浅析螺栓紧固与扭力值检验方法改进Word文档下载推荐.docx
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前言
轨道交通设备量运用到螺栓紧固件，在电气设备分公司的屏柜产品﹑独立电器产品中都有运用到很多螺栓，对于关键部分的螺栓连接都会有扭力值要求，如何确保螺栓紧固的质量，如何确定工作者是否将螺栓紧固到位？
这就要求从螺栓紧固到检验的整个过程都是高效有序的。
目前分公司采用螺栓紧固方法是力矩法，根据设计要求的预紧力得到相应的螺栓紧固力矩，然后用定扭扳手进行定扭。
而目前分公司检验螺栓扭力值的方法是拧紧法：
扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。
但是目前分公司采用的这些方法是否合理呢，如果有不合理的地方，我们应该如何提升呢。
本文将重点分析讨论如何提升螺栓紧固的质量。
1分公司螺栓紧固现状调查
1.1电气设备分公司扭力工具现状调查
✓目前电气分公司车间现有的扭力工具包括1.2Nm；
2.0Nm定扭起子，定扭起子主要用于屏柜车间继电器﹑三相自动开关﹑接触器等小型电气元件的定扭。
✓屏柜车间大线接线都会打扭力值，所以屏柜班组都配有定扭扳手，目前车间现有的定扭扳手包括型号730-10，其量程围是20-100Nm，最小精度为2.5Nm；
型号为720-30的扭力扳手，其量程围是60-300Nm，最小精度为10Nm；
量程围是4-20Nm的扭力扳手，其精度为0.5Nm；
还有量程围是8-40Nm的扭力扳手，其精度值为1Nm。
✓针对电气屏柜车间继电器上的小型螺栓，车间配有电动扭力起子，使用电动扭力起子员工工作的效率提高了很多，此定扭起子可以设定固定扭力值。
✓针对电气组装车间受电弓班组，有一个可以测定扭力值的电动设备，此转矩测量设备可以很方便的对定扭工具进行企业车间级校准，此电子转矩测量仪精度为0.01Nm，量程为400Nm。
1.2车间扭力工具校准现状调查
计量工具的校准是计量中很重要的一项活动，为此分公司也会定期对各种扭力测量工具进行校准。
其实计量的特点可以归纳为准确性，一致性，溯源性以及法制性。
本文中重点讨论一下分公司计量的溯源性。
溯源性是指通过文件规定的不间断的校准链，使测量结果与参照对象（通常是测量标准）联系起来的特性。
在此校准链中的每项校准都会引入测量的不确定度。
这种特性使所有的同种量值都可以按照这条比较链通过校准向测量的源头追溯，也就是溯源到同一个测量基准（国家基准或者国际基准），从而使其准确性和一致性得到技术保证。
计量是与测量结果置信度有关的﹑与测量不确定度联系在一起的一种规化的测量。
为了保证测量的科学性和溯源性，测量仪器的校准时必不可少的一项定期的工作。
针对分公司扭力值测量工具的校准，存在以下情况：
v车间的所有定扭扳手都会定期拿到公司计量室进行校准。
v针对分公司的测量扭力值的电子仪器，每半年会送到计量院进行校准，这就保证了公司的计量溯源性。
v实际上车间还是存在一些问题的，有些定扭工具没有及时送到公司计量室进行校准，四月份对组装车间的扭力扳手进行抽检，发现定扭工具出现偏差。
很难想象用出现计量偏差的测量工具组装出来的产品是怎样的。
1.3分公司螺栓拧紧方法与螺栓扭力值检验方法描述
目前分公司使用的螺栓拧紧方法是力矩法，力矩法是根据设计要求的预紧力得到相应的螺栓紧固紧固力矩值，然后使用定扭扳手拧紧。
分公司使用的螺栓扭力值检验方法是增拧法，增拧法就是用扭力扳手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。
此种方法操作简单，但必须熟练有经验。
2螺栓紧固分析
2.1螺栓连接基本原理
螺母和螺栓在整个工业技术领域中是最合适的紧固元件，他们可以经受很高的工作负荷，也可以拆卸下来再加以利用。
螺栓连接必须能够抵抗外力的作用，使已装配的零件不会向分离的方向移动，否则就会造成螺栓接头松动或者脱落。
我们可以通过一个简单的机械模型来形象的描述螺栓连接：
图1螺栓连接受力模型
：
最小预紧力；
预载荷；
轴向力；
垂直于轴向的作用力
摩擦系数；
；
其实可以把螺栓连接看成一个力很强的弹簧，在进行螺栓连接的装配式产生一个力，使被装配组件压紧在一起。
由螺栓所产生的将零件压紧在一起的力称为预紧力。
2.2螺栓连接过程中确定预紧力
在每个螺栓接连过程中最重要的目标值是预紧力，因为不可能以足够高的准确度来测量出或者估算出预紧力。
基于这一原因，目前的大规模工业生产中，转矩是唯一可记录的质量特征值，为了审查紧固连接件的质量，必须对转矩进行系统评估，实际上，转矩与预紧力之间的关系取决于紧固件的几何形状和摩擦系数，但是摩擦力是无法回避的，而且又是一个棘手的问题。
