一种螺栓拧紧力系数测量方法与流程

本发明涉及一种螺栓拧紧力系数的测量方法，特别涉及适用于铁塔镀锌螺栓的拧紧力系数的测量。

背景技术：
螺栓的结构和预紧力对铁塔接头的可靠性和疲劳寿命有很大影响。在螺栓及铁塔夹层允许的条件下，预紧力越大，连接越安全可靠，疲劳寿命越长。但过大的预紧力有可能导致螺栓和夹层的破坏，因而预紧力的准确控制就成为提高接头可靠性和疲劳寿命的关键措施之一。重要的螺接接头均要求严格控制预紧力，而在装配过程中，直接测量预紧力是非常困难的，一般是通过控制拧紧力矩间接控制拧紧力。因而拧紧力矩的准确测定就成为准确控制预紧力的前提。目前电网架空线路的铁塔构件的连接，主要采用镀锌螺栓进行连接，为了增强连接的可靠性，紧密性，防止受载后被连接件出现松动或发生相对滑移，螺纹装配连接时需要预紧。较大的预紧力可以增加连接的可靠性和连接件的疲劳强度，但预紧力过大会使连接件被拉断。所以控制好预紧力，既不使螺栓过载，又能保证必要的强度和可靠性。通过扳手施加拧紧力矩，使螺栓得到一定的预紧力，拧紧力矩Mt与它所引起的螺栓预紧力（轴向力）间的关系，由拧紧力系数K确定，如公式（4）。K的数据在联接螺栓的设计计算及施工工艺中都很重要，德、美、日诸国对这方面的研究较重视，但也因K值在实测中离散性较大，而感到不易妥善处理。如德国在1956年的标准中取K=0.18，1983年改为K=0.193，后来美、英两国的规范又要求在使用的螺栓中进行抽样扭矩试验来确定K值，均说明K值受影响因素较多，实测K值离散性较大。Mt＝K×P0×d（4）K——拧紧力系数d——螺纹公称直径(单位：米)P0——预紧力(单位：N)拧紧力系数K主要与螺纹升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被联接件支承面间的摩擦系数有关，电网铁塔所用螺栓普遍使用4.8级、6.8级和8.8级普通镀锌螺栓，连接件均为镀锌角钢，同一批螺栓的拧紧力系数K应接近，因此实测此类螺栓拧紧力系数K对于指导铁塔安装具有重要意义。

技术实现要素：
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种操作方便、结果准确且重复性强的可试验室操作的模拟实际工况中螺栓拧紧力系数测量方法。本发明采用如下技术方案：本发明包括下述步骤：步骤一：标定压力传感器，通过拉伸试验机夹具对所述压力传感器施加0~180KN的力F，并通过拉伸试验机的软件记录不同的力下压力传感器的电压U，根据所得的力和电压的数据，绘制力-电压曲线，并根据曲线得到力-电压关系式（1）；U=kF+b(1)U——压力传感器显示的电压，单位V；F——拉伸试验机施加的力，单位N；k——系数，单位V/N；b——力为0时压力传感器显示的初始电压，单位V；步骤二：连接铁塔螺栓拧紧力系数模拟测试装置，所述模拟测试装置由上镀锌钢板、中镀锌钢板、下镀锌钢板、套筒和压力传感器组成；在所述上镀锌钢板的下端部和下镀锌钢板的上端部分别设置有直径相等的螺栓孔，在中镀锌钢板的上、下端部分别设置有与所述螺栓孔直径相等的螺栓孔；所述套筒、压力传感器、上镀锌钢板和中镀锌钢板上端部依次通过第一螺栓和第一螺母连接；所述中镀锌钢板下端部和下镀锌钢板通过第二螺栓和第二螺母连接。