螺栓預(yù)緊力的驗(yàn)證方法

葉銳，智慶杰，崔巍，韓順坤，衛(wèi)帥兵，張景惟

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

螺栓連接以其結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)在采油機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造中得到廣泛應(yīng)用，特別是螺紋連接在承受工作載荷之前，預(yù)先施加稱之為預(yù)緊力的作用力，便可使螺紋連接的可靠性及緊密性得到有效保證[1]。此預(yù)緊力的適當(dāng)施加有著關(guān)鍵性作用，若預(yù)緊力達(dá)不到規(guī)定要求就會(huì)使被連接件之間在受載后出現(xiàn)縫隙和發(fā)生相對滑動(dòng)，造成零部件的松動(dòng)，甚至使整機(jī)無法正常工作；若預(yù)緊力過大就會(huì)引起人為的零部件損壞，螺栓可能被擰斷，連接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂，也可能使螺紋牙型被剪斷而脫扣。被國際廣泛認(rèn)可的API 采油機(jī)械技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中也有明確的要求：“當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)定預(yù)載時(shí)，螺栓預(yù)緊應(yīng)視為要求確認(rèn)的過程”。而目前國內(nèi)外長期以來應(yīng)用廣泛的控制預(yù)緊力方法是采用力矩扳手，其制造費(fèi)用相對較低，缺點(diǎn)是預(yù)緊力與轉(zhuǎn)矩值的換算過程受連接面表面質(zhì)量、螺紋精度等難以預(yù)計(jì)的參數(shù)影響，轉(zhuǎn)矩值誤差較大，一般在±25%左右。研制的預(yù)緊力-轉(zhuǎn)矩值驗(yàn)證裝置可對在轉(zhuǎn)矩扳手施加一定轉(zhuǎn)矩值的過程中，對螺栓進(jìn)行預(yù)緊力的測量，經(jīng)過對現(xiàn)場試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、對比，此裝置對轉(zhuǎn)矩扳手施加的轉(zhuǎn)矩值可進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 技術(shù)分析

所謂預(yù)緊力就是在安裝螺栓時(shí)預(yù)先作用在螺栓上的一個(gè)力（壓強(qiáng)），作用是使螺栓在其彈性范圍內(nèi)變形，把連接件結(jié)合在一起[2]。常規(guī)使用的轉(zhuǎn)矩扳手利用T=F·K·d（式中：F為預(yù)緊力；T為轉(zhuǎn)矩值；K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑）得出所須預(yù)緊力對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，式中的K值主要取決于螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)及螺母與被連接件的摩擦因數(shù)，關(guān)聯(lián)因素較多，難以測量，且隨著加工方式的變化，可變性較大，一般誤差在±25%。而預(yù)緊力-轉(zhuǎn)矩值驗(yàn)證裝置利用油液對壓力的敏感性，采用上下結(jié)構(gòu)液缸準(zhǔn)確地將螺栓的變形反映到油壓顯示裝置。預(yù)緊力的最終計(jì)算僅依據(jù)“F=PA（式中：F為預(yù)緊力；P為油壓；A為油缸面積）”便可得出。從計(jì)算過程來看，過程誤差主要由油缸內(nèi)腔面積加工誤差及油壓顯示裝置誤差產(chǎn)生。因油缸蓋、油缸座最終須形成密封的內(nèi)腔，在設(shè)計(jì)要求中比較嚴(yán)格，密封處最大間隙僅為0.05 mm，最高精度為Ra0.8 μm，油缸內(nèi)腔面積加工誤差可忽略不計(jì)。預(yù)緊力-轉(zhuǎn)矩值驗(yàn)證裝置實(shí)際誤差僅與油壓顯示裝置誤差有關(guān)，而油壓顯示裝置誤差是一個(gè)可知、可控的誤差。量程范圍是0～30 MPa，精度等級(jí)為2.5的普通壓力表允許誤差僅為2.5%。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該測量裝置主要由油缸蓋、油缸座、扶正銷軸、油壓測量裝置、手搖泵等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封8、9采用尼龍擋板與O形圈雙重密封的方式，在油缸蓋、油缸座內(nèi)部形成可伸縮的密封腔體。6件定位銷釘保證油缸蓋的上下移動(dòng)、4件扶正銷軸的導(dǎo)向作用，可使螺栓在受預(yù)緊力拉伸的過程中，沿其軸向自由伸長。主要部件上扶正板1、下支撐板5、油缸蓋3、油缸座7采用通用設(shè)計(jì)，可保證常規(guī)M42以下螺栓的驗(yàn)證。試驗(yàn)中，只需更換待測螺栓的直接接觸件（上墊塊12與下墊塊6），不需整體拆卸、拆解裝置，便可實(shí)現(xiàn)對不同螺栓轉(zhuǎn)矩值的驗(yàn)證；同時(shí)該結(jié)構(gòu)主要部件之間無需連接，只需疊加即可，拆卸、組裝方便。

