摘要本文主要分析了常用的扭矩扳手的结构、工作原理及使用方法, 分析了影响扭矩扳手准确性的因素, 由此产生的危害及如何进行控制。

1 引言

我公司生产中, 螺纹联接质量的重要性已引起广泛重视。利用扭矩扳手控制螺纹连接的预紧力是目前比较常用的方法,也是核电站设备、受压容器和高速旋转设

备制造安装中运用最广泛的手段。螺纹联接质量是保证设备质量及设备正常运转的基础。绝大多数螺纹在联接时都要预紧,目的在于增强联接的刚性、紧密性、防松及防滑。预紧力的适当控制又是确保螺纹联接质量的关键, 因为螺纹联接的预紧力对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。将两个或两个以上的工件结合在一起的方法很多, 其中藉由螺纹方式来组合和分解是容易而且理想的选择。螺纹结合主要是夹紧物体的力必须大于使它们分开的力, 而螺栓须处于固定的应力下且不受疲劳强度的影响但是, 如果预紧力太小, 作用在螺栓上的不同方向的负载会很快让螺栓松动脱落; 如果预紧力太大, 锁紧的过程可能导致螺栓疲劳失效。过大或过小的预紧力均是有害的, 所以预紧力的大小、准确度都十分重要, 从而使预紧力的控制成为螺纹联接的重要问题之一。常用的控制预紧力方法有力矩法、螺母转角法、螺栓预伸长法、特殊垫圈法等, 我公司常用的是力矩法, 即用扭矩扳手达到规定的预紧力。

2 产品装配时使用扭矩扳手的意义

预紧力大小的控制主要依赖扭矩扳手来实现, 不适当的预紧力可引起一系列不良后果:

(l) 螺纹联接零件的静力破坏

若螺纹紧固件拧得过紧, 即预紧力过大, 则螺栓可能被拧断, 联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂, 也可能造成螺纹牙被剪断而脱扣。

(2) 被联接件滑移、分离或紧固件松脱

对于承受横向载荷的普通螺栓联接,预紧力使被联接件间产生正压力, 依靠摩擦力抵抗外载荷, 因此, 预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足, 被联接件将出现滑移, 从而导致被联接件错位、歪斜、折皱, 甚至紧固件被剪断。对于受轴向载荷的螺栓联接, 预紧力使接合面上产生压紧力, 受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。预紧力不足会导致接合面泄漏, 如压力管道漏水、漏气,甚至导致两被联接件分离, 还将引起强烈的横向振动, 致使螺母松脱。

(3) 螺栓疲劳破坏

大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小, 但却使载荷变幅增大, 因此, 总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降。

(4 )增大设备质量与成本

若预紧力过小, 需使用较多和(或)较大的紧固件, 往往也需采用较大的被联接件, 因而增大了产品成本。同时, 许多产品的成本是与需要装配的零件数目成正比的, 所以预紧力过小将导致装配成本和制造成本及维修费用的增加。

3 公司常用扭矩扳手的工作原理和特点

扭矩是使机械构件产生转动效应, 并伴随扭转变形的力偶矩或力矩。扭矩的大小用T 来度量, 它等于力F与力臂长度l 的乘积, 即T = F · l式中l—力臂长度,m尸—作用力, 当螺帽和螺栓锁紧时, 会产生预紧力到螺栓上, 此时会有一个相对的力量产生,压缩到工件上进而将此二者紧密结合。扭矩扳手的种类繁多, 按数值显示方式不同可以分成定值式、可调式、表盘式和数显式等不同形式。我厂常用的是可调式扭矩扳手。可调式扭矩扳手手柄上带有刻度, 使用人员可以在使用前根据自己的需要调整扭矩的大小, 然后供以后使用。