步骤三：将所述上镀锌钢板的上端和下镀锌钢板的下端分别夹置于拉伸试验机的上夹具和下夹具中；步骤四：使上、下镀锌钢板处于所述上、下夹具的中心，所述上、下夹具处于夹紧状态；第一、第二螺栓处于松动状态；使用扭力扳手使第二螺栓完全锁死，即中、下镀锌钢板在自然状态下不产生滑动；步骤五：对第一螺栓施加拧紧力矩Mt，通过压力传感器显示电压U’，并根据公式（2）计算此时的预紧力P0；P0=（U’+b-b’）×1000/k（2）P0——预紧力，单位N；U’——电压，单位V；b——步骤一中力为0时压力传感器显示的初始电压，单位V；b’——步骤五所测得的初始电压，单位V；k——步骤一中的系数，单位V/N；步骤六：根据公式（3）计算螺栓拧紧力系数K；K=Mt/（P0×d）（3）K——拧紧力系数；Mt——施加的拧紧力矩，单位Ｎ•m；d——螺纹公称直径，单位ｍ；P0——预紧力，单位N。进一步的，所述中镀锌钢板与第一螺母之间的第一螺栓上套置有第一垫圈，在中镀锌钢板与第二螺母之间的第二螺栓上套置有第二垫圈。进一步的，所述上、中和下镀锌钢板的宽度为120mm，厚度为10mm，所述各螺栓孔的直径为21.5mm。进一步的，所述各螺栓、各螺母和各垫圈的规格为M20，镀锌。进一步的，步骤五中通过扭力扳手施加拧紧力矩。本发明所述的测量装置中的镀锌钢板、螺栓和螺母的连接，模拟实际工况下的铁塔镀锌钢板的连接方式。本发明所述的套筒的主要作用是将螺栓预紧力传递给传感器，并连接上镀锌螺栓和压力传感器。本发明所述的拉伸试验机，可对上镀锌钢板和下镀锌钢板施加压力或拉力，用于传感器的标定。本发明的有益效果：本发明的方法模拟电网铁塔安装条件，使所测拧紧力系数K更接近现场实际情况，使预紧力施加适当，保证螺栓的紧密性，防止螺栓过载，对铁塔的现场安装有重要指导作用。附图说明附图1本发明实施例1的结构示意图；附图2为本发明实施例1的左视图；附图3为本发明实施例1的力-电压标定曲线；附图4-1为实施例1第一次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图4-2为实施例1第二次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图4-3为实施例1第三次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图4-4为实施例1第四次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图4-5为实施例1第五次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图4-6为实施例1第六次试验所绘制的力矩—预紧力关系曲线；附图5-1为实施例1第五次试验的第一次重复所绘制的时间—预紧力关系曲线；附图5-2为实施例1第五次试验的第三次重复所绘制的时间—预紧力关系曲线；附图5-3为实施例1第六次试验的第五次重复所绘制的时间—预紧力关系曲线；附图5-4为实施例1第六次试验的第六次重复所绘制的时间—预紧力关系曲线；在附图中，1上镀锌钢板、2中镀锌钢板、3下镀锌钢板、4第一螺栓、5第一螺母、6套筒、7压力传感器、8第一垫圈、9第二螺栓、10第二螺母、11第二垫圈。具体实施方式实施例1步骤一：标定压力传感器，通过拉伸试验机夹具对所述压力传感器施加0~180KN的力F，并通过拉伸试验机的软件记录不同的力下力传感器7的电压U，所得的力和电压的数据如表1所示，绘制力-电压曲线如附图3所示，根据公式（1）得出压力-电压的关系式。U=kF+b(1)U——压力传感器显示的电压，单位V；F——拉伸试验机施加的力，单位N；k——系数，单位V/N；b——力为0时压力传感器显示的初始电压，单位V。本实施例的压力-电压的关系式为：U=0.028P0+0.0254。