液壓扳手油壓與上緊力的分析探討

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 420223)

液壓扳手是一種高效的螺栓上緊專業工具，它與液壓拉伸器是同時期發展起來的，其具有工作效率高、上力均勻、完全可以控制螺栓上緊力的大小等優點。在石油、化工、電廠等工業裝置的安裝中，液壓扳手上緊高壓螺栓越來越多地被使用。特別是對M64以下高壓螺栓的上緊，使用液壓扳手更能顯示出其優越性。大于M64的高壓螺栓上緊，則更多地使用液壓拉伸器。

本文進行了液壓扳手油壓與螺栓上緊力的分析探討，并提供了兩者間的轉換關系，為工程設計及施工中應用該項技術提供了方便。

1 液壓扳手上緊油壓的問題

不論是液壓拉伸器，還是液壓扳手，它們對螺栓的上緊力都是通過其系統的油壓表反映出來的。對于液壓拉伸器而言，因其油缸產生的拉力是沿上緊螺栓軸線的方向，故螺栓在軸線方向獲得的上緊力可由油壓和油缸面積直接相乘而得出。若已知所需的上緊力，則可以直接求得油壓值，該值作為控制上緊操作的油壓指示控制值。而對于液壓扳手而言，則情況有所不同，到目前為止，還沒有人給出相應公式來反映液壓扳手上緊力與液壓扳手油壓的關系。液壓扳手制造廠商僅提供出螺栓規格及對應的液壓扳手上緊油壓值，以解決使用的問題，但這顯然是不夠的，因為上緊力與密封的形式有很大的關系，不單單是由螺栓規格尺寸這一單一因素所決定。因此，有必要對液壓扳手上緊螺栓的問題進行詳細地分析，推出相應的計算方法。

市場上的液壓扳手，型號規格繁多，但應用時提供的技術數據與螺栓上緊力精確控制之間，也還存在不夠方便的問題，這個問題就是油壓與上緊力的換算。表1是某廠的液壓扳手技術數據，但是表中沒有提供對應數據或換算公式。該廠大功率液壓扭矩扳手是通過液壓缸的推力，經過曲柄系統形成力矩，帶動螺母轉動一個角度，并以此扭矩傳送到螺栓聯接上，按要求預緊螺栓。它是由扳手、套筒、高壓油泵、換向閥及其帶快速接頭的高、低壓膠管組成。

表1 某廠的液壓扳手技術數據

注：液壓扭矩扳手均配置超高壓電動油泵、高壓油管、套筒等全套。

2 液壓扳手上緊過程中受力分析

選擇螺栓、螺母、墊片和被連接件作為研究對象，繪出受力圖，進行分析。螺栓聯接示意見圖1。

圖1 螺栓聯接示意

螺母A在旋轉時，螺母將沿著螺栓B上的螺紋面運動，產生周向位移和沿螺栓軸向的位移。可以將其簡化成滑塊在斜面上受力的情況，螺母即為滑塊，螺紋中經處展開即為斜面，墊片和被聯接件可以作為一體(視為C)，其對螺母產生的摩擦力和軸向力作用在A上。系統的受力見圖2，螺母受力圖(不含力矩)見圖3，螺母所受力矩見圖4，力平衡矢量見圖5。

圖2 系統的受力

圖3 螺母受力圖

圖4 螺母所受力矩

圖5 力平衡矢量

由圖5可得：

Ft-F端-F′tg(λ+β′)=0

(1)

由圖4可得：

T-T1-T2=0

(2)

聯立(1)、(2)求解，即推動螺母的力與螺母端面摩擦力及螺紋面摩擦力平衡，同時考慮力矩平衡情況。

在擰緊螺母時，液壓扳手力矩T，需要克服F′在螺紋斜面間的摩擦力矩T1和F端在螺母底面與被聯接件支承面(此處為墊片)之間的摩擦力矩T2。在此過程中，沿螺栓軸向將產生上緊力F′，而螺紋部分將受到摩擦力矩T1=F′tg(λ+β′)d2/2作用(d2為螺紋的中徑)，螺母與被連接件支承面(此處為墊片)之間的摩擦力矩T2=1/3×fs×F′(D13-d03)/(D12-d02)。液壓扳手力矩T大于或等于摩擦力矩T1與T2之和時，才能實現擰緊螺母的目的，故取：

T1+T2=F′tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

F′(D13-d03)/(D12-d02)

