本文主要分析常用的扭矩扳手的結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法, 分析影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素, 由此產(chǎn)生的危害及如何進(jìn)行控制。 

 

1、在日常產(chǎn)品生產(chǎn)中, 螺紋聯(lián)接質(zhì)量是非常重要的。

 

利用扭矩扳手控制螺紋連接的預(yù)緊力是目前比較常用的方法,也是核電站設(shè)備、受壓容器和高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備制造安裝中運(yùn)用最廣泛的手段。螺紋聯(lián)接質(zhì)量是保證設(shè)備質(zhì)量及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。絕大多數(shù)螺紋在聯(lián)接時(shí)都要預(yù)緊,目的在于增強(qiáng)聯(lián)接的剛性、緊密性、防松及防滑。預(yù)緊力的適當(dāng)控制又是確保螺紋聯(lián)接質(zhì)量的關(guān)鍵, 因?yàn)槁菁y聯(lián)接的預(yù)緊力對(duì)螺紋的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。將兩個(gè)或兩個(gè)以上的工件結(jié)合在一起的方法很多, 其中藉由螺紋方式來(lái)組合和分解是容易而且理想的選擇。 

 

螺紋結(jié)合主要是夾緊物體的力必須大于使它們分開(kāi)的力, 而螺栓須處于固定的應(yīng)力下且不受疲勞強(qiáng)度的影響。但是, 如果預(yù)緊力太小, 作用在螺栓上的不同方向的負(fù)載會(huì)很快讓螺栓松動(dòng)脫落； 如果預(yù)緊力太大, 鎖緊的過(guò)程可能導(dǎo)致螺栓疲勞失效。過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力均是有害的, 所以預(yù)緊力的大小、準(zhǔn)確度都十分重要, 從而使預(yù)緊力的控制成為螺紋聯(lián)接的重要問(wèn)題之一。常用的控制預(yù)緊力方法有力矩法、螺母轉(zhuǎn)角法、螺栓預(yù)伸長(zhǎng)法、特殊墊圈法等, 我公司常用的是力矩法, 即用扭矩扳手達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力。 

 

2、產(chǎn)裝配時(shí)使用扭矩扳手的意義

 

預(yù)緊力大小的控制主要依賴扭矩扳手來(lái)實(shí)現(xiàn)，不適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可引起一系列不良后果：

 

      (1)螺紋聯(lián)接零件的靜力破壞

      若螺紋緊固件擰得過(guò)緊,即預(yù)緊力過(guò)大,則螺栓可能被擰斷,聯(lián)接件被壓碎、咬粘扭曲或斷裂,也可能造成螺紋牙被剪斷而脫扣。

      (2)被聯(lián)接件滑移分離或緊固件松脫

對(duì)于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接,預(yù)緊力使被聯(lián)接件間產(chǎn)生正壓力，依靠摩擦力抵抗外載荷，因此，預(yù)緊力的大小決定了它的承受能力。若預(yù)緊力不足,被聯(lián)接件將出現(xiàn)滑移，從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯(cuò)位、歪斜、折皺，甚至緊固件被剪斷。對(duì)于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力使接合面上產(chǎn)生壓緊力，受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作時(shí)的壓緊力。預(yù)緊力不足會(huì)導(dǎo)致接合面泄漏,如壓力管道漏水、漏氣，甚至導(dǎo)致兩被聯(lián)接件分離，還將引起強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)，致使螺母松脫。

      (3 )螺栓疲勞破壞

      大多數(shù)螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小，但卻使載荷變幅增大，因此，總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞壽命下降。

      (4)增大設(shè)備質(zhì)量與成本,

      若預(yù)緊力過(guò)小，需使用較多和(或)較大的緊固件，往往也需采用較大的被聯(lián)接件,因而增大了產(chǎn)品成本。同時(shí),許多產(chǎn)品的成本是與需要裝配的零件數(shù)目成正比的,所以預(yù)緊力過(guò)小將導(dǎo)致裝配成本和制造成本及維修費(fèi)用的增加。

