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高强度螺栓连接副扭矩系数测试结果的影响因素分析
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2014-8-18 9:52:25

钢结构上的各个连接点的连接质量直接关系到整个工程的质量,而高强度螺栓连接副的扭矩系数是众多连接参数中的一个,可见,测试高强度螺栓连接副的各个参数有十分重要的意义。

一、对实际测试高强度螺栓连接副扭矩系数的计量器具和测试方法的分析

电子轴力计在现场复验过程中检出扭矩系数不合格的螺栓,其原因是错综复杂的。下面从测试的设备着手,对其具体原因进行分析。连接副预拉力测量采用了由常州市计量产品技术研究所开发的ZLJ型电子轴力计,准确度等级为1级,测量范围为(0~490)kN,测量螺栓的规格为M12~M30,螺杆长度为(70~200)mm;扭力扳手为中国航空工业东方仪器厂生产的,其型号为NB-1000(300~1000)N·m,准确度等级为4级,使用前经计量部门检定合格。

具体的测试操作方法及扭矩系数计算方法如下:

(1)测试用螺栓在施工现场待安装的螺栓批中随机抽取,每批抽取8套连接副进行测试,每套连接副只做一次试验,不重复使用。

(2)按不同规格的螺栓,选用相对应的前后夹具,装入轴力计,轻轻拧上螺丝;在螺栓未受轴力时,将仪表清零。

(3)用扭矩扳手施拧扭矩,此时仪表显示轴力逐步加大;待扭矩扳手发出响声时,仪表显示值即为螺栓预拉力。

(4)测量结束,按式(1)计算扭矩系数K

式中:T——施拧扭矩,N·m;d——高强度螺栓螺纹规格(螺纹公称直径),mm;P——螺栓预拉力,kN。

以上各项均符合GB50221-1995《钢结构工程质量检验评定标准》的相关要求,因此,测试扭矩系数的方法和结果的可信度是可以得到保证的。

二、对高强度螺栓连接副结构参数和加工质量的分析

由式(1)可知,与计算扭矩系数K相关的参数有3个(施拧扭矩、螺纹公称直径、螺栓预拉力),由此可以从这三个方面寻找影响扭矩系数的因素。众所周知,用螺栓装配连接件是通过紧固螺母来达到一定的装配预紧力,从而使连接件表面之间产生一定的摩擦力F传递载荷。装配时的预紧力P是通过拧紧力矩T来控制的。

由分析可知,拧紧力矩T是螺纹副之间的摩擦力矩T1与螺母环形谐面和被连接件(或垫圈)支承面之间的摩擦力矩T2之和。即

T=T1+T2 (2)

因为 (3)

所以 (5)

由式(1)可知T=Kd·P

经整理后得

式中:T1——螺纹副之间的摩擦力矩,N·m;P——装配时的预紧力,kN;d′——螺纹中径,mm;λ——螺纹升角;T2——螺母环形谐面和被连接件(或垫圈)支承面之间的摩擦力矩,N·m;ρ——螺纹副当量摩擦角;f′——螺纹与支承面间的摩擦系数;D——螺纹环形支承面外径,mm;d0——螺栓孔直径,mm。

式(6)是扭矩系数的一个推导公式,仔细分析不难看出,影响高强度螺栓连接副扭矩系数的因素有哪些。螺纹中径、螺纹升角、螺纹环形支承面外径、螺栓孔直径等作为螺栓标准件的尺寸和参数在国家标准中都有明确的规定,如果所有的这些尺寸在实际的机械加工中都能够得到保证,其就不会成为影响扭矩系数的主要原因。螺纹副当量摩擦角、螺纹与支承面间的摩擦系数,都归咎于螺纹副的表面粗糙度。这些因素不仅与螺栓的加工质量有关,还与螺栓的选材及加工后的热处理有关。这些看似非主要影响因素的成分是有些螺栓在扭矩测试过程中出现扭矩系数超差的真正原因。只有严格控制高强度螺栓加工和测试过程的每一个环节,才能有效地保证扭矩系数,才能够使众多钢结构工程质量得到保证。


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