扭矩緊固法潤滑工況對螺栓預緊力影響研究

摘要：基于風電機組高強度螺栓采用扭矩緊固法安裝的實際情況，控制關鍵變量設計了20種螺栓潤滑工況，以42CrMoA材質、10.9級的M30×200螺栓為研究對象，使用同種潤滑劑并通過扭矩緊固法進行預緊。通過匯總和對比分析試驗數據，探討不同潤滑工況對螺栓預緊力的影響，結果表明潤滑位置、潤滑方式、潤滑劑量以及螺栓不同狀態對螺栓預緊力均有不同程度的影響，得出了在使用扭矩緊固法前典型高強度螺栓處理的結論和建議，可為同類型螺栓安裝及維護提供參考和思路。

關鍵詞：高強度螺栓；扭矩緊固法；連接副；潤滑；扭矩系數

中圖分類號：TH131.3? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0042-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.011

1? ? 研究現狀

風力發電機組的總裝普遍采用扭矩緊固法來預緊多種高強度螺栓，通常每顆螺栓在使用扭矩扳手預緊前都需要涂抹潤滑劑來降低連接副的摩擦系數，這樣不僅可以減少螺栓與各結合面之間的摩擦阻力，降低螺栓咬死發生率，同時可以取得較低又穩定的扭矩系數，進而使預緊力更容易、更穩定地傳遞到被固定的零件上，以產生更接近設計值的螺栓軸向力。

Croccolo等人[1]研究了螺紋表面的涂層以及潤滑劑如何改變其摩擦屬性及相互作用，發現了兩者作用都很重要，而且不同的潤滑位置，其效果也會有所差異。王常川等人[2]探討了不同潤滑劑及其組合對不同連接副的影響，發現當二硫化鉬潤滑劑和潤滑油共同使用時，可以產生協同效應從而顯著提升潤滑效果，其中二硫化鉬潤滑劑更適用于配合精密、咬死率較高的連接副，如使用鎖緊螺母等場景。綜合預緊性能和經濟性角度考慮，潤滑油更適合于普通較小規格的連接副。盡管如此，關于不同潤滑工況對較大規格高強度螺栓預緊力的影響，現有的扭矩系數測試研究還較為有限，故有必要模擬風電現場工況探索潤滑劑量和潤滑方式對螺栓預緊力的影響，在保證螺栓連接可靠性及裝配效率的前提下找到潤滑劑涂抹的合理用量及方式，從而驗證一種可靠又高效的潤滑工藝。

2? ? 基本原理

扭矩緊固法是一種利用扭矩與預緊力之間的線性關系在彈性范圍內進行緊固控制的方法，它只對一個設定的緊固扭矩進行控制來擰緊螺栓，其擰緊的質量受到螺紋件摩擦系數的影響較大，導致只有大約10%的緊固扭矩真正作用于軸向預緊力，而其余部分主要用于克服螺紋摩擦和支承面摩擦。預緊力的離散程度會隨著擰緊過程中摩擦等因素的控制程度而變化。通常，扭矩緊固法設計的預緊力不會超過螺栓屈服強度的70%，在載荷計算中，離散度的取值約為23%，這表明螺栓的穩定性和利用率均不高。

對于相同扭矩下施載的螺栓，螺栓的軸力與扭矩系數呈反比關系，故對預緊力的影響分析可以間接從螺栓扭矩系數的變化著手。從穩定性的角度來看，標準偏差比扭矩系數更重要，所以主要對比扭矩系數及其標準偏差、離散系數。

扭矩系數：

K=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：K為扭矩系數；T為施加的扭矩；P為螺栓的軸向力；D為螺栓的螺紋規格。

標準偏差：在概率統計中最常使用作為統計分布程度上的測量依據。一個較小的標準差，代表這些數值較接近平均值。其公式為：

σ=? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：σ為標準偏差；n為樣本總數；xi代表每個數據點；為平均值。

