工程机械螺栓预紧力控制方法

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1螺栓预紧的作用

绝大多数螺栓连接件在装配时都必须拧紧，以使其在承受工作载荷之前,预先受到拉力作用，这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性,防止受载后被连接件出现缝隙或发生相对滑移，最终保证紧固件可靠地连接在一起。大量研究及实验表明，螺栓连接预紧力的大小将对螺栓总载荷、连接临界载荷、抵抗横向载荷能力和接合面密封能力等产生重要影响。紧固件可靠地连接在一起的关键，是将螺栓连接的轴向预紧力控制在适当的范围内。若预紧力不适当，不仅会造成被连接件滑移、分离或松脱，还会导致螺栓损坏。

2螺栓拧紧轴向预紧力选择

螺栓轴向预紧力下限由连接结构的功能决定，该值要保证被紧固件在工作过程中始终可靠地贴合。螺栓轴向预紧力上限由螺栓（或螺母）和被紧固件的强度及受力状态决定，该值要保证螺栓及被紧固件在预紧和工作过程中不发生拉长、剪断、疲劳断裂、脱扣等现象。大量的研究表明，较大的初始预紧力可以有效提高螺栓连接防松性能，因此螺栓预紧力应在保证螺纹不被破坏前提下尽量取高值。

3螺栓拧紧方法

3.1扭矩法

扭矩拧紧法是最常用的螺栓拧紧方法，即通过扭矩扳手显示的扭矩值来控制被连接件的轴向力。控制扭矩主要通过定扭工具实现，其中包括手动定扭扳手、气动定扭扳手、脉冲扳手、液压扳手、充电式定扭扳手、电动拧紧机等。扭矩拧紧法优点是操作简单易行、成本低。缺点受扭矩系数影响较大，为保证精度，不仅需要控制拧紧工具精度，还需要控制扭矩系数离散度。

3.2扭矩-转角法

扭矩-转角法是在拧紧达到规定的“贴合扭矩”后，再转动螺纹件至规定的角度。在螺栓拧紧初始阶段，预紧力与旋转角度不成线性关系。该阶段选择“贴合扭矩”控制方式，一般扭矩值选择最终扭矩的20%～30%。OA阶段为“空转”阶段；AB阶段为“贴紧”过程，此阶段螺栓紧固件及被紧固件预紧力很小，但旋转角增长迅速；BC阶段为“线性”段，此阶段预紧力与旋转角度成线性关系；C点之后螺栓进入屈服阶段。按照预紧力大小，扭矩-转角法分为弹性区拧紧与塑性区拧紧2种，前者发生在螺栓弹性范围内，后者发生在螺栓被拧紧到屈服点之后。弹性区拧紧时摩擦阻力变化仅影响测量转角起始点，若起始点选择恰当，则对最终获得的压紧力影响不大。塑性区拧紧发生在塑性变形区，其压紧力大小只取决于螺栓材料的屈服极限。塑性区拧紧法对螺栓及被紧固件质量要求较高，为此目前工程机械行业多采用弹性区拧紧法，主要工具包括智能电动拧紧机、全自动液压扳手等。扭矩-转角法的优点：受扭矩系数影响较小，控制精度相对扭矩法要高；拧至塑性区不受扭矩系数影响，能充分利用螺栓的承载能力。扭矩-转角法的缺点：控制成本相对扭矩法要高，不适用于小转角的短螺栓；预紧力较大（尤其拧到塑性区）,不适合塑性差的螺栓和螺栓反复使用的场合。

3.3预伸长法

螺栓预伸长法也称质量保证法，就是在拧紧过程中或拧紧结束后，测量螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化量之间关系控制螺栓的轴向预紧力。螺栓预伸长法与转角法类似，可根据预紧力大小分为弹性区与塑性区拧紧法2种。螺栓预伸长法控制精度非常高,它常被用作重要部位螺栓预紧力控制。螺栓预伸长法的常用工具是液压拉紧器，其使用方法如下：使用液压拉紧器给螺栓施加拉力，使之伸长，达到规定伸长量或预紧力后，轻轻旋紧螺母即可。螺栓预伸长法的优点：适合长螺栓紧固，控制精度非常高，可紧固至材料塑性区，能充分利用螺栓的承载能力。螺栓预伸长法的缺点：工具对零部件结构要求比较高，控制成本高。

4螺栓拧紧度检测方法

根据工程机械螺纹连接重要程度不同，螺栓拧紧度常用检测方法主要有3种：事后法、扭矩过程检测法以及过程监控法。

4.1事后法

事后法即采用扭矩法控制后再进行扭矩检验。具体方法如下：采用精度较高的机械式指示扭力扳手或电子式扭力扳手，通过松或紧的方式测试扭矩，将测试值乘系数计算出装配扭矩。事后检测扭矩与拧紧扭矩误差较大，因此该方法一般应用于非关键部位螺栓扭矩检测。

4.2扭矩过程检测法

扭矩过程检测法即采用扭矩法控制时使用传感器同步反馈扭矩。一般采用有扭矩传感器的扳手及其他工具，直接或间接检测拧紧过程扭矩。相对事后法的优点是能同步反馈拧紧扭矩信息，精度更高。缺点是无法反馈因螺纹质量等原因造成的轴向预紧力异常。

4.3过程监控法

过程监控法即通过不同控制法配合、互补应用，达到控制及监控螺栓扭矩目的。过程监控法包括扭矩控制/角度监控、角度控制/扭矩监控、屈服点控制/扭矩或角度监控等。工程机械中，应用比较多的是扭矩控制/角度监视、角度控制/扭矩监控，一般通过智能电动拧紧机实现拧紧。过程监控法不仅可以监控拧紧目标是否实现，同时可以提前检查出螺纹是否合格,拧紧工具的能力和精度，紧固件与连接件的连接状况，连接件的润滑状况是否正常等。过程监控法可有效避免拧紧异常的发生，因此关键部位螺栓宜采用该种方法拧紧。

作者：郭连娣 赵兴虎 李柏松 地址：徐州经济技术开发区高新路39号徐州徐工矿