螺栓拧紧力矩与轴向力关系

1、（三0所）（西北工业大学）林水福 余公藩螺栓拧紧力矩一轴向力关系研究1994-2011 China Academic Journal Ekctronic Publishing House. A11.rights reserved. htlp：/.''1994-2011 China Academic Journal Ekctronic Publishing House. A11.rights reserved. htlp：/.''提要 本文简要介绍了媒栓并紧力矩一轴向力关系研究的煤脸结杲，并在试验基础 上针对几个主要影响因素进行了分析讨论。1994-2011 Ch

2、ina Academic Journal Ekctronic Publishing House. A11.rights reserved. htlp：/.''1994-2011 China Academic Journal Ekctronic Publishing House. A11.rights reserved. htlp：/.''螺栓是飞机结构机械连接中使用较普遍的 紧固件之一，多用于受力部位及虫要接头处，故 螺接部位往往是飞机结构中的薄弱环节。在提 高螺接部位结构疲劳寿命方面,除对被连接结 构进行抗疲劳强化处理外，在螺栓和结构允许 的条件下,对螺接接头

3、施加稳定而较高的预紧 力也是一种非常有效的方法。螺栓的效用通常取决于它最初被拧紧的程 度。西方主要航空公司对于螺栓拧紧力矩值都 有严格的标准，如波音公司的BAC5009H标准 规定的与螺栓拧紧力矩值相对应的螺栓轴向载 荷为螺栓材料拉伸屈服载荷的50%R0%。而 我国不少航空工厂至今仍沿用苏联50年代的 标准，与螺栓拧紧力矩相对应的螺栓轴向载荷 约为辣栓材料拉伸屈服载荷的23%35%。为 提高螺接结构的疲劳强度及可楼性，提高定力 精度对螺栓拧紧力矩一轴向力关系及其影响 因素进行研究是十分必要的。影响螺栓拧紧力矩一轴向力关系的因素很 多,作者针对其中儿个主要彫响因素作了较为 系统而细致的试验研究：

4、（1）螺栓尺寸、材料及 表面处理状态；（2）润滑条件；（3）支承面条件。 现将有关情况简要介绍如下。一、拧紧力矩一轴向力关系由机械原理可得螺栓拧紧力矩一轴向力关 系理论表达式为：=2（卅一昇）了 d/gd+QxI 3（/ 小十2 丿162（卅一八）f d2（tcos0 + 尸加2）户 _ I 3（胪一 *）十2（2®咱一屮）丿（1）式中：P螺栓轴句力;泌2 螺纹中径；几一螺纹升角>tgk=tAd2, t为螺距） 了一螺母与披连接件支承面间的摩擦 系数；卩一螺旋副的当量縻擦角,tgp为螺旋 副的当罐摩擦系数,tgp=F/cosB,B 为螺纹半角，三角型螺纹B=3（r,F 为螺旋副

5、间的的摩擦系数；A螺母承力面外半径,一螺母承力面内半径。因（1）式中if项很小，且一般情况下g壬f, 则（1）式可化简为:鍔三:寺+占+為户(2)（2）式可简化成:M = Pd (k + h + A,) = Pdk (3)/=<?-+爲） （4） （2）、（3）、（4）式中：f一拧紧螺母时接头的当量摩擦系数； d螺栓公称直径；* 螺栓拧紧力矩系数，由（2）式得到的k 值表达式为：斤=丄空二巴土如d 13（/ r2y 丁 2兀十 2cosB） 通常情况下，k】50%k,k2=10%k,k3 40%k,即在施加的全部拧紧力矩中，约10%的 拧紧力矩用于产生螺栓轴向力，约40%的拧紧 力矩用于

6、克服螺旋副间摩擦力矩，约50%的拧 紧力矩用于克服螺母与支承面间的摩擦力矩。二、测系统要得到正确的分析结果，精确测定螺栓拧 紧力矩及轴向力值是实验的技术关键。本文采 用的测駅系统框图如图1所示。该测量系统能 显示从零载荷到破坏载荷的拧紧力矩一轴向力 关系的动态曲线。LZ3-304 二型X-Y西 数记求仪ZTZ22OV 一*市电图1测董系统框图该系统中的拉力传感器及测力扳手在首次 标定前，都进行过两百余次单向预加载（载荷为 额定载荷的100%）,并用间接比较法进行标 定，标定结果如下：拉力传感器用二等标准测力仪EJI -6标 定：线性谋差：土0.05137%F.S.精度：土0.05138%FS重

