螺栓潤滑對高強度螺栓扭矩系數影響的試驗研究

摘要：高強度螺栓在采用扭矩法緊固時，由于扭矩系數的離散，產生夾緊力大小不同。在有較高夾緊力要求的場合下，扭矩系數對螺栓聯接性能有較大的影響。通過對比試驗，在相同試驗情況下，對螺栓進行不同程度的潤滑，測得不同情況下扭矩系數，探究螺栓潤滑對螺栓扭矩系數的影響。結果表明：在對螺栓頭部與連接件的接觸面及螺紋部分均進行潤滑的情況下，螺栓的扭矩系數更小、更穩定。

關鍵詞：高強度螺栓；扭矩系數；螺栓潤滑

高強度螺栓指強度等級在8.8級及以上的螺栓。由于其較高的性能表現，常被用于高精度、高載荷或一些特殊的連接中[1]。

目前行業內的螺栓緊固常見的方法是扭矩法、轉角法、扭矩斜率法及拉伸法[2]。最常采用的安裝緊固方法是扭矩法，即將螺栓緊固至對應緊固力矩從而達到要求的緊固效果。扭矩法的主要優點是操作簡單，易于工藝實現。在工藝設計時，確定連接件所需的夾緊力，通過測量扭矩系數，便可計算出對安裝時對螺栓應施加的緊固力矩。

在實際操作中，螺栓扭矩系數通常是一個統計量，通過實際測量及統計方法計算的一個值，每個螺栓的扭矩系數在計算值上下的范圍內浮動。在螺栓表面涂抹相應的潤滑脂潤滑油可降低扭矩系數，相同扭矩下產生的夾緊力變大。同時，潤滑可以提升扭矩系數的穩定性[3]。本文在不同潤滑狀態況下對螺栓扭矩系數進行測量，確定不同潤滑狀態對扭矩系數的影響，為螺栓聯接工藝在設計時提供參考。

理論分析

扭矩系數K是根據測試數據計算出來的，國標GB/T 16823.3－2010計算公式為

K=T/fd （1）

式中 T——螺栓緊固力矩，單位為N·m；

F——夾緊力，單位為kN；

d——螺紋公稱直徑，單位為mm。

通過式（1）可以得出，由于d為螺栓公稱直徑，K決定了緊固力矩T轉化成夾緊力F的比例，在相同的緊固力矩下，K值不同產生的夾緊力F會有不同。同時，對于K的計算，只需測量緊固力矩T及夾緊力F。

根據緊固件行業內共識，影響扭矩系數的重要因素為摩擦，其中主要包括螺紋副的摩擦及螺栓頭與支撐面的摩擦。螺紋摩擦與支撐面摩擦消耗占緊固扭矩的大部分。相關結論表明[4]：螺栓頭部/螺母在支撐面的摩擦消耗約占緊固力矩的45%～50%，螺紋摩擦消耗約占35%～40%，通過螺紋轉化為夾緊力的僅占10%～20%。

影響摩擦系數的因素很多，摩擦系數的波動則很可能導致相同條件下兩個螺栓的夾緊力不同。若在相關摩擦面涂抹潤滑脂，則會降低摩擦系數并使得摩擦系數更加穩定，從而降低扭矩系數，改善扭矩系數離散性。

試驗研究

為了進一步探究潤滑對扭矩系數的具體影響，根據上述螺栓摩擦的理論分析，對螺栓頭部與支撐面接觸部分及螺栓螺紋潤滑可以改善扭矩系數的離散性。

在本次試驗中確定三種潤滑狀態：不潤滑，即螺栓不進行潤滑，直接與螺紋孔連接；螺紋潤滑，即只對螺栓的螺紋進行潤滑，一般稱半潤滑；螺紋加支撐面潤滑，即螺栓頭部與支撐面接觸部分及螺栓螺紋都進行潤滑，一般稱全潤滑，如圖1所示。在這三種潤滑狀態下測量螺栓的扭矩系數，探究潤滑方式對扭矩系數的具體影響。

1.試驗設備及結構

螺栓夾緊力的測量采用壓力傳感器，其圓柱中間留有通孔，方便螺栓從其中穿過，將夾緊力均勻施加在壓力傳感器上。壓力傳感器量程為200kN，精度為0.2kN。緊固力矩使用扭矩扳手控制，精度±3%。本文選擇M12－10.9級螺栓進行測試，潤滑脂為某品牌螺栓專用潤滑脂。試驗結構如圖2所示。

2.試驗方法

查詢國標GB/T3098.1－2000，M12－10.9級螺栓保證載荷為70kN。本文根據實際應用情況，選定扭矩系數的測定時夾緊力的范圍為螺栓保證載荷的50%～80%，即載荷范圍為35～56kN。

根據測試數據，不潤滑狀態下選擇在80N·m、90N·m的緊固力矩下，半潤滑和全潤滑選擇70N·m、80N·m的緊固力矩下，測得夾緊力F來計算扭矩系數（見圖3～圖5）。

3.試驗數據及分析

根據測得數據，計算螺栓在兩個緊固力矩下的平均扭矩系數，得出扭矩系數（見表1和圖6）。

選擇標準標準偏差對扭矩系數測量值進行比較，見表2。

由表2可知，對標準差進行比較：不潤滑最大，半潤滑次之，全潤滑最小。這表明在全潤滑的情況下，扭矩系數的測量值更加集中。在測得相應的扭矩系數后，實際操作達到的夾緊力會接近計算設計的夾緊力，也會使各個螺栓之間的夾緊力更接近，夾緊力分布更均勻。

結語

1）螺栓潤滑可以改善扭矩系數的離散性，在相同的緊固力矩下，各螺栓產生的夾緊力更集中，在多螺栓聯接的情況下，夾緊力會更均勻。

2）螺栓潤滑會降低扭矩系數，在相同的緊固力矩下，螺栓產生的夾緊力更大。在采用不同潤滑時，應提前測量相關扭矩系數，再設計緊固力矩，以獲得準確的夾緊力，達到預期的緊固效果。

綜上所述，螺栓潤滑有助于提升螺栓聯接的效果，有助于獲得更加準確的夾緊力。使用扭矩法緊固螺栓，為避免產生的夾緊力過大或過小，對扭矩系數進行測量是必要的。

參考文獻：

[1] 馬曉飛.風電機組用高強度螺栓連接質量管理[J].河南科技，2023，42（9）：44-48.

[2] 楊光，張遼遠，張百慧，等.高強度螺栓扭矩系數影響因素的實驗研究[J].沈陽理工大學學報，2019，38（6）：59-63.

[3] 楊光，張遼遠，張百慧，等.潤滑對高強度螺栓扭矩系數的影響[C].中國航天第三專業信息網第四十屆技術交流會暨第四屆空天動力聯合會議論文集——S06材料、工藝與制造相關技術，2019.

[4] 趙海川，王晶.關于風電螺栓扭矩系數與摩擦系數的探討[J].風能，2010（9）：54-56.