 

3、常用扭矩扳手的工作原理和特點(diǎn)

 

      扭矩是使機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng),并伴隨扭轉(zhuǎn)變形的力偶矩或力矩。

      扭矩的大小用T來(lái)度量,它等于力F與力臂長(zhǎng)度l的乘積，即

      T=F. l

      式中l(wèi)一 力臂長(zhǎng)度 ,m

      F一作用力,N

      當(dāng)螺帽和螺栓鎖緊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力到螺栓上，此時(shí)會(huì)有一個(gè)相對(duì)的力量產(chǎn)生，壓縮到工件上進(jìn)而將此二者緊密結(jié)合。

      扭矩扳手的種類繁多，按數(shù)值顯示方式不同可以分成定值式、可調(diào)式、表盤式和數(shù)顯式等不同形式。

      可調(diào)式扭矩扳手手柄上帶有刻度,使用人員可以在使用前根據(jù)自己的需要調(diào)整扭矩的大小,然后供以后使用。

      此種扭矩扳手的優(yōu)點(diǎn)是體積小、經(jīng)久耐用、使用方便,準(zhǔn)確度般為+4% ,達(dá)到預(yù)置扭矩值時(shí)能自動(dòng)失扭；缺點(diǎn)是對(duì)操作人員要求比較高,當(dāng)要達(dá)到扭矩時(shí)用力不能太猛,必須平穩(wěn)地施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩,否則,如果用力太猛，將產(chǎn)生誤差。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用以后準(zhǔn)確度容易降低。

 

      數(shù)顯電子扭矩扳手的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高( +1%)、功能齊全,主要用于比較精密的測(cè)量,最終檢驗(yàn)等場(chǎng)合。數(shù)顯扭矩扳手是利用電阻應(yīng)變?cè)淼膫鞲衅骱蛿?shù)字放大儀器數(shù)字顯示器組成。現(xiàn)在一般使用的傳感器是在扭矩軸上貼上應(yīng)變片,當(dāng)在扭矩軸上施加扭矩時(shí)應(yīng)變片阻值發(fā)生變化,造成橋路不平衡來(lái)達(dá)到測(cè)量扭矩大小的目的。

      數(shù)顯扭矩扳手具有可直接向打印機(jī)、計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行輸出的性能。

 

      4、影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素

 

      4,1 螺栓摩擦的影響;

      螺栓聯(lián)接的扭緊力矩指達(dá)到要求預(yù)緊力時(shí)的扳手力矩。由于螺紋連接件間存在著摩擦，而摩擲造成的損耗一般情況下是較難測(cè)定的，工作中往往會(huì)出現(xiàn)取值波動(dòng)或不準(zhǔn)確的情況。在螺紋副扭緊過(guò)程中，扭矩與預(yù)緊力成正比關(guān)系:

      T =T+T2

      =K.Q.d

      式中T-扭矩.N.m

      K一扭緊力矩系數(shù)，Q一預(yù)緊力,Nd-螺栓直徑,mm

      K可概括影響扭緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系的每一個(gè)因素,如摩擦系數(shù)、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形螺紋牙的塑性變形等。

      由于扭緊系數(shù)K與摩擦有直接關(guān)系，所以螺紋副以及連接接觸面間的摩擦損耗直接左右著T值的準(zhǔn)確程度。扭緊螺母時(shí)要克服螺紋副間的螺紋力矩T和螺母與被聯(lián)接件(或墊圈)支承面的端面摩擦力矩T2。

      預(yù)緊力的大小根據(jù)螺栓組受力和聯(lián)接的工況要求決定。一般規(guī)定擰繁后螺紋聯(lián)接件的預(yù)紫力不得大于其材料屈服極限o,的80%。