7、复性误差：士0.05%F.S稳定性误差：士0.050.35%F.S.测力扳手用精度为土0.20.3%F.S的 标准测扭仪标定：线性误差：±0. 300. 40%F.S.精度：土050%FS重复性误差:±0.300.35%F.S.稳定性误差：士0.30l00%FS三、试验结果、分祈及结论1. 试验说明本文采用力矩法控制螺栓轴向力，考虑到 研究结果的实用性，在对试件进行正交试验的 同时,还增加了部分典型的、具有实用价值的试 验。试验件均为航空专用标准件（如普通六角螺 母、平垫圈）。正交试验主要考意表面处理状态（发兰、镀 锌及镀镉）、润滑条件（干摩擦、MoS2油、201油 膏及二

8、硫化衙锂基润滑脂）、支承面条件（铝垫 圈、钢20垫圏及30CiMnSiA合金钢垫圈）变化 后对螺栓拧紧力矩一轴向力关系的彫响。螺母材料、表面处理状态与相配螺栓相同 （发动机螺栓、螺母除外）垫圈与螺母接触表面 的润滑条件与螺纹表面润滑条件相同:保证实 验中各縻擦面充分润滑及润滑层中润滑剂的单 一、无杂质。2. 试验结果（1）航空发动机用螺栓的试验结果见表1。试验条件30CrMnSiA合金钢垫圈、二硫 化钳锂基润滑脂润滑;GH2132螺栓的螺纹表 面无镀层。未作特别说明时，螺母与螺栓的材料 及表面处理相同。（2）ML25螺栓及ML3OCrMnSiA螺栓的 部分典型试验结果见表2。表中k值范围是 9

9、5%置信概率的k值范围。k值由M-P试验 曲线及（3）式计算得到,f值由（4）式计算而得。发动机用嚟栓试验结果表1规格螺栓材料表面 处理平均值f平均值5标 准差）CV （变异 系数）备注M638CrA僥镉0. 128210. 0860 00140.011M6GH2132機锌0. 127680. 0»60 00120.00938CrA W 母 （HB6267 一 89镀 锌）M6GH2132螺母0. 161780. 118D.00150. 009螺母对边 尺寸S- 14mmM8GH2132螺母D. 154950. 1090 00180.012M8GH2132煤母0 153S60. 10

10、7D OOM0. 007M810CrNiMoA）镀镉0 127130. 0850 00190.015M830CrMnSiA 核神 124730. 0830 00170.013171994-2011 China Academic Journal Ekctronic Publishing House. A11.rights reserved. htlp：/.''本文根据试验结果计算得到的k J值同西 方标准规定的相差不大,如国际标准中规定镀 镉螺栓螺母f=0100. 12,镀银螺栓或螺母f =0. 13-0. 14；英国ES1I中规定用发动机润 滑油润滑的镀镉螺栓螺母f = 0.1

11、0,用发动机 润滑油润滑的镀银螺栓或螺母f=014,无润 滑、无镀层的螺栓螺母f=O. 150. 25；法国标 准规定镀镉嫁栓螺母f=0. 11,而日本标准则 规定为f=0.100.15。由于各国所采用的紧 固件标准本身有差异，再加上试验条件也不可 能相同，如润滑条件、表面处理等，故k值及f 值不可能完全相同。3. 分析与結论（1）润滑条件k值范围及摩擦系数f平均值表2戍格材 料润滑状态曲理$垫圈材料k值范田ff 均值M6ML25201油膏发兰钢20 23419 .2393417944MoS：脂.20727.20940.1551730CrMnSiA1583315978 11311201油膏钢2

12、0 18117.18544 13381MbML25MoS?脂後锌30CrMnSiA 13520 .13673. 09341ZU1油育30CrMnSiA 15335.15548J09I5MoS2K钢20 13175 .13382 09069M8ML25201油膏发兰钢20 23584 .2390717746脂.20757.210221536230CrMnSiA 15087.1521910574201油膏镀锌钢20 17323.1756612487M0脂30CrMnSiA 12159 1223008104201油膏镀镉钢20 15459.16598 11722M0厨30CrMnSiA.12084

