擰緊工藝對螺栓預緊力影響的實驗研究

聶曉東,胡 軍,李旋旋,霍軍周,郭金池

(1.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局 材料設備管理處,烏魯木齊 830000; 2.大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024)

螺紋連接應用廣泛[1],雖看著比較簡單,但工作流程卻極其復雜,相關的理論知識較少.當前,螺栓連接過程中采用力矩法實現的較多,主要是根據控制扭矩來保證軸向的預緊力大小[2].但是考慮到聯接過程有連接件材質、擰緊速度、連續摩擦等要素的存在,導致力矩值偏差很大,基本處于±35%區間內[3].雖可達預緊的需求,但其扭矩往往較大,易出現螺栓斷裂的情況.此外,對于螺栓數較多的場所,密閉相當關鍵,既應保障力矩值的大小,還應盡可能使其分布均勻.由于扭矩法受到大量的外界因素影響,即便螺栓是相同的工藝,不同種類,其預緊力值的差值都較大,無法滿足條件[4].由于均勻的螺栓預緊力對裝配具有重大意義,本文提出了一種星形擰緊工藝使螺栓預緊力更為均勻.

1 擰緊方式和預定螺栓預緊力值

1.1 星形擰緊

星形擰緊工藝主要分為兩步:① 在前3輪預緊過程中,通過增加對角線螺栓的預緊力值,逐步達到目標值的100%;② 以最少兩輪的擰緊工序使預緊力值趨于穩定.擰緊工序如圖1所示.圖2中實線部分為螺栓編號,虛線部分為標記順序(按照從小到大的順序進行預緊).

圖1 星形擰緊工藝Fig.1 Star tightening process

第1階段擰緊至預定力矩值的20%～30%,本文取值是預定倫力矩值的25%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第2階段擰緊至預定力矩值的50%～70%,本文取值是預定倫力矩值的60%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第3階段擰緊至預定力矩值的100%,螺栓擰緊次序是1—3—5—2—4—6;

第4階段擰緊至預定力矩值的100%,依據順時針次序操作,螺栓預緊次序是1—2—3—4—5—6;

第5階段擰緊至預定力矩值的100%,依據順時針次序操作,螺栓預緊次序是1—2—3—4—5—6.

1.2 分塊擰緊

這種工藝源于ASME,特點是簡單、可靠,因其工作強度低、高裝配效率得到了廣泛運用.該擰緊方式先通過擰緊3根螺栓,然后按序進行擰緊,這里暫稱其為分塊擰緊工藝.擰緊次序如圖2所示(按照從小到大的順序進行擰緊).

圖2 分塊擰緊工藝Fig.2 Block tightening process

第1階段擰緊至預定力矩值的20%～30%,本文取值是預定倫力矩值的25%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第2階段擰緊至預定力矩值的50%～70%,本文取值是預定倫力矩值的60%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第3階段擰緊至預定力矩值的100%,螺栓擰緊次序是1—3—5;

第4階段擰緊至預定力矩值的100%,依據順時針次序操作,預緊次序是1—2—3—4—5—6;

第5階段擰緊至預定力矩值的100%,依據順時針次序操作,預緊次序是1—2—3—4—5—6.

1.3 各輪螺栓預緊力期待值

通過星形擰緊、分塊擰緊這兩種方法分別進行加載,從相關數據表知道本實驗選取的M10螺栓安裝的力矩值是72 N·m,各輪所需的預緊力矩值如表1所示.

表1 法蘭螺栓各階段預緊力矩Tab.1 Pre-tightening torque of flangebolt in each stage

2 實驗準備

2.1 實驗樣件

結合吉林引水工程現場施工的TBM原型,本文的實驗模型通過相似理論進行縮小重建,模型材質是Q345,螺栓的尺寸是M10螺栓(10.9級).模型結構如圖3所示,其實際物體如圖4所示.

圖3 法蘭全裝配模型Fig.3 Flange full assembly model

圖4 法蘭全裝配實物Fig.4 Flange full assembly entity

2.2 預緊力測量裝置

XITE扭力扳手為本次實驗中螺栓擰緊的工具,它的精確度可以達到1%,主要通過MTO傳感器(CMK1-10T)對樣件加載進行數據收集和精確把控.具體的檢測實物如圖5所示.

