螺栓扭矩系数影响因素的试验研究.pdf

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1、第28卷第3期实验力学Vo1．28No．32013年6月J0URNAL0FEXPERIMENTALMECHANICSJun．2013文章编号：lOOl一4888(2o13)03—0307—07螺栓扭矩系数影响因素的试验研究王朋，陈安生，张会武，高康，黄伟东，陈海波(1．中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥230027；2．安徽省电力科学研究院，安徽合肥230022)摘要：在螺栓连接结构中，为保证连接的可靠性，必须为螺栓提供合适的预紧力。工程中通常采用扭矩法装配螺栓连接结构，因此需要确定预紧力与扭矩之间的关系(即扭矩系数)，以施加合适的装

2、配扭矩。本文对输电塔中常用的M16镀锌螺栓进行预紧力试验研究，测试分析了螺栓强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响。研究结果表明，高强度螺栓比普通螺栓的扭矩系数小，数据离散性也小；无垫圈的螺栓比有垫圈的螺栓扭矩系数小，但数据离散性大；有润滑的螺栓比无润滑的螺栓扭矩系数小，数据离散性也小。本文同时探讨了如何控制、调整扭矩系数，以及螺栓连接中要注意的问题，为设计和施工单位提供参考。关键词：输电塔；螺栓连接；扭矩系数；预紧力；试验研究中图分类号：O348．3文献标识码：ADOI：10．7520／1001—4888—12—051

3、0引言在钢结构中，多采用螺栓对部件进行连接。安装时，绝大多数螺栓连接必须拧紧，此时被连接件受到压缩，螺栓受到拉伸，这种在承受工作载荷之前螺栓受到的轴向拉力称为预紧力[1]。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性。在安装过程中，直接控制预紧力比较困难，一般通过控制拧紧力矩来间接地控制预紧力。螺栓连接的质量关系到结构的安全运行和可靠使用，因而确定拧紧力矩与预紧力之间的关系(即扭矩系数)，就具有了十分重要的工程实际意义l_2]。螺栓扭矩系数的影响因素已经引起人们的广泛关注。一些工程技术和研究人员在理论分析的基础’上，从螺栓自身质量和安装检测过

4、程两方面人手，讨论了影响高强度大六角螺栓连接副扭矩系数的因素，并通过试验对比，就各种因素对扭矩系数的影响规律进行了初步研究，进而探讨了施工中如何控制、调整好扭矩系数L3]。王继武等[6通过有限元模拟了各种垫片尺寸对M2O摩擦型高强度螺栓抗滑移性能的影响。顾庆鸿等l_7针对高强度螺栓，考虑了温度、皂化液浓度和时间对扭矩系数的影响，并提出了一些降低扭矩系数的工艺措施。Nassar等L8]通过试验研究了镀锌层厚度对螺栓摩擦系数和扭矩系数的影响。Croccolo等[g0]设计出一种得到螺栓摩擦系数的试验方法，并由摩擦系数和夹持件拉伸状态得到扭矩

5、系数，通过试验和有限元模拟揭示了高强螺栓在拧紧时发生破坏的原因。近年来参考国际标准，我国颁布了一大批紧固件标准，使紧固件应用的整体水平有了明显提高。但是颁布的标准只针对大六角头高强度螺栓，对于输电塔中采用的普通螺栓没有明确的规范，且对输电塔中螺栓连接有无垫圈也没有明确要求。现有的输电塔都是通过检测扭矩的大小来间接验证螺栓安装的质量，由于扭矩系数的不确定性，常导致输电塔中螺栓连接副超拧或欠拧，影响了输电塔的安装质量。由此可见，研究输电塔中常用螺栓的扭矩系数具有重要的工程实际意义。本文通过对输电塔中常用的6．8级和8．8级两个级别的镀锌螺栓

6、的扭矩系数进行系统测试，研究*收稿日期：2012—04—09；修订日期：2012一lO一15通讯作者：陈海波，男，博士，教授，博士生导师。E-mail：hbchen@ust~．edu．cn3O8实验力学(2013年)第28卷强度等级、有无垫圈和有无润滑对螺栓连接副扭矩系数的影响，确定螺栓的扭矩系数的分布情况，为设计单位提供参考，为施工单位根据螺栓预紧力的大小反推所需施加的扭矩值提供依据。1扭矩系数的确定1．1扭矩系数测量原理根据经典理论，螺栓连接的预紧力矩T与预紧力F有以下关系[n]：T—T1+T2一寺2(~sec号+tar~)+专1d

7、(1)式中T为预紧力矩；T为螺纹副中的力矩；T。为支承面(螺帽或螺母与角钢的接触面)的力矩；F为预紧力；d。为螺纹中径；a为牙型角；为螺纹升角；为螺纹间的摩擦系数；为支承面间摩擦系数；d为支承面的平均直径(力矩意义上)。引入螺栓公称直径d，式(1)作一定变换，可得：T—KFd(2)其中：K一1Fd2．、sec号+ta)+警](3)K即为工程中常用的扭矩系数，亦即试验要测量的量。式(3)表明，只要螺栓尺寸一定，被连接结构、螺栓尺寸和表面性质相同，且认为在不同载荷下，螺纹、支承面的接触应力分布的比例相同，则扭矩系数为一确定值。在考虑了三维效

8、应和弹塑性变形的影响之后(摩擦系数的变化可忽略)，仍可得出扭矩系数不变的结论L2]。这样，对于某种类型螺栓和连接件，只要测得扭矩系数，即可通过测量紧固过程中施加的扭矩，利用式(2)计算出螺栓预紧力。1．2试