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1、 浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进 姓 名： 张立波 专 业： 电气工程及其自动化 部 门： 电气设备分公司品质管理部 指导老师： 刘兵 浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进张立波（南车株洲电力机车有限公司 电气设备分公司,湖南 株洲 412001）摘要：轨道交通设备中运用了大量的螺栓紧固件，重要部位的螺栓都会有确定的扭力值要求，对于如何高质量的进行螺栓紧固就显得很重要，另一方面对于专业的检验人员而言如何快速准确的测量螺栓扭力值是否达到要求也显得尤为重要了。本文是结合了分公司螺栓紧固方法使用现状扭力值检验方法现状和螺栓紧固原理与国家计量要求所做的一次方法改进活动。此次设计改进旨在提高分公司螺栓
2、紧固质量，减少因螺栓紧固不到位而造成的质量损失，提升分公司螺栓紧固的科学性。主要着眼于现阶段分公司定扭工具使用不规范，螺栓紧固方法存在“一刀切”的现象，螺栓扭力值检验方法不科学的问题，通过规范定扭工具的使用和优化螺栓紧固与螺栓扭力值检验方法，为提升分公司螺栓紧固的质量做一些尝试，提高企业在市场环境的竞争力。关键词：螺栓紧固；划线法；增扭法；计量溯源性前言 轨道交通设备中大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
3、。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 - 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
4、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，其量程范围是20-100Nm，最小精度为2.5Nm；型号为720-30的扭力扳手，其量程范围是60-300Nm，最小精度为10Nm；量程范围是4-20Nm的扭力扳手，其精度为0.5Nm；还有量程范围是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
5、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），
6、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范化的测量。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，每半年会送到广州计量院进行校准，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
7、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
8、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张力很强的弹簧，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
9、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内的固有摩擦关系，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内或者螺母的螺纹
10、孔内转动的螺纹摩擦力。 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 螺栓连接内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，但是目前国内工业领域一般是通过转矩来确定要求的预紧力，只要误差范围保持在可接受的范围就可以。2.3 拧紧力矩的
11、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？操作者拧紧工具操作校准员工素质检验方法精神身体状况螺栓紧固质量材料硬度形状粗糙度定位动作方法的科学性螺栓的材质紧固方法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
12、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，目前国内采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
13、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范围1高压接地开关闸刀安装在左右支架上M1030螺栓32Nm31.12（-2.75%）30.32（+5.25%）4%2受电弓弓头铰接处M8螺栓20Nm20.69（+3.45%）19.38（-3.1%）4%下臂杆与底架/下臂杆与上框架铰接处M20螺栓250Nm248.13（-0.75%）247.14(-1.1%）4%平衡杆与上框架/平衡杆与下臂杆铰接处M10螺栓40Nm41.45（+3.6%）42.24（+5.6%）4%拉杆铰接处M16螺栓120Nm121.37（+1.14%）122.21（+1.84%）4%3高压隔离开关闸刀与闸刀支架连接M1030螺栓21Nm21.36（+1.7%）19.63（+6.5%）4%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