離散系數：離散系數又稱變異系數或標準差率，是能直觀衡量數據離散程度的統計指標。通常，離散系數越小，說明數據的離散程度越小。其公式為：

CV=×100%? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

3? ? 試驗對比

3.1? ? 檢測方案

測試設備為在校準有效期內的微機控制扭轉試驗機，其扭矩最大量程為2 000 N·m，試驗機精度等級為0.5級，荷載精度±1%。依據GB/T 1231—2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》檢驗標準[3]，螺栓扭矩系數檢測步驟設計如下：

1）螺栓扭矩系數測試試驗在恒定室溫下進行；

2）清除螺紋表面不潔物，用通規、止規檢測螺栓、螺母，確保連接副滿足精度要求；

3）按照既定潤滑方案對連接副進行處理；

4）為防止墊圈產生跟轉現象，在墊圈下部增加砂紙；

5）測試時扭轉試驗機勻速加載至1 400 N·m；

6）對每組的各個測試數據取均值匯總后進行對比分析。

備注：考慮到在風電機組安裝和運維階段螺栓需要分多次預緊、重復安拆，為了更準確模擬現場工況，需對連接副進行多次安拆，并確保每次施載后冷卻至室溫再進行下一次施載。

3.2? ? 數據統計

扭矩系數以8套連接副的算數平均值為測試結果，根據公式（2）（3）計算出相應數據，歸納整理后得到表1。

其中序1潤滑工況的“正常涂抹”方式為螺栓螺紋、墊片（與螺母接觸面）、螺母（與墊片接觸面）全部均勻覆蓋（圖1）；序8潤滑工況的“厚涂抹”為螺栓螺紋涂抹到堆積或流淌（圖2）；序9潤滑工況的“不均勻涂抹”為螺栓螺紋隨機漏涂（圖3）；序11潤滑工況的螺紋“條狀涂抹”為在螺栓螺紋上均布涂抹四條潤滑劑（圖4）。序17潤滑工況中的晾干時長為1 h，自然風干。

3.3? ? 差異對比分析

從表1可知，螺栓、墊片和螺母均正常均勻涂抹潤滑劑的螺栓扭矩系數平均值為0.157 8，離散系數為3.929 0%，將作為后續結果對比的基準數據。當螺栓沒有潤滑劑時，扭矩系數平均值達到最大值0.277 7，離散系數為5.437 5%，無潤滑與全潤滑的扭矩系數差異較大，約為全潤滑的1.7倍，且離散系數較大。半潤滑（序3）的螺栓扭矩系數較正常涂抹有輕微上升，約1.5%，但其在標準偏差和離散系數上有15%的下降；螺栓經多次重復使用（排除溫升影響），扭矩系數會逐漸減小，在重復使用3～4次后，扭矩系數逐步下降至某一數值保持穩定。

分別對連接副潤滑的位置、厚薄和在復雜工況下正常潤滑等方面的各項數據進行對比，對比結論如下：

1）針對螺栓螺紋不同潤滑位置、潤滑方式對螺栓扭矩系數的影響，對比螺紋不均勻涂抹（序9）、螺紋僅旋合位置涂抹（序10）、正常涂抹（序1）以及螺紋條狀涂抹（序11）測試數據，結果顯示：這四種潤滑工況扭矩系數、離散系數數值逐步下降，其中條狀涂抹測試數據最優，如圖5所示；螺紋僅旋合位置涂抹或不均勻涂抹會導致螺栓的扭矩系數、離散系數增大。螺紋不均勻涂抹（序9）、螺紋僅旋合位置涂抹（序10）的標準偏差在國家規定值0.01附近，且離散系數處于較高值。

2）針對潤滑劑量對螺栓扭矩系數的影響，對比序5～序8四種潤滑工況下的測試數據，結果顯示：薄涂抹的螺栓扭矩系數有變小趨勢，但離散系數會變大；厚涂抹的離散系數雖然會變小，但扭矩系數會上升。以上數值變化均在正常范圍內。