由于一直存在这个问题，因此，按照所施加的转矩装配螺栓时，应该产生多大的预紧力，无法得出正确的结论。
什么因素会影响转矩与预紧力的这种关系的变化呢？
首先，紧固件的几何形状决定了多大的转矩可以产生一个特定的预紧力。
在这方面，螺距是一个决定性的因素。
螺栓时一个几何体，它相当于一种“螺旋上升的平面”，因此，影响整个螺纹连接中力的分布情况。
第二个因素是螺栓连接的固有摩擦关系，它影响着螺栓连接中各个力相互依存的关系。
这里所指的就是在材料或者垫圈之上转动的支撑面摩擦力以及在材料螺纹孔或者螺母的螺纹孔转动的螺纹摩擦力。
影响螺栓连接的摩擦特性是最重要的参数，这就意味着操作方法不正确绝对会导致螺栓连接的失效。
例如，如下图所示，拧入一个摩擦系数u=0.14的干燥的螺栓时，起紧固转矩的分布情况如左图；
如果螺栓做了润滑处理，摩擦系数变为u=0.08，那么起紧固转矩的分布方面就会发生变化如右图。
这就意味着现在的预紧力比原来的要高出约40%。
图3螺栓连接的摩擦关系和力的分配
这就说明通过转矩确定螺栓预紧力的方法会有很大误差，特别是对于大螺栓，通过转矩确定要求的预紧力会受到很多因素的影响，但是目前国工业领域一般是通过转矩来确定要求的预紧力，只要误差围保持在可接受的围就可以。
2.3拧紧力矩的计算
对于螺栓连接，其拧紧力矩T用于克服螺栓螺纹处的螺纹阻力矩
及螺母与被连接支撑面间的断面摩擦力矩
。
式中：
d为螺纹公称直径；
为预紧力;
为螺纹中径；
为螺纹升角；
为螺纹当量摩擦角；
，其中
为螺纹当量摩擦因素，
为螺母与被连接件支撑面间的摩擦因素；
K为拧紧力矩系数。
3螺栓紧固与扭力值检验方法改进
如果想要提高螺栓紧固的质量，我们必须知道影响螺栓紧固质量的有哪些因素，我们通过因果图来说明一下影响螺栓紧固的因素有哪些？
从上面的因果图可以看出影响螺栓紧固质量的因素有四大方面，分别是人﹑机﹑料﹑法四个方面，要想提高螺栓紧固质量我们可以分别从四大方面入手：
3.1从提升“人”（操作者）的角度出发
提高员工的操作素养，可以进行相应的理论培训，强化操作者对螺栓紧固的本质认识，并且可以定期开展关于螺栓紧固的技能大赛，激发员工对螺栓紧固质量提升的认识。
3.2从提升“法”（紧固方法）的角度考虑
可以从紧固方法的提升上思考很多，目前用的大多是力矩法拧紧螺栓紧固件，此方法有很好的实用性，但是目前国外还有另外一种紧固螺栓的方法——转角法螺栓紧固。
我们以组一班受电弓为例，下面对比一下两种方法的优劣。
力矩法、转角法螺纹紧固件拧紧过程对比
图5扭矩转角法
图6扭矩法
从上图分析，由于受k值变化的影响，相同的拧紧力矩会得到不同的预紧力，最终轴向预紧力分散（图6）。
扭矩转角法拧紧能有效控制螺栓预紧力（轴向力），避免用扭矩法拧紧时出现的螺栓拉长或拉断现象（图5）。
在组装车间分别用两种紧固方法紧固螺栓，下表是分别用转角法和扭矩法紧固螺栓得到的数据：
序号
产品序号
“八防”工序
规定扭力值
用转角法紧固实际扭力值
用转矩法紧固实际扭力值
建议扭力围
1
高压接地开关
闸刀安装在左右支架上M10×
30螺栓
32Nm
31.12（-2.75%）
30.32（+5.25%）
±
4%
2
受电弓
弓头铰接处M8螺栓
20Nm
20.69（+3.45%）
19.38（-3.1%）
下臂杆与底架/下臂杆与上框架铰接处M20螺栓
250Nm
248.13（-0.75%）
247.14
（-1.1%）
平衡杆与上框架/平衡杆与下臂杆铰接处M10螺栓
40Nm
41.45（+3.6%）
42.24（+5.6%）
拉杆铰接处M16螺栓
120Nm
121.37（+1.14%）
122.21（+1.84%）
3
高压隔离开关
闸刀与闸刀支架连接M10×
21Nm
21.36（+1.7%）
19.63（+6.5%）
扭力值平均相对误差
2.23%
3.89%
从上表的数据可以看出，转角法比力矩法更能很好去控制螺栓轴向预紧力的一致性。
也就是说，只要合理选择控制参数，转角法比力矩法可靠性更高。
3.3从提升“机”（紧固工具和检验方法）的角度着手
要想提升紧固质量还可以从紧固工具和检验方法这方面着力，在紧固工具这一块最主要的是提高定扭扳手的可靠性，定期校准。
对于有很高精度要求的方面分公司可以购买精度更高的定扭工具。
在螺栓扭力值检验方法这一方面可作为的更多一些，根据目前分公司采用的螺栓扭力值检验方法，我们发现了一些缺点，
目前分公司采用的检验扭力值的方法是拧紧法（增拧法）：
此种方法有一些弊端1、存在二次紧固的可能；