表1拉伸试验机标定时检测的压力与传感器电压步骤二：如附图1、2，本发明的模拟测量装置由上镀锌钢板1、中镀锌钢板2、下镀锌钢板3、套筒6和压力传感器7组成；在所述上镀锌钢板1的下端部和下镀锌钢板3的上端部分别设置有直径相等的螺栓孔，在中镀锌钢板2的上、下端部分别设置有与所述螺栓孔直径相等的螺栓孔；所述套筒6、压力传感器7、上镀锌钢板1和中镀锌钢板2上端部依次通过第一螺栓4和第一螺母5连接；所述中镀锌钢板2下端部和下镀锌钢板3通过第二螺栓9和第二螺母10连接。在所述中镀锌钢板2与第一螺母5之间的第一螺栓4上套置有第一垫圈8，在中镀锌钢板2与第二螺母5之间的第二螺栓9上套置有第二垫圈11，第一垫圈8和第二垫圈11用于保护钢板，并进一步模拟实际工况。模拟测量装置的上镀锌钢板1、中镀锌钢板2和下镀锌钢板3的宽度为120mm，厚度为10mm，所述各螺栓孔的直径为21.5mm。本实施例的上镀锌钢板1、中镀锌钢板2和下镀锌钢板3均采用宽度120mm，厚度10mm的镀锌钢板，开孔直径Ф21.5mm，采用冲孔工艺，先开孔再镀锌。本实施例的第一螺栓4、第一螺母5、第一垫圈8、第二螺栓9、第二螺母10和第二垫圈11的规格为M20，镀锌，多套。本实施例的传感器7为BSQ-2传感器，量程为200kN，使用CMT5205拉伸试验机进行标定。本实施例对压力传感器7进行标定后，进行了六次试验，每次试验更换第一螺栓4，测量规格相同但螺纹表面不同的螺栓，在不同的加载时间下的拧紧力系数K。每次试验所使用的第一螺栓4如表2所示。步骤三：将所述上镀锌钢板1的上端和下镀锌钢板3的下端分别夹置于拉伸试验机的上夹具和下夹具中；步骤四：使上镀锌钢板1和下镀锌钢板3处于所述上夹具和下夹具的中心，所述上夹具和下夹具处于夹紧状态；第一、第二螺栓处于松动状态；使用扭力扳手使第二螺栓9完全锁死，即中镀锌钢板2和下镀锌钢板3在自然状态下不产生滑动；步骤五：对第一螺栓4施加拧紧力矩Mt，达到规定的扭矩时停止，通过压力传感器7显示电压U’，并根据公式（2）计算此时的预紧力P0。P0=（U’+b-b’）×1000/k（2）P0——预紧力，单位N；U’——电压，单位V；b——步骤一中力为0时压力传感器显示的初始电压，单位V；b’——步骤五所测得的初始电压，单位V；k——步骤一中的系数，单位V/N。每次试验预紧力所加载的时间不同，每次试验所得的预紧力P0的计算公式如表2所示。每次试验计算所得的预紧力的大小如表3所示。绘制的力矩—预紧力关系图如附图4所示。绘制的时间-预紧力关系图如附图5所示。步骤六：根据公式（3）计算螺栓拧紧力系数K；不同试验计算所得的K值如表3所示。K=Mt/（P0×d）（3）K——拧紧力系数；Mt——施加的拧紧力矩，单位Ｎ•m；d——螺纹公称直径，单位ｍ；P0——预紧力，单位N。表2不同试验的试验条件及预紧力计算公式注：旧螺栓为镀锌时间较长，表面锌层已氧化的螺栓；新螺栓为镀锌时间不长，表面锌层未氧化的螺栓。表3不同试验的预紧力及拧紧力系数计算结果试验中改变试验条件，K值出现明显变化，就K值变化原因分析如下：1）从试验结果也可以看出，旧螺栓K值范围在0.410～0.495，新螺栓K值范围在0.290～0.365，涂抹黄油的旧螺栓K值为0.115；旧螺栓由于镀锌层氧化，表面较为粗糙，新螺栓表面光洁度较好，涂抹黄油的旧螺栓由于润滑，表面摩擦力明显下降；其他试验条件均未变化，说明随着螺栓的螺纹表面摩擦系数的减小，K值也随之减小，说明螺纹的实际摩擦系数对于K值的影响较大。