      根據(jù)螺紋聯(lián)接狀態(tài)及參數(shù)，可在產(chǎn)品使用手冊(cè)上查出薦用的擰緊力矩指示值r,。擰緊螺母使扳手上的扭矩表讀數(shù)與查出的扭緊力矩指示值7,相同即完成力矩法。對(duì)于 一般的螺紋聯(lián)接,產(chǎn)品使用手冊(cè)所列參數(shù)僅為螺紋規(guī)格及其材料的屈服極限o,值。對(duì)于重要的螺紋聯(lián)接,產(chǎn)品使用手冊(cè)所列的參數(shù)包括:螺母與被聯(lián)接件支承面摩擦表面狀態(tài)(摩擦系數(shù))、螺紋聯(lián)接件材料的屈服極限σ,值螺紋的種類、規(guī)格等。

 

      一般來(lái)說(shuō)在使用中螺栓頭底部和工件表面的摩擦使相當(dāng)于50%的扭矩波消耗掉其它30%到40%的扭矩?fù)p失在螺紋處的摩擦，僅剩下10%的扭矩才能有效地作用在鎖緊上。多達(dá)90%的使用扭矩都因摩擦因素而消耗掉,表面狀況與潤(rùn)滑在扭矩對(duì)預(yù)緊力的關(guān)連上會(huì)有相當(dāng)?shù)挠绊?隨著不同表面摩擦系數(shù)的改變將有不同的結(jié)果。

      大部分的扭矩鎖緊裝置都不會(huì)使用墊圈,因?yàn)槁菝迸c工件或工件與結(jié)合表面在鎖緊過(guò)程中相對(duì)作用的結(jié)果會(huì)改變摩擦半徑,而影響扭矩對(duì)預(yù)緊力的關(guān)連性。當(dāng)一個(gè)大的軸承表面需要使用凸緣螺帽與螺栓時(shí),則可利用墊圈來(lái)幫助結(jié)合。為了有利于螺栓,一般常使用硬的墊圈來(lái)提供較低、而且穩(wěn)定的摩擦。

      使用潤(rùn)滑脂的螺栓會(huì)降低扭矩,而增加預(yù)緊力,并且可能在到達(dá)所規(guī)定的扭矩前螺栓就已經(jīng)斷裂。

      由石墨、二硫化鉬和蠟所組成的高級(jí)的潤(rùn)滑脂會(huì)減小摩擦力。除非特定的鎖緊力需要使用,否則可能導(dǎo)致預(yù)緊力過(guò)大而使螺栓產(chǎn)生斷裂。然面,在使用中較低扭矩的鎖緊工具可以使用潤(rùn)滑劑來(lái)幫助使其能以較低的扭矩產(chǎn)生所需的預(yù)緊力。

      螺栓可能會(huì)因外觀或防海蝕因素而電鍍。電鍍和熱處理會(huì)影響摩擦系數(shù)和扭矩對(duì)預(yù)緊力的比例。

      螺栓上的摩擦可避免震動(dòng)產(chǎn)生的松動(dòng),像防松螺帽被用來(lái)確保鎖緊力。

      無(wú)論螺紋副或者接觸面之間的摩擦系數(shù)都是影響扭矩值的主要原因,必須控制螺栓、螺帽的材質(zhì).熱處理加工精度,并仔細(xì)檢查有無(wú)劃傷滑扣、裂口、凹痕縮頸或裂紋(用探傷檢查),或螺栓、螺母配合松弛,螺栓能否與螺栓孔緊密配合。在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中-定要避免碰攛和生銹。

 

