浅析螺栓紧固与扭力值检验方法改进

浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进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 0 浅析螺栓紧固与扭力值检验方法的改进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 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 关键词 螺栓紧固 划线法 增扭法 计量溯源性 前言前言 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 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 2 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 车间的所有定扭扳手都会定期拿到公司计量室进行校准 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 3 计量溯源性 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 螺栓紧固分析螺栓紧固分析 2 1 螺栓连接基本原理螺栓连接基本原理 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 minv F v F 轴向力 垂直于轴向的作用力 a F q F 4 摩擦系数 avvmin FFF q vmin F F 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 u 0 08 预紧力 螺纹摩擦转矩 螺栓头摩擦抓矩 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 5 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 拧紧力矩的计算拧紧力矩的计算 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 1 T 的断面摩擦力矩 2 T dKF dD dDFd FTTT w w v 2 0 2 3 0 3 2 21 32 tan 2 0 2 3 0 3 2 3 tan 2dD dD dd d K w w v 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 F 2 d v 角 v arctan v 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 v 为拧紧力矩系数 3 螺栓紧固与扭力值检验方法改进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 从提升从提升 人人 操作者 的角度出发 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 螺栓紧固质量 操作者 拧紧工具 紧固方法 检验方法 螺栓的材质 员工素质 身体状况 精神 操作 定位动作 方法的科学性 校准 材料硬度 形状 粗糙度 6 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 从提升从提升 法法 紧固方法 的角度考虑 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 7 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 M10 30 螺栓 32Nm 31 12 2 75 30 32 5 25 4 弓头铰接处 M8 螺栓 20Nm 20 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 250Nm 248 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 40Nm 41 45 3 6 42 24 5 6 4 2 受电弓 拉杆铰接处 M16 螺栓 120Nm 121 37 1 14 122 21 1 84 4 3 高压隔 离开关 闸刀与闸刀支架连接 M10 30 螺栓 21Nm 21 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 从提升从提升 机机 紧固工具和检验方法 的角度着手 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 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 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 8 测试值一般偏大 因此建议针对分公司内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 序号屏柜 规定扭 力值 实际扭力值 划线法检验结 果 拧紧法检验 结果 1 HXD1B HXD1C 蓄电池 柜蓄电池接线螺栓 15Nm 16 12 6 6 不合格合格 2 HXD1B HXD1C 蓄电池 柜端子排 M12 组装螺 栓 15Nm 16 12 6 6 不合格合格 3 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 合格合格 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 不合格合格 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 9 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 从提升从提升 料料 螺栓材质和表面粗糙度 的角度考虑 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 小结小结 只要从 人 机 料 法 四个方面全面提升 并且可以真