2、对螺栓何时开始启动很难确定，存在主观因素；
3、螺栓启动的时候，实际扭矩值应该是大约安装时候的扭矩值，所以测试值一般偏大。
因此建议针对分公司组一班螺栓扭力值较大紧固件使用划线法检验扭力值是否到位，标记法（划线法）：
检验前先在被检螺栓或螺母头部与被连接体上划一道线，确认相互的原始位置。
然后将螺栓或螺母松开些，在用扭矩扳手将螺栓或螺母拧紧到原始位置（划线处要线对准），这时的最大扭矩值再乘以0.9～1.1所得的值即为检查所得的扭矩。
技术水平不高，操作较繁琐，不适宜有防松功能的紧固件。
此种方法稳定性更高标记法更加精确，所测量的是动态扭矩，而设计人员从设计角度给出的扭矩即为动态扭矩。
下面针对屏柜车间螺栓扭力值分别用两种不同的检验方法，对比两种检验方法的生产方质量风险，进一步评价两种检验方法的优劣，下表是得到的数据：
屏柜
实际扭力值
划线法检验结果
拧紧法检验结果
HXD1B、HXD1C蓄电池柜蓄电池接线螺栓
15Nm
16.12（+6.6%）
不合格
合格
HXD1B、HXD1C蓄电池柜端子排M12组装螺栓
16.12（6.6%）
HXD1B辅助滤波柜185平方电缆接线接触器M10螺栓接线
33Nm
32.02（-3.3%）
4
HXD1B辅助滤波柜185平方电缆接线接线端子排M10螺栓接线
18Nm
20.06（+11%）
从上表的数据可以看出当扭力值大于规定值的时候划线法可以很准确的识别出来，但是用拧紧法缺不能识别过扭的情况，这个相当于增大的使用方风险。
针对分公司屏柜车间继电器等小型紧固螺栓使用松开法检验扭力值，松开法：
用扭矩扳手慢慢地向被检螺栓或螺母施加扭矩，使其松开，读取开始转动时的瞬时扭矩值，并根据试验和经验乘以一个系数：
1.1～1.2即为检验扭矩值。
操作简单，但必须熟练有经验。
P.S残余扭矩值是再继续拧紧螺栓/螺母时旋紧一个小角度测得的最小扭矩值。
起动扭矩不能作为残余扭矩。
动态扭矩：
当紧固件再被固定的过程中测量得到的最大峰值。
扭力扳手和动力工具都可以施加动态扭矩，动态扭矩不能在紧固件被紧固完之后测量。
动态扭矩加载时进行在线测量得到的扭矩值。
静态扭矩：
在一个紧固件被固定好之后，将其在拧紧方向上继续旋转的瞬时所需要的扭矩。
加载后对扭矩进行测量。
3.4从提升“料”（螺栓材质和表面粗糙度）的角度考虑
还可以从螺栓材质和库房对螺栓保管这方面着手提升螺栓紧固的质量，从设计考虑螺栓预紧力时就应该考虑到螺栓的材质对拧紧力矩的影响，再者螺栓的表面光滑度也能对预紧力的分布产生很大的影响，笔者已经在第二部分做了详细的分析，用同样大的力矩拧紧同样型号材质的螺栓，表面涂了润滑油的螺栓与干燥的螺栓产生的预紧力是不一样的，甚至会产生40%的预紧力差别。
所以说库房管理员和现场操作员工要注意对螺栓的正确保管，在转运螺栓的过程中也要注意不要撞击螺栓的表面。
3.5小结
只要从“人”，“机”，“料”，“法”四个方面全面提升，并且可以真正的执行一些建议，我相信分公司的螺栓紧固质量会有提高的。
目前分公司屏柜车间与组装车间都有一些因为螺栓紧固不到位而产生的机破，组装车间真空高隔受电弓都有大量的紧固连接件，对于螺栓紧固的要求更高，如果真能在螺栓紧固这方面有大的质量提升，会对分公司的机破故障率会有一些降低。
4感
终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同事和师傅们的帮助下度过了。
尤其要强烈感我的论文指导老师—兵主管，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。
另外，在车间和工具室收集数据和信息的过程中，工具室的师傅也给我提供了很多方面的支持与帮助。
在此向帮助和指导过我的各位同事表示最衷心的感！
感这篇论文所涉及到的各位学者。
本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感我的同事和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位前辈和老师批评和指正！
参考文献
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[3]VolkerSchatz（德）.实现螺栓可靠装配的10个步骤[M].：
机械工业，2009.8-13.
[4]全国质量专业技术人员资格考试办公室.质量专业基础知识与实务[M].：
中国人事，2014.227-228.
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