滑层中润滑剂的单一、无杂质。试验结果航空发动机用螺栓的试验结果见表。试验条件合金钢垫圈、二硫化铂铿基润滑脂润滑螺栓的螺纹表面无镀层。未作特别说明时,螺母与螺栓的材料及表面处理相同。螺栓及认螺栓的部分典型试验结果见表。表中值范围是置信概率的值范围。值由一试验曲线及式计算得到,值由式计算而得。发动机用螺栓试验结果表规规格格螺栓材料料表面面取取备注注夕夕夕夕卜王里里平均值值平均值值饭值标标变异异异系系系系系系系系系系系系系系系系数「「「「一一一一准左一一一夕夕降降降降锵锵锵锵锵锵锵锵锵锵锵锵一一一一一一螺母母螺螺镀镀镀镀锌锌锌锌锌锌母母一一一一一一一一一89,镀镀锌锌锌锌锌锌锌锌锌)))MMM666GH213222螺母母0.16478880.118880.0016660.00999螺母对边边镀镀镀镀银银银银银银尺寸s一一111111111111111114mmmmMMM888GH213222母母n_1只dqFFF0.109990.001应应0.0122222博博博博铜铜铜铜铜铜铜MMM888GH213222螺母母01只久只FFF0107770.D01〔〔0.D077777镀镀镀镀银银银银银银银银银银银银MMM888‘”crN,M。川川巨,,0.12712220‘085550.0019990.0155555MMM88830CrMnsiAAA降。。0.1247应应0.083330.0017770.013本文根据试验结果计算得到的k、f值同西方标准规定的相差不大,如国际标准中规定镀福螺栓螺母f一0.10~0.12,镀银螺栓或螺母f一0.13~0.14;英国Esll中规定用发动机润滑油润滑的镀锡螺栓螺母f一0.10,用发动机润滑油润滑的镀银螺栓或螺母f一0.14,无润滑、无镀层的螺栓螺母f一0.15~0.25;法国标准规定镀镐螺栓螺母f一0.11,而日本标准则规定为f一0.10~0.15。由于各国所采用的紧固件标准本身有差异,再加上试验条件也不可能相同,如润滑条件、表面处理等,故k值及f值不可能完全相同。3.分析与结论(1)润滑条件润滑条件对拧紧力矩系数k影响很大。图2是根据试验绘制的三种润滑条件对k值的影响关系图。由试验结果及图2可知:钢2。垫圈252015.】008图2润滑条件的影响k值范围及摩擦系数f平均值表2规规格格材料料润滑状态态表面面垫圈材料料k值范围围f平平处处处处处理理理理均值值MMM666ML2555201油膏膏发兰兰钢2000.23419~.2393444.1794444MMMMMMMos:脂脂脂脂、20727~.2094QQQ.1551777333333333330CrMnsiAAA.15833~.1597888.1131111222222201油膏膏镀锌锌钢2000.18117~.1854444.1338111MMM666ML2555Mos:脂脂镀锌锌30CrMnsiAAA.13520~.1367333.0934111222222201油膏膏镀福福30CrMnsiAAA.15335~.1554888.1091555MMMMMMMoS:脂脂脂钢2000.13175~.1338222.0906999MMM888ML2555201油膏膏发兰兰钢200023584~.2390777.1774666MMMMMMMosZ脂脂脂脂.20757~.2102222.153G222333333333330CrMnsiAAA.15087~.1521999.1057444222222201油膏膏镀锌锌钢2000.17323~.1756666.1248777MMMMMMMos:脂脂脂30CrMnsiAAA.12159~.1223000.0810444222222201油膏膏镀锡锡钢2000.16459~.1659888.1172222MMMMMMMoS:脂脂脂30CrMnsiAAA.12084~.12]7444.0804999MMM666ML30CrMnsiAAAMosZ脂脂发兰兰30CrMnsiAAA.14825~.