2）扭矩保持时间对于预紧力影响较大，扭矩不保持或保持时间较短，造成K值较为离散，扭矩保持较长时间后，所测K值较为稳定，如图5所示；并且试验一、二、五都是使用的旧螺栓，但是试验五所测K值明显低于试验一、二，分析原因是在相同的扭矩下，预紧力的大小与扭矩保持时间有一定的关系，在扭力扳手达到一定的扭矩后，预紧力并不是即时达到相应预紧力，而是需要一段时间，扭矩不变，预紧力随着时间的增加还在不断增大，如图5所示。在扭矩较小时，在较短时间内就达到趋于稳定的预紧力，但是随着扭矩的不断增大，预紧力趋于稳定的时间也在不断增加。由于试验一、二扭矩保持时间较短，所测预紧力偏小，因此K值增大，所以试验一、二所测K值大于试验五所测K值。3）从试验一、二所使用的旧螺栓在扭力作用下螺纹接合处镀锌层的变形和搓动可以看出，螺栓表面镀锌层发生堆积和脱落在一定程度上增加了摩擦力，使摩擦系数明显上升，K值增大，这也是K值偏大的原因，但是试验五、六由于扭矩保持时间较长，在较大的扭矩作用下，螺纹之间发生相对滑动，由于镀锌层硬度较低，在大的预紧力长时间的保持后，螺纹表面的镀锌层出现磨损，露出金属光泽，造成螺纹表面摩擦系数减小，K值减小。这也是为什么在扭矩较大时，保持扭矩时间即使长达1小时，预紧力仍然在缓慢上升的原因，如图5-4所示，扭矩不变，K值缓慢减小，因此预紧力不断增大。4）实测K值与《机械设计手册》所给出的K值离散性较大，如果在不实测K值的情况下，按照《机械设计手册》选取无润滑镀锌螺栓的K值为0.22，计算螺栓拧紧力矩，Ф20mm的6.8级螺栓拧紧力矩值为258～362N•m，预紧力达到螺栓屈服极限的0.5～0.7，6.8级螺栓屈服极限为480N/mm2，对于Ф20mm的6.8级的螺栓要求达到的预紧力为58～82kN。而从试验结果看，无润滑的情况下，实测K值最小为0.290，均大于0.22，因此如果施加按照《机械设计手册》所给的K值计算出来的拧紧力矩，所得到的预紧力偏小，没有达到螺栓屈服极限的0.5～0.7，即螺栓没有拧紧。5）《机械设计手册》中有润滑镀锌螺栓的K取0.18，试验四中涂抹黄油的旧螺栓K值明显下降，仅为0.115，说明对螺栓润滑能明显降低拧紧力系数K，但与《机械设计手册》提供的K值有明显区别，也不能按照理论计算的方式施加扭矩，否则K值偏小，预紧力增大，在达到要求的扭矩时，预紧力会超过螺栓屈服极限，造成螺栓失效。由本实施例可得到如下结论：1)由于不同螺栓的镀锌工艺、厚度、保存时间、锌层氧化情况的不同，造成螺纹表面的摩擦系数区别较大，实测拧紧力系数旧螺栓K=0.410～0.495，新螺栓=0.290～0.365，高于理论计算时无润滑镀锌螺栓K=0.22，分析认为影响拧紧力系数K的因素较多，导致实测K值离散较大，机械手册提供的K值仅供参考，应以实际情况为准。试验中无润滑镀锌螺栓实测K值均大于《机械设计手册》提供的K值，如果施加按照理论计算所得出的扭矩，所得到的预紧力偏小，没有达到螺栓屈服极限的0.5～0.7，即螺栓没有拧紧。2）螺栓松动还与扭矩保持时间有关，扭矩保持时间对于预紧力影响较大，瞬时施加的扭矩不能使螺栓达到规定的预紧力，需要保持扭矩一段时间，预紧力才能缓慢的趋于稳定，并且扭矩越大，需要保持的时间越长，试验6-6中扭矩保持1小时，预紧力仍在增长。现场情况很难做到保持扭矩一段时间，因此螺栓预紧力也难以达到要求。3）对螺栓表面进行润滑，可以显著降低K值，实测涂抹黄油的旧螺栓K=0.115，小于《机械设计手册》提供的K值，如果施加理论计算拧紧力矩，易造成过度拧紧，导致螺栓的早期失效。4）同一批螺栓的镀锌工艺、厚度、保存时间、锌层氧化情况基本相同，采用本发明的方法实际测定拧紧力系数具有实用性，可以指导现场安装，避免螺栓未拧紧或拧紧过度。