圖1 轉(zhuǎn)矩值-預(yù)緊力驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

驗(yàn)證裝置使用時(shí)，利用手搖泵等壓力裝置將油液打入油缸蓋、油缸座之間，油缸座的壓力傳遞使驗(yàn)證螺栓頭部受到向下的壓力，油缸蓋的上移來推動(dòng)驗(yàn)證螺母，使螺母受到向上的推力，此種螺栓的受力狀況，完全符合螺栓僅受預(yù)緊力時(shí)的拉伸狀態(tài)，圖2（a）所示是螺母剛好擰到和被連接件接觸，但尚未擰緊；圖2（b）所示是螺母已擰緊，但尚未承受工作載荷，螺栓此時(shí)僅受預(yù)緊力的拉伸作用，伸長量為λ。此時(shí)油壓通過“ P=F/A（式中：P為油壓；F為預(yù)緊力；A為油缸面積）”的對應(yīng)關(guān)系，上緊至驗(yàn)證螺栓要求的預(yù)緊力的80%，保證油缸腔內(nèi)有充足的油液，同時(shí)未上緊到預(yù)定的轉(zhuǎn)矩值。最終利用轉(zhuǎn)矩扳手上緊螺母至預(yù)定的轉(zhuǎn)矩值，油缸蓋向下移動(dòng)，缸內(nèi)油壓增大，直接反映至油壓檢測裝置，通過P=F/A計(jì)算出預(yù)緊 力，與F=T/（Kd）（式中：F為預(yù)緊力；T為轉(zhuǎn)矩值；K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑）計(jì)算出的預(yù)緊力進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩扳手預(yù)緊力的驗(yàn)證。

圖2 螺栓擰緊過程中的受力情況

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.1 銷子的設(shè)計(jì)尺寸確定

1）4根銷子在工裝使用中，主要承受來自螺栓最終采用力矩扳手上緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)力矩，銷子主要承受剪切力，且因4根銷子均勻分布，每根的剪切力相同。銷子材質(zhì)選用35CrMoA，以被測螺栓最大轉(zhuǎn)矩值3161 N·m為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算：

2）銷子定位下底板與上頂板，在工作中承受彎矩，計(jì)算如下：

結(jié)合銷子的受剪、抗彎能力，選取d=40 mm。同時(shí)考慮便于拆卸，銷孔與銷子選取C12/h11的間隙配合。

1.3.2 上、下墊塊的設(shè)計(jì)尺寸確定

按照《一般螺栓螺母連接的設(shè)計(jì)及裝配要求》[3]中“8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度螺栓連接，應(yīng)當(dāng)按預(yù)緊力校核被連接件結(jié)合面的擠壓應(yīng)力，許用應(yīng)力=0.8×被連接件的屈服強(qiáng)度”。螺栓預(yù)緊力-轉(zhuǎn)矩值驗(yàn)證工裝中，上、下墊塊可視為被連接件，對其分別進(jìn)行初步設(shè)計(jì)后的校核：

1）上墊塊尺寸校核。墊塊材質(zhì)選用35CrMoA，其屈服強(qiáng)度σs=520 MPa；擠壓作用平面是邊長為69 mm的內(nèi)空方形面A，預(yù)緊力為F0；選取M36×3螺栓預(yù)緊力556 040 N進(jìn)行校核。

1.3.3 定位螺釘?shù)男：?/p>

M10螺栓在工作中主要受到一定的剪切力，F(xiàn)=T/（6r）=4621 N；τ=F/A=4621÷（π×5×5）=58.9 MPa。

M10螺栓采用45鋼，調(diào)質(zhì)處理（217～255 HBW），σs=515 MPa，則［τ］=0.58×［σ］=0.58×σs/n=99.6 MPa，安全系數(shù)n=3。可得τ≤［τ］，M10滿足工裝試驗(yàn)要求。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

針對表1所列廣泛使用的M24、M30×3、M306×3三種規(guī)格螺栓進(jìn)行試驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)裝置固定于2級(jí)鑄鐵檢驗(yàn)平臺(tái)上，測量裝置暫選用量程范圍是0～30 MPa，精度等級(jí)為0.25級(jí)的雙刻度油壓表。試驗(yàn)依驟如下：首先手動(dòng)帶緊驗(yàn)證螺栓所配螺母，使螺母剛好擰到和被連接件相接觸；其次利用鋼制手動(dòng)液壓泵打壓至螺母要求轉(zhuǎn)矩值的80%；最后利用新購的、出廠檢驗(yàn)精度在±10%以內(nèi)的諾霸定轉(zhuǎn)矩扳手上緊致該驗(yàn)證螺栓要求的轉(zhuǎn)矩值。在此過程中，觀察油壓測量裝置讀數(shù)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)螺栓各項(xiàng)參數(shù)

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

說明：油缸實(shí)測面積=π（99.98×99.98-40×40）=26363.44 mm2。

3 結(jié)論

1）利用新出廠、檢驗(yàn)合格的轉(zhuǎn)矩扳手作為被檢對象，通過實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，計(jì)算分析得到的誤差，3種規(guī)格螺栓的預(yù)緊力誤差分別為2.0%、2.7%、2.9%，均在10%以內(nèi)，在轉(zhuǎn)矩扳手的后續(xù)使用過程中，可不定期地利用此預(yù)緊力-轉(zhuǎn)矩值驗(yàn)證裝置對轉(zhuǎn)矩扳手進(jìn)行校驗(yàn)。

2）依據(jù)前述公式T=F·K·d，該驗(yàn)證裝置在設(shè)計(jì)中，被試螺栓、螺栓接觸件（上、下墊塊）的相關(guān)精度盡量選取與實(shí)際常用產(chǎn)品相同精度，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對比，可對擰緊力矩系數(shù)K值的選取有一定的參考價(jià)值。