圖5 檢測系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of detection system

3 實驗結果

在所有螺栓進行加載之前,首先對采集系統進行了清零,利用XITE預置式扭力扳手對所有螺栓按上文講到的方法進行各階段的加載.在螺栓預緊實驗過程中,各階段各螺栓的加載情況均進行實驗數據的統計,最終得到了加載過程中單個螺栓給其他螺栓預緊帶來的影響.具體的實驗結果如下.

3.1 星形擰緊工藝的實驗結果

星形擰緊方式下,各階段螺栓的對應預緊力矩值如表2所示.

依照表2數據,螺栓經過5個階段的預緊之后,預緊力矩值均在預定值的95%以上,擰緊的效果良好.對相關數據進行匯總后,螺栓相應階段的預緊力矩值變化情況如圖6所示.

從圖6可知:各階段預緊之后,星形預緊方式對應的編號5#,3#,1#預緊值都較6#,4#,2#的預緊值大,可能預緊次序為1—3—5—2—4—6,在預緊螺栓6#,4#,2#時引起了螺栓5#,3#,1#的預緊力矩值減小,進而出現預緊早的力矩值較預緊晚的力矩值小.在前4階段的預緊過程中,各個螺栓之間的預緊力矩值差別較大,但在第5階段預緊之后,所有螺栓的力矩值趨向均勻,大體上均實現了預定值95%之上的要求,所以這種擰緊方法完美地實現了螺栓的預緊標準.但考慮到這種擰緊方式每次都需對每個螺栓進行加載,5個階段都要加載,導致加載多達30步,給工作人員帶來了極大的工作量,因此,僅適合于那些對預緊強度要求極高的場所.

表2 星形擰緊方式下螺栓的力矩值Tab.2 Torque value of bolts in star tightening mode

圖6 星形擰緊方式下螺栓各階段力矩值的變化Fig.6 Variation of torque value of bolts differentstages under star tightening mode

3.2 分塊擰緊工藝的實驗結果

在分塊預緊方式下,各階段加載流程中的力矩值如表3所示.

由表3可知:5個階段擰緊之后,所有螺栓的力矩值均在預定值的90%～95%.與星形擰緊工藝相比,分塊擰緊工藝的預緊力矩值雖略有減小,但是預緊效果也是達到了要求.對結果進行分析后,所有螺栓的預緊力矩值隨各個階段施載的變動如圖7所示.

由圖7可知:在分塊預緊方式中,前3階段擰緊過程,如果僅擰緊螺栓1#,3#,5#,那么相臨近之螺栓2#,4#,6#的力矩值同樣會發生微小的變化.在第4階段預緊力施加過程時,螺栓6#,4#,2#雖都為72 N·m,變動很大,但因在第1、第2、第3階段中,其他3個螺栓的預緊,對整體而言所有螺栓的力矩值相對均勻,但是螺栓力矩值退變階段卻非常顯著,只是預定力矩值的87%.5個階段擰緊之后,所有螺栓的力矩值趨向均勻,均為預定力矩值的90%,但都處于預定力矩值的95%之下,大體滿足了裝配過程中的預緊需求.因為在該擰緊方式下,第1、第2、第3階段不必對螺栓6#,4#,2#進行擰緊,所以它的擰緊數不多,僅有21下,是星形預緊方式70%,使工作人員的工作強度大大減小.因此,分塊預緊方式對于預緊強度期待不高的場所很合適.

表3 分塊擰緊方式下力矩值Tab.3 Torque value under block tightening mode

圖7 分塊擰緊方式下力矩值的變化Fig.7 Change of torque value under block tightening mode

4 結論

本文以法蘭為研究對象,按照分塊預緊、星形預緊的方式分別做了螺栓預緊實驗,根據法蘭裝配過程中螺栓力矩值的變動情況,將這兩種擰緊方式的優缺點做了對比,指出了兩種方法各自適用的工作場合.從結果可得:星形預緊方式中所有螺栓的力矩值均為預定值的95%之上,預緊效果很好,主要應用場所為那些對預緊需求很高的場所;而對于分塊擰緊方式,所有螺栓的預緊力矩值為預定值的90%～95%,其擰緊結果雖沒有星形擰緊方式高,但分塊預緊的優點主要是操作步數少,僅是星形預緊方式的70%,對于那些對預緊力期望不強烈的場所,可大大減小工作人員的工作強度.