13、7408049M6ML30CrMnSiAMoS?膳发兰30CrMnSiA.14825. 15047 10184201油膏发兰 （螺母 镀锌）30CrMnSiA.14761.1498710431M0S2 加 13734. 13933.09543201油膏30CrMnSiA. 15052-. 16158 11482M0S2 脂 13602 13681 09379201油骨镀锚30CrMnSlA 15423.15546.10952MoS2 脂 12947.1301008813M8ML30CrMnSiA（螺毎为 HB6266-89）MoS：脂发兰30CrMnSiA 14198.14366 098452

14、01油膏发兰镀锌）30CrM niA 14263. 1455609951MoSz3h 12716 1291108619201油膏镀锌30CrMnSiA15030.15374.10613MoS2 脂11314 11625 07497201油膏镀镉30CrMnSiA 12611.12833 08543脂 11233.11380 07362润滑条件对拧紧力矩系数k影响很大。图 2是根据试验绘制的三种润滑条件对k值的影 响关系图。由试验结果及图2可知： 二硫化钳锂基润滑脂润滑效果最好。由 于它油膜强度高，且有极压性添加剂二硫化钳, 能在各摩擦面形成化学吸附膜,故润滑性能很 好。 201油膏润滑效果相对

15、稍差。由于201 油膏不是极压性润滑脂,油膜强度较二硫化钳 锂基润滑脂低，故其润滑效果比二硫化钥锂基 润滑脂稍差。 二硫化钳油润滑效果相对较差。二硫化 钳油中虽有二硫化铝极压性添加剂，但其油膜 强度相对更低，故其润滑效果比201油脊差，且 润滑效果不稳定,得到的k值分散性校大，记录 曲线的线性也较差。 干摩擦的k值最大，一般为0. 5左右。 由于各摩擦面的氧化膜或镀层润滑性能稳定, 故得到的曲线线性很好，但k值分散性校大。在安装螺母时作者建议采用二硫化钳锂基 润滑脂润滑，这样可以以较小的拧紧力矩产生 额定的螺栓轴向力，且分散性小，能较准确地控 制螺栓中的轴向力。（2）表面处理状态图3是根据试验

16、绘制的三种表面处理状态 对k值的影响关系图。图3汞面处理的影响镀层对k值有校大彩响，尤其是在用千縻 擦、二硫化钥油及201油膏润滑状态下。相对来 讲，用二硫化钳锂基润滑脂润滑时，镀层（镀锌 或镀镉）对k值的影响较小，但对k值总的影响 趋势是:镀镉螺栓的k值比镀锌的小，镀锌螺栓 的k值比镀银的小，镀银螺栓的k值比镀铜的 稍小，发兰螺栓的k值比镀锌的大、比镀银的 小。如用二硫化钳锂基润滑脂润滑时，不同镀层 的M8合金钢螺栓（合金钢垫圈）对k值的影响 为:镀镉k = 0.11307,镀锌k = 0 11469,发兰k = 0. 14282,镀银 k = 0. 15386,镀铜 k = 0. 1549

17、6。（3）支承面条件图4是根据试验绘制的三种支承面对k值 的彩响关系图。图4支承面条件的影响支承面条件（本文指垫圈林料）对k值的影 响也很大,如铝合金垫圈，由于材质软，摩擦系 数大，故k值较大且K稳定;钢20垫圈的材料 强度、硬度及弹性模量都比铝合金的高，故实验 曲线线性较好,k值相应较小,分散程度也较 小;合金钢垫圈的试验结果比钢20垫圈的更理 想，不但k值比钢20垫圈的小,且分散程度大 大降低，试验曲线的线性度较理想。因此笔者建 议在结构允许的情况下，采用合金钢垫圈，如 30CrMnSiA、40CrNiMoA、GH2132 等垫圈。（4）螺栓材料、尺寸等螺栓材料对k值有影响。如在相同试验条 件下，ML25螺栓的k值、一般比 ML30CrMnSiA撇栓的稍大一些，这是因为 ML25螺