3）針對復雜現場潤滑工況，對比序12～序20九種潤滑工況下的測試數據，結果顯示，在螺栓螺紋表面有油污、灰塵、水、銹跡時扭緊，螺栓的扭矩系數和離散系數均較正常涂抹時變大。其中，螺栓螺紋表面有水和銹跡對螺栓的離散度影響顯著；軸承潤滑脂和油污對螺栓的影響較小；螺栓螺紋表面有灰塵時，螺栓扭矩系數和離散系數雖然在正常范圍內，但屬于正常高值。

4? ? 結論與啟示

因擰緊工具價格便宜，操作方便快捷，螺栓的緊固一直以來普遍采用扭矩緊固法，但是目前行業標準在緊固潤滑方面的工藝要求和規定不夠詳細，實際作業時，容易出現涂抹樣式不一的情況，進而導致螺栓扭矩系數不同，可能存在相同預緊扭矩下，螺栓實際軸力分散性較大、連接不穩定、不可靠等風險。

本文對M30高強度螺栓在多種潤滑工況下的實測數據進行量化對比，得到不同潤滑工況下螺栓扭矩系數及其離散變化的規律和結論：

1）螺栓無潤滑或打濕時涂抹潤滑劑，對扭矩系數影響非常顯著；螺栓打濕后即使短時晾干、生銹后除銹對扭矩系數的離散系數仍然影響顯著。因此，對于采用扭矩法安裝的螺栓，應做好螺栓的防潮、防水和防銹。

2）僅螺栓螺紋均勻涂抹潤滑劑（半潤滑）的各項數據大幅優于無潤滑，接近正常潤滑，雖扭矩系數比正常潤滑略微增大，但是在穩定性方面有提升。

3）螺紋不均勻涂抹、僅旋合位置涂抹、螺紋有灰塵時涂抹潤滑劑對螺栓扭矩系數的離散系數影響較大。

4）螺紋條狀涂抹的各方面數據較好，但條狀涂抹在實際作業時難以按規定保證涂抹條數及長度，易造成不均勻涂抹或僅旋合位置涂抹，導致扭矩系數及其標準偏差均較正常值偏大，故較大規格螺栓潤滑時不推薦使用條狀涂抹。

5）螺栓有油污、軸承潤滑脂或螺栓輕度碰傷修復后正常潤滑，對螺栓扭矩系數影響微弱，可不進行干預。

6）連接副潤滑劑涂抹的厚薄差異對螺栓扭矩系數影響很小，但不均勻涂抹會使螺栓扭矩系數的離散系數增大。

因此，對于分散度要求嚴格的場景，為兼顧螺栓的緊固質量和涂抹標準化，推薦采用全潤滑的方式“正常涂抹”，即用干凈的硬毛油漆刷將潤滑劑薄而均勻地涂覆在干凈連接副表面規定位置，用量以覆蓋螺栓表面為宜，既不能少到露出螺栓金屬表面，也不能多到在螺栓金屬表面堆積、流淌。對于普通螺栓的安裝場景，可兼顧裝配工藝和安裝效率需求，考慮選擇半潤滑（僅螺栓螺紋部分潤滑）或條狀涂抹的潤滑工藝。

[參考文獻]

[1] CROCCOLO D，DE AGOSTINIS M，FINI S，et al.Tribolog-

ical properties of bolts depending on different screw coatings and lubrications：An experimental study[J].Tribology International，2017，107：199-205.

[2] 王常川，杜利清，金文偉，等.螺紋潤滑對螺紋副扭矩系數的影響及擰緊工藝探討[J].內燃機與配件，2018（8）：50-52.

[3] 鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件：GB/T 1231—2006[S].

收稿日期：2024-02-04

作者簡介：賀茁煒（1995—），男，四川樂山人，助理工程師，研究方向：風電機組工藝設計。