结构原理见

图1 可调式扭矩板手结构原理图

A- 联接器B—轴承悄C—弹赞垫圈D 一一本体E—弹子

F—连接梢C—连杆H—滚轮】一扭拒本体J—外壳

K—手柄L—止位梢M—钢球N—剑定位盘0 - - 垫圈

P一调整本体Q—垫圈R一锁紧螺栓S—刹套筒尺口r~ - 一扭矩弹妥

U—定位螺帽V —主定位盘W— 内六角螺检X—内六角扳手Y—锁紧本体

Z—支头娜打A’—内卡黄

在使用扭矩扳手时, 将需要的扳手头子装在本体D 上, 联接器A 将扳手头子挡住, 防止脱落。使用扭矩扳手时在橡胶手柄K 中部顺时针方向施加一个平稳旋转力矩, 则本体D 将产生一个反时针方向旋转力矩, 并推动连杆G 、扭矩本体I、扭矩弹簧T 向右移动。当本体D 碰到外壳J 时发出“ 咔哒” 的机械响声, 此时产生了设定的扭矩。在手柄为不可用手左右旋转锁紧本体Y 带动其内六角扳手X 及六角螺栓W 时,顺时针方向旋转, 将主定位盘V 与副定位盘N 压紧, 此时不可调整。反时针方向转动时将主定位盘V 与副定位盘N 松开, 此时便可以调整。根据要求主副定位盘V 与N 上有分成等分的钢球凹坑, 凹坑等分与副套筒尺上刻度一一对应。主定位盘V 与副定位盘N 之间有定位钢球M , 当内六角螺栓W 松开时, 副定位盘N 可以在调整本体P 带动下转动, 推动主定位盘V 移动, 压紧或松开弹簧, 以达到调整扭矩大小的目的。内六角螺栓W 与定位螺帽U 调整好间隙以后必须焊成一体。间隙的大小直接影响扭矩扳手的准确度, 止位销L 使主定位盘V 在外壳J 上的槽里滑动而不转动。锁紧螺栓R 将调整本体P 锁紧在副套筒尺S 上, 副套简尺S 圆周上的刻度与外壳J 上主尺成游标读数型式。此种扭矩扳手的优点是体积小、经久耐用、使用方便, 准确度一般为土4 % , 达到预置扭矩值时能自动失扭; 缺点是对操作人员要求比较高, 当要达到扭矩时用力不能太猛, 必须平稳地施加一个旋转力矩, 否则, 如果用力太猛, 将产生误差。经过一段时间使用以后准确度容易降低。我厂有少量数显电子扭矩扳手。电子扭矩扳手的特点是准确度高( 土1% )、功能齐全, 主要用于比较精密的测量, 最终检验等场合。数显扭矩扳手是利用电阻应变原理的传感器和数字放大仪器、数字显示器组成。现在一般使用的传感器是在扭矩轴上贴上应变片, 当在扭矩轴上施加扭矩时应变片阻值发生变化, 造成桥路不平衡来达到测量扭矩大小的目的。数显扭矩扳手具有可直接向打印机、计算机或数据采集器进行输出的性能。

4 影响扭矩扳手准确性的因素

1 螺栓摩擦的影响

螺栓联接的扭紧力矩指达到要求预紧力时的扳手力矩。由于螺纹连接件间存在着摩擦, 而摩擦造成的损耗一般情况下是较难测定的, 工作中往往会出现取值波动或不准确的情况。在螺纹副扭紧过程中,扭矩与预紧力成正比关系:

K 可概括影响扭紧力矩与预紧力关系的每一个因素, 如摩擦系数、扭转变形、弯曲变形、螺纹牙的塑性变形等。由于扭紧系数K 与摩擦有直接关系,所以螺纹副以及连接接触面间的摩擦损耗直接左右着T 值的准确程度。扭紧螺母时, 要克服螺纹副间的螺纹力矩界和螺母与被联接件(或垫圈)支承面的端面摩擦力矩几。预紧力的大小根据螺栓组受力和联接的工况要求决定。一般规定拧紧后螺纹联接件的预紧力不得大于其材料屈服极限的so %。根据螺纹联接状态及参数, 可在产品使用手册上查出荐用的拧紧力矩指示值耳。拧紧螺母使扳手上的扭矩表读数与查出的扭紧力矩指示值耳相同即完成力矩法。对于一般的螺纹联接, 产品使用手册所列参数仅为螺纹规格及其材料的屈服极限值。对于重要的螺纹联接, 产品使用手册所列的参数包括: 螺母与被联接支承面摩擦表面状态(摩擦系数)、螺纹联接件材料的屈服极限。: 值、螺纹的种类、规格等。一般来说在使用中螺栓头底部和工件表面的摩擦使相当于50 % 的扭矩被消耗掉, 其它30 % 到40 % 的扭矩损失在螺纹处的摩擦, 仅剩下10 % 的扭矩才能有效地作用在锁紧上。多达90 % 的使用扭矩都因摩擦因素而消耗掉, 表面状况与润滑在扭矩对预紧力的关连上会有相当的影响, 随着不同表面摩擦系数的改变将有不同的结果。大部分的扭矩锁紧装置都不会使用垫圈, 因为螺帽与工件或工件与结合表面在锁紧过程中相对作用的结果会改变摩擦半径, 而影响扭矩对预紧力的关连性。当一个大的轴承表面需要使用凸缘螺帽与螺栓时, 则可利用垫圈来帮助结合。为了有利于螺栓, 一般常使用硬的垫圈来提供较低、而且稳定的摩擦。使用润滑脂的螺栓会降低扭矩, 而增加预紧力, 并且可能在到达所规定的扭矩前螺栓就已经断裂。由石墨、二硫化钥和蜡所组成的高级的润滑脂会减小摩擦力。除非特定的锁紧力需要使用, 否则可能导致预紧力过大而使螺栓产生断裂。然而, 在使用中, 较低扭矩的锁紧工具可以使用润滑剂来帮助使其能以较低的扭矩产生所需的预紧力。螺栓可能会因外观或防腐蚀因素而电镀。电镀和热处理会影响摩擦系数和扭矩对预紧力的比例。螺栓上的摩擦可避免震动产生的松动, 像防松螺帽被用来确保锁紧力。无论螺纹副或者接触面之间的摩擦系数都是影响扭矩值的主要原因, 必须控制螺栓、螺帽的材质、热处理、加工精度, 并仔细检查有无划伤、滑扣、裂口、凹痕、缩颈或裂纹(用探伤检查), 或螺栓、螺母配合松弛, 螺栓能否与螺栓孔紧密配合。在运输、储存过程中一定要避免碰撞和生锈。