1504777.1018444222222201油膏膏发兰兰30CrMnsiAAA.14761~.14987771Q43生生·········(螺母母母母母母母母母母母母母母母母MMMMMMMoS:脂脂镀锌))))).13734~.1393333.0954333222222201油膏膏镀锌锌30CrMnsiAAA.16052~.1615888.1148222MMMMMMMoS:脂脂脂脂.13602~.1368111.0937999222222201油膏膏镀福福30CrMnsiAAA.15423~.1554666.1095222MMMMMMMosZ脂脂脂脂.12947~.1301000.0881333MMM888ML30CrMnsiAAAMoSZ脂脂发兰兰30CrMnsiAAA.14198~.1436666.0984555(((((螺母为HB6266一89)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))222222201油膏膏发兰兰30CrMnsiAAA.14263~.14556660995111一一一一一一一一一(螺母母母母母母母母母母母母母母母母MMMMMMMoS:脂脂镀锌)))))12716~.1291111.0861999222222201油膏膏镀锌锌30CrMnsiAAA.15030~1537444.1061333MMMMMMMosZ脂脂脂脂.11314~.1162555.0749777222222201油膏膏镀锡锡30CrMnsiAAA.12611~.1283333.0854333MMMMMMMos:脂脂脂脂.11233~.1138000.0736222l8二硫化钥锉基润滑脂润滑效果最好。由于它油膜强度高,且有极压性添加剂二硫化铝,能在各摩擦面形成化学吸附膜,故润滑性能很好。º201油膏润滑效果相对稍差。由于201油膏不是极压性润滑脂,油膜强度较二硫化钥铿基润滑脂低,故其润滑效果比二硫化相铿基润滑脂稍差。»二硫化钥油润滑效果相对较差。二硫化钥油中虽有二硫化钥极压性添加剂,但其油膜强度相对更低,故其润滑效果比201油膏差,且润滑效果不稳定,得到的k值分散性较大,记录曲线的线性也较差。¼干摩擦的k值最大,一般为0.5左右。由于各摩擦面的氧化膜或镀层润滑性能稳定,故得到的曲线线性很好,但k值分散性较大。在安装螺母时作者建议采用二硫化铝铿基润滑脂润滑,这样可以以较小的拧紧力矩产生额定的螺栓轴向力,且分散性小,能较准确地控制螺栓中的轴向力。(2)表面处理状态图3是根据试验绘制的三种表面处理状态对k值的影响关系图。螺栓M6ML30Cr加七‘iA门哈N肠‘认合金钢垫圈;的MS合金钢螺栓(合金钢垫圈)对k值的影响为:镀镐k=0.11307,镀锌k=0.11469,发兰k=0.14282,镀银k=0.15386,镀铜k=0.15496。(3)支承面条件图4是根据试验绘制的三种支承面对k值的影响关系图。5040LY12一《又铝垫201油资k,0.男77,201油*七二0.15俐20垫圈“‘,油k~0.16988_哥~_一一J732一j了丽一丽与了一1燕r布而M(N.m)Md乳理基润滑脂16·sq13.44宫一一一花厂一一j百一一-ZOP(kN)图3表面处理的影响镀层对k值有较大影响,尤其是在用干摩擦、二硫化钥油及201油膏润滑状态下。相对来讲,用二硫化钥铿基润滑脂润滑时,镀层(镀锌或镀锡)对k值的影响较小,但对k值总的影响趋势是:镀镐螺栓的k值比镀锌的小,镀锌螺栓的k值比镀银的小,镀银螺栓的k值比镀铜的稍小,发兰螺栓的k值比镀锌的大、比镀银的小。如用二硫化钥铿基润滑脂润滑时,不同镀层图4支承面条件的影响支承面条件(本文指垫圈材料)对k值的影响也很大,如铝合金垫圈,由于材质软,摩擦系数大,故k值较大且不稳定;钢20垫圈的材料强度、硬度及弹性模量都比铝合金的高,故实验曲线线性较好,k值相应较小,分散程度也较小;合金钢垫圈的试验结果比钢20垫圈的更理想,不