=F′×[tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

(D13-d03)/(D12-d02)]

令：KT= tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×(D1-d0)

則，

T=KTF′

(3)

其中，D1=1.7d；d0為被聯接件螺孔直徑；λ為螺紋升角，λ=2°30′；β′為螺紋斜面間的當量摩擦角，β′=tg-10.15；fs為螺母與支撐面(有墊片時為墊片或無墊片時為被連接件)之間的摩擦系數，鋼制螺母與鋼制墊片(或無墊片的鋼制被聯接件)之間無潤滑摩擦，取fs=0.15 ，有潤滑fs=0.05～0.1；d為螺栓直徑；d2為螺栓螺紋中徑，d2=0.9d；M為螺紋圈數；P為螺距。

3 上緊油壓通式推導

對于液壓扳手而言，輸出的力矩等于油缸推力PA(P為油壓，A為油缸面積)乘以力臂L(L為油缸軸線距上緊螺栓中心距)，即T=PAL。對于一個油缸上緊一個螺栓的情況，則代入(3)式，有：

PAL=KTF′

故：

P=KTF′/AL

(4)

公式(4)即為液壓扳手上緊力與油壓間的關系式。

一個油缸，同時上緊N個螺栓，則P=NKTF′/AL，此為通式。

4 通式的運用

通式中上緊力F′應根據不同的密封面結構來計算。對于雙錐密封和平墊密封的情況，HG/T 21573—95高壓螺栓和螺栓液壓上緊裝置中已經給出了其上緊力F′的計算。而對于液壓扳手所使用的主要場合，如透鏡墊密封的螺栓上緊，其上緊力沒有理論公式。H1～31—1967高壓管、管件及緊固件通用設計中，根據實際試驗歸納出的經驗公式可以作為上緊力的計算依據。該公式僅針對32MPa和22MPa壓力等級系列。其給出總的上緊力，如下：

32MPa 壓力系列，F總′=5.85DK2；

22MPa 壓力系列，F總′=5.14DK2。

每個螺栓上緊力F′=F總′/n，其中n為法蘭螺栓數量；

對于透鏡墊密封時，液壓扳手上緊油壓為：

32MPa 壓力系列，P=5.85KTNDK2/(ALn)

(5a)

22MPa 壓力系列，P=5.14KTNDK2/(ALn)

(5b)

公式(5a)和(5b)中的KT值在0.1～0.3之間。可通過公式進行準確的計算獲得油壓P，也可根據經驗取KT的值，以簡化計算得到油壓P。當然，在出現密封泄漏時，根據KT的范圍可以很方便地調整上緊油壓，以達到再次密封的目的。

對于上緊過程，液壓扳手的油壓控制值可以按照公式(5a)或(5b)計算的油壓取值；而對于拆卸螺栓時，液壓扳手的油壓要比公式(5a)或(5b)計算的油壓值略高一些時才能卸下螺栓。

考慮到實際操作中各種因素的影響，為穩妥地上緊，可將計算油壓值P放大10%～20%；即增加一個可靠系數1.1～1.2，實際油壓P實=1.1～1.2P。

5 應用

針對透鏡墊密封的情況，將第1章中廠家數據表進行完善，我們可以取KT值為0.3，可靠系數為1.2。螺栓的上緊載荷如下：

(1)32MPa 壓力系列，F總′=5.85DK2，則：

P=5.85KTNDK2/(ALn)=0.3×1.2×N×5.82DK2/(ALn)=0.36NF總′/(ALn)

(2)22MPa 壓力系列，F總′=5.14DK2，則：

P=5.14KTNDK2/(ALn)

=0.3×1.2×N×5.14DK2/(ALn)

=0.36NF總′/(ALn)

即：在(1)與(2)的情況下，公式均為：P=0.36NF總′/(ALn)，將相關公式加入到應用表中，完善使用說明見表2。

表2 螺栓的上緊載荷

注：廠家可以提供AL，簡化上式。

6 結語

本文分析了液壓扳手上緊螺栓過程中的受力情況，推出了液壓扳手的螺栓上緊油壓計算通式，即P=KTNF′/AL，該公式適合于雙錐、平墊、八角墊及透鏡墊密封的情況。考慮到液壓扳手更多的是用于透鏡墊密封的螺栓上緊，故進一步給出了透鏡墊密封時，液壓扳手上緊油壓的計算公式5(a)和5(b)。