      4.2操作人員操作技能的影響

      操作人員對(duì)連接系統(tǒng)以及所有扭矩扳手的了解程度，將直接影響到操作取值的準(zhǔn)確性,比如扭緊速度.施力角度等因素。如圖2所示。

      角度過(guò)大將會(huì)在扭緊螺栓上產(chǎn)生一個(gè)夸曲力同時(shí)將增大單邊摩擦，加大損耗。因此，施力角度最好不超過(guò)土15。另外，運(yùn)動(dòng)副間存在摩擦遲滯現(xiàn)象，加力的穩(wěn)定程度對(duì)最終取值也造成波動(dòng),所以要求避免變速加力,以及沖擊加力。因此，在螺紋緊圖件的連接設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確提出確切的初始預(yù)緊力的指標(biāo)要求，在裝配工藝或施工規(guī)范中,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,應(yīng)制訂切實(shí)可行的方案采用合適的扭緊方法準(zhǔn)確控制，來(lái)確保設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)施是非常必要的。

 

      4.3扭矩扳手構(gòu)造的影響及使用要求

      扭矩扳手目前種類繁多，我們大量使用的是可調(diào)式進(jìn)行工作。扭矩扳手大都離不開(kāi)主測(cè)力彈簧。因此,扭矩扳手的關(guān)鍵也就在此。大量超差及波動(dòng)情況表明,彈簧自身材料的應(yīng)變是造成扭矩扳手失效的，主要原因。為了保障彈簧能夠可靠地工作,其材料除應(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)度極限和屈服極限外,還必須具有較高的彈性極限疲勞極限.沖擊韌性。塑性和良好的熱處理工藝性等。要進(jìn)行工藝檢驗(yàn)和沖擊疲勞等試驗(yàn)。預(yù)置式扭矩扳手使用完畢,應(yīng)將其調(diào)至最小扭矩使測(cè)力彈簧充分放松，以延長(zhǎng)其壽命。使用前,應(yīng)按設(shè)定扭矩值施加預(yù)扭3次。不能使用預(yù)置式扭矩扳手去拆卸螺栓或螺母。嚴(yán)禁在扭矩扳手尾端加接套管延長(zhǎng)力臂,以防損壞扭矩扳手。根據(jù)需要調(diào)節(jié)所需的扭矩，并確認(rèn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處于鎖定狀態(tài)才可使用。使用扭矩扳手時(shí),應(yīng)平衡緩慢地加載，切不可猛拉猛壓，以免造成過(guò)載，導(dǎo)致輸出扭矩失準(zhǔn)。在達(dá)到預(yù)置扭矩后,應(yīng)停止加載。應(yīng)避免水分侵人預(yù)置式扭矩扳手,以防零件銹蝕。由于內(nèi)部機(jī)構(gòu)比較緊湊,嚴(yán)禁承受彎曲力。

 

      4.4  校準(zhǔn)與管理

      扭矩扳手是使用頻率比較高的側(cè)量工具。為了保證它的測(cè)量準(zhǔn)確度，需要對(duì)扭矩扳手定期進(jìn)行檢定與校準(zhǔn)工作,必須配備符合要求的扭矩扳手校準(zhǔn)裝置。目前校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)有JC707- 2003 扭矩扳手檢定規(guī)程,校難儀器有扭矩扳手檢定儀.準(zhǔn)確度為土1%，扭矩板手檢定儀必須定期進(jìn)行檢定。由于校準(zhǔn)環(huán)境大多數(shù)是在試驗(yàn)室條件下,而使用大多數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)難于受控的環(huán)境中,經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)合格的扭矩扳手在使用過(guò)程中由于各種主要影響取值的要素都發(fā)生了變化,所測(cè)的讀數(shù)實(shí)際已處于失控狀態(tài)。在誤差要求寬松的場(chǎng)合不會(huì)造成影響。面在較嚴(yán)的工件上必須加強(qiáng)核驗(yàn)。質(zhì)保部力學(xué)組負(fù)責(zé)定期校準(zhǔn)，一般不超過(guò)1年，可根據(jù)具體情況適當(dāng)?shù)目s短周期。

 

      5、結(jié)論

      通過(guò)對(duì)螺栓的裝配、質(zhì)量及保管控制，操作人員的操作技能的培訓(xùn)，扭矩扳手使用要求及扭矩扳手校準(zhǔn)與管理，以提高扭矩扳手的準(zhǔn)確性，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。